面向工業(yè)制造的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

趙亮 蘇向上

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)制造領(lǐng)域應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，極大推動(dòng)了智能制造的發(fā)展，已經(jīng)成為各國(guó)研究熱點(diǎn)。本文研究了物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)制造的關(guān)系，國(guó)內(nèi)外物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵問(wèn)題的研究現(xiàn)狀，最后分析了未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的研究方向。

關(guān)鍵詞：智能制造；無(wú)線通信；云計(jì)算；網(wǎng)絡(luò)安全

1 緒論

19世紀(jì)90年代開(kāi)始美國(guó)相繼提出 “聰明加工系統(tǒng)研究計(jì)劃”，“先進(jìn)制造聯(lián)盟計(jì)劃”，旨在運(yùn)用先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)和數(shù)字信息技術(shù)對(duì)美國(guó)工廠進(jìn)行改造，以此拉動(dòng)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)；于此同時(shí)日本實(shí)施了智能制造系統(tǒng)（IMS）的國(guó)際合作計(jì)劃，研發(fā)出人工交互的智能生產(chǎn)系統(tǒng)；2013年在漢諾威工業(yè)博覽會(huì)上德國(guó)推出了高達(dá)2億歐元的工業(yè)4.0項(xiàng)目，該計(jì)劃為德國(guó)的先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)先地位奠定了基礎(chǔ)；2015年中國(guó)政府提出《中國(guó)制造2025》戰(zhàn)略，標(biāo)志著中國(guó)制造要進(jìn)軍高端裝備制造市場(chǎng)[1][2]。 在工業(yè)4.0中，利用物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)體系激活傳統(tǒng)制造，使工廠設(shè)備像人一樣“能說(shuō)話，會(huì)思考”，實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器，機(jī)器與產(chǎn)品，機(jī)器與機(jī)器甚至客戶與產(chǎn)品的互聯(lián)互通是關(guān)鍵和突破口。

2 工業(yè)制造背景下的物聯(lián)網(wǎng)

智能制造是一種創(chuàng)新的制造技術(shù)，它不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器代替人工，提高生產(chǎn)效率，降低勞動(dòng)成本的目標(biāo)，而且還可以為客戶提供個(gè)性化，定制化的產(chǎn)品。在大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用帶有智能算法的網(wǎng)絡(luò)，有針對(duì)性的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高效，有序，合理的分配和運(yùn)行，并最終向最佳方案尋優(yōu)。作為貫穿各個(gè)制造環(huán)節(jié)的物聯(lián)網(wǎng)利用自發(fā)感知，自發(fā)傳輸，自發(fā)學(xué)習(xí)，自診斷，自恢復(fù)等特點(diǎn)獲取產(chǎn)品在制造，銷(xiāo)售，維修等階段的信息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互，和機(jī)器，人，產(chǎn)品三者之間的互聯(lián)互通。

2.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)構(gòu)體系

如上圖所示，在技術(shù)框架上物聯(lián)網(wǎng)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層是依靠各種傳感器、二維碼，RFID電子標(biāo)簽等來(lái)采集信息；網(wǎng)絡(luò)層利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)，也可以依托專用通信網(wǎng)絡(luò)，來(lái)傳遞、管理和處理感知層產(chǎn)生的信息；應(yīng)用層是對(duì)信息進(jìn)行分析、處理、挖掘，從而對(duì)設(shè)備進(jìn)行有效的監(jiān)管、控制、決策，其主要涉及云計(jì)算技術(shù)、算法和軟件、信息隱私安全技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)[3]。

2.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究的核心問(wèn)題

物聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)了工業(yè)的發(fā)展和轉(zhuǎn)型，但是隨著時(shí)代變化和技術(shù)的革新，工業(yè)制造對(duì)物聯(lián)網(wǎng)也提出了更高的要求，因此對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研究主要集中在以下四個(gè)方面[4]：第一，射頻識(shí)別技術(shù)（RFID）。該技術(shù)通過(guò)射頻信號(hào)空間耦合，不需要與被識(shí)別物品直接接觸即可完成數(shù)據(jù)的輸入和輸出；第二，網(wǎng)絡(luò)通信問(wèn)題。靠物聯(lián)網(wǎng)連接在一起的機(jī)器，人，產(chǎn)品之間的信息傳輸有多種可以選擇，但是目前的物聯(lián)網(wǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能化傳感節(jié)點(diǎn)技術(shù)，自身檢查診斷技術(shù)以及安全加密技術(shù)有待進(jìn)一步的研究和加強(qiáng)。第三，納米技術(shù)。在傳感器中小體積，低功耗，高精度的微型傳感器越來(lái)越被重視，該技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于讓更多微小物體嵌入智能從而增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)的威力。第四，數(shù)據(jù)融合。物聯(lián)網(wǎng)上大量信息冗余，勢(shì)必會(huì)造成帶寬和資源的浪費(fèi)，影響信息收集的時(shí)效性，因此要對(duì)信息融合，得到用戶滿意的信息使得物體能夠主動(dòng)與用戶溝通。由此可見(jiàn)，要真正實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能，只有全面融合和研究以上熱點(diǎn)問(wèn)題，物聯(lián)網(wǎng)才能得到市場(chǎng)的認(rèn)可和接受。

3 研究現(xiàn)狀

特別是最近幾年日本、美國(guó)、德國(guó)等世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家在物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)，云計(jì)算技術(shù)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)等領(lǐng)域的做了深入研究，其研究工作走在世界前列[5]。工業(yè)無(wú)線通信技術(shù)方面，目前常被關(guān)注的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)有IS A100.11a，WirelessHART和WIA-PA，這三種標(biāo)準(zhǔn)是目前最成熟的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，廣泛應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)、診斷、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域；云計(jì)算方面，亞馬遜網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（AWS）推出了其桌面即服務(wù)（DaaS）WorkSpaces，進(jìn)一步擴(kuò)展其云生態(tài)系統(tǒng)；思科與VMware合作推出DaaS產(chǎn)品，該產(chǎn)品利用思科Validated Design框架整合Deskone技術(shù)為用戶提供VDI服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)安全方面，愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（INL）建立SCADA安全發(fā)展實(shí)驗(yàn)室和研究中心，重點(diǎn)研究開(kāi)發(fā)信任錨，保護(hù)過(guò)程控制系統(tǒng)免受攻擊[6]；西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（PNNL）提出SSCP（安全SCADA通信協(xié)議）概念[7]。

4 未來(lái)研究方向

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，雖然目前在全球范圍內(nèi)尚處于起步階段，但是未來(lái)的發(fā)展和市場(chǎng)是巨大的，要使這一新興產(chǎn)業(yè)繼續(xù)保持活力并換發(fā)生機(jī)，結(jié)合工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)自身存在的問(wèn)題和目前研究的現(xiàn)狀，本文認(rèn)為未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的研究方向應(yīng)該在以下幾方面展開(kāi)：首先，統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)調(diào)機(jī)制。目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展水平不高除了技術(shù)原因之外，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一也嚴(yán)重制約其發(fā)展；第二，泛在計(jì)算，借助計(jì)算機(jī)交互設(shè)備主動(dòng)接受信息服務(wù)，從根本上改變?nèi)巳ミm應(yīng)計(jì)算器計(jì)算被動(dòng)思想模式。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著生產(chǎn)力的不斷提高，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改變了現(xiàn)有的生產(chǎn)制造方式，工業(yè)制造由原來(lái)的傳統(tǒng)制造邁向智能制造，加速了第四次工業(yè)革命的到來(lái)。但是應(yīng)該看到目前的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平不高，存在的問(wèn)題也很多，因此立足當(dāng)前，著眼未來(lái)，加強(qiáng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)技術(shù)研究，對(duì)其存在關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行突破，促使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)形成產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；?，推動(dòng)智能制造向更高水平發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：趙亮，碩士，研究方向復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化；蘇向上，碩士，研究方向控制理論與工程。