物聯(lián)網(wǎng)（IoT）正在改變?nèi)藗兣c周圍事物互動的方式。它不僅對消費者應(yīng)用有吸引力，而且對工業(yè)領(lǐng)域也有吸引力，這就是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT（Industrial IoT）。

IIoT連接所有工業(yè)資產(chǎn)，包括機器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)和業(yè)務(wù)流程。因此，大量的數(shù)據(jù)被收集以提供分析解決方案，以實現(xiàn)最佳的工業(yè)運營。IIoT影響著整個產(chǎn)業(yè)價值鏈，是智能制造的必然要求。

“物聯(lián)網(wǎng)”是“互聯(lián)網(wǎng)”的擴展，從概念上，物聯(lián)網(wǎng)離不開互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，前者以“感知”為核心，后者以“鏈接”為核心。事實上，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)正在從單純的“人上網(wǎng)”發(fā)展成為包含人和物的互聯(lián)。有理由相信，“物聯(lián)網(wǎng)”與“互聯(lián)網(wǎng)”的界限會越來越模糊。

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”可以看作是“互聯(lián)網(wǎng)”的子集。它是企業(yè)內(nèi)部、企業(yè)之間、產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、營銷與服務(wù)的“工業(yè)互聯(lián)”。而“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”又可看作是“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的子集，感知（或傳感）是其基本特征。事實上，通俗地講（雖然不準(zhǔn)確但便于理解），工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重在“工業(yè)管理”，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)則是“工業(yè)管理”中的“工業(yè)操作”。

不過，在有些場合，人們并沒有太注重區(qū)分工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

1、物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1.1 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）可實現(xiàn)物物相連、物人相連、人與人之間任何時間、地點的有效連接。物聯(lián)網(wǎng)使得傳感器和設(shè)備可以在智能環(huán)境中無縫通信，并以方便的方式實現(xiàn)跨平臺的信息共享。

在過去幾年中，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為一種新趨勢，移動設(shè)備，交通設(shè)施，公共設(shè)施和家用電器都可以用作物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)采集設(shè)備。日常生活中的電子設(shè)備（如：手表）以及家用電器（如冰箱）都可以連接到物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)遠程控制。物聯(lián)網(wǎng)中，傳感器設(shè)備感知并傳送數(shù)據(jù)，設(shè)備和物體可以通過各種通信方式連接，例如，如藍牙、WiFi、ZigBee和GSM，上述設(shè)備接收遠程控制設(shè)備的命令，從而實現(xiàn)了計算機的系統(tǒng)與物理世界的集成，以提高了人們的生活水平。

1.2 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）涵蓋了機器對機器(M2M）和自動化應(yīng)用的工業(yè)通信技術(shù)領(lǐng)域。IIoT讓人們更好地理解了工業(yè)生產(chǎn)過程，從而實現(xiàn)高效和可持續(xù)的生產(chǎn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)旨在實現(xiàn)海量工業(yè)實體的智能化協(xié)作，改變工業(yè)生產(chǎn)形態(tài)的未來工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施，需要運用新一代技術(shù)理念，對不同種類工業(yè)實體乃至整個工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進行建模和管控，對工業(yè)和社會資源進行高效整合，從而實現(xiàn)工業(yè)實體的智能化發(fā)展[1]。

1.3 物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別與聯(lián)系

總體上，IIoT可看作是IoT的一個子集。

（1）服務(wù)類型不同

通常的物聯(lián)網(wǎng)仍然以人為中心，“物”是智能電子設(shè)備之間的互動、相互聯(lián)系，以增加人類對周圍環(huán)境感知和響應(yīng)。一般來說，物聯(lián)網(wǎng)通信可以分為機器對用戶通信和客戶機-服務(wù)器交互兩類。

IIoT中的通信是面向機器的，可橫跨各種不同的市場和應(yīng)用。IIoT場景包括：i）監(jiān)視類應(yīng)用，例如工廠生產(chǎn)過程的監(jiān)視，和ii）對于自組織系統(tǒng)的創(chuàng)造應(yīng)用，例如自動化的工業(yè)工廠。

（2）連接設(shè)備不同

物聯(lián)網(wǎng)更注重設(shè)計新的標(biāo)準(zhǔn)，以一個靈活的、用戶友好的方式將新的設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。相比之下，目前的IIoT設(shè)計強調(diào)的是集成和連接工廠、機器，從而提供更高效的生產(chǎn)和新服務(wù)。基于這個原因，與物聯(lián)網(wǎng)相比，IIoT可以與其說是一場革命，不如說是一場進化。

（3）網(wǎng)絡(luò)要求不同

物聯(lián)網(wǎng)更加靈活，允許臨時和移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具有較低的時序和可靠性要求（除醫(yī)療應(yīng)用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)點固定、中心化網(wǎng)絡(luò)管理。IIoT的通信是機器對機器的連接，必須滿足嚴(yán)格的實時性和可靠性要求。

（4）數(shù)據(jù)量不同

物聯(lián)網(wǎng)生成的數(shù)據(jù)來自于應(yīng)用，因此，其傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大數(shù)據(jù)分析，例如預(yù)測工業(yè)維護，因此，在IIoT中，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量非常大。

2、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)

我們從不同的角度闡述工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，以便更深入地把握其內(nèi)涵。

2.1 基于系統(tǒng)概念的IIoT架構(gòu)描述

從工業(yè)系統(tǒng)的角度，文獻[4]給出了比較簡潔的IIoT系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分為三層：物理層、通信層和應(yīng)用層。

物理層

由廣泛部署的物理設(shè)備組成，如傳感器、執(zhí)行器、制造設(shè)備、設(shè)施實用程序以及其它工業(yè)制造和自動化相關(guān)對象。

通信層

由眾多通信網(wǎng)絡(luò)的集成，如無線傳感器和執(zhí)行器網(wǎng)絡(luò)（WSANs）、5G、M2M、SDN等。在智能工業(yè)應(yīng)用中，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將必然支持相當(dāng)數(shù)量的傳感器和執(zhí)行器的互連。

應(yīng)用層

由各種工業(yè)應(yīng)用組成，包括智能工廠、智能供應(yīng)鏈等。這些智能工業(yè)應(yīng)用利用眾多的傳感器和執(zhí)行器，實現(xiàn)實時監(jiān)控、精確控制和有效管理。

上述結(jié)構(gòu)簡單明了，便于理解IIoT的基本概念。

2.2 面向服務(wù)的IoT體系架構(gòu)描述

文獻[2]描述了面向服務(wù)（SOA）的IoT體系架構(gòu)，這種體系架構(gòu)強調(diào)異構(gòu)設(shè)備之間的可擴展性、可伸縮性、模塊化和使用不同技術(shù)的互操作性，便于從技術(shù)層面理解IIoT。該結(jié)構(gòu)分為四層：傳感層、網(wǎng)絡(luò)層、服務(wù)層以及接口層。

圖2 面向服務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[2]

傳感層

傳感層是物聯(lián)網(wǎng)的基本特征，由傳感（例如RFID和智能傳感器等）以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)感知/采集協(xié)議構(gòu)成。

物聯(lián)網(wǎng)可以看作是一個能夠在全球范圍內(nèi)進行遠程連接和控制的網(wǎng)絡(luò)。這種對物體實現(xiàn)遠程連接與控制的基本需求是傳感（感知）。在傳感層，帶有標(biāo)簽或傳感器的無線智能系統(tǒng)能夠在不同的設(shè)備之間自動感知和交換信息。這些技術(shù)顯著提高了物聯(lián)網(wǎng)感知和識別物體或環(huán)境的能力。在某些工業(yè)中，需要分配通用唯一標(biāo)識符（UUID）給每個可能的服務(wù)或設(shè)備，具有UUID的設(shè)備可以很容易地識別和檢索。

網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層的作用是實現(xiàn)所有物體的連接，并允許設(shè)備與連接的其它設(shè)備共享信息。網(wǎng)絡(luò)層實際上由多種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)層能夠從現(xiàn)有的IT基礎(chǔ)設(shè)施（如商業(yè)系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、電網(wǎng)、醫(yī)療系統(tǒng)、ICT系統(tǒng)等）獲取信息并聚合信息。在IIoT中，提供服務(wù)的設(shè)備通常部署在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，所有相關(guān)的設(shè)備都被引入到服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中。此過程可能涉及QoS管理和滿足用戶應(yīng)用的需求。另一方面，對于動態(tài)變化的網(wǎng)絡(luò)來說，自動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。設(shè)備需要自動分配角色來部署、管理和調(diào)度，并根據(jù)需要隨時切換到任何其它角色。這些功能使設(shè)備能夠合作完成任務(wù)。為了設(shè)計IIoT的網(wǎng)絡(luò)層，設(shè)計者需要解決諸如異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)問題，能源有效性，QoS要求，服務(wù)發(fā)現(xiàn)和檢索，數(shù)據(jù)和信號處理，安全性和隱私性，等等。

服務(wù)層

服務(wù)層依賴于中間件技術(shù)，該技術(shù)提供了無縫集成物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和應(yīng)用程序的功能。中間件技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)提供了一個低成本的平臺，其中的硬件和軟件平臺可以重復(fù)使用。服務(wù)層主要提供一個由不同組織開發(fā)的中間件的服務(wù)規(guī)范。一個良好的服務(wù)層將能夠識別通用的應(yīng)用需求，并提供API和協(xié)議來支持和滿足所需的服務(wù)、應(yīng)用和用戶需求。服務(wù)層還處理所有面向服務(wù)的問題，包括信息交換和存儲、數(shù)據(jù)管理、搜索引擎和通信。

接口層

在IIoT中，大多數(shù)設(shè)備由不同的制造商/供應(yīng)商制造，因此，它們可能遵循不同的標(biāo)準(zhǔn)/協(xié)議。由于異構(gòu)性的存在，在信息交換、設(shè)備之間的通信以及不同設(shè)備之間的協(xié)同事件處理等方面存在著許多交互問題。此外，參與物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備不斷增加，使得動態(tài)連接、通信、斷開連接和操作變得更加困難。接口層也有必要簡化事物的管理和互聯(lián)。通用即插即用（UPnP），定義了一個規(guī)范，用于促進提供的各種服務(wù)的交互。接口概要文件用于描述應(yīng)用程序和服務(wù)之間的規(guī)范。

2.3基于云的IIoT基礎(chǔ)架構(gòu)描述

文獻[5]描述了典型的基于云的IIoT基礎(chǔ)架構(gòu)，由三層組成：設(shè)備層，網(wǎng)關(guān)層和云服務(wù)層，見圖3。

圖3?基于云的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[5]

設(shè)備層

設(shè)備層包括異構(gòu)IIoT設(shè)備，從功能強大的計算單元到極低功耗的微控制器，不一而足。這些設(shè)備通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)連接到網(wǎng)關(guān)層。

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的資源有限，包括內(nèi)存大小、計算能力和通信帶寬等。此外，這些設(shè)備及其所采用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有高度的異構(gòu)性，給IIoT設(shè)備的互連帶來了很大的挑戰(zhàn)。由于異構(gòu)性，設(shè)備之間的互操作性應(yīng)當(dāng)放在首位，以使得異構(gòu)設(shè)備可以在語法和語義上以用戶可接受的形式進行轉(zhuǎn)換。

網(wǎng)關(guān)層

大多數(shù)公司和組織都部署自己的自定義網(wǎng)關(guān)來管理本地IIoT網(wǎng)絡(luò)，聚合數(shù)據(jù)，并充當(dāng)通往云的橋梁。這些定制的網(wǎng)關(guān)通常是已部署的IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，直接導(dǎo)致“煙囪式”解決方案。這進一步導(dǎo)致了互操作性問題，即一個組織提供的數(shù)據(jù)和服務(wù)不能被其他組織的設(shè)備共享或使用（由于不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，數(shù)據(jù)格式等），并且所采用的安全機制通常是專有的。

云服務(wù)層

云服務(wù)層提供與云相關(guān)的功能，例如數(shù)據(jù)庫服務(wù)和應(yīng)用服務(wù)，以管理本物聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)。本地物聯(lián)網(wǎng)和云服務(wù)層共同構(gòu)成了最常見的現(xiàn)有基于云的物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

?3、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 ?識別和追蹤技術(shù)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及的識別和跟蹤技術(shù)包括RFID系統(tǒng)、條形碼和智能傳感器等。一個簡單的RFID系統(tǒng)由一個RFID閱讀器和一個RFID標(biāo)簽組成。RFID系統(tǒng)具有識別、跟蹤和跟蹤設(shè)備的能力，其越來越多地應(yīng)用于物流、供應(yīng)鏈管理和醫(yī)療服務(wù)監(jiān)控等行業(yè)。RFID系統(tǒng)的還能提供所涉及設(shè)備的實時信息，降低人工成本，簡化業(yè)務(wù)流程，提高庫存信息的準(zhǔn)確性，提高業(yè)務(wù)效率?；赗FID的應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間應(yīng)用。

為了進一步推動RFID技術(shù)的發(fā)展，RFID可以與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，更好地實時跟蹤物體。特別是新興的無線智能傳感器技術(shù)，如電磁傳感器、生物傳感器、船外傳感器、傳感器標(biāo)簽、獨立標(biāo)簽和傳感器設(shè)備等，進一步促進了工業(yè)服務(wù)的實現(xiàn)。將智能傳感器獲取的數(shù)據(jù)與RFID數(shù)據(jù)集成，可以創(chuàng)建更適用于工業(yè)環(huán)境的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

3.2 通信技術(shù)

IIoT涉及到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)、無線局域網(wǎng)等多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)幫助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)交換信息。網(wǎng)關(guān)能夠促進網(wǎng)絡(luò)上各種設(shè)備之間的通信，網(wǎng)關(guān)還可以用來處理網(wǎng)絡(luò)上通信中涉及的復(fù)雜節(jié)點。不同的設(shè)備可能有不同的QoS需求，比如性能、能源效率和安全性。許多設(shè)備需要電池，因此，降低這些設(shè)備的能源消耗是一個首要問題。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中還涉及利用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，主要通信協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)如：RFID、NFC、IEEE802.11（WLAN）、IEEE 802.15.4（ZigBee）、IEEE 802.15.1（藍牙）、多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機器對機器（M2M）、傳統(tǒng)IP技術(shù)如IP、IPv6等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)

無線網(wǎng)絡(luò)有很多跨層協(xié)議，如無線傳感器或Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)（AHNs）。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備通常具有不同的通信和計算能力，以及不同的QoS要求，因此，在應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之前，有的需要進行修改。相比之下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點通常對硬件和網(wǎng)絡(luò)通信有相同的要求，因此，不需要改變。此外，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用互聯(lián)網(wǎng)支持信息交換和實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和AHNs不需要使用互聯(lián)網(wǎng)進行通信。

3.4 服務(wù)管理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理是指為滿足用戶或應(yīng)用需求而進行的優(yōu)質(zhì)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)管理。OSGi平臺是一個很好的例子，它應(yīng)用了一個動態(tài)SOA（面向服務(wù)）架構(gòu)來支持智能服務(wù)的部署。開發(fā)服務(wù)網(wǎng)關(guān)協(xié)議OSGi （Open Services Gateway Initiative）作為一種有效的服務(wù)部署模塊化平臺，被廣泛應(yīng)用于各種環(huán)境中（如移動應(yīng)用、插件、應(yīng)用服務(wù)器等）。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，基于OSGi平臺的服務(wù)組合可以由Apache Felix iPoJo實現(xiàn)。服務(wù)可以分為兩種類型：主要服務(wù)和次要服務(wù)。在面向服務(wù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，可以按照以下步驟創(chuàng)建并部署服務(wù)：1）開發(fā)服務(wù)組合平臺；2）抽象設(shè)備的功能和通信能力；3）提供一套共同的服務(wù)。服務(wù)標(biāo)識管理包括上下文管理和對象分類。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還可以為網(wǎng)絡(luò)中的每一個真實物體建造一面鏡子。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還具有面向服務(wù)和上下文感知的體系結(jié)構(gòu)，其中每個虛擬和物理對象都可以彼此通信。

4、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

4.1 IIoT應(yīng)用概述

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要分支，其應(yīng)用很廣闊，特別是在能源、交通運輸（鐵路和車站、機場、港口）、制造（采礦、石油和天然氣、供應(yīng)鏈、生產(chǎn)）等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)l(fā)揮重要作用。

在談到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用時，有兩點值得注意：

一是類似物聯(lián)網(wǎng)概念的工業(yè)應(yīng)用已有較長的歷史。例如，過程控制和自動化系統(tǒng)、工業(yè)以太網(wǎng)和無線局域網(wǎng)（WALN）、可編程邏輯控制器（PLC）、無線傳感器和射頻識別技術(shù)標(biāo)簽（RFID）等。但這些應(yīng)用主要是基于“自動化”考慮，而且也不與企業(yè)外部連接。

二是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念和技術(shù)可以擴展應(yīng)用到一些“非工業(yè)行業(yè)”，例如健康、安防、交通，等等。

在《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書》（2017版，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究院）[5]中，描述了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的四個應(yīng)用項目，包括：基于機床物聯(lián)網(wǎng)的租賃應(yīng)用、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的新保險模式、實現(xiàn)磨輥間軋輥流轉(zhuǎn)的全程自動控制、基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的物流自動化。但該白皮書沒有給出IIoT更全面的應(yīng)用描述。

4.2 IIoT的應(yīng)用分類

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIoT的應(yīng)用可分為過程自動化（PA）應(yīng)用和工廠自動化（FA）應(yīng)用[4]。

4.2.1 過程自動化

過程自動化，其特征是一個工業(yè)過程，例如在化工、石油和發(fā)電廠的“自主”過程，在很少甚至沒有人為干預(yù)的情況下實現(xiàn)控制和管理。過程自動化系統(tǒng)通常集成傳感器、控制器和執(zhí)行器，以實現(xiàn)信息收集、交互和過程驅(qū)動。

電力系統(tǒng)自動化（PSA）就是過程自動化的一個例子，其目的是通過各種儀表和控制裝置對發(fā)電、配電和用戶系統(tǒng)進行自動控制、監(jiān)測和保護。PSA包含三個關(guān)鍵組件：數(shù)據(jù)采集、遠程監(jiān)控和控制。數(shù)據(jù)采集用于從各種傳感和控制設(shè)備收集數(shù)據(jù)，這些設(shè)備可以在本地或數(shù)據(jù)中心進行處理；遠程監(jiān)控用于監(jiān)控電力系統(tǒng)的狀態(tài)，提醒操作中心異常情況，防止停電；PSA控制起到操作電力系統(tǒng)的作用，從操作中心控制變電站。

4.2.2 工廠自動化

工廠自動化，即制造過程的自動化，利用機器人系統(tǒng)和裝配線機械來實現(xiàn)，以提高生產(chǎn)能力和效率。例如，機械臂的外觀和驅(qū)動力通常與人類相似，并且能夠作為人類操作員執(zhí)行功能，但具有更強的魯棒性、生產(chǎn)力、精度和效率。在相同的目標(biāo)下，裝配線通常將復(fù)雜的任務(wù)分解成更小的子任務(wù)，并根據(jù)設(shè)計的工作流程執(zhí)行分步操作。

4.2.3 IIoT的基本性能特征

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的性能要求與面向消費者的物聯(lián)網(wǎng)顯著不同，特別是在時間、規(guī)模和可靠性方面。這三個基本的性能特征可以用循環(huán)時間（cycle time）、節(jié)點數(shù)和可靠性來描述。

循環(huán)時間：接收控制中心發(fā)出的命令、并將傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心所需的時間。循環(huán)時間取決于不同的應(yīng)用。例如，一般過程自動化的循環(huán)時間約為數(shù)百毫秒。

節(jié)點數(shù)：工作區(qū)中一個控制器覆蓋的節(jié)點數(shù)，它表示了系統(tǒng)的大小。

可靠性：其特征在于信息傳輸?shù)馁|(zhì)量，可以使用包錯誤率（PER，Packet Error Rate）度量。顯然，IIoT對可靠性的要求很高，例如，對一些工業(yè)環(huán)境，要求PER≤10-9。

4.3 IIoT的行業(yè)應(yīng)用

除了顯而易見的工廠自動化應(yīng)用外，本節(jié)簡要介紹工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在幾個行業(yè)中的應(yīng)用。

4.3.1 智能電網(wǎng)

電網(wǎng)包括三個基本功能：電能的產(chǎn)生（發(fā)電）、傳輸和分配。對于傳統(tǒng)電網(wǎng)，由于許多因素，如消費者的低效電器和缺乏智能技術(shù)、低效的電能輸送路由和分配、不可靠的通信和監(jiān)測，尤其是缺乏儲能機制，使得電網(wǎng)存在巨大的能源浪費。此外，電網(wǎng)還面臨其它一些挑戰(zhàn)，包括不斷增長的能源需求、可靠性、安全性、新興的可再生能源和老化的基礎(chǔ)設(shè)施問題等等。為解決上述諸多問題，基于信息處理和通信技術(shù)的智能電網(wǎng)（Smart Grid）便應(yīng)運而生，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)中將扮演重要的角色。IIoT通過提供智能設(shè)備或IoT設(shè)備（例如傳感器，執(zhí)行器和智能儀表等）來監(jiān)控、跟蹤、分析和控制，將極大地改善智能電網(wǎng)的效能和安全性等。

4.3.2 交通

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在運輸和物流領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。隨著越來越多的物體配備條形碼、RFID標(biāo)簽或傳感器，運輸和物流公司可以實現(xiàn)從產(chǎn)地到整個供應(yīng)鏈的移動運輸實時監(jiān)控。此外，IIoT有望為交通系統(tǒng)和汽車制造業(yè)的轉(zhuǎn)型提供有前景的解決方案。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以跟蹤交通車輛的當(dāng)前位置、監(jiān)測其運動并預(yù)測其未來位置。其它的應(yīng)用，例如使用無人駕駛海上交通工具監(jiān)控海底狀況、穿越海洋收集數(shù)據(jù)等等。

4.3.3 礦業(yè)安全生產(chǎn)

由于地下礦山的工作條件，礦山安全問題受到越來越多的重視。為了預(yù)防和減少礦山事故的發(fā)生，需要利用IIoT對礦山災(zāi)害信號進行感知，從而進行災(zāi)害預(yù)測預(yù)警，以提高地下生產(chǎn)安全水平。通過在地表和地下使用RFID和無線通信技術(shù)，可以追蹤地下礦工的位置，并分析從傳感器收集到的關(guān)鍵數(shù)據(jù)來加強安全措施。另外，可以使用化學(xué)和生物傳感器對地下礦工進行早期疾病檢測和診斷。這些化學(xué)和生物傳感器可以從人體和器官中提取信息生物信息，并檢測有害粉塵、有害氣體和其它會引起事故的環(huán)境危害。

4.3.4 食品供應(yīng)鏈

由于食品供應(yīng)鏈FSC具有較大的地理和時間尺度、復(fù)雜的運營流程，因此，食品供應(yīng)鏈具有分散性和復(fù)雜性等特點。這種復(fù)雜性給食品質(zhì)量管理、運營效率和公共食品安全帶來了諸多問題。IIoT可以精確跟蹤食品生產(chǎn)、加工、儲存、配送和消費的整個流程。未來的FSC系統(tǒng)將更加安全、高效、可持續(xù)。一個典型的FSC工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案包括三個部分：現(xiàn)場設(shè)備，如WSN節(jié)點、RFID閱讀器/標(biāo)簽、用戶界面終端等；由分布式計算機網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、各種軟小型計算機等骨干系統(tǒng)；無線局域網(wǎng)、蜂窩網(wǎng)絡(luò)、衛(wèi)星、電力線通信、以太網(wǎng)等通信基礎(chǔ)設(shè)施。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)提供了無處不在的聯(lián)網(wǎng)能力，所有這些元素都可以分布在整個FSC中。此外，IIoT還提供了有效的傳感功能，以跟蹤和監(jiān)測糧食生產(chǎn)過程。

4.3.5 健康服務(wù)

基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中無處不在的識別、傳感和通信能力，醫(yī)療系統(tǒng)中的所有對象（人、設(shè)備、藥物等）都可以被跟蹤并持續(xù)監(jiān)測。通過全球互聯(lián)互通，所有與醫(yī)療保健相關(guān)的信息，包括物流、診斷、治療、康復(fù)、藥物、管理、財務(wù)甚至日?；顒拥?，都可以被有效收集、管理和共享。例如，病人的心率可以由傳感器收集，然后發(fā)送到醫(yī)生的辦公室。使用個人終端及移動互聯(lián)網(wǎng)接入等，基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的醫(yī)療服務(wù)可以更具移動性和個性化。

5、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

5.1 能源效率

許多IIoT應(yīng)用設(shè)備依靠電池持久運行，而在很多應(yīng)用場合更換電池很困難甚至不可能，或者更換電池帶來的成本太高，為了在其使用壽命周期內(nèi)無需更換電池，必須對節(jié)能設(shè)計提出要求。此外，IIoT應(yīng)用設(shè)備通常需要密集部署，感測的數(shù)據(jù)需要以查詢的形式發(fā)送，或者以連續(xù)的形式發(fā)送，設(shè)備會消耗大量的能量。綜上，在IIoT中降低功耗和運行成本，是IIoT的一個重要問題。LPWAN是解決低能耗的有效途徑。它采用多種節(jié)能設(shè)計實現(xiàn)低功耗運行：通常形成星型拓撲結(jié)構(gòu)，有效避免多路分組路由消耗能量；將復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到網(wǎng)關(guān)；使用窄帶通道，從而降低噪聲水平和擴展傳輸范圍。

除了一些方法提高能源效率，比如使用輕量級通信協(xié)議或采用如上所述的低功耗無線電收發(fā)器，一種新的技術(shù)趨勢是能源收集。實際上，能源可以從環(huán)境資源中獲得，例如熱能、太陽能、振動和無線射頻（RF）能源，等等。

5.2 實時性

IIoT設(shè)備通常部署在嘈雜的環(huán)境中，并有嚴(yán)格的時間要求和可靠性要求，以能及時收集環(huán)境數(shù)據(jù)和作出控制決策。在IIoT中，時隙調(diào)度對于網(wǎng)絡(luò)所需的QoS至關(guān)重要。例如，許多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源管理是通過靜態(tài)數(shù)據(jù)鏈路層調(diào)度來實現(xiàn)實時通信的。但是這個過程速度慢，不可擴展，并且會帶來龐大的網(wǎng)絡(luò)開銷。然而，IIoT的爆炸式應(yīng)用增長，特別是在其規(guī)模和復(fù)雜性方面，已大大增加了所需實時性的難度級別。

現(xiàn)有的一些處理方法大都建立在一個集中的體系結(jié)構(gòu)上，可伸縮性有限。最近，提出了一些混合的、完全分布式的IIoT資源管理方法。然而，如何保證以有限的響應(yīng)時間來處理并發(fā)干擾，仍然是一個亟待解決的問題。

5.3 共存性

隨著IIoT設(shè)備的大量增長，許多設(shè)備使用相近頻譜，這就帶來了共存問題。設(shè)備之間的臨頻干擾必須解決。此外，由于設(shè)備密集、規(guī)模大，每種技術(shù)的特性可能會給IIoT技術(shù)帶來額外的挑戰(zhàn)。

為了共存，未來的IIoT設(shè)備最好能夠檢測、分類和減少外部干擾。雖然已有一些頻譜感知和抑制干擾的技術(shù)，但時間采樣窗口長，且要求內(nèi)存大。常規(guī)通信系統(tǒng)中的一些高效抗干擾技術(shù)，雖然有很好的性能，但一般都比較復(fù)雜，實現(xiàn)成本也高。

可以從三個維度來解決IIoT中設(shè)備多樣性的問題：多模射頻、軟件靈活性和跨技術(shù)通信。多模射頻允許不同的IIoT設(shè)備可以相互通信；軟件靈活性支持多種協(xié)議、連接框架和云服務(wù)。因此，未來需要研究如何在IIoT設(shè)備中實現(xiàn)跨技術(shù)通信。

5.4 安全性

安全性也是IIoT的一個關(guān)鍵問題。一般來說，IIoT是一個資源受限的通信網(wǎng)絡(luò)，其很大程度上依賴于窄帶通信。因此，傳統(tǒng)的保護機制不足以保護復(fù)雜的IIoT系統(tǒng)，如安全協(xié)議，輕量級密碼學(xué)和隱私保障。為了確保IIoT基礎(chǔ)設(shè)施的安全，可以在應(yīng)用IIoT安全協(xié)議之前，應(yīng)用工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加密技術(shù)。然而，一些加密算法對資源的要求比較高，例如，公鑰密碼（PKC）。這一問題在實時需求的海量數(shù)據(jù)交換的應(yīng)用中更為突出。

在設(shè)計安全的IIoT基礎(chǔ)設(shè)施時，需要考慮以下幾個安全特性:

1）IIoT設(shè)備需要具有防篡改能力，以抵抗?jié)撛诘奈锢砉簦?/p>

2）IIoT設(shè)備的存儲需要對數(shù)據(jù)進行加密，以達到保密目的；

3）對IIoT設(shè)備之間的通信網(wǎng)絡(luò)進行保密和完整性保護；

4）IIoT基礎(chǔ)設(shè)施需要高效的標(biāo)識和授權(quán)機制，只有授權(quán)的實體才能訪問IIoT資源；

5）即使受到惡意用戶對設(shè)備的物理損壞，系統(tǒng)還可正常運行，以保證IIoT的魯棒性。

對稱密鑰密碼學(xué)可以為IIoT設(shè)備提供輕量級的解決方案。然而，如果使用對稱密鑰加密，尤其針對低容量設(shè)備時，密鑰存儲和密鑰管理都是大問題。此外，如果IIoT中的一個設(shè)備被破壞，它可能會泄漏所有其他密鑰。公鑰密碼學(xué)通常提供更安全的特性和更低的存儲要求，但由于復(fù)雜的加密算法而帶來的高計算開銷也是一大問題。橢圓曲線密碼學(xué)（ECC）是一個好的解決方案，它提供了更小的密鑰，減少了存儲和傳輸要求。

IIoT設(shè)備的數(shù)據(jù)應(yīng)該遵循用于交換/發(fā)布身份驗證的特定模式和規(guī)則。雖然公鑰密碼系統(tǒng)提供了認證和授權(quán)方案，但沒有提供全球根認證機構(gòu)（global root CA），這在很大程度上阻礙了很多實際部署的方案。如果不提供全局根CA，那么，IIoT中設(shè)計一個安全的認證系統(tǒng)將非常具有挑戰(zhàn)性。因此，如果打算為IIoT設(shè)備提供安全認證，必須使用高成本的解決方案，那么，這與IIoT輕量級原則的主要目標(biāo)相沖突。此外, 由于對象的總數(shù)大，對IIoT中的每個對象頒發(fā)證書將是一個巨大的挑戰(zhàn)。

5.5 隱私

隱私是一個非常廣泛和多樣化的概念。IIoT中的隱私主要面臨兩個方面的挑戰(zhàn)：數(shù)據(jù)收集過程和數(shù)據(jù)匿名化過程。由于信息的收集和存儲受到限制，因此，在數(shù)據(jù)收集過程中可以保證隱私的保護。然而，考慮到數(shù)據(jù)匿名化的多樣性，可能會采用不同的加密方案，這對隱私保護是一個挑戰(zhàn)。此外，所收集的信息需要在IIoT設(shè)備之間共享，因此，加密數(shù)據(jù)的計算是數(shù)據(jù)匿名化的另一個挑戰(zhàn)。

6 展望

物聯(lián)網(wǎng)通常被認為是解決當(dāng)今很多問題的顛覆性技術(shù)，例如智慧城市、智能交通、污染監(jiān)測、互聯(lián)醫(yī)療等等。作為物聯(lián)網(wǎng)的子集，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IIpT為智能過程和智能制造開辟了新的道路。IIoT涵蓋了信息采集、傳輸與處理以及自動化，未來融合人工智能、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈，將進一步推動IIoT的發(fā)展，從而實現(xiàn)更高效、更安全和可持續(xù)的生產(chǎn)與管理。

編輯：黃飛