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物聯網新聞

全面解讀工業物聯網及其技術

       物聯網是由傳感設備、終端,信息處理中心和用戶組成網絡,而工業物聯網必定是物聯網的不可分割分支,且能率先實現產業化。概述了工業物聯網及其關鍵技術、 實現難點以及關鍵應用。工業物聯網和云計算的完美結合,便是工業物聯網應用成功的標志。

1. 物聯網和工業物聯網

       物聯網(Internet of Things)是指把物體用互聯網絡連接起來,在中國,物聯網技術已從實驗室階段走向實際應用,國家智能電網、機場安保、物流等領域已出現物聯網身影。物聯網的關鍵環節可以歸納為全面感知、可靠傳送、智能處理。全面感知是指利用射頻識別(RFID)、GPS、攝像頭、傳感器、傳感器網絡等感知、捕獲、測量的技術手段,隨時隨地對物體進行信息采集和獲??;可靠傳送是指通過各種通信網絡、互聯網隨時隨地進行可靠的信息交互和共享;智能處理是指對海量的跨部門、跨行業、跨地域的數據和信息進行分析處理,提升對物理世界、經濟社會各種活動的洞察力,實現智能化的決策和控制。相比互聯網具有的全球互聯.瓦通的特征,物聯網具有局域性和行業性特征,已被公認為是繼計算機、互聯網與移動通信網之后的世界信息產業第三次浪潮。

       而工業是物聯網應用的重要領域。具有環境感知能力的各類終端、基于泛在技術的計算模式、移動通信等不斷融入到工業生產的各個環節,可大幅提高制造效率,改善產品質量,降低產品成本和資源消耗,將傳統工業提升到智能工業的新階段。物聯網在工業領域的主要應用環保監測及能源管理、工業安全生產管理、制造業供應鏈管理、生產過程工藝優化、中國計算機報制圖等等面。物聯網在工業應用領域的應用,構成了“工業物聯網”,它是廣域的物聯網的具體化的實例,也是最容易被世人接受的物聯網。工業物聯網的核心理念是交叉學科的組合,涉及到信息安全、網絡通信、自動化,是跨學科的,其特征為:嵌入式、互通和實時性、經濟性和便利性。

 

2. 工業物聯網的關鍵技術與難點

01.工業物聯網的關鍵技術

       按照工業物聯網網絡內數據的流向及處理方式將物聯網分為三個層次:

       工業用傳感網絡層:即以二維碼、RFID、傳感器為主,實現對“物”或環境狀態的識別以及感知信號的攝入;

       傳輸網絡層:即通過現有的互聯網、廣電網、通信網或者下一代互聯網(1Pv6),實現數據的傳輸和計算,尤其是現在流行的概念:云計算;

       應用網絡層:即輸入輸出控制終端,包括電腦、手機等終端等等。

       從整體上來看,物聯網還處于起步階段,而工業物聯網的真正達到實用化、大規模應用,必須解決如下關鍵技術問題:  

       工業用傳感器:工業用傳感器是一種檢測裝置,能夠測量或感知特定物體的狀態和變化,并轉化為可傳輸、可處理、可存儲的電子信號或其他形式信息。工業用傳感器是實現工業自動檢測和自動控制的首要環節。在現代工業生產尤其是自動化生產過程中,要用各種傳感器來監視和控制生產過程中的各個參數,使設備工作在正常狀態或最佳狀態,并使產品達到最好的質量??梢哉f,沒有眾多質優價廉的工業傳感器,就沒有現代化工業生產體系,更談不上工業物聯網?! ?/span>

       工業無線網絡技術:工業無線網絡是一種由大量隨機分布的、具有實時感知和自組織能力的傳感器節點組成的網狀(Mesh)網絡,綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、現代網絡及無線通信技術、分布式信息處理技術等,具有低耗自組、泛在協同、異構互連的特點。工業無線網絡技術是繼現場總線之后工業控制系統領域的又一熱點技術,是降低工業測控系統成本、提高工業測控系統應用范圍的革命性技術,也是未來幾年工業自動化產品新的增長點,已經引起許多國家學術界和工業界的高度鶯視?! ?/span>

       工業過程建模:沒有模型就不可能實施先進有效的控制,傳統的集中式、封閉式的仿真系統結構已不能滿足現代工業發展的需要。工業過程建模是系統設計、分析、仿真和先進控制必不可少的基礎?! ?/span>

工業物聯網在工業領域的大規模應用還面臨工業集成服務代理總線技術、工業語義中間件平臺等關鍵技術問題。

02.工業物聯網通信方式與技術標準難點

工業物聯網終端通信接口技術與方式

       盡管現場總線技術在中國工業控制領域應用十分普及,但由于其通信與交互的兼容性等問題,工業物聯網的終端通信接口不太可能再采用現場總線方式,只可能采用公有協議的接口方式,  

       最有可能采用的通信接入方式有:工業以太網、WlFI、2G、3G等,有些智能終端可能具有上述兩種或兩種以上的接口:  

       工業以太網終端:具有工業以太網接口的終端一般應用在數據量傳輸較大、通信環境條件較好、現場很容易布線并具有連接工業互聯網的工業通信環境。如工廠的固定設備檢測、機臺自動化、物流分流自動化等工業物聯網才會?! ?/span>

       WlFI無線通信:一般應用在數據量傳輸較大、以太網條件較好,但終端部分布線不容易或不能布線的場合,在終端周圍架設WlFI路由或WIFI網關等設備實現。一般應用在無線城市、智能交通、環境監測、污水處理等需要大數據無線傳輸的場合或其他應用中終端周圍不適合布線但需要高數據量傳輸的工業物聯網場合?! ?/span>

       2G終端:應用在小數據量移動傳輸的場合或小數據量傳輸的野外工作場合,如乍載GPS定位、物流RFID手持終端、水庫水質監測、污染環境監測等。該類終端因具有移動或野外條件下的聯網功能,能為工業物聯網的深層次應用提供了更加廣闊的市場?! ?/span>

       3G終端:在2G終端基礎上的升級,增加了上下行的通訊速度,以滿足移動圖像監控,下發視頻等應用場合,如:警車巡警圖像的同傳、動態實時交通信息的監控等,在一些大數據量的傳感應用,如震動量的采集或電力信號實施監測中也可以用到該類終端。

工業物聯網技術標準的難點

       工業物聯網終端推廣的最大障礙,就是工業物聯網終端的標準化:  

       目前工業物聯網技術在中國蓬勃發展,具有廣闊的市場強勁,據專家估計,未來3~5年內隨著我國物聯網技術的推廣和普及,工業物聯網也會隨之等到發展,終將形成一個萬億級規模的大市場?,F今,制約物聯網技術,尤其是工業物聯網技術大規模推廣的主要原因則是終端的不兼容問題,不同廠商的設備和軟件無法在同一個平臺_卜使用,設備間的協議沒有統一的標準。因此,在物聯網的普及和終端的大規模推廣前必須解決標準化問題,具體表現為以下幾個方面:  

       硬件接口標準化:工業物聯網的傳感設備由不同廠商提供,如果每家的接口規則或通訊規則都不同,便會導致終端接口設計的不同,而終端不可能為每個廠商都預留接口,所以需要傳感設備廠商和終端廠商一同制定標準的物聯網傳感器與終端間的接口規范和通訊規范,以滿足不同廠商設備問的硬件互通、互連需求?! ?/span>

       數據協議標準化:數據協議指終端與平臺層的數據流交互協議,該數據流可以分為業務數據流和管理數據流。中國移動與愛立信合作制定的WMMP協議就是一個很好的管理協議,它的推廣和普及必將帶動數據協議的標準化進程,方便新研發終端的網絡接入及管理。物聯網的發展需要國家相關部門主導,相關行業聯合制定出類似WMMP更完善的通用協議,以滿足各種應用和不同廠家終端的互聯問題,擴大未來物聯網的推廣。如智能電網中統一采用IEC擊1850通信協議,對加速電力工業物聯網一智能電網的實現必將起到了推波助瀾的催化劑的作用。

3. 工業物聯網的關鍵應用與未來

       從當前技術發展和應用前景來看,工業物聯網的應用主要集中在以下幾個方面: 

       制造業供應鏈管理:工業物聯網應用于企業原材料采購、庫存、銷售等領域,通過完善和優化供應鏈管理體系,提高了供應鏈效率,降低了成本。例如空中客車(Airbus)、豐田汽車通過在供應鏈體系中應用傳感網絡技術,構建了全球制造業中規模最大、效率最高的供應鏈體系?!?/span>

       生產過程工藝優化:工業物聯網技術的應用提高了生產線過程檢測、實時參數采集、生產設備監控、材料消耗監測的能力和水平。生產過程的智能監控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護水平不斷提高。鋼鐵企業應用各種傳感器和通信網絡,在生產過程中實現對加工產品的寬度、厚度、溫度的實時監控,從而提高了產品質量,優化了生產流程。

       產品設備監控管理:各種傳感技術與制造技術融合,實現了對產品設備操作使用記錄、設備故障診斷的遠程監控。

       環保監測及能源管理:工業物聯網與環保設備的融合實現對工業生產過程中產生的各種污染源及污染治理各環節關鍵指標的實時監控,支持其智能排污監控系統的建立與完善,實現智能排污自動監控裝置、水質數據監控裝置、水質參數檢測儀等設備的集成應用。在重點排污企業排污口安裝無線傳感設備,不儀可以實時豁測企業排污數據,而且可以遠程關閉排污口,防止突發性環境污染事故的發生。電信運營商已開始推廣基于物聯網的污染治理實時監測解決方案?! ?/span>

       工業安全生產管理:把感應器嵌入和裝備到礦山設備、油氣管道、礦工設備中,可以感知危險環境中工作人員、設備機器、周邊環境等方面的安全狀態信息,將現有分散、獨立、單一的網絡監管平臺提升為系統、開放、多元的綜合網絡監管平臺,實現實時感知、準確辨識、快捷響應、有效控制?! ?/span>

       石化設備智毹測控:將工業物聯網技術推廣應用到石油勘探、開采、運輸等環節,建立油井生產智能遠程測控系統,實現對石化生產設備的智能測控和管理,促進化工企業的安全生產和科學管理?! ?/span>

       煤礦安全生產管理:重點應用傳感器、無線射頻識別、移動通信等技術實現水、火、頂板、瓦斯等煤礦重大危險源的識別與監測,建設和完善安全監測網絡系統,提升煤礦安全生產過程的監控和應急響應水平?! ?/span>

       智能電網:智能電網是最為典型的工業物聯網的應用之一,但由于智能電網肩負著國家工業所需能源輸送的重任與國民經濟的基礎,考慮到安全性,電力工業物聯網可能僅為一張具有物聯網意義,但局部相對孤立的物聯網。例如:江西省電網對分布在全省范圍內的2萬臺配電變壓器安裝傳感裝置,對運行狀態進行實時監測,實現用電檢查、電能質量監測、負荷管理、線損管理、需求側管端研發等各個方面綜合分析,一年來降低電損1.2億千瓦時。 

       另外,與未來先進制造技術相結合將是工業物聯網應用的生命力所在。工業物聯網正在工業領域廣泛滲透和應用,并與未來先進制造技術相結合,形成新的智能化的制造體系。這一制造體系仍在不斷發展和完善之中。工業物聯網與先進制造技術的結合主要體現在8個領域?! ?/span>

       泛在感知網絡技術:建立服務于智能制造的泛在嘲絡技術體系,為制造中的設計、設備、過程、管理和商務提供無處不在的網絡服務。目前,面向未來智能制造的泛在網絡技術發展還處于初始階段?!?/span>

       泛在制造信息處理技術:建立以泛在信息處理為基礎的新型制造模式,提升制造行業的整體實力和水平。目前,泛在信息制造及泛在信息處理尚處于概念和實驗階段,各國政府均將此列入國家發展計劃,大力推動實施?! ?/span>

       虛擬現實技術:采用真三維顯示與人機自然交互的方式進行工業生產,進一步提高制造業的效率。目前,虛擬環境已經在許多重大工程領域得到了廣泛的應用和研究。未來,虛擬現實技術的發展方向是三維數字產品設計、數字產品生產過程仿真、真三維顯示和裝配維修等?! ?/span>

       人機交互技術:現代傳感技術、傳感器網、工業無線網以及新材料的發展,提高了人機交互的效率和水平。目前制造業處在一個信息有限的時代,人要服從和服務于機器。隨著人機交互技術的不斷發展,我們將逐步進入基于泛在感知的信息化制造人機交互時代?! ?/span>

       空間協同技術:空間協同技術的發展目標是以泛在網絡、人機交互、泛在信息處理和制造系統集成為基礎,突破現有制造系統在信息獲取、監控、控制、人機交互和管理方面集成度差、協同能力弱的局限,提高制造系統的敏捷性、適應性、高效性?! ?/span>

       平行管理技術:未來的制造系統將由某一個實際制造系統和對應的一個或多個虛擬的人工制造系統所組成。平行管理技術就是要實現制造系統與虛擬系統的有機融合,不斷提升企業認識和預防非正常狀態的能力,提高企業的智能決策和應急管理水平?! ?/span>

       電子商務技術:目前制造與商務過程一體化特征日趨明顯,整體呈現出縱向整合和橫向聯合兩種趨勢。未來要建立健全先進制造業中的電子商務技術框架,發展電子商務以提高制造企業在動態市場中的決策與適應能力,構建和諧、可持續發展的先進制造業?!?/span>

       系統集成制造技術:系統集成制造是由智能機器人和專家共同組成的人機共存、協同合作的工業制造系統。它集自動化、集成化、網絡化和智能化于一身,使制造具有修正或重構自身結構和參數的能力,具有自組織和協調能力,可滿足瞬息萬變的市場需求,應對激烈的市場競爭?!?/span>

       當前,工業物聯網可在部分需求迫切、技術成熟、效益明顯、帶動性強的工業領域,圍繞關鍵環節開展物聯網的應用試點,必將會催生和推進工業物聯網在中國智能工業的發展。

 

4. 結論

       從目前的工業物聯網技術發展現狀、行業應用現狀、終端研發等各個方面綜合分析,當前的工業物聯網的商業模式、技術應用、通信互聯、數據云端處理、安全等等方面還不成熟。但是,隨著物聯網與云計算的結合及其逐步建立的更可靠和嚴謹的虛擬化數據中心(DC),且通過對各種能力資源共享,必將會推動我國工業物聯網的發展,也就能帶動我國的工業向更高等級的水平發展,提高我國的工業水平以及國家綜合實力,實現中華民族的復興。(文章轉載于網絡,如有侵權聯系刪除)

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