面向工业制造的物联网技术

赵亮 苏向上

摘 要：物联网技术在工业制造领域应用的越来越广泛，极大推动了智能制造的发展，已经成为各国研究热点。本文研究了物联网和工业制造的关系，国内外物联网关键问题的研究现状，最后分析了未来物联网的研究方向。

关键词：智能制造；无线通信；云计算；网络安全

1 绪论

19世纪90年代开始美国相继提出 “聪明加工系统研究计划”，“先进制造联盟计划”，旨在运用先进的自动化技术和数字信息技术对美国工厂进行改造，以此拉动经济增长；于此同时日本实施了智能制造系统（IMS）的国际合作计划，研发出人工交互的智能生产系统；2013年在汉诺威工业博览会上德国推出了高达2亿欧元的工业4.0项目，该计划为德国的先进制造业领先地位奠定了基础；2015年中国政府提出《中国制造2025》战略，标志着中国制造要进军高端装备制造市场[1][2]。 在工业4.0中，利用物联网络体系激活传统制造，使工厂设备像人一样“能说话，会思考”，实现人与机器，机器与产品，机器与机器甚至客户与产品的互联互通是关键和突破口。

2 工业制造背景下的物联网

智能制造是一种创新的制造技术，它不仅实现了机器代替人工，提高生产效率，降低劳动成本的目标，而且还可以为客户提供个性化，定制化的产品。在大量数据基础上，利用带有智能算法的网络，有针对性的实现数据高效，有序，合理的分配和运行，并最终向最佳方案寻优。作为贯穿各个制造环节的物联网利用自发感知，自发传输，自发学习，自诊断，自恢复等特点获取产品在制造，销售，维修等阶段的信息，实现设备与网络的数据交互，和机器，人，产品三者之间的互联互通。

2.1 工业物联网的结构体系

如上图所示，在技术框架上物联网分为感知层、网络层和应用层。感知层是依靠各种传感器、二维码，RFID电子标签等来采集信息；网络层利用现有的互联网，也可以依托专用通信网络，来传递、管理和处理感知层产生的信息；应用层是对信息进行分析、处理、挖掘，从而对设备进行有效的监管、控制、决策，其主要涉及云计算技术、算法和软件、信息隐私安全技术等多项关键技术[3]。

2.2 工业物联网研究的核心问题

物联网推动了工业的发展和转型，但是随着时代变化和技术的革新，工业制造对物联网也提出了更高的要求，因此对物联网的研究主要集中在以下四个方面[4]：第一，射频识别技术（RFID）。该技术通过射频信号空间耦合，不需要与被识别物品直接接触即可完成数据的输入和输出；第二，网络通信问题。靠物联网连接在一起的机器，人，产品之间的信息传输有多种可以选择，但是目前的物联网传感器网络在智能化传感节点技术，自身检查诊断技术以及安全加密技术有待进一步的研究和加强。第三，纳米技术。在传感器中小体积，低功耗，高精度的微型传感器越来越被重视，该技术优势在于让更多微小物体嵌入智能从而增强了物联网的威力。第四，数据融合。物联网上大量信息冗余，势必会造成带宽和资源的浪费，影响信息收集的时效性，因此要对信息融合，得到用户满意的信息使得物体能够主动与用户沟通。由此可见，要真正实现物联网的智能，只有全面融合和研究以上热点问题，物联网才能得到市场的认可和接受。

3 研究现状

特别是最近几年日本、美国、德国等世界工业发达国家在物联网无线通信技术，云计算技术，工业网络安全技术等领域的做了深入研究，其研究工作走在世界前列[5]。工业无线通信技术方面，目前常被关注的无线通信标准有IS A100.11a，WirelessHART和WIA-PA，这三种标准是目前最成熟的技术标准，广泛应用于在线监测、诊斷、工业监控等领域；云计算方面，亚马逊网络服务（AWS）推出了其桌面即服务（DaaS）WorkSpaces，进一步扩展其云生态系统；思科与VMware合作推出DaaS产品，该产品利用思科Validated Design框架整合Deskone技术为用户提供VDI服务；网络安全方面，爱达荷国家实验室（INL）建立SCADA安全发展实验室和研究中心，重点研究开发信任锚，保护过程控制系统免受攻击[6]；西北太平洋国家实验室（PNNL）提出SSCP（安全SCADA通信协议）概念[7]。

4 未来研究方向

物联网是一个新兴产业，虽然目前在全球范围内尚处于起步阶段，但是未来的发展和市场是巨大的，要使这一新兴产业继续保持活力并换发生机，结合工业物联网自身存在的问题和目前研究的现状，本文认为未来物联网的研究方向应该在以下几方面展开：首先，统一的技术标准和协调机制。目前物联网技术发展水平不高除了技术原因之外，技术标准不统一也严重制约其发展；第二，泛在计算，借助计算机交互设备主动接受信息服务，从根本上改变人去适应计算器计算被动思想模式。

5 结语

随着生产力的不断提高，工业物联网改变了现有的生产制造方式，工业制造由原来的传统制造迈向智能制造，加速了第四次工业革命的到来。但是应该看到目前的工业物联网发展水平不高，存在的问题也很多，因此立足当前，着眼未来，加强工业物联网重点技术研究，对其存在关键问题进行突破，促使工业物联网形成产业化和规模化，推动智能制造向更高水平发展。

参考文献：

[1]傅建中.智能制造装备的发展现状与趋势[J].机电工程，2014，8（31）：959-962.

[2]孙柏林.未来智能装备制造业发展趋势述评[J].自动化仪器仪表，2013，1（34）：1-5.

[3]康世龙，杜中一，雷咏梅，张璟.工业物联网研究概述[J].物联网技术，2013，6（14）：80-85.

[4] 李悦君，周伟，候维岩.面向先进制造环境的工业物联网关键技术研究[J].仪表技术，2017，3（4）：4-7.

[5]杨悦梅，宋执环.工业物联网安全及防护技术研究[J].物联网技术，2015，3（16）：64-66.

[6]吴云龙.论网络技术背景下的工业网络安全防护[J].创新技术与应用，2016，25（23）：123-124.

[7]何廷润.物联网物理空间与信息空间融合的业务信息特征分析[J].移动通信，2012，36（11）：20-24.

作者简介：赵亮，硕士，研究方向复杂系统优化；苏向上，硕士，研究方向控制理论与工程。