基于工业互联网的设备联网研究与应用实践

杨灵运 邓生雄 张昌福 王文宣

[摘    要] 工业互联网作为国家推进“中国制造2025”的主要方向，是制造强国和网络强国的重要支撑。然而，工业互联网作为新兴技术，受限于建设可借鉴经验少、实践路线和标准规范欠缺等方面因素，国内工业互联网普遍存在建设应用进度缓慢等问题。设备联网作为工业互联网的核心和关键技术之一，是工业互联网平台核心竞争力的关键。文章提出一套以设备联网为依托，以PaaS平台为核心的工业互联网实践架构，基本明确了平台宏观架构和解决了开放灵活的实施应用问题。平台在贵州省区域正得到积极的推广和试用，希望可以为工业互联网发展提供可行的参考。

[关键词] 设备联网;工业互联网;微服务

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2019. 23. 063

[中图分类号] G645;TP311    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2019）23- 0147- 03

0      前    言

随着新一代信息技术与制造业深度融合，工业互联网成为推动制造业转型升级、发展实体经济的新型基础设施。工业互联网平台是实体经济全要素连接的枢纽、资源配置的中心和智能制造的大脑，是我国工业实现换道超车的重要机遇[1]。在工业互联网平台建设和应用实践中，设备联网及云化智能管理，技术层级覆盖了IIOT、IaaS、PaaS和SaaS，應用层级涵盖边缘计算、数据存储、建模预测分析、设备工控信息安全等，是工业互联网的核心和关键技术之一。诚然，实现和普及设备联网，是工业制造业企业实现提质增效，工业互联网平台的建设和运营者实现合理高效运营和推广的关键手段和过程[2]。

1      设备联网的意义、挑战及分析

1.1   设备联网的重要意义

设备联网是工业制造业企业实现信息化、数字化、智能化的关键，也是推进工业物联网建设的核心，通过设备联网可推进企业在生产制造和运营等环节的有效管控，可实现设备优化利用及预测性维护、企业领导决策、运营及营销等工作提供全方面、多维度的依据和参考[3]。在生产制造方面，一是实现设备资源共享，盘活企业设备资产，提升资产利用率;二是实现设备预测性维护，缩短设备宕机时间，降低设备故障给企业带来的生产影响;三是利用在线分发和版本控制实现生产研发和制造管理协同，加速企业设计研发。在业务运营方面，一是实现企业设计、销售等全生命周期的管控和提高生产运营效率，优化生产流程及规避“接私活”隐患;二是结合物联网的设备数据应用，赋能人力资源;三是实现远程设备远程诊断、故障处理，以及多人协同式操控;四是通过多维度设备相关数据采集和挖掘分析，实现精准营销。

1.2   设备联网的问题和挑战

物联网技术在工业领域的应用已成为业内焦点，但也面临着诸多问题和挑战[4]。一是平台及工控安全不可控，针对纷繁复杂的网络环境，还缺乏可行的安全解决方案有效防御和解除攻击[5];二是平台规范和标准不同统一，尽管工业互联网平台迎来了“百花齐放，百家争鸣”的局面，但各自建设的API接口、业务系统、设备网关等互通共享难，开放性、可拓展性较差[6];三是设备和传感器投入成本高，物联网系统中运行大量传感器和、设备、网络和存储都是企业的消耗[7];四是设备和平台请求及响应延时性比较高，用户体验较差，5G技术在硬件加速、平台分布式、数据分布式等方面有一定普及和应用前景[8]。

1.3   本文设备联网与工业互联网平台建设分析

实际来看，设备联网与工业互联网平台的建设和发展正在国家和各省区的政策制度的指引下得到一定推进，处于方兴未艾的状态，还需行业领域的领航者积极去推动整个工业互联网的网络、平台、安全向前发展。对于领域内技术的创新应用、平台的开发打造、网络及安全的性能提升和保障等都一定程度上因可借鉴经验少、行业领域解决方案输出能力欠缺、中小微企业本身信息化数字化水平偏低等原因受到牵制和影响。本文结合实际区域工业互联网平台的建设情况，提出了一个实践架构模型，不断探索和试错容错的方式来为平台建设提供参考，力求为区域行业领域企业提供平台级线上+线下的工业互联网服务。

2      设备联网与工业互联网实践架构模型

基于工业互联网平台基础，以平台IIOT、IaaS、DaaS、PaaS和SaaS全覆盖的业务和服务为目标，提出基于物联网IOT系统的、面向电子信息行业的工业互联网平台实践架构，见图1，通过平台的服务和能力积极带动电子信息企业实现数字化、智能化管理，为大数据与实体经济融合、企业上云提供支撑。

结合工业互联网平台各层次相关技术，整合集成和规划布局了平台架构、技术、服务及应用主要包含如下：

（1）在底层实施设备、系统、企业的上云，应用物联网接入技术、边缘计算技术、系统交互API等采集其（非）哑设备生产状态等关键性能数据、系统核心业务数据、企业生产经营数据。

（2）利用计算资源、云基础设施、存储资源，以分布式云存储方式进行对各类数据进行汇聚存储和备份，进一步面向数据分析等提供DaaS的关键数据服务。

（3）打造PaaS运行环境及数据分析关键能力，利用弹性伸缩、容器编排、微服务治理、中间件构建容器和运行环境，运用行业领域机理模型、分布式技术和人工智能等构建相关技术及业务服务，提供PaaS级组件和平台服务。

（4）通过各类关键业务API接口、微服务组件，为工业生态APP提供业务及功能保障，不断丰富和完善行业APP，并面向其行业用户提供生产制造、管理经营等生命周期的SaaS服务。

以工业互联网平台为核心依托，面向全产业链的企业提供工业互联网应用服务，提升产业链协同与资源优化配置能力，形成行业网络化协同、服务型制造新模式，树立行业标杆，加速推进企业工业化转型升级和创新发展。本文设备联网系统的核心业务及技术分析如下：

（1）微服务架构及大数据分析模型。以微服务技术架构作为PaaS物联网平台服务端系统实现，充分、便捷地支持设备及业务数据在申请和授权下可以快速进行上下行操作，加速用户和开发者对其设备或数据的管理及研究。同时也为物联网系统业务二次开发和快速构建定制化、个性化APP提供有力保障。集成和构建大数据机器学习、深度学习算法组件，通过设备历史/实时数据进行有效的ETL后，开展训练学习和预测分析工作，进一步丰富行业领域设备算法机理模型提供支撑，加速企业对设备相关业务的智能化管理。

（2）工业物联网网关。支持边缘计算功能，视频H265压缩算法、GPS+北斗双模定位技术、全网通4G网络等。支持CAN、RS485、IO总线等数据采集方式，实现蓝牙和Wi-Fi无线信号传输;支持智能电源管理，提供低功耗休眠管理功能;内嵌JavaScript引擎支持定制化应用的开发。适用于作业现场采集数据的网络接入和网络远端控制指令的转发，支持对智能终端硬件进行远程调试、升级和测试等操作。

（3）规则引擎。物联网规则引擎可高度定制和配置的数据组件，用于复杂的事件处理。使用规则引擎可以过滤，增强和转换由物联网网关传入的消息，同时还可以触发各种联动操作，如通知或与外部系统通信。

（4）时间序列数据库。时序序列数据库通过使用特殊的存储方式，可高效存储和快速处理海量时序数据，相对于关系型数据库，其存储空间可减半，查询速度极大提高。

本文以区域工业互联网建设为核心，整合和开发物联网IoT系统，以微服务开放架构，打造建设PaaS层数据采集和分析、大数据模型组件、应用管理环境、APP快速开发接口与组件，并面向企业、开发者提供SaaS层的综合业务服务，面向行业领域、企业和用户初步实践发现，已基本具备可行、可复制和可推广的能力和支撑保障。

3      结    语

工业互联网平台及设备联网建设的初衷和使命就是基于IIOT、IaaS、PaaS、SaaS等相关技术和理念研究和应用，不断打造和完善面向区域行业的、覆盖全技术层次和全生命周期业务流程的工业互联网平台，以微服务、开放开发、机制模型、工业APP等多种技术和形式，提供网络协同、个性定制等综合服务。后续将依托设备联网，结合工业信息安全、标识解析的研究和应用，一是进一步研究、开发平台级技术和应用服务，保障和提升用户体验;二是大力发展平台—网络—安全协同、配套的能力建设和应用，为打造可用好用的工业互联网平台提供支撑。

主要参考文献

[1]中国电子技术标准化研究院.工业互联网平台标准化白皮书（2018）[Z].2018.

[2]吕弢华. NB-IoT在物联网中部署重要性的探讨[J]. 中国新通信，2017，19（8）：78-78.

[3]ATZORI，Luigi，IERA，et al. The Internet of Things：A Survey[J]. Computer Networks，2010，54（15）：2787-2805.

[4]Alharbi S， Rodriguez P， Maharaja R， et al. Secure the Internet of Things with Challenge Response Authentication in Fog Computing[C]// IEEE International Performance Computing & Communications Conference， 2017.

[5]张远晶，毕然. 我国物联网安全及解决方案研究[J]. 信息通信技术与政策，2019，296（2）：35-39.

[6]王合. 物聯网安全体系和关键技术探索[J]. 数字通信世界， 2019（2）：108.

[7]赵广晔. 物联网构建中的成本研究[J]. 中国电子商务， 2014（9）：53.

[8]王毅，王雨晗. 物联网时代5G发展的挑战与思考[J]. 广西通信技术，2018，131（2）：5-8.