工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)
2022-9-30新聞
導(dǎo) 讀 ( 文/ 《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用》（作者：尹周平等）
典型的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)共有3個層次。一是感知層，即利用射頻識別（radio frequency identification, RFID）、傳感器、二維碼等隨時隨地獲取物體的信息；二是網(wǎng)絡(luò)層，通過電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準(zhǔn)確地傳遞出去；三是應(yīng)用層，把感知層得到的信息進行處理，實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理等實際應(yīng)用。
在工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用中，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨著與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)兩個主要的不同點：一是在感知層中，大多數(shù)工業(yè)控制指令的下發(fā)以及傳感器數(shù)據(jù)的上傳需要有實時性的要求。在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中，數(shù)據(jù)需要經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)層傳送至應(yīng)用層，由應(yīng)用層經(jīng)過處理后再進行決策，對于下發(fā)的控制指令，需要再次經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)層傳送至感知層進行指令執(zhí)行過程。由于網(wǎng)絡(luò)層通常采用的是以太網(wǎng)或者電信網(wǎng)，這些網(wǎng)絡(luò)缺乏實時傳輸保障，在高速率數(shù)據(jù)采集或者進行實時控制的工業(yè)應(yīng)用場合下，傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并不適用。二是在現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)中，不同的企業(yè)有屬于自己的一套數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（supervisory control and data acquisition，SCADA，在工廠范圍內(nèi)實施數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)視控制。SCADA系統(tǒng)在某些功能上會與物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層產(chǎn)生重疊，如何把現(xiàn)有的SCADA系統(tǒng)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進行融合，例如哪些數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)層傳送至應(yīng)用層進行數(shù)據(jù)分析；哪些數(shù)據(jù)需要保存在SCADA的本地數(shù)據(jù)庫中；哪些數(shù)據(jù)不應(yīng)該送達應(yīng)用層，它們往往會涉及到部分傳感器的關(guān)鍵數(shù)據(jù)或者系統(tǒng)的關(guān)鍵信息，只由工廠內(nèi)部進行處理。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)需要在傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的基礎(chǔ)上增加現(xiàn)場管理層。其作用類似于一個應(yīng)用子層，可以在較低層次進行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，是實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用中的實時控制、實時報警以及數(shù)據(jù)的實時記錄等功能所不可或缺的層次，如圖1所示。
圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)
1. 感知層
感知層的主要功能是識別物體，采集信息和自動控制，是物聯(lián)網(wǎng)識別物體、采集信息的來源；它由數(shù)據(jù)采集子層、短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層組成。數(shù)據(jù)采集子層通過各種類型的傳感器獲取物理世界中發(fā)生的物理事件和數(shù)據(jù)信息，例如各種物理量、標(biāo)識、音視頻多媒體數(shù)據(jù)。物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集涉及傳感器、RFID、多媒體信息采集、二維碼和實時定位等技術(shù)。短距離通信技術(shù)和協(xié)同信息處理子層將采集到的數(shù)據(jù)在局部范圍內(nèi)進行協(xié)同處理，以提高信息的精度，降低信息冗余度，并通過具有自組織能力的短距離傳感網(wǎng)接入廣域承載網(wǎng)絡(luò)。感知層中間件技術(shù)旨在解決感知層數(shù)據(jù)與多種應(yīng)用平臺間的兼容性問題，包括代碼管理、服務(wù)管理、狀態(tài)管理、設(shè)備管理、時間同步、定位等。在有些應(yīng)用中還需要通過執(zhí)行器或其他智能終端對感知結(jié)果做出反應(yīng)，實現(xiàn)智能控制。該部分除RFID、短距離通信、工業(yè)總線等技術(shù)較為成熟外，尚需研制大量的物聯(lián)網(wǎng)特有的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。
感知層由現(xiàn)場設(shè)備和控制設(shè)備組成，主要進行工業(yè)機器信息的感知以及控制指令的下發(fā)?，F(xiàn)場設(shè)備主要包括溫度傳感器、濕度傳感器、壓力傳感器、RFID、電動閥門、變送器等，這些設(shè)備直接與工業(yè)機器相連，擔(dān)當(dāng)著感知控制過程的末稍機構(gòu)?？刂圃O(shè)備主要指PLC等控制器，在工業(yè)系統(tǒng)中，PLC等控制器用于實現(xiàn)較底層的高速實時的控制功能，對于工業(yè)控制尤為重要?？刂圃O(shè)備與現(xiàn)場設(shè)備組成了現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)，如常用的CAN總線網(wǎng)絡(luò)、Profibus 總線網(wǎng)絡(luò)等。值得一提的是，工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WISN作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要組成部分，通過網(wǎng)關(guān)可與現(xiàn)有的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)并存。WISN以其高可靠、低成本、易擴展等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于感知層的實現(xiàn)中，在環(huán)境數(shù)據(jù)感知、工業(yè)過程控制等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。
2. 現(xiàn)場管理層
現(xiàn)場管理層主要指工廠的本地調(diào)度管理中心，即如上文所述的SCADA系統(tǒng)。調(diào)度管理中心充當(dāng)著工業(yè)系統(tǒng)的本地管理者以及工業(yè)數(shù)據(jù)對外接口提供者的角色，一般包括工業(yè)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、監(jiān)控服務(wù)器、文件服務(wù)器以及Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器等設(shè)備?，F(xiàn)場管理層作為區(qū)別于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)的一個層次，在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中起著重要作用?，F(xiàn)場管理層融合了現(xiàn)有的工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，它的存在使得來自感知層的部分關(guān)鍵工業(yè)數(shù)據(jù)能得到及時的記錄與處理，對于一些對實時性有要求的較底層的過程控制指令，它能快速響應(yīng)，及時做出控制決策。另一方面，現(xiàn)場管理層起到了對外提供數(shù)據(jù)接口的作用，通過數(shù)據(jù)庫服務(wù)器以及Web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，調(diào)度管理中心可以把來自于工廠內(nèi)部的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)布到應(yīng)用層，應(yīng)用層可以透明訪問到不同工業(yè)機器上的感知信息，對進一步的數(shù)據(jù)分析工作起到了重要作用。
3. 網(wǎng)絡(luò)層
網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、電信網(wǎng)等組成，負責(zé)信息傳遞、路由和控制。網(wǎng)絡(luò)層將來自感知層的各類信息通過基礎(chǔ)承載網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綉?yīng)用層，包括移動通信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星網(wǎng)、廣電網(wǎng)、行業(yè)專網(wǎng)，及形成的融合網(wǎng)絡(luò)等。根據(jù)應(yīng)用需求，可作為透傳的網(wǎng)絡(luò)層，也可升級以滿足未來不同內(nèi)容傳輸?shù)囊蟆＝?jīng)過十余年的快速發(fā)展，移動通信、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)已比較成熟，在物聯(lián)網(wǎng)的早期階段基本能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。網(wǎng)絡(luò)層主要關(guān)注來自于感知層的、經(jīng)過初步處理的數(shù)據(jù)經(jīng)由各類網(wǎng)絡(luò)的傳輸問題。這涉及到智能路由器，不同網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的互通、自組織通信等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其中，全局范圍內(nèi)的標(biāo)識解析將在該層完成。該部分除全局標(biāo)識解析外，其他技術(shù)較為成熟，以采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為主。
4. 應(yīng)用層
應(yīng)用層實現(xiàn)所感知信息的應(yīng)用服務(wù)，包括信息處理、海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘與分析、人工智能等技術(shù)。
應(yīng)用層是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的最終價值體現(xiàn)者。應(yīng)用層針對工業(yè)應(yīng)用的需求，與行業(yè)專業(yè)技術(shù)深度融合，利用大數(shù)據(jù)處理技術(shù)對來自于感知層的數(shù)據(jù)進行分析，主要包括對生產(chǎn)流程的監(jiān)視、對工業(yè)機器運行狀況的跟蹤、記錄等，最終產(chǎn)生對企業(yè)、行業(yè)發(fā)展有指導(dǎo)意義的結(jié)果，如優(yōu)化生產(chǎn)流程、指導(dǎo)生產(chǎn)管理、提高經(jīng)營效率、預(yù)測行業(yè)發(fā)展等，實現(xiàn)廣泛的智能化。不同的企業(yè)之間更能互相共享大數(shù)據(jù)的分析處理結(jié)果，對于促進企業(yè)間協(xié)同生產(chǎn)整體生產(chǎn)力有著巨大作用。
應(yīng)用層主要包括服務(wù)支撐層和應(yīng)用子集層。物聯(lián)網(wǎng)的核心功能是對信息資源進行采集、開發(fā)和利用，因此這部分內(nèi)容十分重要。服務(wù)支撐層的主要功能是根據(jù)底層采集的數(shù)據(jù)，形成與業(yè)務(wù)需求相適應(yīng)、實時更新的動態(tài)數(shù)據(jù)資源庫。該部分將采用元數(shù)據(jù)注冊、發(fā)現(xiàn)元數(shù)據(jù)、信息資源目錄、互操作元模型、分類編碼、并行計算、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)收割、智能搜索等各項技術(shù)，亟需重點研制物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)模型、元數(shù)據(jù)、本體、服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)，開展物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)、信息資源規(guī)劃、信息資源庫設(shè)計和維護等技術(shù)；各個業(yè)務(wù)場景可以在此基礎(chǔ)上，根據(jù)業(yè)務(wù)需求特點，開展相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源管理。業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)層的主要功能是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求，采用建模、企業(yè)體系結(jié)構(gòu)、SOA等設(shè)計方法，開展物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)、應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)、IT體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)參考模型、業(yè)務(wù)操作視圖設(shè)計。物聯(lián)網(wǎng)涉及面廣，包含多種業(yè)務(wù)需求、運營模式、應(yīng)用系統(tǒng)、技術(shù)體制、信息需求、產(chǎn)品形態(tài)均不同的應(yīng)用系統(tǒng)，因此必須統(tǒng)一、系統(tǒng)的業(yè)務(wù)體系結(jié)構(gòu)，才能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)全面實時感知、多目標(biāo)業(yè)務(wù)、異構(gòu)技術(shù)體制融合等需求。各業(yè)務(wù)應(yīng)用領(lǐng)域可以對業(yè)務(wù)類型進行細分，包括綠色農(nóng)業(yè)、工業(yè)監(jiān)控、公共安全、城市管理、遠程醫(yī)療、智能家居、智能交通和環(huán)境監(jiān)測等各類不同的業(yè)務(wù)服務(wù)，根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，對業(yè)務(wù)、服務(wù)、數(shù)據(jù)資源、共性支撐、網(wǎng)絡(luò)和感知層的各項技術(shù)進行裁剪，形成不同的解決方案，該部分可以承擔(dān)一部分呈現(xiàn)和人機交互功能。應(yīng)用層將為各類業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的信息資源支撐，通過建立、實時更新可重復(fù)使用的信息資源庫和應(yīng)用服務(wù)資源庫，使得各類業(yè)務(wù)服務(wù)根據(jù)用戶的需求隨需組合，使得物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用系統(tǒng)對于業(yè)務(wù)的適應(yīng)能力明顯提高。該層能夠提升對應(yīng)用系統(tǒng)資源的重用度，為快速構(gòu)建新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，滿足在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)資源應(yīng)用需求和服務(wù)。該部分內(nèi)容涉及數(shù)據(jù)資源、體系結(jié)構(gòu)、業(yè)務(wù)流程類領(lǐng)域，是物聯(lián)網(wǎng)能否發(fā)揮作用的關(guān)鍵，可采用的通用信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不多，因此尚需研制大量的標(biāo)準(zhǔn)。
除此之外，物聯(lián)網(wǎng)還需要信息安全、物聯(lián)網(wǎng)管理、服務(wù)質(zhì)量管理等公共技術(shù)支撐，以采用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為主。在各層之間，信息不是單向傳遞的，是有交互、控制等，所傳遞的信息多種多樣，其中最為關(guān)鍵的是圍繞物品信息，完成海量數(shù)據(jù)采集、標(biāo)識解析、傳輸、智能處理等各個環(huán)節(jié)，與各業(yè)務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用融合，完成各業(yè)務(wù)功能。因此，物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)架構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)體系是一個緊密關(guān)聯(lián)的整體，引領(lǐng)了物聯(lián)網(wǎng)研究的方向和領(lǐng)域。
