工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，是物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的深度融合。隨著中國智能制造、德國工業(yè)4.0、美國先進(jìn)制造伙伴計劃等一系列國家戰(zhàn)略的提出和實施，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為全球工業(yè)體系“創(chuàng)新驅(qū)動、轉(zhuǎn)型升級”的重要推手。將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造、運營管理及服務(wù)運維等全流程各個環(huán)節(jié)，用工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、資源高效利用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，推動經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式由生產(chǎn)驅(qū)動向創(chuàng)新驅(qū)動轉(zhuǎn)變，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系。

近年來，受益于云計算、大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的加持，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入新階段，人們逐漸意識到由數(shù)據(jù)驅(qū)動催生的新商業(yè)模式所帶來的巨大價值，機(jī)理模型和數(shù)據(jù)模型的結(jié)合與碰撞為化解復(fù)雜系統(tǒng)的不確定性、發(fā)掘洞見、企業(yè)決策，提供了強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐和新的引擎動能。

一、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)面向工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，與“工業(yè)+物聯(lián)網(wǎng)”相比，具有更為豐富的內(nèi)涵。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有智能感知、泛在聯(lián)通、精準(zhǔn)控制、數(shù)字建模、實時分析和迭代優(yōu)化六大典型特征，研究兼容各種網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)包括工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和工廠外部網(wǎng)絡(luò)兩大網(wǎng)絡(luò)：工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)用于連接在制品、傳感器、智能機(jī)器、工業(yè)控制系統(tǒng)、人等主體；工廠外部網(wǎng)絡(luò)用于連接企業(yè)上下游、企業(yè)與智能產(chǎn)品、企業(yè)與用戶等主體。

面向智能制造的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)的互聯(lián)主體：再制品；智能機(jī)器；工廠控制系統(tǒng)；工廠云平臺（及管理軟件）；智能產(chǎn)品；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

智能制造的實現(xiàn)需要依托兩方面基礎(chǔ)能力：一是工業(yè)制造技術(shù)，二是新興工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。

二、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。

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(xiàn)[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 面向服務(wù)的IoT體系架構(gòu)描述

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。

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(jìn)行遠(yuǎn)程連接和控制的網(wǎng)絡(luò)。這種對物體實現(xiàn)遠(yuǎn)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(jìn)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。

3基于云的IIoT基礎(chǔ)架構(gòu)描述

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。

設(shè)備層

設(shè)備層包括異構(gòu)IIoT設(shè)備，從功能強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(jī)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。

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

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(jìn)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(jìn)一步促進(jìn)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。

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(jìn)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(lán)牙）、多跳無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器對機(jī)器（M2M）、傳統(tǒng)IP技術(shù)如IP、IPv6等。

3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

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(jìn)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(jìn)行通信。

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(jìn)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。

四、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。

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(jī)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。

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。

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(jìn)行感知，從而進(jìn)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(qiáng)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(jìn)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 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(jī)網(wǎng)絡(luò)連接的數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器、各種軟小型計算機(jī)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。

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)甚至日常活動等，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。

鄭州博觀電子科技有限公司是一家提供科技類物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)軟硬件定制化方案服務(wù)商、也是中原地區(qū)領(lǐng)先的物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備解決方案提供商。致力共享換電柜、智能充電樁、共享洗車機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)軟硬件等服務(wù)平臺的方案開發(fā)與運維?？偛课挥诤幽鲜∴嵵菔懈咝聟^(qū)，已取得國家高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)證證書。經(jīng)過10多年的業(yè)務(wù)開拓，公司已經(jīng)形成了以中原地區(qū)為中心、業(yè)務(wù)遍布全國的經(jīng)營格局。