導 讀

典型的(de)物(wù)聯網系統架構共有3個(gè)層次。一是感知層，即利用(yòng)射頻(pín)識别（radio frequency identification, RFID）、傳感器、二維碼等随時(shí)随地獲取物(wù)體的(de)信息；二是網絡層，通(tōng)過電信網絡與互聯網的(de)融合，将物(wù)體的(de)信息實時(shí)準确地傳遞出去；三是應用(yòng)層，把感知層得(de)到的(de)信息進行處理(lǐ)，實現智能化(huà)識别、定位、跟蹤、監控和(hé)管理(lǐ)等實際應用(yòng)。

在工業環境的(de)應用(yòng)中，工業物(wù)聯網面臨著(zhe)與傳統的(de)物(wù)聯網系統架構兩個(gè)主要的(de)不同點：一是在感知層中，大(dà)多(duō)數工業控制指令的(de)下(xià)發以及傳感器數據的(de)上傳需要有實時(shí)性的(de)要求。在傳統的(de)物(wù)聯網架構中，數據需要經由網絡層傳送至應用(yòng)層，由應用(yòng)層經過處理(lǐ)後再進行決策，對(duì)于下(xià)發的(de)控制指令，需要再次經過網絡層傳送至感知層進行指令執行過程。由于網絡層通(tōng)常采用(yòng)的(de)是以太網或者電信網，這(zhè)些網絡缺乏實時(shí)傳輸保障，在高(gāo)速率數據采集或者進行實時(shí)控制的(de)工業應用(yòng)場(chǎng)合下(xià)，傳統的(de)物(wù)聯網架構并不适用(yòng)。二是在現有的(de)工業系統中，不同的(de)企業有屬于自己的(de)一套數據采集與監視控制系統（supervisory control and data acquisition，SCADA，在工廠範圍内實施數據的(de)采集與監視控制。SCADA系統在某些功能上會與物(wù)聯網的(de)應用(yòng)層産生重疊，如何把現有的(de)SCADA系統與物(wù)聯網技術進行融合，例如哪些數據需要通(tōng)過網絡層傳送至應用(yòng)層進行數據分(fēn)析；哪些數據需要保存在SCADA的(de)本地數據庫中；哪些數據不應該送達應用(yòng)層，它們往往會涉及到部分(fēn)傳感器的(de)關鍵數據或者系統的(de)關鍵信息，隻由工廠内部進行處理(lǐ)。

工業物(wù)聯網的(de)系統架構需要在傳統的(de)物(wù)聯網架構的(de)基礎上增加現場(chǎng)管理(lǐ)層。其作用(yòng)類似于一個(gè)應用(yòng)子層，可(kě)以在較低層次進行數據的(de)預處理(lǐ)，是實現工業應用(yòng)中的(de)實時(shí)控制、實時(shí)報警以及數據的(de)實時(shí)記錄等功能所不可(kě)或缺的(de)層次，如圖1所示。

圖1 工業物(wù)聯網體系架構

1. 感知層

感知層的(de)主要功能是識别物(wù)體，采集信息和(hé)自動控制，是物(wù)聯網識别物(wù)體、采集信息的(de)來(lái)源；它由數據采集子層、短距離通(tōng)信技術和(hé)協同信息處理(lǐ)子層組成。數據采集子層通(tōng)過各種類型的(de)傳感器獲取物(wù)理(lǐ)世界中發生的(de)物(wù)理(lǐ)事件和(hé)數據信息，例如各種物(wù)理(lǐ)量、标識、音(yīn)視頻(pín)多(duō)媒體數據。物(wù)聯網的(de)數據采集涉及傳感器、RFID、多(duō)媒體信息采集、二維碼和(hé)實時(shí)定位等技術。短距離通(tōng)信技術和(hé)協同信息處理(lǐ)子層将采集到的(de)數據在局部範圍内進行協同處理(lǐ)，以提高(gāo)信息的(de)精度，降低信息冗餘度，并通(tōng)過具有自組織能力的(de)短距離傳感網接入廣域承載網絡。感知層中間件技術旨在解決感知層數據與多(duō)種應用(yòng)平台間的(de)兼容性問題，包括代碼管理(lǐ)、服務管理(lǐ)、狀态管理(lǐ)、設備管理(lǐ)、時(shí)間同步、定位等。在有些應用(yòng)中還(hái)需要通(tōng)過執行器或其他(tā)智能終端對(duì)感知結果做(zuò)出反應，實現智能控制。該部分(fēn)除RFID、短距離通(tōng)信、工業總線等技術較爲成熟外，尚需研制大(dà)量的(de)物(wù)聯網特有的(de)技術标準。

感知層由現場(chǎng)設備和(hé)控制設備組成，主要進行工業機器信息的(de)感知以及控制指令的(de)下(xià)發。現場(chǎng)設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(zhè)些設備直接與工業機器相連，擔當著(zhe)感知控制過程的(de)末稍機構。控制設備主要指PLC等控制器，在工業系統中，PLC等控制器用(yòng)于實現較底層的(de)高(gāo)速實時(shí)的(de)控制功能，對(duì)于工業控制尤爲重要。控制設備與現場(chǎng)設備組成了(le)現場(chǎng)總線控制網絡，如常用(yòng)的(de)CAN總線網絡、Profibus 總線網絡等。值得(de)一提的(de)是，工業無線傳感器網絡WISN作爲物(wù)聯網技術的(de)重要組成部分(fēn)，通(tōng)過網關可(kě)與現有的(de)現場(chǎng)總線網絡并存。WISN以其高(gāo)可(kě)靠、低成本、易擴展等優勢被廣泛應用(yòng)于感知層的(de)實現中，在環境數據感知、工業過程控制等領域發揮著(zhe)巨大(dà)作用(yòng)。

2. 現場(chǎng)管理(lǐ)層

現場(chǎng)管理(lǐ)層主要指工廠的(de)本地調度管理(lǐ)中心，即如上文所述的(de)SCADA系統。調度管理(lǐ)中心充當著(zhe)工業系統的(de)本地管理(lǐ)者以及工業數據對(duì)外接口提供者的(de)角色，一般包括工業數據庫服務器、監控服務器、文件服務器以及Web網絡服務器等設備。現場(chǎng)管理(lǐ)層作爲區(qū)别于傳統物(wù)聯網系統架構的(de)一個(gè)層次，在工業物(wù)聯網系統中起著(zhe)重要作用(yòng)。現場(chǎng)管理(lǐ)層融合了(le)現有的(de)工業監控系統，它的(de)存在使得(de)來(lái)自感知層的(de)部分(fēn)關鍵工業數據能得(de)到及時(shí)的(de)記錄與處理(lǐ)，對(duì)于一些對(duì)實時(shí)性有要求的(de)較底層的(de)過程控制指令，它能快(kuài)速響應，及時(shí)做(zuò)出控制決策。另一方面，現場(chǎng)管理(lǐ)層起到了(le)對(duì)外提供數據接口的(de)作用(yòng)，通(tōng)過數據庫服務器以及Web網絡服務器，調度管理(lǐ)中心可(kě)以把來(lái)自于工廠内部的(de)數據通(tōng)過網絡層發布到應用(yòng)層，應用(yòng)層可(kě)以透明(míng)訪問到不同工業機器上的(de)感知信息，對(duì)進一步的(de)數據分(fēn)析工作起到了(le)重要作用(yòng)。

3. 網絡層

網絡層由互聯網、電信網等組成，負責信息傳遞、路由和(hé)控制。網絡層将來(lái)自感知層的(de)各類信息通(tōng)過基礎承載網絡傳輸到應用(yòng)層，包括移動通(tōng)信網、互聯網、衛星網、廣電網、行業專網，及形成的(de)融合網絡等。根據應用(yòng)需求，可(kě)作爲透傳的(de)網絡層，也(yě)可(kě)升級以滿足未來(lái)不同内容傳輸的(de)要求。經過十餘年的(de)快(kuài)速發展，移動通(tōng)信、互聯網等技術已比較成熟，在物(wù)聯網的(de)早期階段基本能夠滿足物(wù)聯網中數據傳輸的(de)需要。網絡層主要關注來(lái)自于感知層的(de)、經過初步處理(lǐ)的(de)數據經由各類網絡的(de)傳輸問題。這(zhè)涉及到智能路由器，不同網絡傳輸協議(yì)的(de)互通(tōng)、自組織通(tōng)信等多(duō)種網絡技術。其中，全局範圍内的(de)标識解析将在該層完成。該部分(fēn)除全局标識解析外，其他(tā)技術較爲成熟，以采用(yòng)現有标準爲主。

4. 應用(yòng)層

應用(yòng)層實現所感知信息的(de)應用(yòng)服務，包括信息處理(lǐ)、海量數據存儲、數據挖掘與分(fēn)析、人(rén)工智能等技術。

應用(yòng)層是工業物(wù)聯網的(de)最終價值體現者。應用(yòng)層針對(duì)工業應用(yòng)的(de)需求，與行業專業技術深度融合，利用(yòng)大(dà)數據處理(lǐ)技術對(duì)來(lái)自于感知層的(de)數據進行分(fēn)析，主要包括對(duì)生産流程的(de)監視、對(duì)工業機器運行狀況的(de)跟蹤、記錄等，最終産生對(duì)企業、行業發展有指導意義的(de)結果，如優化(huà)生産流程、指導生産管理(lǐ)、提高(gāo)經營效率、預測行業發展等，實現廣泛的(de)智能化(huà)。不同的(de)企業之間更能互相共享大(dà)數據的(de)分(fēn)析處理(lǐ)結果，對(duì)于促進企業間協同生産整體生産力有著(zhe)巨大(dà)作用(yòng)。

應用(yòng)層主要包括服務支撐層和(hé)應用(yòng)子集層。物(wù)聯網的(de)核心功能是對(duì)信息資源進行采集、開發和(hé)利用(yòng)，因此這(zhè)部分(fēn)内容十分(fēn)重要。服務支撐層的(de)主要功能是根據底層采集的(de)數據，形成與業務需求相适應、實時(shí)更新的(de)動态數據資源庫。該部分(fēn)将采用(yòng)元數據注冊、發現元數據、信息資源目錄、互操作元模型、分(fēn)類編碼、并行計算(suàn)、數據挖掘、數據收割、智能搜索等各項技術，亟需重點研制物(wù)聯網數據模型、元數據、本體、服務等标準，開展物(wù)聯網數據體系結構、信息資源規劃、信息資源庫設計和(hé)維護等技術；各個(gè)業務場(chǎng)景可(kě)以在此基礎上，根據業務需求特點，開展相應的(de)數據資源管理(lǐ)。業務體系結構層的(de)主要功能是根據物(wù)聯網業務需求，采用(yòng)建模、企業體系結構、SOA等設計方法，開展物(wù)聯網業務體系結構、應用(yòng)體系結構、IT體系結構、數據體系結構、技術參考模型、業務操作視圖設計。物(wù)聯網涉及面廣，包含多(duō)種業務需求、運營模式、應用(yòng)系統、技術體制、信息需求、産品形态均不同的(de)應用(yòng)系統，因此必須統一、系統的(de)業務體系結構，才能夠滿足物(wù)聯網全面實時(shí)感知、多(duō)目标業務、異構技術體制融合等需求。各業務應用(yòng)領域可(kě)以對(duì)業務類型進行細分(fēn)，包括綠色農業、工業監控、公共安全、城(chéng)市管理(lǐ)、遠(yuǎn)程醫療、智能家居、智能交通(tōng)和(hé)環境監測等各類不同的(de)業務服務，根據業務需求不同，對(duì)業務、服務、數據資源、共性支撐、網絡和(hé)感知層的(de)各項技術進行裁剪，形成不同的(de)解決方案，該部分(fēn)可(kě)以承擔一部分(fēn)呈現和(hé)人(rén)機交互功能。應用(yòng)層将爲各類業務提供統一的(de)信息資源支撐，通(tōng)過建立、實時(shí)更新可(kě)重複使用(yòng)的(de)信息資源庫和(hé)應用(yòng)服務資源庫，使得(de)各類業務服務根據用(yòng)戶的(de)需求随需組合，使得(de)物(wù)聯網的(de)應用(yòng)系統對(duì)于業務的(de)适應能力明(míng)顯提高(gāo)。該層能夠提升對(duì)應用(yòng)系統資源的(de)重用(yòng)度，爲快(kuài)速構建新的(de)物(wù)聯網應用(yòng)奠定基礎，滿足在物(wù)聯網環境中複雜(zá)多(duō)變的(de)網絡資源應用(yòng)需求和(hé)服務。該部分(fēn)内容涉及數據資源、體系結構、業務流程類領域，是物(wù)聯網能否發揮作用(yòng)的(de)關鍵，可(kě)采用(yòng)的(de)通(tōng)用(yòng)信息技術标準不多(duō)，因此尚需研制大(dà)量的(de)标準。

除此之外，物(wù)聯網還(hái)需要信息安全、物(wù)聯網管理(lǐ)、服務質量管理(lǐ)等公共技術支撐，以采用(yòng)現有标準爲主。在各層之間，信息不是單向傳遞的(de)，是有交互、控制等，所傳遞的(de)信息多(duō)種多(duō)樣，其中最爲關鍵的(de)是圍繞物(wù)品信息，完成海量數據采集、标識解析、傳輸、智能處理(lǐ)等各個(gè)環節，與各業務領域應用(yòng)融合，完成各業務功能。因此，物(wù)聯網的(de)系統架構和(hé)标準體系是一個(gè)緊密關聯的(de)整體，引領了(le)物(wù)聯網研究的(de)方向和(hé)領域。