物联网互操作系统：分类、标准与未来发展方向综述

1 介绍

        “物联网“一词最早是由英国技术先驱凯文·阿什顿（1999年，麻省理工学院）在RFID标签方面的工作中使用的。具体来说，llot将一组具有独特标识和标准通信的异构设备或失误连接起来，使物联网设备之间实现兼容互联。它的目的就是异构端设备之间的通信，通过这些感知数据，在集中的服务器上安全的存储数据，最后，处理和传输过滤后的信息到下一层，以控制和监控网络的组件，改善不同人员的工作条件，降低运营成本，并增加机器的寿命。

      复杂普适的操作系统被传统的同构分布式系统所取代，它是在特定领域的平台设计和开发，他们与各种设备相互连接构成一个高效和丰富的互联动态结构。但是物联网应用领域也存在着很多挑战性的问题，其中核心的问题就是“互操作性”，就是一个或多个设备它们以某种目的相互理解和数据传递。其中最关键的属性就是极端异构性和动态的自发通信。

      极端异构性，不同的llot设备使用不同的数据类型的网络，中间件和不同的应用协议进行连接，这也就导致了数据传输和处理过程中设备可理解性出现问题。

举个例子：两个不同国家的人用不同的语言交流，导致大家都听不懂，外国人学汉语对一个中国人说出了错误了话就像是数据传输发生了错误。

      动态和自发的通信， “互操作性”核心的问题，就是一个或多个设备它们以某种目的相互理解和数据传递。结合互操作性可以很好的理解动态和自发通信，大家都是为了一个目的自觉，自动的去通信。

2 工业物联网的范式

2.1工业物联网的重要性

        在工业中，llot对应的智能设备小到气体温度传感器，达到卫星引擎中的先进设备，可以说是覆盖广泛。llot对应现代工业可以提高生产效率、减少错误、提高安全性、降低成本，且不需要人为干预自动高效的创建决策。它为开发过程，电力，灌溉，运输和其他重要基础设施行业领域的业务创造了新机会。下图是物联网技术需求的图像标识。可以看出在水，电力，农业，采煤，数据安全都有相应的需求。

2.2工业4.0革命

• 以水和蒸汽机作为动力来源的机械生产我们称为工业1.0

• 依靠流水线的大规模生产我们称为工业2.0

• 与电子，信息技术，自动化有关的我们称为数字革命/工业3.0

• 集成电路，信息，通讯技术的创新，利用技术促进行业创新我们称为工业4.0。它的最终目的是将所有物理对象数字化，与全球工业紧密结合起来。

下图是时间轴示意图

2.3工业4.0相关的技术

        包括人机交互，大数据 AI 网络安全  AR增强现实） llot互操作性 云计算 自动机器人 数字孥生 5G等新兴技术。其中人工智能，连通性，互操作性，网络安全是工业4.0新兴技术的支柱。可以理解为没有了支柱它们就会变得分崩离析不值得一提。

3工业应用的互操作性和相关问题

        对于互操作性的定义层出不穷，其核心就是物联网设备与其他设备进行数据传递。下图所示，它表明了来自不同供应商或服务的两个相似或不同实体之间的工业信息的无缝交换。相同的服务，不同的平台，通用的基础结构使他们有效的进行数据传递。在一份技术报告中，国际标准组织将互操作性定义为“在各种功能单元之间进行通信，执行，或传输数据的能力。他集中体现了两个未知功能单元之间的通信，它可以通过互操作通信标准来实现。说白了，在工业应用角度实则上就是提供一种独特数据结构，API和通信协议的全球化标准。所以互操作性面临的最大问题就是设立一个全球性标准。

 3.1互操作性

        一般来说不同的服务商只提供特定的硬件，软件等服务。想要增加互操作性就得是各个供应商来推出产品。在利益的前提下这很难实现，因此提高市场份额建立一个中心化生态系统，让供应商看到利润。使得供应商都来遵守全球化服务标准。

3.2可移植性

        使用网络能够将数据和应用程序传输到另一个系统，并且确保能够执行能够使用。可知llot设备依靠云服务高效的传输数据。云/雾服务的工业用户寻求数据/设备的可移植性，以便处理IIoT应用的服务可以在不进行任何修改的情况下迁移到新的提供商或新的计算设备，并改善各种QoS参数，包括成本、延迟等。这也带来了很多挑战，例如，原设备数据如何转化为目标设备数据格式。这就得要求供应商提供互操作性，一边移植到下一个供应商的设备时能够尽可能的减少修改快速的移植。

3.3兼容性

        意味着这个设备不仅要支持你这个供应商还得支持其他供应商。这就可以通过合并多个远程服务提供商或设备来有效地处理IIoT应用程序，从而与一个终端设备进行交互。

4 工业物联网操作系统的分类

        由于LCIM是最受认可的互操作性分类如下图是LCIM互操作系统模型。它将互操作系统分为无互操作性(0级)、技术互操作性(1级)、语法互操作性(2级)、语义互操作性(3级)、实用互操作性(4级)、动态互操作性(5级)和概念互操作性(6级)来设计互操作性系统。在分别说明各个互操作系统时我们得明白标准互操作系统是各个平台之间以及应用程序与各个平台之间都能建立有效的连接。

 

 

概念互操作性(6级)

        一台机器/设备可以在工业生态系统内外无缝沟通和共享标准概念模型，工业生态系统中的概念互操作性有时被称为M2M/D2D通信互操作性。它指的是操作系统直接或间接的对概念模型和指令进行理解。设计一个可互操作的概念IIoT环境存在一些挑战。(1)大量异构的工业物联网设备共享资源，大多数工业物联网设备在存储和处理方面受到约束。(2)工业IIoT应用和设备主要依赖于概念模型和具有先进编曲器的可组合性。应对这些挑战的一种可能的解决方案是将设备分类成级别，并将云雾技术编排到IIoT环境中，也就是说将互操作性划分等级，对应你设备的需求进入相应等级。（另一方面，云计算及其支持技术(如基于容器的云计算、无服务器计算和cloudlet)支持可互操作的数据处理，通过提供按需付费的服务模型，允许大数据分析、数据迁移和数据虚拟化。与云互操作性相关的一些标准有ISO/IEEE 19941、IEEE P2301，以及OCCI。此外，一些建模语言如TOSCA、CAML、HOT支持在云上进行互操作的数据传输，数据可以在不改变数据的结构和格式的情况下从一个服务提供商移动到另一个服务提供商。通过将雾云基础设施整合到医疗、农业、智慧城市和制造业中，许多公司(如管理食品和饲料行业)开发了一个可互操作的环境。该领域的一些研究成果是Liu等人设计了一种基于drd4m的分布式架构）通过这些技术使异构设备之间的资源互操作共享成为可能。

动态互操作性(5级)

        动态互操作性与平台互操作性相互联系，意味着各个lot平台在数据之间相互理解且指令含义不发生改变。这可以使得供应商和供应商之间能够建立有效的沟通。

实用互操作性(4级)

        它指设备无缝通信和交换信息的能力，通过支持异构的工业标准、协议和先进的网络技术，互操作设备将被告知被传输数据的意义和目的。实用互操作性的关键组件是工业设备，连接更多的设备以更高的速率和兼容技术运行。新设备可以提供多个接口用于多通道传输，旧设备则修改参数使他在不破坏系统的条件下去扩展。实时互操作性主要强调的是传输的速度以及多个设备之间的兼容性。

语义互操作性(3级)

        机器是执行明确的指令，所以互操作性显得尤为重要。不幸的是，在当今的IIoT环境中，数据格式(如CSV、JSON、XML)和相关模型在语义上是不兼容的，设备也不是十分智慧，不同供应商提供的设备规格也不同，无法做成一种通用的可解释语言。因此，实现语义互操作性的关键是数据交换技术的革命和意义的明确交换。XML、ETSI SAREF、Web本体语言(OWL)和资源定义框架(RDF)被广泛用作语义互操作性的模型，由W3C在异构IIoT环境中开发。RDF被证明效率更高，但它将多种技术结合到一个独特的本体中。相当于一个学习了多种语言的人，能够和不同国家的人进行沟通。这样它就有效地促成一种通用的可解释语言。

语法互操作性(2级)

        句法互操作性涉及数据的包装和通信机制，机器可以在数据传输过程中充分地感知和读取消息表示，尽管这一信息的重要性可能不被理解。这一层的关键目标是定义一个标准格式(如XML和JSON)和共享数据的结构。必须为每个能够将原始数据转换为标准格式并识别语法错误以实现语法互操作性的设备指定一个语法接口。这也很好理解，如同上一个学习了多个语言的人，有时候和他交流的人说错话了，但是他也能知道他的意思，有一个修正的过程，这个修正的过程很好的诠释了语法互操作性

技术互操作性(1级)

        它确保获得的数据和相应的标准在不对数据和服务[34]产生不利影响的情况下提供质量级别的体验。工业技术互操作性在异构设备、多个服务提供商和计算系统之间提供无缝的数据共享，以获得适当的标准和规范。它主要是单个设备内进行的优化。

5 工业适用于互操作性的架构、标准、协议

5.1用于互操作性的工业物联网架构

        很少有工业互联网模型结合了IIoT环境的概念和技术互操作性问题，文章提出了一种新的工业物联网操作系统RA。提出的RA分为三层，物联网设备层、分布式雾/边缘层、集中式云层。物联网设备层包括嵌入式设备，传感器，工业机械设备，它主要是数据的感知，数据的收集，数据的发送。由于物联设备层的设备资源有限，便协同分布式雾/边缘层进行处理。它充当IIoT设备层和云层之间的中介桥梁。

5.2用于互操作性的llot协议

        一系列的异构设备，网络架构和复杂的分布式环境对互操作性都是一个巨大的挑战。在这一小节中提出一种协议栈，使得设备之间可以互操作地进行通信，交换信息，满足各自的需求。想要实现这个协议栈文中只提出需要考虑的几个设计目标。

        •可靠性:物体在规定的条件下在给定的时间内实现其预期目的的可能性。可靠性是一个主要的性能指标，它计算出工业环境中真实和最优产量的相关性，其主要目标是增加收入产生。

        •安全:工业数字技术鼓励新设备的连接，这也增加了工业设施的新线程因素和未知风险。这些线程可以是内部的，也可以是外部的。网络细分、用户访问、政策管理是工业安全[23]的三个关键因素。

        •QoS :服务质量处理网络资源和系统能力，使物联网通信得到安全骨干的支持。QoS可以包括延迟、延迟变化、带宽和丢包，通过流量检测、资源利用和通道注册约束提供稳定可靠的服务。从用户的角度来看，QoS参数可以是用户的满意度、成本、处理等网络或系统级参数。

        •功耗:电力供应是任何国家建立工业技术中心的先决条件之一。而且，这个指标与经济直接相关。智能电网、智慧城市、采矿业、生产等行业是电力供应受影响最严重的领域。因此，一个可互操作的工业物联网生态系统也需要轻量级工业物联网设备之间的节能通信协议。

5.3工业物联网互操作性标准

        为了在工业环境中提供业务协助和高生产率，必须对IIoT相关技术进行设计和标准化，以分析异构对象之间的数据交换、制造和通信技术要求的规范。标准化有助于缩短商业垄断的机会，并鼓励新的初创公司和服务的增长。下表分为五个维度，如挑战、组织、标准、描述和应用领域，其中强调了各种标准、职责及其目标应用领域。

6未来的发展方向

6.1互操作的工业物联网生态系统和能源收集

        物联网生态系统使得低功耗可充电/无电池无线设备的大规模部署成为必要，如几百个甚至几千个设备更换电池显然不切实际。为了应对这些挑战低功耗的通信协议以及能量的回收利用方案已经被设计用于大规模工业应用。为了更好的克服天气不稳定和回收能源技术单一缺点，将多个设备的能量收集集中到llot设备中，以实现高效和互操作的电源管理。这对行业来说是一个巨大的挑战。用于收获系统的混合能源存储技术也有发展空间，它可以设备的电池寿命。但这也无法满足工业互联网设备的要求。因此高效节能的硬件制造和超级大的电池容量的重新设计也增加了工业物联网应用的可靠性和可扩展性。

6.2互操作性标准和协议

        物联网协议及其标准化是建立互操作的工业物联网生态系统的设计支柱之一。物联网协议允许IIoT设备通过共同“交谈”、接收数据和规范决策[3]来观察、倾听、理解和执行任务。文献中设计了一个标准化通信协议池，以应对各种挑战，如命名、寻址、路由、流量控制、避免拥塞和大规模工业部署。然而，由于事实上的通信标准的不足，在工业环境中建立通信技术存在一些限制。

6.3互操作性的数据安全

安全性是可互操作的工业4.0革命的基本标准之一，它始终受到业界和个人的极大关注。银行，网上购物都需要第三方去保护他们的交易记录，但这并不足以构建一个可互操作的生态系统。有人会想到区块链这一高度安全的加密技术，对于工业互联网的可扩展性，灵活性也带来了巨大的挑战。但真正的用例中并不围绕区块链。

6.4 开放的互操作性API

API是构建和集成软件解释器的一系列概念和协议，允许两个应用程序在没有特定领域知识的情况下彼此交换信息。然而，设计一个标准的互操作API的技术挑战是动态地服务于用户的需求和多厂商的供应。近年来，具有挑战性的问题是如何设计一个灵活的、可互操作的API。

               下图是未来发展方向的总结，分别介绍了在llot上挑战的问题，目标，预期的解决方案，描述，以及研究机会 

原文：A Comprehensive Survey on Interoperability for IIoT: Taxonomy, Standards, and Future Directions | ACM Computing Surveys