工业物联网体系架构概述及基于工业物联网的智能制造

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参考自：国家出版基金项目 《物联网与智能制造》 张晶 化学工业出版社

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Author：HYH
Date：2020/7/21

0智能制造

智能制造（Intelligent Manufacturing,IM）是指将新一代信息通信技术与先进制造技术深度融合，贯穿制造活动的各个环节，多功能的先进制造过程、系统与模式的总称。制造制造以智能工厂为载体，对推动制造业转型升级具有重要意义。智能制造的概念起源于日本在1990年4月所倡导的“智能制造系统IMS”国际合作研究计划。目前德国提出的“工业4.0”、美国提出的工业互联网、我国提出的“中国制造2025”等计划，均是剑指智能制造的产业升级计划。

智能制造包括两大主题：智能工厂和智能生产。
智能工厂：在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性，减少生产线人工干预，合理安排生产计划；
智能生产：基于CPS融合虚拟生产环境与现实生产环境，将网络空间的高级计算能力有效运用于现实生产中，通过人与智能机器的合作，部分取代专家的脑力劳动。

1实现智能制造的基础——工业物联网

工业物联网是物联网面向工业领域的应用，与“工业+物联网”相比，具有更为丰富的内涵。
工业物联网具有智能感知、泛在联通、精准控制、数字建模、实时分析和迭代优化六大典型特征，研究兼容各种网络和系统的工业物联网，是实现智能制造的关键。
工业物联网包括工厂内部网络和工厂外部网络两大网络：
工厂内部网络用于连接在制品、传感器、智能机器、工业控制系统、人等主体；
工厂外部网络用于连接企业上下游、企业与智能产品、企业与用户等主体。

面向智能制造的工业物联网呈现的互联主体：

1. 再制品
2. 智能机器
3. 工厂控制系统
4. 工厂云平台（及管理软件）
5. 智能产品
6. 工业物联网应用

智能制造的实现需要依托两方面基础能力：
一是工业制造技术，二是新兴工业网络。

工业物联网总体架构

根据建模方法的不同，工业物联网体系架构可以分为基于分层的体系架构和基于域的体系架构，下面仅介绍前者。

分层体系架构

根据ITU-T建议的基于USN的物联网体系架构（从功能角度）可建立工业物联网的分层体系架构。

工业物联网从下至上依次分为感知控制层、网络传输层、数据平台层、应用创新层。

层名	功能
应用创新层	应用集成与业务创新相关的事宜
数据平台层	对汇聚的感知数据进行充分挖掘和利用
网络传输层	感知数据的近距离接入与远距离传输
感知控制层	对工业环境与生产资源数据的实时采集

工业物联网技术体系

作为面向工业生产的专网，工业物联网涉及的关键技术可划分为感知控制技术、网络通信技术、信息处理技术、应用服务技术和安全管理技术五大类，各类技术中既包含物联网的通用共性技术，也包含工业物联网的专用技术。

感知控制技术
感知：工业传感器。
控制：工业控制系统包括SCADA、DCS、PLC。

信息通信技术
工业以太网、工业现场总线、工业无线网络是目前通信领域的三大主流技术。

信息处理技术
主要完成对采集到的工业生产相关数据进行数据解析、格式转换、元数据提取、数据清洗、建模预测等工作，再按照不同的数据类型与数据特点进行分类存储、索引和应用，并以知识的形式参与生产运行决策。

应用服务技术
面向行业或企业的生产、经营、销售等活动提供信息服务。
工业领域现有的电子商务系统（E-commerce）、企业资源规划系统（ERP）、产品生命周期管理系统（PLM）、供应链管理系统（SCM）、客户关系管理系统（CRM）、办公室自动化系统（OA）等都可视为特殊类型的服务。

安全管理技术
包括生产安全管理与运营安全管理两个方面。
生产安全管理：通过分析实时采集的生产现场数据和生产流程数据，确保生产要素的安全和产品生产质量的过程。
运营安全管理：确保运营子系统的安全。

工业物联网标识体系

基于IPv6构建工业物联网标识体系，成为当前工业网络领域的研究热点之一。

工业物联网中的标识体系包括标识和标识解析两部分内容。
工业物联网中的标识：类似互联网中的域名，是识别和管理物品、信息、机器的关键基础资源。
工业物联网中的标识解析系统：类似互联网中的域名解析系统，即通过工业互联网标识翻译为该物体的地址或其对应信息服务器的地址，找到该物体或相关信息。

标识体系

工业物联网的标识体系同样包括物品标识、通信标识和业务标识三大类。
物品标识
一维条码，PDF417、QR码、DM码等二维码等等。

通信标识
工业物联网在通信标识方面的需求与传统网络有两个方面的不同：

1. 末端通信设备的大规模增加以及生产资源的物化联网，带来对标识资源需求的大规模增加；
2. 以无线传感器网络为代表的智能物体近距离无限通信网络，对通信标识提出了降低电源、带宽、处理能力消耗的新要求。

业务标识
尚未统一。

标识解析体系

标识解析体系按照是否基于DNS可以分为两大路径：改良DNS路径和变革DNS路径。
改良DNS路径：改良DNS路径仍基于现有的互联网DNS系统，对现有互联网DNS系统进行适当改进来实现标识解析。
变革DNS路径：变革路径采用与DNS完全不同的标识解析技术。