無線移動支持工業互聯網研究*

夏 虹，陳彥萍，王忠民，郭 超

（西安郵電大學計算機學院，西安710121）

·微機網絡與通信·

無線移動支持工業互聯網研究*

夏 虹，陳彥萍，王忠民，郭 超

（西安郵電大學計算機學院，西安710121）

當前工業互聯網是實現工業智能化的綜合信息基礎設施，而實時控制、超密集、大連接等應用場景都對無線移動技術與網絡提出了新挑戰。無線移動支持工業互聯網的研究涉及很多領域，首先從工業應用場景、業務模型、工業互聯網對無線移動技術的特殊要求出發，逐步解析無線移動支持工業互聯網所涉及的基本概念和獨有特征；其次提出了無線移動支持工業互聯網的架構、技術、標準體系并進行了詳細闡述；繼而歸納了無線移動支持工業互聯網的關鍵問題，并給出無線移動支持工業互聯網的應用示例；最后總結了無線移動支持工業互聯網未來所面臨的挑戰。

工業互聯網；無線移動；業務模型；架構；標準體系；協議標準

1 引言

2013年6月，通用電氣與亞馬遜等科技公司聯手打造未來“工業云”產品。利用亞馬遜網絡服務等云技術，將全球運營的機器和設備并入到網絡中，并用大數據的概念和技術來處理其原始數據。通用電氣期望利用先進的分析方法實時處理數據，由此“工業互聯網”革命即將來臨[1]。工業互聯網是指全球工業系統與高級計算、分析、感應技術以及互聯網連接融合的結果。GE認為，通過智能機器間的連接并最終將人機相連，結合軟件和大數據分析，工業互聯網最終將重構全球工業[2]。

無線網絡使用各種無線通信技術為各種移動設備提供必要的物理接口，實現物理層和數據鏈路層的功能。隨著無線通信技術的發展，移動操作系統和移動瀏覽器的開發，使得無線移動互聯網具有更多的網絡應用。無線移動互聯網具有移動性、無線性、動態魯棒性、多路抗干擾性等特點?！吨袊圃?025》規劃綱要明確指出，要加強工業互聯網基礎設施建設與布局，建設低時延、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網。它是物聯網和大數據分析的結合，物聯網將生產過程中的各種要素連接起來，并實時采集它們的狀態數據，而大數據技術則對這些生產過程數據進行分析，獲取隱含在其中的知識，進而指導生產過程。實現生產過程的網絡化、智能化、柔性化，達到提高產品質量和生產效率、節約生產能耗、降低環境污染、增強創新等目的。因此工業互聯網與無線通信技術相結合，是《中國制造2025》實現的技術支撐[3-5]。

目前國內外在無線移動支持工業互聯網的研究還處于起步階段，專家學者對無線移動支持工業互聯網研究的體系架構、關鍵技術和標準化都還缺乏明細的界定。從無線移動支持工業互聯網概念、體系架構、關鍵技術和標準化工作著手，對無線移動支持工業互聯網研究的現實基礎及關鍵問題進行論述，以期進一步探討無線移動支持工業互聯網的未來研究發展。

2 相關工作

工業生產中信息技術的應用正在從基于自動化技術節省成本的時代轉向智能和價值創造的時代，進而引發新一輪的全球產業變革。美國提出了“工業互聯網”的概念，而德國則推出了“工業4.0”概念，其實質都是采用新型智能化的信息基礎設施連接工業系統中的各要素，全面采集工業生產過程中的數據，運用大數據技術加以分析，從而實現工業生產過程高效率、低成本以及創新等目的[6-7]。我國在2015年5月也出臺了《中國制造2025》規劃綱要，將實現長期制約我國制造業發展的關鍵共性技術的突破，保證中國未來的工業發展處于領先地位。

由AT&T、思科(Cisco)、通用電氣(GE)、IBM和英特爾(Intel)，成立工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium,IIC)。目的是通過建立開放式互通性標準，促進物理世界和數字世界融合，通過通用架構的建立實現智能設備、機器、人、流程、數據的互聯互通。提出了工業互聯網參考架構，該架構分為：商業視角（需求模型）、用法視角（用例模型）、功能視角（功能模型）、實現視角（實現模型、部署模型）。由德國提出的工業4.0參考架構模型，以一個三維模型展示了工業4.0涉及的所有關鍵要素，集中在產品開發和生產全過程。第一個維度借用了信息和通信技術常用的分層概念，從下到上各層代表的主要功能為：資產層與集成層，數字化表示現實世界的各種資產；通信層實現標準化的通信協議；信息層包含相關的數據；功能層形式化定義必要的功能；業務層映射相關的業務流程。模型的第二個維度描述生命周期及其相關價值鏈。從規劃開始，到設計、仿真、制造、直至銷售和服務。工業4.0模型的第三個維度描述工業4.0不同生產環境下的功能分類，此外還在底層增加了“產品”層，在工廠頂層增加了“互聯世界”層。

無論是IIC還是德國提出的工業互聯網參考體系架構基本上都借鑒了物聯網體系結構研究的成果。在實現我國提出的工業互聯網、工業4.0和兩化融合方面，文獻[8-12]也做了大量工作。

3 無線移動支持工業互聯網的架構、技術、標準體系

無線移動支持工業互聯網是一個以智能傳感器、自動控制、計算機、通信、網絡等技術為主要內容的多學科交叉的新興技術。目前，工廠內采用的以太網和工業總線技術，采用的標準和軟件不一樣，彼此之間不能互操作，導致整個工業的效率無法進一步提升。通過無線移動支持工業互聯網應用場景及需求分析，制定未來工業互聯網共性的技術標準是非常重要的。在新業態、新模式驅動下，實時控制、超密集、大連接等應用場景都對無線移動技術與網絡提出了挑戰。因此，亟需對無線移動支撐工業互聯網開展系統性研究[13-16]。無線移動需求對工業的支持如圖1所示。下面將從無線移動支持工業互聯網的架構體系、無線移動支持工業互聯網的技術體系、無線移動支持工業互聯網的標準體系三方面進行介紹。

圖1 無線移動需求對工業的支持

3.1 無線移動支持工業互聯網的架構體系

在研究了現有工業生產業務對無線移動工業互聯網的需求基礎上，提出無線移動支持的工業互聯網架構如圖2所示。

圖2 無線移動支持的工業互聯網架構

感知與控制層：深度感知與精準控制。網絡互聯層：網絡互聯互通和端到端的數據流。平臺層：信息融合、智慧優化與決策。業務層：智能制造。其中涉及傳感網、物聯網、互聯網、CPS的相關技術協議等。

3.2 無線移動支持工業互聯網的技術體系

工業生產過程中的無線網絡技術需求是多樣的，要互聯的必然是異構的無線網絡。工業控制要求網絡通信具備實時性、低時延、高可靠性和安全性。無線技術應具備強的抗干擾性，全面感知工業生產過程需要部署大量傳感器，則要求無線通信模塊具有超密集、大連接、低成本、低功耗、廣覆蓋等特性。無線通信技術則存在頻譜資源有限、信道開放、共享、易受干擾等內在缺陷，而工業互聯網對無線移動技術尤其特殊要求：高可靠、超密集、大連接、實時性、低時延、低功耗和高安全性等。這些都給無線移動支持工業互聯網提出了很大挑戰。

提出按覆蓋范圍劃分，無線網絡在工業互聯網中的應用可分為三類：車間內部短距離互聯的無線傳感器-執行器網絡（Wireless Sensor-Actor Network，WSAN）；廠區內部中距離互聯的工業無線局域網（IndustrialWirelessLocalAreaNetwork，IWLAN）；長距離互聯的工業無線廣域網絡（Industrial Wireless Wide Area Network，IWWAN），如圖3所示。

WSAN主要用在工廠車間內，負責將生產現場的各類機器、設備、制造單元及生產線上的傳感器和執行器連接成網絡，實現對設備、生產過程的實時監測與控制。

IWLAN用于工廠廠區范圍內，負責連接散布在工廠內的生產車間網絡（WSAN）、辦公網絡、視頻設備、移動設備等，實現對工廠運行狀態的全面感知。

IWWAN則用于更廣闊的范圍，用于實現企業資源整合、產品全生命周期追蹤、提供實時產品和服務等。

3.3 無線移動支持工業互聯網的標準體系

當前，用于WSAN的無線網絡技術標準（或標準草案）主要有：HART基金會（HART Communication Foundation，HCF）制定的工業無線網絡規范WirelessHART；中國工業無線聯盟針對過程自動化領域制定的標準WIA-PA；美國儀表自動化協會(the International Social of Automation，ISA)提出的工業無線測控系統標準草案ISA100.11a；以及由ABB公司主導的基于IEEE 802.15.1（藍牙）形成的無線傳感網技術標準WISA（Wireless Interface Sensor Actuator）。其中，ISA100.11a是目前國際上市場增長率最快的工業無線技術。IWLAN的物理層和數據鏈路層通?；贗EEE 802.11，包括Siemens、MOXA等公司，都以該標準為基礎研發了大量的IWLAN設備，占據了一定的市場份額。但是，IWLAN網絡技術領域目前尚無國際標準。由于產品的移動性等原因，IWWAN通常只能采用無線通信方式，蜂窩移動通信網絡以及衛星通信是IWWAN的主要通信方式。在對現有標準研究后，從宏觀上提出無線移動支持工業互聯網的標準體系，如圖4所示。

圖3 無線移動支持工業互聯網

圖4 無線移動支持工業互聯網的標準體系

4 無線移動支持工業互聯網的關鍵問題

工業互聯網的目標是要打造貫穿全層和全周期的信息數據鏈；研制可感知、可聯網、可控制的智能機器；構建集數據匯集、存儲、處理與控制功能一體化的軟件平臺[17-20]?？梢阅殲橐韵卵芯糠较颍簾o線移動支持工業互聯網中數據感知、無線移動支持工業互聯網中數據融合、無線移動支持工業互聯網中數據服務、安全問題等。

4.1 無線移動支持工業互聯網中數據感知

（1）無線移動支持工業互聯網感知層的參考架構研究

由于現有工業互聯網感知層的各種應用和服務包含了不同的網絡協議、中間件和應用函數，對各種應用和服務的兼容性影響較大，需要建立無線移動工業互聯網感知層的參考架構。研究內容包括：無線移動支持工業互聯網感知層體系結構理論模型、描述、分析與驗證。

（2）無線移動支持工業互聯網感知層的網絡管理研究

與現有網絡相比，無線移動支持工業互聯網感知層包含了新的功能單元，而現有的網絡管理協議并沒有對這些功能單元提供支持，需要制定適合無線移動支持下的工業互聯網感知層管理協議。研究內容包括：現有網絡管理協議的擴展研究、網絡拓撲管理研究、網絡管理協議協同研究。

（3）無線移動支持工業互聯網感知層的移動支持研究

無線移動支持工業互聯網感知層的移動性可以分為4類：網關移動、設備移動、用戶移動、環境移動，都需要提供相應的支持。研究內容包括：無線移動支持工業互聯網感知層中網關移動、設備移動、用戶移動、環境移動的研究。

（4）無線移動支持工業互聯網感知層的信息服務支持研究

信息服務支持包含信息描述、信息存儲、信息標識、目錄服務。對感知層中傳輸的信息進行明確定義和描述是感知層協同工作的基本要求。研究內容包括：無線移動支持工業互聯網感知層的信息描述、存儲、標識的研究、目錄服務研究。

4.2 無線移動支持工業互聯網中數據融合

（1）基于無線移動云服務的業務協同控制系統框架研究

目前以ERP和MES為代表的企業應用已經覆蓋企業管理、銷售、物流、設計、制造等各個環節，但各個環節上軟件工具無法靈活島、低成本島、可擴展地進行對接和互通，形成大量信息孤島。而工業價值鏈上應用的互連及信息互通是工業自動化和工業智能化的關鍵基礎環節，因此打破數據整合壁壘是構建工業互聯網端到端價值鏈的基礎保障。研究內容包括：面向復雜異構的分布式工業企業應用集成方法，系統互連信息粒度劃分，動態信息流監控與控制研究。

（2）基于SOA的分布式動態協作監控和控制方法研究

成熟的EAI技術雖然可以實現面向復雜異構的分布式工業企業應用系統互連，但是這種緊耦合的方法無法滿足工業生產的動態性需求?？刹捎没赟OA的方法進行分布式動態協作監控和控制方法研究，實現數據和工具的有效整合，完成數據為導向的協作式工序設計。研究內容包括：構建面向復雜異構的分布式工業企業應用系統統一信息模型及數據描述，實時通信協議設計及控制網絡的編址與尋址設計。

（3）面向無線移動環境的端到端數據安全研究

云端、移動、大數據分析等各種技術因素的融合使工業互聯網的價值日益顯現。網絡安全和物聯網安全的研究為工業互聯網的安全提供了可借鑒的案例和方法。但是無線移動支持下的工業互聯網更多的數據流動體現出移動計算的特性，特別是在物理鏈路的復雜性、服務和應用模式的復雜性、移動終端非可信平臺及其應用的復雜性上面問題尤為突出。研究內容包括：構建基于移動計算環境的工業互聯網安全架構，滿足實時性、低能耗、管控靈活的安全通信協議和算法。

4.3 無線移動支持工業互聯網中數據服務

（1）無線移動支持工業互聯網中數據存儲方法研究

工業數據來源途徑多樣，因此對于數據格式的要求和數據含義的理解都成為該項目的重點和難點。包括數據預處理和緩存，不同數據源接口和不同數據類型轉換等。關鍵問題是基于語義的工業私有云共享集成研究，將圍繞工業私有云數據的描述、行業詞典、交互三個方面，建立工業私有云共享集成的規范式體系，提供規范化方法。

（2）無線移動支持工業互聯網中數據計算方法研究

工業云計算，針對大數量級的高效數據存儲、工業級安全性和可靠性、實時控制和數據處理。關鍵問題是信息安全保障機制的研究，應圍繞在工業過程中產生海量數據的存儲安全、訪問權限、保密性、完整性、可靠性、真實性、可控性、信任機制等方面，建立工業信息安全的規范式體系，提供一套規范化方法。

（3）無線移動支持工業互聯網中數據分析方法研究

數據可視化和控制、數據分析挖掘、數據處理和存儲。關鍵問題是個性化流程按需自動生成方法的研究，將圍繞工業流程描述、個性化需求分析、流程自動生成方法三個方面，建立工業個性化流程的規范式體系，提供一套規范化方法。

（4）無線移動支持工業互聯網應用平臺

工業APP利用工業設計、制造、運行環節的數據實現控制優化反饋。從云平臺中虛擬化技術、交互技術、可靠性技術等關鍵問題進行個性化用戶信息挖掘的研究，將圍繞工業用戶信息數據的挖掘、用戶需求數據的解讀、用戶行為畫像等方面，建立工業用戶信息畫像的規范式體系，提供一套規范化方法。

4.4 安全問題

在無線移動支持工業互聯網中，各類終端系統如何借助各種異構通信網絡，并穿越中間鏈路上的防火墻及各種網絡限制與控制設備，最終安全地接入固網業務系統或其他伙伴的終端，實現信息獲取、實時業務交互等不同需求，是一個迫切需要解決的問題。針對移動終端/網絡類型的不同和所面臨的不同安全需求，研究內容包括：基于移動計算的安全策略，全方位、多層次的安全服務體系，建立移動網IPsec/SSL VPN安全接入和安全短消息接入網關原型，建立無線終端、移動業務和內容的實時主動防護與管控技術模型，研究無線網絡安全接入標準或技術規范及評估體系。

5 無線移動支持工業互聯網的應用示例

軌道交通行業需要在高速條件下實時進行移動寬帶接入。LTE憑借其覆蓋距離廣、帶寬高、并發數多、抗干擾能力強、安全可靠等特點，成為軌道交通行業無線專網發展新技術的選擇。無線專網在軌道交通行業中的應用正面臨著諸多挑戰。在研究無線移動支持工業互聯網整體架構及演進策略的基礎上，突破相關核心技術，結合中國北車集團大連機車車輛有限公司大連廠信息化建設的實際情況，進行了設備效能監控平臺&IWLAN驗證，如圖5所示。

圖5 設備效能監控平臺&IWLAN驗證

6 結束語

工業互聯網是實現工業智能化變革的新型智能綜合信息基礎設施，在新業態、新模式驅動下，實時控制、超密集、大連接等應用場景都對無線移動技術與網絡提出了挑戰。因此從無線移動支持工業互聯網的總體網絡架構、標準體系、關鍵問題研究及應用示例入手進行了闡述，對處于起步階段的我國無線移動支持工業互聯網產業具有重要意義。

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Research on Wireless Mobile Support Industry Internet

Xia Hong,Chen Yanping,Wang Zhongmin,Guo Chao

（School of Computer Science and Technology,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710121,China）

The current Internet industry is the base for industrial intelligent,and the scenarios with real-time control,ultra-dense and high connectivity present new challenges forthe technologies of wireless networks and mobile.Wireless mobile support industry Internet is closely related to numerous fields.We firstly analyze the basic concepts and features of wireless mobile support industry Internet, according to the industrial application scenarios,business models and industrial special requirements of wireless mobile Internet technology.Then,we present architecture,technology and standards of wireless mobile support industry Internet.Furthermore,we describe the key problems,give application examples, and summarize the challenges of wireless mobile support industry Internet in the future.

Industrial Internet；Wireless mobile；Business model；Architecture；Standard system；Protocol standard

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.02.009

TP393.0

A

1002-2279-（2017）02-0034-07

陜西省工業攻關項目（2016GY-092）；陜西省科技統籌項目（2016KTZDGY04-01）

夏虹（1977-），女（蒙），河北省保定市滿城縣人，博士，講師，主研方向：計算機網絡、服務計算、工業大數據。陳彥萍（1979-），女，陜西省銅川市人，博士后，教授，系主任，主研方向：服務計算、工業大數據。

2016-09-06