无线移动支持工业互联网研究*

夏 虹，陈彦萍，王忠民，郭 超

（西安邮电大学计算机学院，西安710121）

·微机网络与通信·

无线移动支持工业互联网研究*

夏 虹，陈彦萍，王忠民，郭 超

（西安邮电大学计算机学院，西安710121）

当前工业互联网是实现工业智能化的综合信息基础设施，而实时控制、超密集、大连接等应用场景都对无线移动技术与网络提出了新挑战。无线移动支持工业互联网的研究涉及很多领域，首先从工业应用场景、业务模型、工业互联网对无线移动技术的特殊要求出发，逐步解析无线移动支持工业互联网所涉及的基本概念和独有特征；其次提出了无线移动支持工业互联网的架构、技术、标准体系并进行了详细阐述；继而归纳了无线移动支持工业互联网的关键问题，并给出无线移动支持工业互联网的应用示例；最后总结了无线移动支持工业互联网未来所面临的挑战。

工业互联网；无线移动；业务模型；架构；标准体系；协议标准

1 引言

2013年6月，通用电气与亚马逊等科技公司联手打造未来“工业云”产品。利用亚马逊网络服务等云技术，将全球运营的机器和设备并入到网络中，并用大数据的概念和技术来处理其原始数据。通用电气期望利用先进的分析方法实时处理数据，由此“工业互联网”革命即将来临[1]。工业互联网是指全球工业系统与高级计算、分析、感应技术以及互联网连接融合的结果。GE认为，通过智能机器间的连接并最终将人机相连，结合软件和大数据分析，工业互联网最终将重构全球工业[2]。

无线网络使用各种无线通信技术为各种移动设备提供必要的物理接口，实现物理层和数据链路层的功能。随着无线通信技术的发展，移动操作系统和移动浏览器的开发，使得无线移动互联网具有更多的网络应用。无线移动互联网具有移动性、无线性、动态鲁棒性、多路抗干扰性等特点。《中国制造2025》规划纲要明确指出，要加强工业互联网基础设施建设与布局，建设低时延、高可靠、广覆盖的工业互联网。它是物联网和大数据分析的结合，物联网将生产过程中的各种要素连接起来，并实时采集它们的状态数据，而大数据技术则对这些生产过程数据进行分析，获取隐含在其中的知识，进而指导生产过程。实现生产过程的网络化、智能化、柔性化，达到提高产品质量和生产效率、节约生产能耗、降低环境污染、增强创新等目的。因此工业互联网与无线通信技术相结合，是《中国制造2025》实现的技术支撑[3-5]。

目前国内外在无线移动支持工业互联网的研究还处于起步阶段，专家学者对无线移动支持工业互联网研究的体系架构、关键技术和标准化都还缺乏明细的界定。从无线移动支持工业互联网概念、体系架构、关键技术和标准化工作着手，对无线移动支持工业互联网研究的现实基础及关键问题进行论述，以期进一步探讨无线移动支持工业互联网的未来研究发展。

2 相关工作

工业生产中信息技术的应用正在从基于自动化技术节省成本的时代转向智能和价值创造的时代，进而引发新一轮的全球产业变革。美国提出了“工业互联网”的概念，而德国则推出了“工业4.0”概念，其实质都是采用新型智能化的信息基础设施连接工业系统中的各要素，全面采集工业生产过程中的数据，运用大数据技术加以分析，从而实现工业生产过程高效率、低成本以及创新等目的[6-7]。我国在2015年5月也出台了《中国制造2025》规划纲要，将实现长期制约我国制造业发展的关键共性技术的突破，保证中国未来的工业发展处于领先地位。

由AT&T、思科(Cisco)、通用电气(GE)、IBM和英特尔(Intel)，成立工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium,IIC)。目的是通过建立开放式互通性标准，促进物理世界和数字世界融合，通过通用架构的建立实现智能设备、机器、人、流程、数据的互联互通。提出了工业互联网参考架构，该架构分为：商业视角（需求模型）、用法视角（用例模型）、功能视角（功能模型）、实现视角（实现模型、部署模型）。由德国提出的工业4.0参考架构模型，以一个三维模型展示了工业4.0涉及的所有关键要素，集中在产品开发和生产全过程。第一个维度借用了信息和通信技术常用的分层概念，从下到上各层代表的主要功能为：资产层与集成层，数字化表示现实世界的各种资产；通信层实现标准化的通信协议；信息层包含相关的数据；功能层形式化定义必要的功能；业务层映射相关的业务流程。模型的第二个维度描述生命周期及其相关价值链。从规划开始，到设计、仿真、制造、直至销售和服务。工业4.0模型的第三个维度描述工业4.0不同生产环境下的功能分类，此外还在底层增加了“产品”层，在工厂顶层增加了“互联世界”层。

无论是IIC还是德国提出的工业互联网参考体系架构基本上都借鉴了物联网体系结构研究的成果。在实现我国提出的工业互联网、工业4.0和两化融合方面，文献[8-12]也做了大量工作。

3 无线移动支持工业互联网的架构、技术、标准体系

无线移动支持工业互联网是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术。目前，工厂内采用的以太网和工业总线技术，采用的标准和软件不一样，彼此之间不能互操作，导致整个工业的效率无法进一步提升。通过无线移动支持工业互联网应用场景及需求分析，制定未来工业互联网共性的技术标准是非常重要的。在新业态、新模式驱动下，实时控制、超密集、大连接等应用场景都对无线移动技术与网络提出了挑战。因此，亟需对无线移动支撑工业互联网开展系统性研究[13-16]。无线移动需求对工业的支持如图1所示。下面将从无线移动支持工业互联网的架构体系、无线移动支持工业互联网的技术体系、无线移动支持工业互联网的标准体系三方面进行介绍。

图1 无线移动需求对工业的支持

3.1 无线移动支持工业互联网的架构体系

在研究了现有工业生产业务对无线移动工业互联网的需求基础上，提出无线移动支持的工业互联网架构如图2所示。

图2 无线移动支持的工业互联网架构

感知与控制层：深度感知与精准控制。网络互联层：网络互联互通和端到端的数据流。平台层：信息融合、智慧优化与决策。业务层：智能制造。其中涉及传感网、物联网、互联网、CPS的相关技术协议等。

3.2 无线移动支持工业互联网的技术体系

工业生产过程中的无线网络技术需求是多样的，要互联的必然是异构的无线网络。工业控制要求网络通信具备实时性、低时延、高可靠性和安全性。无线技术应具备强的抗干扰性，全面感知工业生产过程需要部署大量传感器，则要求无线通信模块具有超密集、大连接、低成本、低功耗、广覆盖等特性。无线通信技术则存在频谱资源有限、信道开放、共享、易受干扰等内在缺陷，而工业互联网对无线移动技术尤其特殊要求：高可靠、超密集、大连接、实时性、低时延、低功耗和高安全性等。这些都给无线移动支持工业互联网提出了很大挑战。

提出按覆盖范围划分，无线网络在工业互联网中的应用可分为三类：车间内部短距离互联的无线传感器-执行器网络（Wireless Sensor-Actor Network，WSAN）；厂区内部中距离互联的工业无线局域网（IndustrialWirelessLocalAreaNetwork，IWLAN）；长距离互联的工业无线广域网络（Industrial Wireless Wide Area Network，IWWAN），如图3所示。

WSAN主要用在工厂车间内，负责将生产现场的各类机器、设备、制造单元及生产线上的传感器和执行器连接成网络，实现对设备、生产过程的实时监测与控制。

IWLAN用于工厂厂区范围内，负责连接散布在工厂内的生产车间网络（WSAN）、办公网络、视频设备、移动设备等，实现对工厂运行状态的全面感知。

IWWAN则用于更广阔的范围，用于实现企业资源整合、产品全生命周期追踪、提供实时产品和服务等。

3.3 无线移动支持工业互联网的标准体系

当前，用于WSAN的无线网络技术标准（或标准草案）主要有：HART基金会（HART Communication Foundation，HCF）制定的工业无线网络规范WirelessHART；中国工业无线联盟针对过程自动化领域制定的标准WIA-PA；美国仪表自动化协会(the International Social of Automation，ISA)提出的工业无线测控系统标准草案ISA100.11a；以及由ABB公司主导的基于IEEE 802.15.1（蓝牙）形成的无线传感网技术标准WISA（Wireless Interface Sensor Actuator）。其中，ISA100.11a是目前国际上市场增长率最快的工业无线技术。IWLAN的物理层和数据链路层通常基于IEEE 802.11，包括Siemens、MOXA等公司，都以该标准为基础研发了大量的IWLAN设备，占据了一定的市场份额。但是，IWLAN网络技术领域目前尚无国际标准。由于产品的移动性等原因，IWWAN通常只能采用无线通信方式，蜂窝移动通信网络以及卫星通信是IWWAN的主要通信方式。在对现有标准研究后，从宏观上提出无线移动支持工业互联网的标准体系，如图4所示。

图3 无线移动支持工业互联网

图4 无线移动支持工业互联网的标准体系

4 无线移动支持工业互联网的关键问题

工业互联网的目标是要打造贯穿全层和全周期的信息数据链；研制可感知、可联网、可控制的智能机器；构建集数据汇集、存储、处理与控制功能一体化的软件平台[17-20]。可以凝练为以下研究方向：无线移动支持工业互联网中数据感知、无线移动支持工业互联网中数据融合、无线移动支持工业互联网中数据服务、安全问题等。

4.1 无线移动支持工业互联网中数据感知

（1）无线移动支持工业互联网感知层的参考架构研究

由于现有工业互联网感知层的各种应用和服务包含了不同的网络协议、中间件和应用函数，对各种应用和服务的兼容性影响较大，需要建立无线移动工业互联网感知层的参考架构。研究内容包括：无线移动支持工业互联网感知层体系结构理论模型、描述、分析与验证。

（2）无线移动支持工业互联网感知层的网络管理研究

与现有网络相比，无线移动支持工业互联网感知层包含了新的功能单元，而现有的网络管理协议并没有对这些功能单元提供支持，需要制定适合无线移动支持下的工业互联网感知层管理协议。研究内容包括：现有网络管理协议的扩展研究、网络拓扑管理研究、网络管理协议协同研究。

（3）无线移动支持工业互联网感知层的移动支持研究

无线移动支持工业互联网感知层的移动性可以分为4类：网关移动、设备移动、用户移动、环境移动，都需要提供相应的支持。研究内容包括：无线移动支持工业互联网感知层中网关移动、设备移动、用户移动、环境移动的研究。

（4）无线移动支持工业互联网感知层的信息服务支持研究

信息服务支持包含信息描述、信息存储、信息标识、目录服务。对感知层中传输的信息进行明确定义和描述是感知层协同工作的基本要求。研究内容包括：无线移动支持工业互联网感知层的信息描述、存储、标识的研究、目录服务研究。

4.2 无线移动支持工业互联网中数据融合

（1）基于无线移动云服务的业务协同控制系统框架研究

目前以ERP和MES为代表的企业应用已经覆盖企业管理、销售、物流、设计、制造等各个环节，但各个环节上软件工具无法灵活岛、低成本岛、可扩展地进行对接和互通，形成大量信息孤岛。而工业价值链上应用的互连及信息互通是工业自动化和工业智能化的关键基础环节，因此打破数据整合壁垒是构建工业互联网端到端价值链的基础保障。研究内容包括：面向复杂异构的分布式工业企业应用集成方法，系统互连信息粒度划分，动态信息流监控与控制研究。

（2）基于SOA的分布式动态协作监控和控制方法研究

成熟的EAI技术虽然可以实现面向复杂异构的分布式工业企业应用系统互连，但是这种紧耦合的方法无法满足工业生产的动态性需求。可采用基于SOA的方法进行分布式动态协作监控和控制方法研究，实现数据和工具的有效整合，完成数据为导向的协作式工序设计。研究内容包括：构建面向复杂异构的分布式工业企业应用系统统一信息模型及数据描述，实时通信协议设计及控制网络的编址与寻址设计。

（3）面向无线移动环境的端到端数据安全研究

云端、移动、大数据分析等各种技术因素的融合使工业互联网的价值日益显现。网络安全和物联网安全的研究为工业互联网的安全提供了可借鉴的案例和方法。但是无线移动支持下的工业互联网更多的数据流动体现出移动计算的特性，特别是在物理链路的复杂性、服务和应用模式的复杂性、移动终端非可信平台及其应用的复杂性上面问题尤为突出。研究内容包括：构建基于移动计算环境的工业互联网安全架构，满足实时性、低能耗、管控灵活的安全通信协议和算法。

4.3 无线移动支持工业互联网中数据服务

（1）无线移动支持工业互联网中数据存储方法研究

工业数据来源途径多样，因此对于数据格式的要求和数据含义的理解都成为该项目的重点和难点。包括数据预处理和缓存，不同数据源接口和不同数据类型转换等。关键问题是基于语义的工业私有云共享集成研究，将围绕工业私有云数据的描述、行业词典、交互三个方面，建立工业私有云共享集成的规范式体系，提供规范化方法。

（2）无线移动支持工业互联网中数据计算方法研究

工业云计算，针对大数量级的高效数据存储、工业级安全性和可靠性、实时控制和数据处理。关键问题是信息安全保障机制的研究，应围绕在工业过程中产生海量数据的存储安全、访问权限、保密性、完整性、可靠性、真实性、可控性、信任机制等方面，建立工业信息安全的规范式体系，提供一套规范化方法。

（3）无线移动支持工业互联网中数据分析方法研究

数据可视化和控制、数据分析挖掘、数据处理和存储。关键问题是个性化流程按需自动生成方法的研究，将围绕工业流程描述、个性化需求分析、流程自动生成方法三个方面，建立工业个性化流程的规范式体系，提供一套规范化方法。

（4）无线移动支持工业互联网应用平台

工业APP利用工业设计、制造、运行环节的数据实现控制优化反馈。从云平台中虚拟化技术、交互技术、可靠性技术等关键问题进行个性化用户信息挖掘的研究，将围绕工业用户信息数据的挖掘、用户需求数据的解读、用户行为画像等方面，建立工业用户信息画像的规范式体系，提供一套规范化方法。

4.4 安全问题

在无线移动支持工业互联网中，各类终端系统如何借助各种异构通信网络，并穿越中间链路上的防火墙及各种网络限制与控制设备，最终安全地接入固网业务系统或其他伙伴的终端，实现信息获取、实时业务交互等不同需求，是一个迫切需要解决的问题。针对移动终端/网络类型的不同和所面临的不同安全需求，研究内容包括：基于移动计算的安全策略，全方位、多层次的安全服务体系，建立移动网IPsec/SSL VPN安全接入和安全短消息接入网关原型，建立无线终端、移动业务和内容的实时主动防护与管控技术模型，研究无线网络安全接入标准或技术规范及评估体系。

5 无线移动支持工业互联网的应用示例

轨道交通行业需要在高速条件下实时进行移动宽带接入。LTE凭借其覆盖距离广、带宽高、并发数多、抗干扰能力强、安全可靠等特点，成为轨道交通行业无线专网发展新技术的选择。无线专网在轨道交通行业中的应用正面临着诸多挑战。在研究无线移动支持工业互联网整体架构及演进策略的基础上，突破相关核心技术，结合中国北车集团大连机车车辆有限公司大连厂信息化建设的实际情况，进行了设备效能监控平台&IWLAN验证，如图5所示。

图5 设备效能监控平台&IWLAN验证

6 结束语

工业互联网是实现工业智能化变革的新型智能综合信息基础设施，在新业态、新模式驱动下，实时控制、超密集、大连接等应用场景都对无线移动技术与网络提出了挑战。因此从无线移动支持工业互联网的总体网络架构、标准体系、关键问题研究及应用示例入手进行了阐述，对处于起步阶段的我国无线移动支持工业互联网产业具有重要意义。

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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

陕西省工业攻关项目（2016GY-092）；陕西省科技统筹项目（2016KTZDGY04-01）

夏虹（1977-），女（蒙），河北省保定市满城县人，博士，讲师，主研方向：计算机网络、服务计算、工业大数据。陈彦萍（1979-），女，陕西省铜川市人，博士后，教授，系主任，主研方向：服务计算、工业大数据。

2016-09-06