工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT）的演進與革命

　　圖1、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIOT)是工業(yè)4.0的高級形式

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )已經(jīng)從各種技術(shù)及其相互聯(lián)系中逐步發(fā)展。在制造業(yè)中，首先嘗試創(chuàng)建“事物”之間的網(wǎng)絡(luò)的努力可以追溯到20世紀(jì)70年代，并被總結(jié)為“計算機集成制造”(CIM，“Computer-Integrated Manufacturing”)。雖然迄今為止CIM的想法大約已經(jīng)有40歲了，但是直到今天它仍然面臨著許多挑戰(zhàn)。其目標(biāo)是要整合管理和工程流程，實現(xiàn)靈活，高度自主的自動化生產(chǎn)。然而，在20世紀(jì)90年代，隨著精益生產(chǎn)(Lean Production)的興起，越來越多的IT解決方案被認(rèn)為是無效的，許多CIM項目最終都失敗了。在追溯中，我們發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致CIM失敗的原因有許多，例如

　　IT和通信基礎(chǔ)設(shè)施不成熟

　　缺乏計算能力

　　缺少存儲數(shù)據(jù)的足夠多容量

　　有限的連接和較低的數(shù)據(jù)傳輸速率

　　軟件工具和數(shù)據(jù)交換格式缺乏開放性。

　　此外，CIM運動在二十世紀(jì)九十年代中期和新千年的頭幾年在互聯(lián)網(wǎng)取得重大突破時達到了頂峰?，F(xiàn)在，很難想象一個沒有互聯(lián)網(wǎng)的世界。然而，在20世紀(jì)80年代，很難傳達無處不在的連通性的想法，當(dāng)在世界其他地方絕大多數(shù)都沒有實現(xiàn)數(shù)字連接的時候，在工廠內(nèi)實現(xiàn)大規(guī)模的信息交換幾乎是不可能的。

　　當(dāng)CIM專注于工廠的生產(chǎn)解決方案時，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM， Product Data Man-agement)已被建立為在工程部門設(shè)計連接產(chǎn)品數(shù)據(jù)和人員網(wǎng)絡(luò)的新方法。與CIM相比，PDM的技術(shù)推動力方面較小，PDM起源于使用簡單的基于文件系統(tǒng)的處理方式來管理大量產(chǎn)品數(shù)據(jù)的限制。產(chǎn)品配置，工作流程，修改或者授權(quán)等功能對于大型企業(yè)的工程部門來說是不可或缺的，對中型企業(yè)來說越來越重要。通過產(chǎn)品生命周期管理(PLM，Product Lifecycle Management)，進一步考慮網(wǎng)絡(luò)化的思想，考慮到一致的數(shù)據(jù)管理作為產(chǎn)品整個生命周期的目標(biāo)。在這種情況下，PDM通常被認(rèn)為是PLM的骨干，在生命周期(如生產(chǎn)和服務(wù))中為不同的應(yīng)用提供接口。因此，可以認(rèn)為PDM和PLM也是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的先決條件：工業(yè)“事物”要求產(chǎn)品數(shù)據(jù)作為有意義的溝通的基礎(chǔ)，例如。用于將測量數(shù)據(jù)與產(chǎn)品相關(guān)的最初規(guī)定的規(guī)格要求進行比較來檢查產(chǎn)品是否符合規(guī)格。

　　從工廠規(guī)劃和運營的角度出發(fā)，數(shù)字工廠(Digital Factory)旨在整合數(shù)據(jù)，模型，流程和軟件工具。因此，數(shù)字工廠(Digital Factory)是一個真正的工廠綜合模型，可以在其生命周期中用于通信，仿真和優(yōu)化。數(shù)字工廠領(lǐng)域的軟件產(chǎn)品通常配有不同的模塊，可實現(xiàn)物料流動仿真，機器人編程和虛擬調(diào)試等功能。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的背景下，數(shù)字工廠可以被認(rèn)為是PLM的補充。 PLM旨在整合產(chǎn)品生命周期中的數(shù)據(jù)，而數(shù)字工廠包括生產(chǎn)資源和流程的數(shù)據(jù)。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )來說，這兩種產(chǎn)品都是必需的，如下圖所示：

　　圖2、IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))作為真實事物和它們對應(yīng)數(shù)字部件的網(wǎng)絡(luò)

　　雖然PLM和數(shù)字工廠為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的數(shù)據(jù)支柱做出了貢獻，但是設(shè)計IIoT硬件的許多想法可以追溯到機電一體化和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)(CPS，Cyber-Physical Systems )的思想。機電一體化通常被定義為整合力學(xué)，電子和信息技術(shù)的學(xué)科。正如“機電一體化(mechatronics)”這個術(shù)語的第一個音節(jié)所示，這個學(xué)科可以被認(rèn)為是力學(xué)的延伸，許多利益相關(guān)者都有機械工程的背景。相比之下，Cyber-Physical Systems的名稱由計算機科學(xué)和軟件工程的研究人員建立。 NASA將CPS定義為“由于高度可用的嵌入式軟件組件組成同時呈現(xiàn)出復(fù)雜的行為模式”的新興類物理系統(tǒng)。 CyPhers在路線圖項目中使用了類似的定義：“CPS由計算，通信和控制組件組成，與不同性質(zhì)的物理過程緊密結(jié)合，例如機械，電氣和化學(xué)等”。后一種定義也可能與機電系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，事實上，術(shù)語“機電一體化”和CPS通常是互換使用的，特別是在自動化和交通運輸領(lǐng)域。然而，它們的基本的“工程哲學(xué)”通常是不同的。雖然“機電一體化”意味著有一個以軟件分級為重點的物理系統(tǒng)，但CPS則表示附加值的最大部分是基于軟件的，而對軟件工程而言硬件部分具有特殊的挑戰(zhàn)，因為硬件需要與物理環(huán)境進行時空互動。此外，CPS的特征在于不一定是機電一體的子系統(tǒng)之間的通信。例如，在某些情況下，CPS可以被表征為聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并且通常網(wǎng)絡(luò)內(nèi)涵被隱含地包括在術(shù)語CPS中。通過定義，如：CPS包括“嵌入式計算機和網(wǎng)絡(luò)[監(jiān)視和控制物理過程[...]”。考慮網(wǎng)絡(luò)思想進一步，CPS可以被認(rèn)為是“支持物聯(lián)網(wǎng)(IoT)”的系統(tǒng)，其中IoT意味著子系統(tǒng)連接到因特網(wǎng)，因此是具有大量節(jié)點的開放系統(tǒng)的一部分。由于其網(wǎng)絡(luò)特性，CPS需要比機電系統(tǒng)更大的理論基礎(chǔ)。前者通?？梢酝ㄟ^多物理建模和控制理論來描述，而后者的理論則包括機電一體化，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，協(xié)作方法，網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)據(jù)分析，人造智能和人機交互等。圖下圖所示：

　　圖3、網(wǎng)絡(luò)制造和IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))的理論基礎(chǔ)

　　隨著物聯(lián)網(wǎng)(IoT)持續(xù)地在消費者和IT專家的意識中不斷增長，人們的思想越來越多地轉(zhuǎn)向如何確保實現(xiàn)其所承諾的具有潛力。

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的好處是顯而易見。例如在“智能家居”的應(yīng)用中，如果電冰箱發(fā)現(xiàn)某些事物過少的話就可以自己購買，這可以相當(dāng)于某種類型的“自給自足”;另外，隨著衛(wèi)生和健身領(lǐng)域能夠與智能手機連接的可穿戴技術(shù)的日益普及，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)正在以快速的速度改變我們的生活和工作方式。

　　然而，特別是在商業(yè)環(huán)境中，如果想要真正地改變了我們的現(xiàn)代工作場所的話，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)也面臨著許多挑戰(zhàn)。例如，搭建一個具有物聯(lián)網(wǎng)(IoT)功能的工廠，那里將會有大量能夠相互交流的工業(yè)機器，并且能夠自動診斷操作問題，在這當(dāng)中有很多事物是需要連接的，因此IT部門要仔細(xì)考慮，以確保一切順利。

　　轉(zhuǎn)向智能制造

　　隨著制造行業(yè)移動到智能制造業(yè)，也就是實現(xiàn)被稱為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )這現(xiàn)在是行業(yè)的熱門話題。最終，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的主要目標(biāo)是創(chuàng)造一種機器之間可以彼此通信而不需要人作為中間調(diào)解的生產(chǎn)環(huán)境。在這種情況下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )將從機器中收集數(shù)據(jù)并進行分析以提高生產(chǎn)效率，從而降低生產(chǎn)成本。物流將變得更加自動化和優(yōu)化，從而實現(xiàn)更加智能和靈活的生產(chǎn)。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的優(yōu)點是很清楚的。如果一切正常，裝配線將永遠不會被迫停止來處理停機問題，這要歸功于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以預(yù)見什么時候需要更新的機械零件，并能夠有效地進行自我修復(fù)。

　　另外一個周邊的好處是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )健康和安全領(lǐng)域取得重大進展，因為可穿戴技術(shù)在B2B領(lǐng)域的作用變得越來越突出。在環(huán)境變得不安全的情況下，可穿戴可以測量工作人員的溫度和噪音暴露水平并提醒工作人員;因此可穿戴技術(shù)設(shè)備在工業(yè)環(huán)境中的技術(shù)優(yōu)勢將非常有價值。

　　切換到新的基礎(chǔ)設(shè)施

　　然而，使工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )奏效并不像輕擊開關(guān)那么容易。有許多技術(shù)障礙妨礙了其成功，尤其是它將為IT部門帶來一系列問題，包括從切換到新系統(tǒng)的復(fù)雜性到需要保持實時檢查的連接設(shè)備的數(shù)量。

　　減輕這些風(fēng)險的最有效方法是通過實施適當(dāng)?shù)腎T監(jiān)控解決方案，從而提供整個公司的IT基礎(chǔ)設(shè)施的綜合圖景。然而，在選擇解決方案之前，需要清楚若干工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )所具有的特定要求，例如：

　　支持IT監(jiān)控的共同標(biāo)準(zhǔn)

　　用于整合各種生產(chǎn)系統(tǒng)的記錄接口

　　通過儀表板和通知來高效，用戶友好地表示監(jiān)控數(shù)據(jù)

　　廣泛地報警和報告功能

　　分布式網(wǎng)絡(luò)的好處

　　鑒于許多大型工廠將分布在多個不同的位置，因此在為支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的工廠選擇IT監(jiān)控解決方案時，需要考慮對跨多個站點網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控。

　　對于IT團隊來說，IT監(jiān)控可能是在向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )轉(zhuǎn)型升級過程中的一個特別有用的資源，特別是當(dāng)需要跨越多個站點時。 企業(yè)組織往往希望通過有限的資源來提供高投資回報率( ROI)，但為IT人員提供了一個控制面板，通過這些控制面板，他們對網(wǎng)絡(luò)的總體洞察將有助于確保實現(xiàn)成功的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )基礎(chǔ)架構(gòu)。

　　實現(xiàn)潛力

　　物聯(lián)網(wǎng)改變工業(yè)制造業(yè)的潛力顯然是巨大的。 然而，其成功最終取決于提供高可靠和功能強大的網(wǎng)絡(luò)，以確保其順利運行。 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )的優(yōu)點是顯而易見的，但是要實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT，Industrial Internet of Things )是需要考慮如何才能讓它在實際環(huán)境中能夠有效地工作，而不只是簡單地提供它。