物联网平台推动工业互联网发展

日期:2016年10月25日 17:10

摘要:物联网(IoT)是工业互联网的关键技术之一。物联网平台(IoT Platform)是近两年刚出现的一种物联网基础设施解决方案。物联网平台作为物联网为用户提供服务的基础,承担连网的“物”的管理、数据的采集、应用服务的使能等功能,物联网平台的出现将推动工业互联网的发展。

关键字:物联网平台、工业互联网

 

 物联网(IoT)是工业互联网的关键技术之一。物联网平台(IoT Platform)是近两年刚出现的一种物联网基础设施解决方案。物联网平台作为物联网为用户提供服务的基础,承担连网的“物”的管理、数据的采集、应用服务的使能等功能,物联网平台的出现将推动工业互联网的发展。

  工业互联网是物联网、大数据及云计算等新一代IT技术与工业系统深度融合集成而形成的一种新的应用生态。在工业互联网的“采集、传输、计算”三要素中,采集端通过物联网技术实现机器、物品、人、控制系统的数据收集与相关联结。物联网(IoT)已经成为当前工业互联网发展的关键技术。

  ITU在2012年出版的《物联网概述》中,明确物联网定义为全球信息社会的基础设施;以物质互连(物理和虚拟)的方式,在现有和新兴互操作信息通信技术(ICT)的基础上提供先进的业务;通过识别、数据捕获、处理和通信能力,充分利用“物”为各种应用提供服务,同时确保安全和隐私方面的要求。即物联网重在提供服务,而不是简单的将物接入网络。由此可见,物联网技术的发展将使得智能化深入到生产生活之中,给人们提供更多场景化的有益的服务。

  为实现物联网的服务功能,ITU定义了物联网的参考模型(如图1)。  

  图1.物联网参考模型

  目前对物联网发展影响比较关键的是服务和应用支持层、设备层两部分。设备层主要关注“物”侧的联网,以及边缘计算能力,同时要注意低能耗和传输距离。服务和应用支持层为物联网应用的基础,通过对设备层设备的控制、数据采集和分析及边缘计算能力(即设备应用程序)的定制等,为物联网应用提供基础平台支撑,与管理能力和安全能力结合后,即成为物联网平台,是在物联网领域的PaaS平台。

  我国作为潜力巨大的物联网市场,政府和民间一直在努力发展物联网产业,在核心技术研发、标准制定、产业推动等方面,已经大大缩短了与国外的差距,特别是在国家出台“中国制造2025”战略后,智能制造的关键支撑技术“工业互联网”受到越来越多的关注,由此也推动了物联网技术的应用普及。目前由于物联网涉及的场景和行业远超过传统的人际互联网,其标准众多而繁杂,且由于大多数行业的物联网还处在萌牙期,相关的数据采集、业务处理都相关封闭,多为竖井式解决方案,企业要针对不同的传感器,不同的应用场景部署相互割裂的解决方案,这些都严重影响了企业部署物联网积极性。采用统一的物联网平台有望彻底解决企业的这些问题。

  一、物联网平台架构

  物联网平台架构包括如图2所示功能,主要由物联网平台层和物联网网关中间件组成。在物联网平台层统一给物联网应用提供了接口,可以方便用户编写自己的特色应用,并部署到物联网平台上,从而达到简化物联网系统开发、快速提供物联网应用的目的,实现“应用驱动物联网”的物联网使能平台。  

  图2.物联网平台基础架构

  这里的网关层是兼容目前多种传感层网络协议的关键层次,能够屏蔽传感层差异,并实现边缘计算能力。随着传感器发展,部分传感器也可能跳过网关层直接与平台对接,相关的功能将分别移到平台层或传感层实现。

  1. 物联网平台

  物联网平台是物联网应用和服务支撑的基础平台,承担起众多“物”侧的管理和数据采集,以及边缘计算的定制等功能,为物联网应用提供完善的PaaS平台支持。进入万物互联时代,连接数目将远超传统的人际互联时代,巨大的连接数量对传统的平台技术提出了新的挑战。

  物联网网关和传感器是“物”接入互联网的关键设备,“物”的各种属性都由它们收集,然后传递到物联网平台上。物联网平台要对所有的“物”的属性进行保存,比如位置、能力、电池余量等,对于需要控制的物,还需要有相应的控制能力。因为“物”的特点,有可能并不是实时在线,因此平台要能够在“物”不在线时仍然可以查询,并进行相应的设置,等“物”上线后再自动配置。如此巨大的“物”的管理,特别是安全的管理,需要平台具备高可扩展性、高冗余度和健壮性。

  大量的“物”接入平台后,随着时间变化,其传感的大量数据将不断的涌向平台,将很快达到TB甚至PB级数量。平台首先要处理大量的网络连接,其次要从大量的网络连接中提取大量数据,并进行初步分析。平台需要具有千万甚至上亿级的连接处理能力,能够方便的横向扩展,以支持更多的“物”的连接,以及相应的数据的初步处理和筛选。

  数据在经过初步处理后,将存储到大数据平台中,进行后续的分析,为物联网应用提供数据基础。平台需要具备平台级别的应用开发环境支持,为应用提供API,可以方便的调用平台的各种接口,生成各种场景化的应用,比如查看整个工厂的机器使用状态,用电量,对机器的维护需求进行预测,对生产的物料进行提前安排等。

  对于实时要求比较高,或者数据产生量比较大的传感网络,在网关上还需要有边缘计算能力,以便在边缘直接对传感器的请求进行处理,并过滤部分噪音数据,或对数据进行某些指定的预处理。平台需要具备这些边缘计算能力的定制和下发,即作为网关应用的管理平台。作为场景化应用的一个重要环节,这个网关应用的管理要能够和平台的应用开发环境集成,使得物联网应用能够统一在平台和网关上进行处理。

  比如一个典型的物联网应用——温度变化通知功能,由应用开发者开发网关上的应用程序,在温度变化时向某一群组发送消息,将网关应用由平台下发到网关;在平台上定义群组,其成员可以是其它网关、某个物联网APP、或者手机短消息等,通过物联网平台统一下发到各物联网关;网关在感知到温度变化时,直接通过应用发送消息到群组内成员,比如相邻网关,某用户手机等。

  2. 物联网关中间件及融合物联网关

  物联网网关是传感器与互联网连接的重要设备。传感器的使用场景千差万别,对传感网的技术要求各异,因此需要有区别的采用不同的技术。网关硬件平台可能会有多种形态,传感网协议也可能多种多样。通过物联网关中间件融合的物联网关将提供多种多样的网关形态。

<  目前传感网根据场景大致分为有线传感接入、无线传感接入。

  有线主要是各种工业现场总线,包括RS485、CAN、Ethernet/IP、ControlNet、LonWorks、EIB、Interbus、Profibus、FF HSE、Profinet、P-net、CC_Link、DeviceNet等,其物理接口和协议栈都不一致,现有的网络中都需要不同的网关设备进行联接,导致工厂网络割裂,维护复杂。

  无线网络按距离来分,包括短距离的个域网协议和长距离的LPWA协议。个域网协议如Zigbee,Bluetooth,Wi-Fi等,其特点是传输距离短,带宽高,功耗高。LPWA协议如LoRaWAN, LTE-M, NB-IoT,以及正在研究的5G技术等,这些协议的特点是传输距离长,带宽低,功耗低,支持终端数量多。

  物联网网关要考虑兼容上述物联网协议,同时能够低成本实现包括工业现场、户外等极端环境的设备防护性等问题,以及功耗问题。为不同场景提供个性化的综合物联网解决方案。

  二、平台应用场景

  应用一:智能制造

  物联网平台在工业制造领域,可以将生产网络与办公网络安全连接,机器设备与产品数据互联互通,与用户数据互通,促进数据化支撑下的企业生产全流程可视、用户信息可视,实现IT与OT的融合,提供智能制造能力。

  机器的能耗管理:时刻记录机器的能耗状态,对其能耗历史数据进行展示和分析,形成机器开工率的直观展示,为企业决策提供服务支持。

  预测性运维服务:根据设备运行数据,监视机器、零件的使用次数,根据历史寿命来预测性的提供运维建议。

  另外,还可以利用物联网平台跟踪库存,与供应链集成零库存管理;基于实时监测和高级分析的生产过程优化;柔性生产、软件定义机器低成本实现个性化需求等。

  应用二:智能电网

  智能电网可以达成供应者与使用者之间无障碍的沟通,进而提升能源使用效率、减少消耗与浪费。远程抄表系统(AMR/AMI) (Automatic Meter Reading/Automated Metering Infrastructure)是其中最重要的基础建设(Infrastructure),其原理是利用各种通信方式将使用者的用电信息传递到远方的管理端,省却人力抄表的不便以及实时性的问题。基于不同的地理环境以及不同使用程度的使用者,远程抄表必须因地制宜。通信方式大体包括有线、无线等方式。

  有线通信网络的通信方式包括RS232/422/485等串行通信方式,其上运行Modbus等协议用于电表数据的读取。不同的智能电表,其寄存器的地址和内容都或多或少存在差别,传统的电表数据采集,需要专门的采集设备进行电表数据读取,不同电表厂商都有自己的配套采集设备。通过在物联网网关中间件中加载电表读取模块,可以实现动态支持多种电表种类,软件上即可方便扩展,从而避免了采集器的采购和维护成本。

  在无线通信网络应用方面又可分为Wi-Fi (IEEE 802.11a/b/g/n)、蜂窝通信(GSM、GPRS、3G)、LoRaWAN等多种,其中以蜂窝技术最为常见。多种技术的通信协议不同,通过网关中间件的动态协议扩展机制,可以方便的扩展新的协议支持,而不需要更新网关本身的操作系统。

  物联网平台在收集到电网数据后,支持数据的分布式冗余存储,同时结合大数据平台快速进行用电数据的分析,进而进行配电、售电的相关决策,动态调整相关的策略,保证电网稳定运行,为能源互联网提供基础。

  物联网平台是物联网为用户提供服务的基础设施平台,作为工业互联网重要组成部分,物联网平台与融合物联网网关、传统数据通信设备、云计算基础设施、大数据平台等一起形成完整“采、传、算”工业互联网架构,帮助企业实现IT与OT的融合,从而推动企业向工业4.0的转变,进而提升我国制造业的智能化水平,提升我国在国际制造领域的地位。

来源:OFweek工控网  

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