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工业物联网及其应用:概念、架构、关键技术、应用及挑战

物联网（IoT）正在改变人们与周围事物互动的方式。它不仅对消费者应用有吸引力，而且对工业领域也有吸引力，这就是工业物联网IIoT（Industrial IoT）。
IIoT连接所有工业资产，包括机器、控制系统、信息系统和业务流程。因此，大量的数据被收集以提供分析解决方案，以实现最佳的工业运营。IIoT影响着整个产业价值链，是智能制造的必然要求。
“物联网”是“互联网”的扩展，从概念上，物联网离不开互联网。物联网以互联网为基础，前者以“感知”为核心，后者以“链接”为核心。事实上，传统的互联网正在从单纯的“人上网”发展成为包含人和物的互联。有理由相信，“物联网”与“互联网”的界限会越来越模糊。
“工业互联网”可以看作是“互联网”的子集。它是企业内部、企业之间、产品设计、生产、营销与服务的“工业互联”。而“工业物联网”又可看作是“工业互联网”的子集，感知（或传感）是其基本特征。事实上，通俗地讲（虽然不准确但便于理解），工业互联网重在“工业管理”，而工业物联网则是“工业管理”中的“工业操作”。
不过，在有些场合，人们并没有太注重区分工业互联网与工业物联网。

1、物联网与工业物联网

1.1 物联网

物联网（IoT）可实现物物相连、物人相连、人与人之间任何时间、地点的有效连接。物联网使得传感器和设备可以在智能环境中无缝通信，并以方便的方式实现跨平台的信息共享。
在过去几年中，物联网已经成为一种新趋势，移动设备，交通设施，公共设施和家用电器都可以用作物联网中的数据采集设备。日常生活中的电子设备（如：手表）以及家用电器（如冰箱）都可以连接到物联网网络，实现远程控制。物联网中，传感器设备感知并传送数据，设备和物体可以通过各种通信方式连接，例如，如蓝牙、WiFi、ZigBee和GSM，上述设备接收远程控制设备的命令，从而实现了计算机的系统与物理世界的集成，以提高了人们的生活水平。

1.2 工业物联网

工业物联网（IIoT）涵盖了机器对机器(M2M）和自动化应用的工业通信技术领域。IIoT让人们更好地理解了工业生产过程，从而实现高效和可持续的生产。工业互联网旨在实现海量工业实体的智能化协作，改变工业生产形态的未来工业基础设施，需要运用新一代技术理念，对不同种类工业实体乃至整个工业网络进行建模和管控，对工业和社会资源进行高效整合，从而实现工业实体的智能化发展[1]。

1.3 物联网与工业物联网的区别与联系

总体上，IIoT可看作是IoT的一个子集。

（1）服务类型不同

通常的物联网仍然以人为中心，“物”是智能电子设备之间的互动、相互联系，以增加人类对周围环境感知和响应。一般来说，物联网通信可以分为机器对用户通信和客户机-服务器交互两类。
IIoT中的通信是面向机器的，可横跨各种不同的市场和应用。IIoT场景包括：i）监视类应用，例如工厂生产过程的监视，和ii）对于自组织系统的创造应用，例如自动化的工业工厂。

（2）连接设备不同

物联网更注重设计新的标准，以一个灵活的、用户友好的方式将新的设备连接到互联网生态系统。相比之下，目前的IIoT设计强调的是集成和连接工厂、机器，从而提供更高效的生产和新服务。基于这个原因，与物联网相比，IIoT可以与其说是一场革命，不如说是一场进化。

（3）网络要求不同

物联网更加灵活，允许临时和移动网络结构，具有较低的时序和可靠性要求（除医疗应用程序）。另一方面，IIoT通常使用固定的网络结构，节点固定、中心化网络管理。IIoT的通信是机器对机器的连接，必须满足严格的实时性和可靠性要求。

（4）数据量不同

物联网生成的数据来自于应用，因此，其传输的数据量中等或者大量。而IIoT目前更多的是大数据分析，例如预测工业维护，因此，在IIoT中，传输的数据量非常大。

2、工业物联网架构

我们从不同的角度阐述工业物联网架构，以便更深入地把握其内涵。

2.1 基于系统概念的IIoT架构描述

从工业系统的角度，文献[4]给出了比较简洁的IIoT系统结构，分为三层：物理层、通信层和应用层。

图1 工业物联网系统结构[4]
物理层
由广泛部署的物理设备组成，如传感器、执行器、制造设备、设施实用程序以及其它工业制造和自动化相关对象。
通信层
由众多通信网络的集成，如无线传感器和执行器网络（WSANs）、5G、M2M、SDN等。在智能工业应用中，各种网络技术将必然支持相当数量的传感器和执行器的互连。
应用层
由各种工业应用组成，包括智能工厂、智能供应链等。这些智能工业应用利用众多的传感器和执行器，实现实时监控、精确控制和有效管理。
上述结构简单明了，便于理解IIoT的基本概念。

2.2 面向服务的IoT体系架构描述

文献[2]描述了面向服务（SOA）的IoT体系架构，这种体系架构强调异构设备之间的可扩展性、可伸缩性、模块化和使用不同技术的互操作性，便于从技术层面理解IIo