关键词：物联网；网络通讯；智能制造企业；融合技术；示范成果

Abstract: With the development of information technology, Internet of Things technology has been applied to intelligent manufacturing enterprises. Based on the project of intelligent manufacturing factory, this paper conducts research and practice in recent years. Research and practice in the integration of perception and sensing technology, software and system technology, network technology and so on, initially constructed and developed a network control service platform for enterprises in intelligent manufacturing, and formed the stage results.

Key words: Internet of Things; Network communication; intelligent manufacturing enterprises; Integration technology; Demonstration results

1  引言

物联网是将末端设备和设施，包括智能传感器、移动终端、工业系统、数控系统、家庭智能设施、视频监控系统等，通过各种无线和有线的长距离或短距离通讯网络实现互联互通、应用大集成，在内网、专网、和互联网环境下，采用适当的信息安全保障机制，提供安全可控乃至个性化的实时在线监测、定位追溯、报警联动、调度指挥、预案管理、远程控制、安全防范、远程维保、在线升级、统计报表、决策支持、领导桌面的管理和服务功能，实现对面向智能制造工厂建立了一种集可靠感知、实时传输、精确控制、可信服务为一体的复杂过程制造网络体系架构，通过有形的实体空间和无形的虚拟网络空间相互指导和映射，实现整个生产制造过程的智能化。由于制造过程的复杂性、随机性和不确定性，因此要求与之融合的物联网在多源对象自动获取、异构多跳网络传输、海量信息智能处理等方面必须满足智能制造的需要。

本文阐述迈科斯技术服务公司自主研发的Max集控系统应用在智能制造工厂的融合技术与应用效果，并对智能制造与工业物联网的关系以及智能制造工厂对工业物联网的要求。文章的最后介绍了作者团队在物联网方面的研究成果并对工业物联网未来的研究方向做了深入的探索。

2  智能工厂中的工业物联网应用

智能工厂物联网通常情况下，可从制造智能化、产品智能化、管理智能化来描述智慧工厂的三个维度，如果这些描述和表达能够得到实时数据支持，实时下达指令，并且能在这三个维度之间进行交互，这就是所谓的智慧工厂，其具体框架如图1所示。

图1  智能工厂的构架

在智能制造企业工厂内部，互联网和物联网是两大通信管理设施，服务互联网连接供应商，并支持通讯、终端、能源和智能工厂经营管理系统的信息通信集成；工业物联网支持制造过程的设备、操作者与产品的互联，实现物理单元的信息通信，还可实现有线、无线之间的信息通讯与控制。其智能工厂运用Max集控系统操控平台如图2所示。

图2  智能工厂Max集控系统操控平台技术路线图

2.1  工业物联网的体系结构

智能制造工厂控制端下行设备和控制设备是通过现场总线控制来实现工业环境的数据感知和控制命令的下发。同时，通过对生产流程的监控和生产设备运行状况跟踪，利用迈科斯自主研发的Max集控系统，可实现资源的最佳配置和生产流程的优化，以此便于将能源消耗降低、远程通讯集控以及提高生产工作效率。如图3所示。

图3  Max集控系统的结构框架

2.2  智能制造对物联网的要求

智能生产是整个制造工厂的核心，对生产环节的管理直接关系到制造工厂工作效率的提高和物联网性能的体现。

在智能工厂中，运用Max集控系统是通过网络通讯与移动网络、仪表自控及一体的终端控制系统，运用集控系统是对智能制造工厂联网的设备进行甄别与监管以及控制节点状态的动、静态进行智能化无人值守控制。因此在智能工厂中部署的大量传感器、机械设备、电气设备等均需要进行对其搜集不同的节点、参数，这些信息根据重要性，被划分为不同的传输路径。因此，智能制造工厂对工业物联网的要求是具有更高的挑战性、超越性、实效性、创新性的。

如何能让Max集控系统能更好的可以满足应用在智能制造工厂中，提出了更高的挑战。

3  Max集控系统在智能制造环境下研究遇到的核心问题

3.1  提高核心技术水平

Max集控系统的核心技术是依托物联网技术得以长远发展的，因此，应该不断提高Max集控系统的核心技术水平，积极研发和引进新技术，促进科技创新。首先，应该建立起公共服务平台，用来解决Max集控系统在发展过程中遇到的技术问题，并可以在平台上进行技术研究与研发，在应用技术的基础上加快技术创新，做好顶层设计，满足智能化制造工厂发展的需要；其次，有重点地进行技术开发与研究，要加大对重点业务、关键技术的研究，建立起标准验证和仿真的服务平台，并加快标准制度建设；再次，在技术研发时不可因循守旧，应该积极借鉴国外优秀案例，结合我国智能制造行业现状以及未来智能制造工厂的行业发展进行对比分析，加快国内技术研发。

3.2  工业无线通信

工业无线通信技术是继现场总线和工业以太网之后又一新的通信技术，具有部署灵活、成本低、方便维护等优势，为各种智能设备、AGV和自动化设备之间的通信提供高带宽的无线通信链路和灵活的网络拓扑结构，特殊环境下有效弥补有线网络的不足。

工业级无线传感网络系统建立在国际标准Wireless HART技术之上，是专门针对工业4.0以及工业级物联网领域设计的无线传感网络产品，旨在实现工业领域设备之间的互联互通，以及工业苛刻恶劣环境下，现场设备数据的可靠、稳定、实时采集和传输。可为工业自动化、石油石化、新能源、智慧城市等诸多行业提供无线传感通信解决方案，助力打造更智能，更环保和更高效的工业4.0以及工业物联网中应用。

传统无线通信技术在一定程度和一定时期满足了工业信息传输的要求，但是，随着物联网时代的到来，Max集控系统需要与上述无线通信技术相连接、相融合、相宽覆盖，实现低功耗、低成本、高速率的特点，以及可直接部署于GSM网络、LTE网络，降低部署成本，实现多层端口连接方式的优势。

3.3  工业物联网网络安全性

物联网时代，没有一劳永逸的安全时代。物联网存在的各种安全问题需要物联网设备制造商和终端用户联合采取措施取保设备安全。物联网设备有太多组件，包括处理器、云端与Web服务端、设备与应用程序，这导致很难兼顾所有这些组件的安全问题。系统的每部分都至关重要，漏洞可能就存在在于应用程序、平台、设备、传感器和云端中。因此，我们需要接受一种新的安全观念，即“没有一劳永逸的安全防护，安全是个持续对抗的过程”。

设备服务提供商同样需要注重培养防范意识，监控威胁和安全事件，并遵守适当的报告流程，特别是在出现影响客户的安全漏洞和事件时更要及时报告。与此同时，定期升级操作系统和应用对于确保网络安全也是很重要的。

在国家政策的指导以及行业内对工控安全的行业引导这些相关因素驱动下，工控安全产品应用实例增多，实际应用效果得到业界的认可，预计在不久的将来，工业控制系统的安全必将迅猛发展。

虽然面对网络安全并没有100％安全的解决方案，但目前已经由很多专业组织出版了很多关于工业网络信息安全的建议要求可以参考。如国家标准的《信息系统安全等级保护基本要求》，或是专门针对工业自动化和工业安全的国际标准IEC62443。其中，IEC62443更是目前在全球被广泛采纳和认可的工控系统标准。各国、各行业制定工控相关标准政策都会参考和洗手该标准提供的概念、方法、模型。无论是想系统地了解工控安全问题及其应对措施，还是想了解部分内容，都可从改变准入手。

4  Max集控系统未来升级方向

随着新一轮制造业格局的争霸开启，主要竞争国都在不遗余力的构建和推广新的框架体系标准，以求主导制造业转型。其中我国产业企业接触最多的，应该是德国的工业4.0和美国的工业互联网。这两个框架体系本身没有太大问题，甚至已经建立了相互映射对接的关系，对全球通用发挥了积极作用。关键问题在于这两个框架指导下的企业实践，目前尚未出现真正意义的通用性开放平台，还存在各厂商之间的竞争壁垒，造成厂商之间的设备互联互通困难等问题。而制造业企业在面对厂商时，选择一个厂商可能意味着被锁定在这个厂商的一体化解决方案中，增值服务和替换成本较高，且难以掌握真正的核心技术。

正因如此，中国制造业需要建立自主的智能制造框架标准体系，并鼓励产业和企业自主研发，探索自己的智能化经验，并最终汇聚成自身主导的智能制造平台和生态，完成整个制造业的转型和升级。

结合上述工业物联网自身的问题和目前研发的Max集控系统现状，本文认为迈科斯自主研发的Max集控系统未来研究方向应该在以下几个方面展开：

（1）Max集控系统在应用智能工厂中各层的运行分工和各层的业务实现流程虽然明确，但，对Max集控系统在各层之间的硬件设备搭建连接、分工控制（种类复杂）和信号信息的大量数据传输与虚拟空间之间的耦合关联问题目前的研究还不深入。物联网要实现在智能制造复杂环境、集中管控中的感知互动，需要建立物理模拟空间和信息模拟空间的虚拟模型，同时，也建立了复杂工厂环境的电磁干扰模型。

（2）异构网络融合。工业物联网中往往是多种类型网络共同存在，不同网络之间形成很多信息孤岛，要实现互联互通，必须让不同网络之间能够建立联系。目前的研究无论是基于设计统一网关的思路，还是基于认知网络的理念都是少数几种网络融合，远远不能满足实际需要。未来研究中，针对物联网络异构性、承载业务量大特点，开发统一的物理及MAC底层及其协议促进多种网络融合是发展趋势。

（3）工业物联网安全。Max集控系统考虑工业物联网框架中各层次的安全不是相互独立的，而是相互依赖的，针对每一层单独设计的安全保护策略是不全面的，适用范围有限，再加上不同应用场景对安全要求侧重点也不一样，因此设计适用范围更广的入侵检测与防御系统、设计更有效的访问策略、制定有效的移动设备跨域认证方法，将是未来物联网安全的研究热点。

5  获得的成果

面向工业4.0和国家装备制造业发展需要，我们课题组基于最新工业物联网技术、系统优化调度方法和先进制造思想，解决了制造设备之间的互联互通、无线传感智能组网等一系列问题。开发出一体化计划调度、生产建模与物料跟踪、设备数据能耗采集、质量控制与统计等新技术，这些技术在大型装备制造工厂等方面得到了具体的应用，同时也获得了制造企业口碑与赞赏。

6  结语

随着工业4.0时代的到来，智慧工厂、智能制造将全面替代传统工厂和传统制造，物联网和智能制造的融合更加速了第四次工业革命的到来。但是应该看到目前的工业物联网发展水平的不足，存在的问题诸多，因此立足当前，着眼未来，加强工业物联网重点技术研究，对其存在关键问题进行突破，促使工业物联网形成产业化和规模化，推动智能制造向更高水平发展。

参考文献：

[1]Wang S, Wan J, Li D, et al. Implementing smart factory of industries 4.0: an outlook[J]. International Journal of Distributed Sensor Networks, 2016, 12(1): 3159805.s

[2]周津. 物联网环境下信息融合基础理论与关键技术研究[D]. 吉林大学, 2014.

[3]韩崇昭, 朱洪艳. 多传感信息融合与自动化[J]. 自动化学报, 2002,28(s1): 117-124.

[4]Perera C, Zaslavsky A, Christen P, et al. Context Aware Computing for The Internet of Things: A Survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2014,16(1): 414-454.

[5]胡雅菲, 李方敏, 刘新华. CPS网络体系结构及关键技术[J]. 计算机研究与发展, 2010, 47(S2): 304-311.

[6]Telmanov Mikhail.智能工厂环境下的混合生产线调度优化方法研究[D]. 哈尔滨工业大学, 2017.

[7]Zhu H, Liu D, Bayley I, et al. Quality model and metrics of ontology for semantic descriptions of web services[J]. Tsinghua Science and Technology, 2017, 22 (3): 254-272.

[8]蓝萌, 徐汀荣, 黄斐. 基于JSM的制造企型业ERP-MES集成方法实现[J]. 计算机技术与发展, 2009, 19（6）:246-249.

[9]徐金苟. 蓝牙4.0底层核心技术协议研究与实现[D]. 上海交通大学, 2012.

[10]夏军. 基于WiFi的板坯连铸结晶器振动形态检测技术研究[D]. 浙江大学, 2013.

[11]李嘉源. 基于ZIGBEE协议的工业视频监测技术研究[D]. 吉林大学, 2015.

[12]Kim T, Dong M K, Pratas N, et al. An Enhanced Access Reservation Protocol with a Partial Preamble Transmission Mechanism in NB-IoT Systems[J]. IEEE Communications Letters, 2017, PP (99): 1.

[13]Liu S, Yang F, Song J, et al. Block Sparse Bayesian Learning Based NB-IoT Interference Elimination in LTE-Advanced Systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2017, PP (99):1.

[14]Ali A, Hamouda W. On the Cell Search and Initial Synchronization for NB-IoT LTE Systems[J]. IEEE Communications Letters, 2017, PP(99):1.

[15]Lee W M，Wong V S W. E - Span and LPT for data aggregation in wireless sensor networks[J]Computer Communications.2006.29 (13-14): 2506-2520.

[16]Ciancio A, Ortega A. A dynamic programming approach to distortion-energy optimization for distributed wavelet compression with applications to data gathering in wireless sensor networks[C]//. Acoustics, Speech and Signal Processing, 2006. ICASSP 2006 Proceedings. 2006 IEEE International Conference on. IEEE, 2006, 4:IV.

[17]陈海明, 石海龙, 李勐, 等. 物联网服务中间件:挑战与研究进展[J]. 计算机学报, 2017, 40 (8): 1725-1749.

[18]刘博洋, 马连博, 朱云龙, 等. 基于多层数据处理的嵌入式RFID中间件系统开发[J]. 计算机科学, 2015, 42(s2): 231-235.

[19]Hardjono T, Smith N. Cloud-based commissioning of constrained devices using permissioned blockchains[C]//. Proc of the 2nd ACM IoT Workshop on IoT Privacy, Trust, and Security. New York: ACM, 2016: 29-36.

作者简介： 

王海申，男，工程师，本科，主要从事自动化、电气工程及其自动化与监测控制方面研究。     

赵春瑞，男，工程师，研究生，主要从事工控自动化方面研究。

曲书杰，男，助理工程师，专科，主要从事机械制造及其自动化方面研究。