工业互联网：1 引论

1 引论
1.1 工业互联网

工业互联网从技术本质上，是物联网应用。也即，其连接的主体中包含设备。在当下的中国，工业互联网、工业物联网、产业互联网的多个相近的概念都在使用，实际上所有试图解释和分辨的努力基本都是白费的，因为主张者基本都说不清楚。本问作者实际上更主张采用工业物联网的提法，因为原本物联网的目的就是要面向应用，从而必然涉及到人与业务。但是不幸的是，物联网这个概念被很多人特指为传感器网络，或者仅仅为数据采集服务，那么就不是笔者所主张的意思了。总的来说，工业互联网相对更符合作者对此类系统的主张且不会引起歧义，但是我们却不得已经常使用物联网的概念——毕竟，在技术本质上工业互联网就是一类物联网应用。

物联网概念的出现的时间并不长，在其不长的历史中给很多人造成了概念上的困惑。而这些困惑的来源，正是来自于人们难以分辨新兴的物联网概念和由来已久的工业领域的数据采集系统、SCADA等系统之间的差异到低在哪里。的确，无论从概念还是技术架构上而言，这些传统的工业信息化系统都符合物联网的范畴。或者我们可以说，物联网的思想萌芽恰恰是来自传统的工业信息化系统。其中最明显的例子就是所谓“智能电网”。电网的调度传统上就是电网SCADA的功能，而在物联网的理念深入的同时，传统的电网SCADA也产生了一些有益的变化，比如其完善的基于数据模型的技术架构和标准的通信协议。虽然公认的物联网概念的似乎是诞生于物流领域，即RFID技术，但是随着物联网理念的推广，公认的流行技术架构也明显开始借鉴传统的工业控制系统。而随着众多原本提供工业控制系统与产品的企业开始声称自己已经转型为工业物联网或者“智慧工业”的解决方案的提供商，工业物联网和工业控制系统的界限已经逐步消失。

那么问题来了，既然如此，是不是说我们就没有必要再提出这个“工业互联网”的概念了呢？

首先，工业控制系统虽然可以视为工业物联网的类型之一，但其仍然具有自身的特点。

这类传统控制系统普遍注重数据的实时性，这主要是因为这类系统一般都出现在数据所代表的工况必须尽快处理的场景。但是随着工业信息化的发展，人们逐渐发现存在着更多的不需要那么强的实时性的场景。或者说，更多的工业物联网应用只要求数据有及时性，只要数据到达用于处理数据的计算单元时间足以使这些计算单元有足够的时间来处理即可。这种从实时性到及时性的改变，扩大了工业信息化的应用范围，还对系统的技术方案也带来了很大的变化。当然，我们仍然可以把实时的系统看做及时系统的一个极限情况。也显然，我们并不能说物联网系统就不会强调实时性，在某些应用中，比如有害气体报警、灾害处置等情况下，实时性仍然是致命地关键的。

传统工业控制系统还有一个特点是，一般而言事务流程相对简洁明了，虽然可能在几种工况之间切换，但是总得来说灵活性不高，也相对固定。而新型的物联网业务模式中，有一些基于数据分析的业务的，其业务流程具有一定的灵活性，或者说模糊性。比如根据采集到的数据发送定向广告，其选择的算法可能是不断进化的，带有一定的随机性和模糊性。此外，高级物联网应用的顶层业务流程随企业或企业间的关系不断变化，其稳定性也较差。

其次，相比传统工业系统，工业物联网使很多新兴商业模式成为可能。

传统的工业信息化系统一般都是局域网模式。虽然这种网络锁覆盖的地理面积可能也相当的大，比如“智能电网”，但是这仍然改变不了这些应用是局域网应用的事实。究其原因，主要是此类应用一般都是运行在一个局域网或者虚拟局域网的环境中。但是当智能电网延伸到终端的时候，比如一些用电户同时利用自身新能源设备向电网卖电的情况，基于物联网的结算体系就对这一新型能源供给和消费模式的清算提供了可能。此外，由于新兴的工业物联网应用中出现一些跨越法人边界的、连接多种产业角色平台的属性。传统的工业控制系统的定义已经显然不在合适。一个很好的例子就是机床厂家为了完善自己的售后服务所安装的机床联网系统，可以让机床厂在自己的办公室中就能了解在客户处的机床设备的情况。一些物联网系统其数据层以下甚至就是传统的SCADA系统，但是因为其上层应用的创新性，我们已经不能再将其与传统的SCADA混为一谈了，原因就在设计系统的视角已经改变。

再次，物联网的发展，的确催生了很多超越传统控制系统的技术和产品。

主要体现在一些新型的传感器和传输网络技术上。为了经济、准确地采集更多的数据，对传感器技术提出了更多的要求。而低功耗、自组织、高安全性的无线通信网络技术也是方兴未艾。在上层的数据和业务流程处理上，也不断产生了各种有别于传统实时数据库的平台级产品。一些传统工业设备为了支持联网，也出现了明显的大面积地采纳智能化设计的趋势，即设备远程支持联网。

但是，一般不主张将过程控制系统（PCS）称为物联网系统。此类系统一般采取PLC、DCS或者专用控制器实现，一般针对的是一个机群内部的高速、实时的系统。这类系统一般对系统的实时性的要求更高、业务更单纯。

另一方面，类似MES之类的原本归属不甚明确的工业信息化系统，目前普遍被归为工业物联网系统，甚至在部署形式上，会出现公有云部署方式。

1.2 基本架构

图1-1 工业物联网基本架构

图1-1可以简明扼要地描述常见的物联网系统，当然也包括工业物联网的技术架构的示意图。其中：

感知层与传输层
也就是一般所谓的可以产生数据的设备。可以简要分为几类：普通设备、传感器和执行器，以及智能设备和传统的过程控制系统。对于自身缺乏网络传输能力的设备，也就是说，一般需要先将数据以某种相对传统的电气和协议方式传给一个传输层设备，即工业网关，由工业网关来帮助实现信号和协议的转换，从而实现联网。而智能设备，实际上可以理解为内置了工业网关的设备，其自身天生就具有联网能力。传统的控制系统一方面控制了一个设备群，另一方面也可以作为整个设备群的“网络代言人”存在，以接入更大的工业物联网系统。

这里面有一个概念需要澄清，即传感网。传感网主要负责从传统设备、传感器和执行器到工业网关之间的通信。这是因为，在工业现场，经常因为低功耗要求、部署难度和成本等原因，是无法直接采用网络层的那些技术的。为此，工业领域和民用领域都催生了很多新型网络技术。因为主要是为了一个设备集群或者一个相对较小的范围内的数据，这些通信技术普遍因为传输距离较短而称为近场通信技术。但是这里所谓的较短，更多是相对的意义，也就是和同一个系统中的用于连接服务端的网络层跨越的距离相比，并不时说绝对距离就很短。比如，对于一个车间的生产管理系统，整个系统覆盖的面积也就只有近百米见方；而一个油气管道SCADA覆盖了上千公里的距离，而其中的数据采集节点之间的近场通信网络的传输距离也有近千米的距离。

传感层和传输层也经常合称为设备端，这种称谓更多用在从整个系统的角度来讨论作作为数据来源的智能设备和工业网关的时候。

网络层
我们可以列举的出的各类联网信号和协议类型，包括有线和无线局域网，3G/4G/5G等移动通信网，以及NB-IOT等专门为物联网开发的技术。

数据层和业务层
这两个层次一开始并没有明显区分，但是随着人们渐渐发现不断变化的业务逻辑和相对稳定的数据之间的差异后，越来越多的平台将二者明显区分开来，甚至有些物联网服务商所提供的服务，主要就集中在数据层，而不直接提供业务逻辑，而是希望更多的集成商或者业务服务商借助其数据平台提供业务逻辑。

这两个层次一般都部署在服务器上，甚至是同一个物理服务器上，所以也经常被合称为服务端。

客户端
也就是物联网的用户用来获取物联网系统提供的服务的设备或应用。常见的如一些手机、个人电脑上运行的可以接受物联网服务端数据的应用，或者在很多B/S架构下，就是浏览器。当然，有些时候，服务端是通过直接传递数据给设备端提供服务的，而这种情况下，所谓客户端并不包括已经定义为设备端的设备。

1.3 数据
工业物联网的内传输的数据，最大的特点是普遍会带有时间戳。

时序数据
是带有时间戳的连续数据，传递的方向是从设备端到服务端。时序数据一般用来表征设备的状态参数，通常是按照一定的采样频率联系发送的。时序数据的获取方式可能是设备向网关主动推送，也可能是网关向设备端按照一定的频率查询。

事件数据
也带有时间戳，但是因为是表征的是不规则发生的或者条件出发的事件，所以并不是连续发送的。一般用来表征告警、状态的切换等事件。正是因为事件数据发生的不可预见性，事件数据通常采用设备端主动向网关推送的方式为好；如果也采用网关向设备查询的方式，就要充分评估查询频率对设备事件数据的传递产生的时间延迟，以及这种延迟可能带来的不利影响。

指令数据
指令数据传递的方向是从服务端向设备端。指令数据可能带也可能不带时间戳，主要看物联网系统自身业务对时间的敏感性来设计。比如，如果系统业务流程需要设备端忽略发出过早发布的指令而采取最新的指令，指令数据带有时间戳就有了必然的意义。如果带时间戳，指令数据的表达格式一般和时序数据很像，但是通常不是连续发送的。

文件数据
文件数据的传递方向是双向的，从设备端向服务端或者相反方向都有可能。比如在机床群控系统中，服务器可以向机床数控系统下发工艺程序文件，也可以从数控系统中获得被操作员在机床侧修改过的最新版本的工艺程序文件，或者数控系统的运行日志等文件。

不同类型的数据不仅自身的基本组成不同，在物联网系统的各个层面上，也会因为采用电气信号、通信协议、传送机制的不同而有不同的变体，这在我们未来的章节中会逐渐讲解。

1.4 小结
本章我们可以看到：
1、所谓工业物联网，可以看做原本的工业控制和工业信息化系统的延伸和概念的扩张，随之带来的也有一些专有技术、产品和商业模式的产生。
2、典型的工业物联网架构可以分为传感层、传输层、网络层、数据层和业务层。其中传感层和传输层常被称为设备端，数据层和业务层常被称为服务端。

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