工业物联网互联互通白皮书

报告摘要

工业物联网互联互通白皮书总结

核心内容概述

《工业物联网互联互通白皮书》由中国电子技术标准化研究院等多家机构联合编写，旨在探讨工业物联网在互联互通方面的内涵、技术现状、实施路径及应用案例。白皮书从“如何认识”、“如何呈现”、“如何实现”和“如何应用”四个方面展开，提出工业物联网互联互通是构建服务驱动型新工业生态体系的关键，需结合具体场景和成熟技术手段，采用因时制宜的实施方案，科学推进部署。

主要观点

工业物联网的互联互通涵盖人员、设备、原料、产品和环境等要素，实现数据信息的高效流动，推动资源优化配置。
工业物联网的网络架构分为互联阶段和互通阶段，前者实现设备与系统的连接，后者实现数据在云端的深度应用。
工业物联网面临的主要挑战包括通信协议的复杂性、工业基础设备的互联互通问题以及网络与数据安全问题。
互联互通技术需兼顾实时性、安全性、兼容性及可扩展性，目前尚无统一的解决方案，需结合不同场景选择合适技术。

关键信息

一、如何认识互联互通

对象范围
互联互通对象包括人员、设备、原料、产品和环境等要素，为制造领域的创新应用模式提供支撑。
网络架构
- 互联阶段：对应OSI模型的物理层、链路层、网络层和传输层，通过多种通信技术实现设备与系统的连接。
- 互通阶段：对应OSI模型的会议层、表示层和应用层，或TCP/IP模型的应用层，实现多源异构数据的深度应用。
面临的挑战
- 设备间通信协议复杂多样，影响互联互通的实现。
- 工业设备基础参差不齐，实施难度大。
- 网络和数据安全问题成为互联互通的潜在隐患。

二、如何呈现互联互通

技术全景
- 工业物联网涉及多种网络通信技术，包括现场总线、工业以太网、无源光网络、工业无线、窄带蜂窝网、宽带蜂窝网、OPC UA、MQTT、CoAP、DDS、AMQP等。
- 新兴技术如边缘计算、SDN、TSN等，成为提升互联互通能力的重要手段。
典型技术

技术名称	概述	技术特点	适用范围
现场总线	用于现场设备间的通信，如FF、PROFIBUS等	简单、节省成本、提高可靠性	石油、化工、电力、冶金等
工业以太网	用于工业控制领域的高速通信，如ProfiNet、EtherCAT等	高速、高可靠性、可扩展	信息管理层、工厂自动化等
无源光网络（PON）	光纤通信技术，支持全业务连接和多重安全保障	全光网络、支持多协议、安全可靠	车间级网络、企业信息化系统
工业无线	抗干扰能力强、能耗低、适合工业现场环境	星形/网状拓扑、支持透明传输	工厂自动化、离散制造业
窄带蜂窝网	适用于远程通信，如NB-IoT、eMTC等	低功耗、低成本、适合大规模设备接入	工业测量监控、智能穿戴等
宽带蜂窝网	支持多媒体传输，如3G、4G、5G等	高覆盖率、服务质量好、自适应处理	工业生产环境全网覆盖、实时信息传输
OPC UA	工业软件接口规范，支持跨平台、跨系统通信	平台无关、数据模型丰富、支持安全与可靠传输	控制系统、MES、ERP等
MQTT	基于发布-订阅模式，适用于资源受限设备	低带宽、灵活、支持QoS和安全性	云端设备接入、交互式应用
CoAP	适用于资源受限设备的通信协议，支持与Web集成	精简传输、支持多播、低开销	智能设备间、设备与Web应用间通信
DDS	分布式实时通信中间件，支持丰富的QoS策略	实时性、自动发现、可扩展	航空航天、智能机器人、工业物联网等
AMQP	统一消息服务协议，支持异步处理和应用解耦	可互操作、可靠、安全、开放	消息队列、数据交换等

新兴技术

边缘计算：实现数据的实时处理与分析，提升工业现场的智能化水平，适用于智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。
软件定义网络（SDN）：实现网络的灵活配置和管理，提升工业网络的可靠性和扩展性。
时间敏感网络（TSN）：用于构建低延迟、低抖动的以太网，提升工业通信的确定性，适用于智能制造、工业物联网和车联网等。

三、如何实现互联互通

实施步骤
- 物理世界数字化：将人员、设备、原料等要素转化为数字信息。
- 基础设施网络化：通过网络通信技术连接基础设施，实现信息交换与资源共享。
- 网络配置智能化：根据应用需求灵活配置网络资源，提升网络的适应性和智能化水平。
实施路线
- 实施路线需结合实际情况和应用场景，采取分阶段、分层次的推进方式。
- 图3展示了工业物联网互联互通的实施路线，涵盖从基础设施到云端的逐步连接。
实施路径
- 不具备联网能力的设备：通过智能传感器和网关实现数据采集和通信。
- 有限联网能力的设备：通过网关进行协议转换，实现不同系统间的互联互通。
- 具备联网能力的设备：直接接入IP网络，如OPC UA、Modbus-TCP等。

四、如何应用互联互通

案例一：数控机床互联互通解决方案
- 项目通过iPORT协议实现设备与平台的互联，构建智能工厂模式。
- 实施效果包括提高设备接入率、降低运营成本、提升生产效率等。
案例二：基于OPC UA的纺织机械设备互联互通解决方案
- 通过OPC UA实现设备与生产平台的连接，提升车间智能化水平。
- 实施效果包括实现生产过程闭环控制、提升设备使用效率等。
案例三：基于SDN和边缘计算技术的空调制造设备互联互通解决方案
- 构建全光网络，实现数据的低时延、高可靠传输。
- 实施效果包括提高设备利用率、降低运维成本、提升生产效率等。
案例四：智能煤矿物联网互联互通解决方案
- 建设安全生产大数据平台，实现多系统数据采集、治理和存储。
- 实施效果包括提升煤矿智能化水平、提高安全管理和生产效率。
案例五：基于工业PON的工程机械互联互通解决方案
- 采用工业无源光网络（PON）实现车间级设备的高效互联。
- 实施效果包括降低组网成本、提升网络稳定性、实现低时延通信等。
案例六：空调噪音数据互联互通解决方案
- 通过边缘计算和机器学习技术实现噪音的智能识别和检测。
- 实施效果包括提高检测准确率、降低人工成本、提升检验效率等。

附录与致谢

附录A：列出了工业物联网互联互通相关技术标准清单，涵盖现场总线、工业以太网、OPC UA等技术的国家标准与国际标准。
附录B：提供了相关技术的缩略语说明。
致谢：感谢各参与单位和人员对白皮书的贡献，后续将根据反馈和研究进展持续更新。

总结

《工业物联网互联互通白皮书》系统阐述了工业物联网在互联互通方面的技术现状、实施路径和应用案例，为工业物联网的发展提供了重要的指导。白皮书指出，互联互通是实现智能制造和工业资源高效配置的关键，需结合具体应用场景，采用多样化的技术手段和实施路径，同时重视网络和数据安全。通过多个案例的展示，白皮书进一步说明了互联互通在不同行业中的实际应用价值和实施效果，为未来工业物联网的推广和发展提供了借鉴。

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