物联网在工业领域的应用--邬贺铨

1 物联网在工业领域的应用 邬贺铨 中国工程院 2010.03.26 2 物联网及其应用 互联网的演进与应用拓展 物联网的概念与支撑技术 物联网在重要领域的应用 物联网的内涵 3 需要连网的物件 物理对象 (不论是智能的或非智能的物体 )数量非常巨大，需要联网 互动 、 通信 、 控制 以便 参与业务流程 或管理的物件其数量也比人口多百倍 微处理器与微控制器 500亿 控制器与智能传感器 17.5亿 静态设备 4.25亿 机动设备 5亿 静态信息设备 12亿 移动信息设备 35亿 嵌入式控制器，温度 /压力 /流量传感器，断路器，衡器等 医疗器械， HVAC，工业机械，分布式设备等 汽车，集装箱，油轮，火车，城铁，供应链设备等 台式机，服务器，交换机，存储设备 手机， MID，智能手机， 上网本， GPS等 4 5 RFID（射频标签）及其应用 Antenna HF Tag UHF Tag Chip 从 RFID到传感器 Gen 1 RFID Gen 2 RFID Gen 5 Interacting RFID Gen 4 Acting RFID Gen 3 Sensing RFID Class 1 Class 5 性能、复杂性、集成度 Time RFID 有利于改进库存从而增加销售 3%，减少商店人力消耗 65%，降低库存消耗 7.5% (Precursor Analysis). Wal-Mart 全部上万个供货商都使用RFID贴在容器和货盘上 ,每年节约成本 84亿美元 Gartner公司报告 2009年 RFID系统在全球供应链市场规模将达到 100亿美元 6 传感器节点的组成 7 电源单元 电源发生 定位系统 移动器 传感器 模数转换 处理器 存储 收发单元 传感器敏感物理条件或化学成分并且传递与被观察的特性成比例的电信号的电子设备。 传感器节点由传感器和可选的能够检测数据处理及联网的执行元件组成的设备。 -ITU-T Recommendation Y.2221 ITU(国际电信联盟）关于传感网的定义 传感器网包含互联的传感器节点的网络，这些节点通过有线或无线通信交换传感数据。 泛在传感器网（ USN)-在现有物理网上构造的概念性的网络，它使用传感数据并在任何时间、任何地点向任何物件提供服务，而且在USN中通过使用上下文感知产生信息。 8 -ITU-T, Rec.Y.2221 (Y.USN-reqts), Requirements for support of Ubiquitous Sensor Network (USN) applications and services in the NGN environment 传感器网络的三个基本要素： 传感器节点，感知对象，观察者 传感器网络的基本功能： 协作地感知、采集、处理和发布感知信息。 9 无线传感器网络 C N G I 骨干网SensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensorSensor城市城镇城镇监控中心IPv4/IPv6网 关I P v 6 节点I P v 6 节点I P v 6 节点10 传感器网络和 Ad hoc网络的比较 传感器网络中的节点数量大，节点的配置非常密集 传感器节点的位置并不一定需要预先设计和计算，传感器网络拓扑的变化十分频繁 传感器网络中的部分或全部节点可以移动 传感器网每个节点既是终端，也可能又是路由器 传感器节点不一定有全球性的标识 传感器节点的电能，计算能力及存储器容量都很有限 传感器网络主要用广播方式通信，而大部分 Ad hoc网络是基于点到点通信方式的 对传感器网络的协议要求 物理层： 工作在 915 MHz （ 工业、科学和医学）或其他频段，发送功率和传输距离的 2 4次方成正比，使用上往往需要接力 数据链路层： MAC 协议的作用是节点公平和有效地共享通信资源，现有 MAC 协议以提高网络的性能和带宽利用率为主要目标，而传感器网络需优化节能、移动管理和故障恢复 网络层： 需要适应拓扑频繁改变和可扩展性的协议、基于节能优先的路由选择、基于属性的寻址、数据汇聚（将来自多个传感器节点，具有相同属性的数据汇聚，解决数据破碎和重复） 传送层： 有限的电能和存储量限制使传感器节点不能存储大量的数据， 而且 TCP方式开销太大，需要有适合传感器网的协议 应用层： 传感器管理协议、任务分配和数据通告协议、传感器询问和数据分发协议等 11 12 传感器网的管理平面功能 电源管理平面 管理传感器节点的电源使用方式 可以使传感器节点在收到一个消息后关闭接收器 当一个节点电量低时，可以向邻居节点广播电量不足消息，并不再参与转发数据 移动管理平面 检测和登记传感器节点的移动 了解谁是自己的相邻节点 任务管理平面 在一个特定的区域内均衡及调度传感任务 在一个区域内并非所有的传感器节点都要同时执行传感任务 物联网概念的提出和定义 关于物联网的含义与其概念提出背景 （来源： Wikipedia） 在计算领域， the Internet of Things 指的是物件的网络，诸如家用器具。它通常是自配置的无线网络。 the Internet of Things 的概念归因于 MIT大学在 1999年创建的 Auto-ID Center。 欧盟关于物联网的定义 （ Internet of Things: Strategic Research Roadmap, CERP-IoT SRA , first presentation 16 September 2009) 物联网是未来互联网的一部分，能够被定义为基于标准和交互通信协议具有自配置能力的动态全球网络设施，在物联网内物理和虚拟的“物件”具有身份、物理属性、拟人化、使用智能接口并且无缝综合到信息网络中。 13 物联网（ Internet of Things)的主要特征 每一物件 均可寻址 每一物件均可控制 每一物件 均可通信 14 15 A symbiotic interaction among the real/physical, the digital, virtual worlds and society + Ubiquitous any-ware 物联网强调的是认知 汇聚 计算 收集 通信 连接 内容 数字世界 虚拟网络世界 实际物理世界 语义综合 物联网的功能 从感知平台到数据挖掘 泛在化的传感单元及网络 异构性的互联网基础设施 普适性的数据分析与服务 更透彻的感知 利用任何可以随时随地感知、测量、捕获和传递信息的设备、系统或流程，便于立即采取应对措施和进行长期规划。 更全面的互联互通 将个人电子设备、组织和政府信息系统中储存的信息交互和共享，从而对环境和业务状况进行实时监控 。 更深入的智能化 使用数据挖掘和分析工具、科学模型和功能强大的运算系统处理复杂的数据分析、汇总和计算，整合和分析海量的跨地域、跨行业的信息，以更好地支持决策和行动 。 “智慧地球”是 IBM对运用信息技术构建新的世界运行模型的愿景。 “感知中国”是对物联网在中国泛在应用效果的概括。 物联网的功能 从物联网到 Cyber-Physical System（ CPS) Cyber Physical System (CPS) 是计算与物理过程的综合 CPS的发展使得计算资源与物理资源 间的紧密连结并完成现实社会与虚拟空间的有机协调 CPS的目标是 突破传统嵌入式系统的框架， 使物理系统具有计算、通信、精确控制、远程合作和自治等能力， 通过互联网组成各种相应自治控制系统和信息服务系统 ，实现 被动数据 主动信息 可靠服务 17 Computation Communication Control Information CPS is the co-joining of computation and communication with physical processes. 物联网与互联网的关系 物联网的底层借助 RFID和传感器等实现对物件的信息采集与控制，通过传感网将一组传感器的信息汇集，并连到核心网络；基础网络是物联网的重要组成部分，用于承载物物互联或物与人互联的信息传递；物联网的上层实现信息的处理和决策支持。 物联网可用的基础网络可以有很多种，根据应用的需要，可以采用公众通信网络，或者采用行业专网，甚至新建专用于物联网的通信网。 互联网既可以连接人也可以连接物，既可以连接虚拟世界也可以连接实际世界。通常互联网最适合作为物联网的基础网络，特别是当物物互联的范围超出局域网时，以及当需要利用公众网传送需处理和利用的信息时。 18 物联网与互联网的关系 物联网与互联网上传统业务相比有不同的特点： 在物联网以公众网络（例如互联网）作为基础网络平台的情况下，物联网相当于互联网上面向特定任务来组织的 VPN； 互联网是全球性的，但物联网往往是行业性的或区域性的； 一些物联网的应用例如智能电网对网络承载平台的可靠性有很高的要求； 物联网的行业应用的多样性与承载平台的通用性之间需要有中间件来适配； 物联网的上层即智能信息处理、数据挖掘与决策支撑等是传统互联网业务不一定需要的功能。 19 Future Internet 20 Society Future Internet IoT IoM IoS IoE IoT Internet of Things IoM Internet of Media IoS Internet of Services IoE Internet of Enterprises 物联网的核心网络既可以是下一代互联网，也可以是现有的互联网 。 在未来的互联网中，物联网应用仍然是主要目标之一。 传感网、物联网与泛在网 传感网 物联网 泛在网 定义 终端 基础网络 通信对象 标准化组织 传感网 实现传感器的互联和信息的收集 传感器 物对物 ISO/IEC 物联网 将各种信息传感设备如 RFID、红外感应器、 GPS、激光扫描器等与互联网结合，实现对所有物品的智能化识别与管理 传感器、 RFID、二维码、内置移动通信的各种模块 一个或多个 基础网络 物对物、 物对人 IEEE、 ETSI、EPCGlobal、 泛在网 通过网络的泛在互联，实现物与物、物与人、人与人之间按需的的信息获取、传递、储存、认知、分析、使用等服务，强调人机自然交互、异构网络融合和智能应用。 传感器、 RFID、二维码、内置移动通信的各种模块、手机、上网卡等 所有的网络 物对物、 物对人、 人对人 ITU、 3GPP、GSMA、OMA 21 22 物联网在工业领域的应用 物联网的应用领域 23 制造、后勤、服务、银行、金融监管机构、媒体等 农牧业、循环利用、环境管理服务、能源管理等 面向公众和社会的政府服务 物联网在工业领域应用 24 物联网在工业领域应用 制造业供应链 智能化采购、零部件库存管理、储存运输参数监测、物流跟踪； 生产环境监测 温度等环境条件监测、无线遥测地震仪、井下生产控制系统； 生产过程用料与工艺优化 生产线过程检测、实时参数采集、生产设备监控、材料消耗监测； 设备管理 设备操作使用记录、设备故障诊断、资产管理； 产品全生命周期监测 产品销售管理、产品交付管理、产品运输容器安全监测、管道监测、产品处置监测、产品回收再利用； 环保监测 排放监测、污染监测、能耗监测； 对员工的管理 关键情况下对员工岗位的无线跟踪 25 生产制造过程的全寿命管理 通过使用智能设备或唯一的识别器以及可与智能支持网络设施和信息系统交互的数据载体链接物品，能够优化生产过程和监视从生产到处置的全寿命过程。 通过标签物品和容器能获得关于车间位置、存放和处置地点、生产装备的状态。 精细的信息用作完善生产计划和改进后勤的输入数据。 围绕可识别物品设计自组织和智能制造解决方案。 从生产到寿命期结束，物品与附加的信息处理元件不可分，物品的历史和它目前的状况能够被持续监视和储存在标签或信息系统中。 所获得的数据反映了产品的使用历史，其中包含了对于产品设计、市场和与产品有关服务以及从安全、环保、循环利用、再制造或丢弃对寿命终了的决定。 26 智能电网 因发电与用电量不匹配，电网利用率很低，美国也仅有 55。每年美国因电网扰动与断电损失 790亿美元。 2009年 11月 3日奥巴马宣布美国政府出资 34亿美元带动民间投资 47亿美元建立“智能电网投资基金”。 智能电网使用健壮的双向通信、高级传感器和分布式计算机来改善电力交换和使用的效率，提高可靠性。以前因发电量不平稳难以接入电网的风电、太阳能等分布式能源可以用于补助主网发电。 智能电网实时监控用户的电力负荷，赋予消费者选择电价和能源类型的权力。 27 智能电网定义 一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。 （见美国能源部“ Grid2030”) IntelliGrid是一个由众多自动化的输电和配电系统构成的电力系统，以协调、有效和可靠的方式实现所有的电网运作 ；具有自愈功能；快速响应电力市场和企业业务需求；具有智能化的通信结构，实现实时、安全和灵活的信息流，为用户提供可靠、经济的电力服务。 （美国电力科学院） 一个可整合所有连接到电网用户所有行为的电力传输网络，以有效提供持续、经济和安全的电力。 （欧洲技术论坛） 28 高 压 母 线配 电 线 路输 电 线 路1 0 k V母 线1 0k V母 线用 户发 电输 电 变 电 配 电 用 电调 度坚 强电 网业 务处 理管 理决 策供 电 方 案 风 险 评 估 采 集与 控制S C A D A / E M S 配 网 自 动 化 系 统 用 户 监 控 系 统以 提 高 供 电 能 力 与 可 靠 性 为目 的 的 城 网 改 造 与 建 设高 可 靠 性 配 网 改 造电 网 运 行 方 式 风 险 评 估 与 监 测应 急 预 案 制 订供 电 系 统 风 险 评 估应 急 处 处 置 组 织 与 管 理输 电 系 统 风 险 辩识 、 评 估 、 跟 踪 、控 制 与 消 除 主 动 服 务变 电 系 统 风 险 辩 识 、 评 估 、跟 踪 、 控 制 与 消 除配 电 系 统 风 险 辩识 评 估 、 跟 踪 、控 制 与 消 除智能电网 29 智能电网 奥巴马在 2009年 10月 27日宣布将斥资 34亿美元发展智能电网 新计划将建设 700家自动变电站，替换 20万台变压器，安装智能电表 4000万个，覆盖1/41/3美国家庭，全部工程将在三年内完成。 预计到 2020年可使美国再生能源利用率提高至 20， 2030年智能电网技术将为美国节约 4的电力，约 204亿美元。 SmartSynch Customers： 15 million AMI transactions a day，35,000 MW of peak demand， $15+ billion of billing revenue 30 智能电网效益与发展存在问题 智能电网发展的效益： 丹麦的 DONG Energy采取智能电网措施后，可以将停电时间缩短 25-30%，将故障搜索时间缩短 1/3。 据测算，到 2020年我国每年可减少 4.7亿吨标准煤的消耗，减排二氧化碳 13.8亿吨。 发展智能电网存在问题： 美国能源部 2009年 7月公布了“智能电网系统报告”，指出美国仅智能电网测量体系就需要投入 270亿美元，到 2030年全美智能电网投入需要 1.5万亿美元。此外，智能电网标准的互操作性以及发展过程中相关政策的变化也是智能电网发展面临的问题。 31 智慧物流 2006年物流成本占 GDP的比例：日本为 11%，美国为8%，欧盟为 7%，中国为 18%（其中运输成本占 55%，存储成本占 30%）。 使用分析和模拟软件可以优化从原材料至成品的供应链网络。帮助企业确定生产设备的位置，优化采购地点，亦能帮助制定库存分配战略，降低成本、减少碳排放，改善客户服务。 中远物流公司采用信息化管理成功将分销中心的数量从100减少至 40，分销成本降低了 23%，燃料使用量降低了 25%，也将碳排放量减少了 10-15%。 32 电子标签（ RFID)在集装箱运输中应用 集装箱电子标签自动识别系统 电子封条 标签 tag 读写器 reader 电子标签 系统中间件 Middleware 信息实时交换系统 制定标准 天线 antenna 箱信息、货物信息、运输信息（如船、港口，货代）、开关箱时间及位置、箱的温度、湿度等信息 物流公司 船公司 港口 客户 货代、船代 海关 边检、商检 33 在建筑物中安装 2万个 传 感器并使用 IPv6连 网， 节约 运行能耗 30 物联网在节能降耗中的应用 Wiring the sensor nodes Temperature Node 2469 / 1744 / 29.4% Reduction Heat A/C Light Oth Hiroshi ESAKI, Ph.D Univ.of Tokyo 30% 美国办公用建筑物在寿命期间的电能消耗成本与建筑物初次建设成本相当。 据统计，建筑能耗目前占我国一次能源消耗总量的 27.8，我国的建筑能耗是世界上同纬度国家的三倍左右。 34 物联网应用存在问题 缺乏标准化，涉及的标准化组织太分散，权威性不足 行业性太强，公众性与公用性不足 产业链长但分散，每一环节规模效益不够 行业进入门槛高 商业模式不清晰 安全性、可靠性、可管理性薄弱 目前我国使用的传感器 80依靠进口！ 35 36 物联网的支撑技术 物联网的支撑技术与标准化方向 37 识别技术 物联网体系技术 通信技术 网络技术 网络发现 软件与算法 硬件技术 数据与信号处理技术 发现与搜索引擎技术 关系网络管理技术 电源与能量存储技术 安全与隐私技术 标准化 识别技术 识别技术需要支持现有的和未来的识别方案，能够与在互联网和 WWW中已经使用的诸如统一的资源识别（ URI）结构所互通 需要研究全球识别方案、识别管理、识别编码 /加密、匿名、使用识别和寻址方案的认证和储存管理、认证和寻址方案、全球查号业务和发现业务。 38 体系技术 在异构物品及其环境中的可扩展性、模块化和交互性是物联网的关键设计要求 物联网的体系应当 ： 支持事件与附加的语义信息的通信而无需知道它们如何产生的实现细节 ； 提供有效的双向信息更新的存储与同步，以支持缺乏可靠持久网络连接性的物品和应用 ； 有利于增加竞争和参与的市场机理的使用。 需要研究分布开放体系，该体系具有端到端特征、异构系统可交互性、随遇接入、清楚的分层和应对物理网障碍的可生存性；研究基于节点对等通信的无中心自治体系；研究云计算技术、事件驱动体系、断连操作与同步。 39 通信技术 需要研究以下方面： 物联网能效优化的通信； 多频无线前端和协议； 通信频谱及频率分配； 当加入新协议时无需硬件升级的软件定义无线电； 认知无线电； 具有协议间通信能力（例如 ZigBee-6LoWPAN-WiFi混合）的能效无线传感器网； 后 IP的无连接通信； 高性能可扩展算法和协议。 40 网络技术 物联网关注在多样性的联网系统间的安全性、可扩展性和跨平台兼容性，目前 IP提供了在设备间的端对端通信而无需中间的协议转换网关，但可能还需要新的网络协议。 需要研究 ： 固定、无线和移动网及 Ad-hoc网技术、自治计算与连网 ； 动态支持小区域无尺度连接的“网中网”（例如社会）能力的设施的开发； 网络级的口令和身份分配机理、匿名连网 ； IP和后 IP技术等。 41 网络发现 在物联网中，网络是动态变化的，新的物品的加入将改变网络的拓扑，而且物品的特征还会随自治程度而变，自动发现机理和映射能力对网络管理至关重要。 目前可参考使用的在 LAN级别的发现协议有 WS-Discovery (作为 WS-DD的一部分 ), Bonjour和 SSDP (作为 UPnP的一部分 ) 42 软件与算法 需要研究 ： 开放中间件平台； 能效微操作系统； 能量感知的操作系统及其实现； 实现自优化、自配置、自愈的分布自适应软件； 基于交互单元 /模块抽象的资源和网络功能的轻型开放中间件； 目标交互的语言、仿生算法（例如自组织）和游戏理论； 避免增加复杂性和节能的自管理技术； 提高安全性和隐私性的口令分配机理； 在普适和动态环境中优化资源分配的算法； 库存管理、产品调度和数据挖掘的数学模型及算法等。 43 硬件 技术 硅 IC技术、纳电子与高分子聚合物电子支持超低功耗、低电压和低漏电设计。 硬件可分为三种类型： 有限功能的超低成本标签，信息集中在由服务运营商管理的数据服务器中； 具有增强功能（例如额外的存储和传感能力）的低成本标签，信息分布在中央数据服务器和标签中； 智能固定 /移动标签和嵌入系统，信息集中在标签中。 需要研究纳技术、自配置自优化自愈电路体系、天线、能效的射频前端、嵌入的传感器、激励器、低成本制造技术等 。 44 数据和信号处理技术 需要研究 ： 语义互操作性、服务发现、服务组合、语义传感器 Web； 数据共享与合作；