08物物互联技术

第8章物物互联技术2导入案例小“灯条”解决大问题对于科技产品的需求，农村地区与城市有所不同。首先，农村地区快递成本压力更大，驿站经营者对成本更为敏感；其次，文化水平、智能手机的普及程度的不同，大量留守老人的存在，一个取件码未必能使消费者找到包裹，因此取件流程需要再做优化。为此，菜鸟技术团队用六个月左右的时间，研发出了IoT产品“灯条”。包裹上架时，工作人员根据系统推荐将“灯条”与包裹关联在一起。之后，不必像以前一样整理货位，而只需将包裹放到货架上的空闲之处。取件的消费者，只需要告知工作人员手机号，系统就会自动触发“灯条”，通过“灯条”的声光引导，包裹即可被快速找到。在这一过程中，工作人员与消费者不需要识别任何文字，甚至不需要看面单。3导入案例小“灯条”解决大问题从成本上看，“灯条”在设计之初，产品构造就更为简单；在部署上也极为简便，插上电源与网线即可应用，这也使得相关成本大大降低。与此同时，“灯条”简化管理的理念也带来了效率的提升。数据显示，“灯条”的应用使包裹上架效率提升了2倍，取件时间从160s降低至40s。据菜鸟物流科技的研发负责人许俊（花名兰博）介绍，如今应用“灯条”的农村站点已达数百个，近百万包裹通过“灯条”完成取件，接下来“灯条”的渗透将进一步加快。（资料来源：物流指闻（节选），2022-8-3）4教学目标掌握物联网的概念和特征；熟悉物联网的体系架构；熟悉LPWAN的特点及主流技术；掌握车联网的概念和作用；了解车联网的体系架构及构成；掌握信息物理系统的概念和特征；了解信息物理系统的体系架构；初步形成三种技术在物流中的应用思维。5教学内容8.1物联网技术8.2车联网技术8.3信息物理系统重难点：IoT的体系架构、LPWAN主流技术、IoT在物流中的应用、

IoV的体系架构、IoV在物流中的应用、CPS的概念、CPS的特征、CPS的体系架构、

CPS在物流中的应用。物联网技术8.1.1物联网概述8.1.2物联网低功耗广域网络8.1.3物联网技术在物流中的应用68.18.1.1物联网概述71概念2特征3体系架构81.物联网的概念物物相连的互联网物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络；其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。91.物联网的概念M2M，狭义指MachinetoMachine，即机器与机器之间的对话，侧重于末端设备的互联和集控管理。101.物联网的概念两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合，是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路，其核心是信息化支撑，追求可持续发展模式。112.物联网的特征（1）全面感知利用RFID、传感器、定位器和二维码等手段随时随地对物体进行信息采集和获取。包括传感器的信息采集、协同处理、智能组网，甚至信息服务，以达到控制、指挥的目的。（2）可靠传输通过各种电信网络和因特网融合，对接收到的感知信息进行实时远程传送，实现信息的交互和共享，并进行各种有效的处理。122.物联网的特征（3）智能处理利用云计算、模糊识别等各种智能计算技术，对随时接受到的跨地域、跨行业、跨部门的海量数据和信息进行分析处理，提升对物理世界、经济社会各种活动和变化的洞察力，实现智能化的决策和控制。133.物联网的体系架构8.1.2物联网低功耗广域网络14LPWAN（Low-PowerWide-AreaNetwork，低功耗广域网），也称为LPWA或LPN，是一种用于物联网（例如，以电池为电源的传感器），能够以低比特率进行远距离通信的无线网络。151.LPWAN的特点远距离、低功耗、低运维162.LPWAN主流技术基于授权频谱NB-IoTeMTCEC-GSM基于非授权频谱LoRaSigfoxRPMA17（1）NB-IoTNB-IoT是物联网领域的一项新兴技术，支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接。18（1）NB-IoT强连接提供相当于现有无线技术50~100倍的接入数，一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。超低功耗设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年甚至十年以上。深度覆盖能实现比GSM高20dB的覆盖增益，相当于提升了100倍区域覆盖能力。19（1）NB-IoT低成本可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级；同时，低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势。安全性支持双向鉴权以及空口严格加密，确保用户数据的安全性。稳定可靠能提供电信级的可靠性接入，有效支撑IoT应用和智慧城市解决方案。20（2）eMTC传输速率更快，更低延时，支持移动性、FDD、定位、VoLTE语音通信等。21（3）LoRaLoRa是目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一，这一协议源于SemTech公司。通信距离为1~20km支持节点数为万级甚至百万级电池寿命为3~10年数据速率0.3~50Kbit/s。8.1.3物联网技术在物流中的应用22典型场景货物仓储运输监测农产品溯源智能快递终端231.货物仓储242.运输监测253.农产品溯源264.智能快递终端车联网技术8.2.1车联网技术概述8.2.2车联网的体系架构及构成8.2.3车联网技术在物流中的应用278.28.2.1车联网技术概述281概念2发展3作用291.车联网的概念301.车联网的概念311.车联网的概念321.车联网的概念332.车联网的发展20世纪60年代，日本就开始研究车间通信。2000年左右，欧洲和美国也相继启动多个车联网项目，旨在推动车间网联系统的发展。2007年，欧洲6家汽车制造商（包括BMW等）成立了Car2Car通信联盟，积极推动建立开放的欧洲通信系统标准，实现不同厂家汽车之间的相互沟通。2009年，日本的VICS车机装载率已达到90%。2010年，美国交通部发布了《智能交通战略研究计划》，内容包括美国车辆网络技术发展的详细规划和部署。342.车联网的发展起步阶段（2009-2013）手机互联阶段（2013-2016）车载娱乐阶段（2016-2019）5G+车联网（2019至今）352.车联网的发展起步阶段（2009-2013）手机互联阶段（2013-2016）车载娱乐阶段（2016-2019）5G+车联网（2019至今）2G/GPRS+GPS安吉星进入中国市场与中国电信合作，中国车联网市场正式打开车联网作为全新汽车产品出现，产品形态主要内容以后装市场为主362.车联网的发展起步阶段（2009-2013）手机互联阶段（2013-2016）车载娱乐阶段（2016-2019）5G+车联网（2019至今）2G/3G/4G+GPS前装车联网系统无法满足时代需求，手机与车联网应用逐渐成为主流372.车联网的发展起步阶段（2009-2013）手机互联阶段（2013-2016）车载娱乐阶段（2016-2019）5G+车联网（2019至今）4G+WiFi+GPS前装车联网市场快速发展，跨界融合趋势明显，技术不断完善，生态服务愈加丰富，造车新势力兴起382.车联网的发展起步阶段（2009-2013）手机互联阶段（2013-2016）车载娱乐阶段（2016-2019）5G+车联网（2019至今）5G/C-V2X提升各类车载信息服务体验，逐步实现自动加强和满足智慧交通业务需求基于5G网络低延时及高速率等特点，极大推动车联网行业的发展393.车联网的作用车辆安全、交通控制、信息服务、智慧城市与智能交通8.2.2车联网的体系架构及构成401系统架构2网络架构3系统构成411.车联网的系统架构422.车联网的网络架构433.车联网系统的构成IoV车辆/车载系统车辆标识系统路边设备系统信息通信网络系统443.车联网系统的构成8.2.3车联网技术在物流中的应用45典型场景运输监控智能调度智能配载无人化运输46G7安全云信息物理系统8.3.1信息物理系统概述8.3.2信息物理系统的体系架构8.3.3信息物理系统在物流中的应用478.38.3.1信息物理系统概述481概念2层次3特征491.CPS的概念CPS通过集成先进的感知、计算、通信、控制等信息技术和自动控制技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。信息物理系统白皮书（2016）501.CPS的概念511.CPS的概念状态感知是对外界状态的数据获取通过传感器、物联网等一些数据采集技术，将这些蕴含在物理实体背后的数据不断地传递到信息空间，使得数据不断“可见”，变为显性数据。实时分析是对显性数据的进一步理解经过实时分析环节，利用数据挖掘、机器学习、聚类分析等数据处理分析技术对数据进一步分析估计使得数据不断“透明”，将显性化的数据进一步转化为直观可理解的信息。521.CPS的概念科学决策是对信息的综合处理权衡判断当前时刻获取的所有来自不同系统或不同环境下的信息，形成最优决策来对物理空间实体进行控制。精准执行是对决策的精准物理实现执行的本质是将信息空间产生的决策转换成物理实体可以执行的命令，进行物理层面的实现。输出更为优化的数据，使得物理空间设备运行的更加可靠，资源调度更加合理，实现企业高效运营，各环节智能协同效果逐步优化。531.CPS的概念数据自动流动应是以资源优化为最终目标“螺旋式”上升的过程。541.CPS的概念物联网以及传感网，最擅长的是基于无线连接，主要实现的是感知，控制的成分很少。CPS在实现信息传递之外，协调能力，计算能力更加强大，从而实现自治。552.CPS的层次一个智能部件、一台智能设备、一条智能产线、一个智能工厂都可能成为一个CPS。56（1）单元级CPS单元级CPS能够通过物理硬件、自身嵌入式软件系统及通信模块，构成含有“感知-分析-决策-执行”数据自动流动基本的闭环，实现在设备工作能力范围内的资源优化配置。感知和自动控制硬件、工业软件及基础通信模块主要支撑和定义产品的功能。57（2）系统级CPS多个单元级CPS及非CPS单元设备的集成构成系统级CPS。多个单元级CPS汇聚到统一的网络，对系统内部的多个单元级CPS进行统一指挥，实体管理进而提高各设备间协作效率，实现生产线范围内的资源优化配置。网络联通（CPS总线）至关重要，确保多个单元级CPS能够交互协作。58（3）SoS级CPS在系统级CPS的基础上，可以通过构建CPS智能服务平台，实现系统级CPS之间的协同优化。59（3）SoS级CPSCPS智能服务平台能够将多个系统级CPS工作状态统一监测，实时分析，集中管控。利用数据融合、分布式计算、大数据分析技术对多个系统级CPS的生产计划、运行状态、寿命估计统一监管，实现企业级远程监测诊、供应链协同、预防性维护。实现更大范围内的资源优化配置，避免资源浪费。603.CPS的特征数据驱动软件定义泛在连接虚实映射异构集成系统自治61（1）数据驱动CPS通过构建“状态感知、实时分析、科学决策、精准执行”数据的自动流动的闭环赋能体系，能够将数据源源不断地从物理空间中的隐性形态转化为信息空间的显性形态，并不断迭代优化形成知识库。62（2）软件定义从生产流程的角度看，CPS会全面应用到研发设计、生产制造、管理服务等方方面面，通过对人、机、物、法、环全面的感知和控制，实现各类资源的优化配置。这一过程需要依靠对工业技术模块化、代码化、数字化并不断软件化被广泛利用。从产品装备的角度看，一些产品和装备本身就是CPS。软件不但可以控制产品和装备运行，而且可以把产品和装备运行的状态实时展现出来，通过分析、优化，作用到产品、装备的运行，甚至是设计环节，实现迭代优化。软件是成为实现CPS功能的核心载体之一63（3）泛在连接构成CPS的各器件、模块、单元、企业等实体都要具备泛在连接能力，并实现跨网络、跨行业、异构多技术的融合与协同，以保障数据在系统内的自由流动。泛在连接通过对物理世界状态的实时采集、传输，以及信息世界控制指令的实时反馈下达，提供无处不在的优化决策和智能服务。64（4）虚实映射以物理实体建模产生的静态模型为基础，通过实时数据采集、数据集成和监控，动态跟踪物理实体的工作状态和工作进展，将物理空间中的物理实体在信息空间进行全要素重建，形成具有感知、分析、决策、执行能力的数字孪生。借助信息空间对数据综合分析处理的能力，形成对外部复杂环境变化的有效决策，并通过以虚控实的方式作用到物理实体。65（5）异构集成在高层次的CPS，如SoS级CPS中，往往会存在大量不同类型的硬件、软件、数据、网络。CPS能够将这些异构硬件、异构软件、异构数据及异构网络集成起来，实现数据在信息空间与物理空间不同环节的自动流动，实现信息技术与工业技术的深度融合，因此，CPS必定是一个对多方异构环节集成的综合体。66（6）系统自治CPS能够根据感知到的环境变化信息，在信息空间进行处理分析，自适应的对外部变化做出有效响应。在更高层级的CPS中多个CPS之间通过网络平台互联实现CPS之间的自组织。多个单元级CPS统一调度，编组协作，在生产与设备运行、原材料配送、订单变化之间的自组织、自配置、自优化，实现生产运行效率的提升，订单需求的快速响应等；多个系统级CPS通过统一的智能服务平台连接在一起，在企业级层面实现生产运营能力调配，企业经营高效管理、供应链变化响应等更大范围的系统自治。8.3.2信息物流系统的体系架构67单元级系统级SOS级681.单元级的体系架构通过软件对物理实体及环境进行状态感知、计算分析，并最终控制到物理实体，构建最基本的数据自动流动的闭环，形成物理世界和信息世界的融合交互。692.系统级的体系架构系统级CPS基于多个单元级CPS的状态感知、信息交互、实时分析，实现了局部制造资源的自组织、自配置、自决策、自优化。703.SoS级的体系架构SoS级CPS主要实现数据的汇聚，从而对内进行资产的优化和