1.1     工業物聯網

物聯網概念的出現的時間並不長，在其不長的歷史中給很多人造成了概念上的困惑。而這些困惑的來源，正是來自於人們難以分辨新興的物聯網概念和由來已久的工業領域的資料採集系統、SCADA等系統之間的差異到低在哪裡。的確，無論從概念還是技術架構上而言，這些傳統的工業資訊化系統都符合物聯網的範疇。或者我們可以說，物聯網的思想萌芽恰恰是來自傳統的工業資訊化系統。其中最明顯的例子就是所謂“智慧電網”。電網的排程傳統上就是電網SCADA的功能，而在物聯網的理念深入的同時，傳統的電網SCADA也產生了一些有益的變化，比如其完善的基於資料模型的技術架構和標準的通訊協議。雖然公認的物聯網概念的似乎是誕生於物流領域，即RFID技術，但是隨著物聯網理念的推廣，公認的流行技術架構也明顯開始借鑑傳統的工業控制系統。而隨著眾多原本提供工業控制系統與產品的企業開始聲稱自己已經轉型為工業物聯網或者“智慧工業”的解決方案的提供商，工業物聯網和工業控制系統的界限已經逐步消失。

那麼問題來了，既然如此，是不是說我們就沒有必要再提出這個“工業物聯網”的概念了呢？

首先，工業控制系統雖然可以視為工業物聯網的型別之一，但其仍然具有自身的特點。

這類傳統控制系統普遍注重資料的實時性，這主要是因為這類系統一般都出現在資料所代表的工況必須儘快處理的場景。但是隨著工業資訊化的發展，人們逐漸發現存在著更多的不需要那麼強的實時性的場景。或者說，更多的工業物聯網應用只要求資料有及時性，只要資料到達用於處理資料的計算單元時間足以使這些計算單元有足夠的時間來處理即可。這種從實時性到及時性的改變，擴大了工業資訊化的應用範圍，還對系統的技術方案也帶來了很大的變化。當然，我們仍然可以把實時的系統看做及時系統的一個極限情況。也顯然，我們並不能說物聯網系統就不會強調實時性，在某些應用中，比如有害氣體報警、災害處置等情況下，實時性仍然是致命地關鍵的。

傳統工業控制系統還有一個特點是，一般而言事務流程相對簡潔明瞭，雖然可能在幾種工況之間切換，但是總得來說靈活性不高，也相對固定。而新型的物聯網業務模式中，有一些基於資料分析的業務的，其業務流程具有一定的靈活性，或者說模糊性。比如根據採集到的資料傳送定向廣告，其選擇的演算法可能是不斷進化的，帶有一定的隨機性和模糊性。此外，高階物聯網應用的頂層業務流程隨企業或企業間的關係不斷變化，其穩定性也較差。

其次，相比傳統工業系統，工業物聯網使很多新興商業模式成為可能。

傳統的工業資訊化系統一般都是區域網模式。雖然這種網路鎖覆蓋的地理面積可能也相當的大，比如“智慧電網”，但是這仍然改變不了這些應用是區域網應用的事實。究其原因，主要是此類應用一般都是執行在一個區域網或者虛擬區域網的環境中。但是當智慧電網延伸到終端的時候，比如一些用電戶同時利用自身新能源裝置向電網賣電的情況，基於物聯網的結算體系就對這一新型能源供給和消費模式的清算提供了可能。此外，由於新興的工業物聯網應用中出現一些跨越法人邊界的、連線多種產業角色平臺的屬性。傳統的工業控制系統的定義已經顯然不在合適。一個很好的例子就是機床廠家為了完善自己的售後服務所安裝的機床聯網系統，可以讓機床廠在自己的辦公室中就能瞭解在客戶處的機床裝置的情況。一些物聯網系統其資料層以下甚至就是傳統的SCADA系統，但是因為其上層應用的創新性，我們已經不能再將其與傳統的SCADA混為一談了，原因就在設計系統的視角已經改變。

再次，物聯網的發展，的確催生了很多超越傳統控制系統的技術和產品

主要體現在一些新型的感測器和傳輸網路技術上。為了經濟、準確地採集更多的資料，對感測器技術提出了更多的要求。而低功耗、自組織、高安全性的無線通訊網路技術也是方興未艾。在上層的資料和業務流程處理上，也不斷產生了各種有別於傳統實時資料庫的平臺級產品。一些傳統工業裝置為了支援聯網，也出現了明顯的大面積地採納智慧化設計的趨勢，即裝置遠端支援聯網。

但是，一般不主張將過程控制系統（PCS）稱為物聯網系統。此類系統一般採取PLC、DCS或者專用控制器實現，一般針對的是一個機群內部的高速、實時的系統。這類系統一般對系統的實時性的要求更高、業務更單純。

另一方面，類似MES之類的原本歸屬不甚明確的工業資訊化系統，目前普遍被歸為工業物聯網系統，甚至在部署形式上，會出現公有云部署方式。

1.2     基本架構

圖1-1 工業物聯網基本架構

         圖1-1可以簡明扼要地描述常見的物聯網系統，當然也包括工業物聯網的技術架構的示意圖。其中：

感知層與傳輸層

         也就是一般所謂的可以產生資料的裝置。可以簡要分為幾類：普通裝置、感測器和執行器，以及智慧裝置和傳統的過程控制系統。對於自身缺乏網路傳輸能力的裝置，也就是說，一般需要先將資料以某種相對傳統的電氣和協議方式傳給一個傳輸層裝置，即工業閘道器，由工業閘道器來幫助實現訊號和協議的轉換，從而實現聯網。而智慧裝置，實際上可以理解為內建了工業閘道器的裝置，其自身天生就具有聯網能力。傳統的控制系統一方面控制了一個裝置群，另一方面也可以作為整個裝置群的“網路代言人”存在，以接入更大的工業物聯網系統。

         這裡面有一個概念需要澄清，即感測網。感測網主要負責從傳統裝置、感測器和執行器到工業閘道器之間的通訊。這是因為，在工業現場，經常因為低功耗要求、部署難度和成本等原因，是無法直接採用網路層的那些技術的。為此，工業領域和民用領域都催生了很多新型網路技術。因為主要是為了一個裝置叢集或者一個相對較小的範圍內的資料，這些通訊技術普遍因為傳輸距離較短而稱為近場通訊技術。但是這裡所謂的較短，更多是相對的意義，也就是和同一個系統中的用於連線服務端的網路層跨越的距離相比，並不時說絕對距離就很短。比如，對於一個車間的生產管理系統，整個系統覆蓋的面積也就只有近百米見方；而一個油氣管道SCADA覆蓋了上千公里的距離，而其中的資料採集節點之間的近場通訊網路的傳輸距離也有近千米的距離。

         感測層和傳輸層也經常合稱為裝置端，這種稱謂更多用在從整個系統的角度來討論作作為資料來源的智慧裝置和工業閘道器的時候。

網路層

         我們可以列舉的出的各類聯網訊號和協議型別，包括有線和無線區域網，3G/4G/5G等行動通訊網，以及NB-IOT等專門為物聯網開發的技術。

資料層和業務層

         這兩個層次一開始並沒有明顯區分，但是隨著人們漸漸發現不斷變化的業務邏輯和相對穩定的資料之間的差異後，越來越多的平臺將二者明顯區分開來，甚至有些物聯網服務商所提供的服務，主要就集中在資料層，而不直接提供業務邏輯，而是希望更多的整合商或者業務服務商借助其資料平臺提供業務邏輯。

         這兩個層次一般都部署在伺服器上，甚至是同一個物理伺服器上，所以也經常被合稱為服務端。

客戶端

         也就是物聯網的使用者用來獲取物聯網系統提供的服務的裝置或應用。常見的如一些手機、個人電腦上執行的可以接受物聯網服務端資料的應用，或者在很多B/S架構下，就是瀏覽器。當然，有些時候，服務端是通過直接傳遞資料給裝置端提供服務的，而這種情況下，所謂客戶端並不包括已經定義為裝置端的裝置。

1.3     資料

工業物聯網的內傳輸的資料，最大的特點是普遍會帶有時間戳。

時序資料

是帶有時間戳的連續資料，傳遞的方向是從裝置端到服務端。時序資料一般用來表徵裝置的狀態引數，通常是按照一定的取樣頻率聯絡傳送的。時序資料的獲取方式可能是裝置向閘道器主動推送，也可能是閘道器向裝置端按照一定的頻率查詢。

事件資料

也帶有時間戳，但是因為是表徵的是不規則發生的或者條件出發的事件，所以並不是連續傳送的。一般用來表徵告警、狀態的切換等事件。正是因為事件資料發生的不可預見性，事件資料通常採用裝置端主動向閘道器推送的方式為好；如果也採用閘道器向裝置查詢的方式，就要充分評估查詢頻率對裝置事件資料的傳遞產生的時間延遲，以及這種延遲可能帶來的不利影響。

指令資料

指令資料傳遞的方向是從服務端向裝置端。指令資料可能帶也可能不帶時間戳，主要看物聯網系統自身業務對時間的敏感性來設計。比如，如果系統業務流程需要裝置端忽略發出過早釋出的指令而採取最新的指令，指令資料帶有時間戳就有了必然的意義。如果帶時間戳，指令資料的表達格式一般和時序資料很像，但是通常不是連續傳送的。

檔案資料

檔案資料的傳遞方向是雙向的，從裝置端向服務端或者相反方向都有可能。比如在機床群控系統中，伺服器可以向機床數控系統下發工藝程式檔案，也可以從數控系統中獲得被操作員在機床側修改過的最新版本的工藝程式檔案，或者數控系統的執行日誌等檔案。

         不同型別的資料不僅自身的基本組成不同，在物聯網系統的各個層面上，也會因為採用電氣訊號、通訊協議、傳送機制的不同而有不同的變體，這在我們未來的章節中會逐漸講解。

1.4     小結

本章我們可以看到：

1、所謂工業物聯網，可以看做原本的工業控制和工業資訊化系統的延伸和概念的擴張，隨之帶來的也有一些專有技術、產品和商業模式的產生。

         2、典型的工業物聯網架構可以分為感測層、傳輸層、網路層、資料層和業務層。其中感測層和傳輸層常被稱為裝置端，資料層和業務層常被稱為服務端。