四、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究

物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)迅速發(fā)展。制造業(yè)是國(guó)家綜合實(shí)力的象征，是全球化競(jìng)爭(zhēng)中賴以生存的資本和保障。據(jù)IDC預(yù)測(cè)，2019年，IoT行業(yè)中，邊緣基礎(chǔ)設(shè)施將成為市場(chǎng)主流，多用于單個(gè)部門的業(yè)務(wù)板塊中。2020年，數(shù)字孿生、IoT平臺(tái)、資產(chǎn)管理和物聯(lián)網(wǎng)安全將成為市場(chǎng)主流，其中數(shù)字孿生、IoT平臺(tái)多應(yīng)用于多部門協(xié)作的業(yè)務(wù)板塊當(dāng)中，資產(chǎn)管理和安全將用于全公司戰(zhàn)略層面考慮。2021年前后，5G、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析、物聯(lián)網(wǎng)支出管理、區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)將成為市場(chǎng)主流，其中5G、物聯(lián)網(wǎng)支出管理適用于單個(gè)部門的業(yè)務(wù)板塊，物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析適用于多個(gè)部門協(xié)作的業(yè)務(wù)板塊，區(qū)塊鏈則用于整個(gè)公司的戰(zhàn)略層面。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，現(xiàn)在平臺(tái)現(xiàn)狀如下。2016年，西門子推出Mindsphere平臺(tái)。2017年2月，發(fā)源于三一重工的樹根互聯(lián)在中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)峰會(huì)上正式發(fā)布根云平臺(tái)。2017年3月，GE宣布與中國(guó)電信達(dá)成協(xié)議，將實(shí)現(xiàn)Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在中國(guó)的落地。2017年4月海爾發(fā)布了COSMO PLAT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。航天云網(wǎng)受到各界廣泛關(guān)注，各類物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)也十分活躍，如機(jī)智云、艾拉網(wǎng)絡(luò)等。BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）也在拓展物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)。中國(guó)移動(dòng)早在2014年就推出開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)OneNET。PTC的ThingWorx已成為業(yè)界廣泛關(guān)注的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用開發(fā)平臺(tái)。2017年3月，SAP在中國(guó)發(fā)布了Leonardo物聯(lián)網(wǎng)套件。中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的熱潮，由此可見一斑！

從研究層面來講，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有這些難點(diǎn)。第一，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)接入，包括智能感知、互連、精準(zhǔn)控制等都是由大公司牽頭來做的。所以，不同的公司推出各自的產(chǎn)品，造成接入標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，難以互聯(lián)互通。第二，海量資源尋址訪問難度大、監(jiān)管要求高。對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來說，我們要管理的節(jié)點(diǎn)非常多。現(xiàn)在IPv4的地址已經(jīng)耗盡，為了給更多的節(jié)點(diǎn)以標(biāo)志，我們使用IPv6。如果把工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都用IPv6來編制的話，數(shù)量是非常大的，監(jiān)管要求高。第三，能效問題。我們?cè)谖锫?lián)網(wǎng)智能采集的節(jié)點(diǎn)上，往往使用能耗相對(duì)比較低，但變量存儲(chǔ)、計(jì)算能力也相對(duì)比較低，能效要求嚴(yán)苛，需要更高的安全需求。這些特點(diǎn)使我們?cè)诠I(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究中，要有一些新的研究領(lǐng)域來解決這些問題。比如說,在智能電網(wǎng)、智能交通、工業(yè)自動(dòng)化、石油化工等領(lǐng)域，每一個(gè)領(lǐng)域都會(huì)有自己不同的設(shè)備和不同的固件。這些設(shè)備之間不能互通，各個(gè)行業(yè)之間不能互通。如果從監(jiān)管的角度來講，就需要進(jìn)一步研究怎么來做到統(tǒng)一。

我們比較一下現(xiàn)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)形成的傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)有這三個(gè)（如下圖）。

對(duì)三個(gè)協(xié)議進(jìn)行比較后，我們從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的角度來看，存在這樣幾個(gè)問題：一是尋址體系結(jié)構(gòu)效率較低且不利于監(jiān)管；二是節(jié)點(diǎn)訪問如何提高能效和適應(yīng)性；三是怎樣處理訪問便捷性與安全性的矛盾；四是怎樣解決多種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)共存以及互聯(lián)互通的問題。

針對(duì)這四個(gè)問題，我們進(jìn)行了一些研究，解決思路如下。對(duì)于尋址訪問，運(yùn)用海量小文件存儲(chǔ)思想，構(gòu)建“扁平化”的尋址體系，提高訪問效率與監(jiān)管便捷性。對(duì)于能效，采用多重壽命標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)其普適性、可靠性與網(wǎng)絡(luò)能耗的多目標(biāo)優(yōu)化之間的關(guān)系，利用凸優(yōu)化變換與快速迭代算法來解決能效方面的問題。在安全方面，構(gòu)建更加嚴(yán)格的多級(jí)訪問權(quán)限控制，引入嚴(yán)格的身份認(rèn)證與加密機(jī)制。在多種協(xié)議的互通中，引入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，嵌入身份語(yǔ)義的編址與地址分配機(jī)制，參與提交CCSA標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議草案。最后，我們形成一個(gè)驗(yàn)證的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，擁有“真實(shí)節(jié)點(diǎn)+路由器+高性能尋址服務(wù)器”，通過高精度功率監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)能耗，通過“安全分析+大規(guī)模性能測(cè)試”進(jìn)行驗(yàn)證。

我們從四個(gè)方面進(jìn)行研究：一是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一資源尋址定位技術(shù)；二是嵌入身份語(yǔ)義的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)編址及分配；三是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的資源便捷和安全訪問；四是基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的高效資源訪問。

研究?jī)?nèi)容一：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一資源定位技術(shù)架構(gòu)。我們現(xiàn)在借鑒分布式存儲(chǔ)系統(tǒng)的思想，構(gòu)建扁平化的體系結(jié)構(gòu)，減少尋址過程的跳轉(zhuǎn)次數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的定位。

研究?jī)?nèi)容二：嵌入身份語(yǔ)義的編址及分配方法。我們通過嵌入身份語(yǔ)義的編址形式，對(duì)每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)按照IPv6的地址格式進(jìn)行編碼；在編碼過程中，兼顧傳統(tǒng)的信息采集節(jié)點(diǎn)短地址的特征，加上我們把它接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IPv6的地址形式對(duì)外，把身份語(yǔ)義嵌入每一個(gè)編碼地址中。在嵌入身份語(yǔ)義的編址和分配方法中，我們遵循這樣的原則：（1）局域網(wǎng)內(nèi)用16位短地址通信避免帶寬浪費(fèi)；（2）身份標(biāo)識(shí)分級(jí)，可支持資源尋址聚類，有效降低尋址復(fù)雜度；（3）具有可壓縮特征，適用于帶寬資源受限的有損網(wǎng)絡(luò)和組播業(yè)務(wù)；（4）地址分配由網(wǎng)關(guān)自動(dòng)完成，人工配置工作量較低?；谶@樣的原則，我們把身份語(yǔ)義切入每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的配置地址中，通過每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的地址訪問，就可以識(shí)別出這個(gè)節(jié)點(diǎn)是在什么樣的生產(chǎn)線上，是哪一類傳感器，再進(jìn)一步我們可以定位到是哪一個(gè)工廠。

研究?jī)?nèi)容三：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高能效資源訪問方法。工業(yè)的無線傳輸有一個(gè)重要的不足，那就是每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量是有限的。它不像有線節(jié)點(diǎn)那樣每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有專門的供電方法。有些節(jié)點(diǎn)附近我們不方便連接有線電源，供電往往靠單個(gè)節(jié)點(diǎn)上自帶的電池，很受電池壽命的影響。所以，基于密度控制的數(shù)據(jù)傳輸，由于數(shù)據(jù)收發(fā)節(jié)點(diǎn)的能量最先耗盡，就會(huì)造成這個(gè)節(jié)點(diǎn)的“死亡”，導(dǎo)致全網(wǎng)生命周期縮短。因此，方法之一就是要盡量避免能量空洞。第二種方法是通過路由算法來提高每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的壽命，適度地通過休眠算法，通過簇頭能量均衡調(diào)度，實(shí)現(xiàn)了剩余能量的流量分配。所以，基本上我們采用傳統(tǒng)的方法就是以上兩種：一是怎樣避免能量空洞；二是怎么進(jìn)行節(jié)能路由及其調(diào)度。但是，不同的應(yīng)用場(chǎng)景也許對(duì)于能量空洞的避免和節(jié)能路由的使用是不一樣的，我們?cè)谘芯窟^程中引入了一種算法提高它的資源訪問效率，通過一個(gè)約束條件，看你是更關(guān)心生命周期長(zhǎng)還是更關(guān)心第一個(gè)節(jié)點(diǎn)死亡時(shí)間短，不同的需求有不同的方法來調(diào)整，使得整個(gè)高效資源訪問更好地進(jìn)行。

研究?jī)?nèi)容四：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的資源訪問安全。主要研究統(tǒng)一資源細(xì)粒度安全訪問方法，為政府、企業(yè)、客戶等各類用戶提供定制化的資源分級(jí)服務(wù)。比如說，用戶使用尋址服務(wù)的時(shí)候，通過注冊(cè)用戶服務(wù)器來管理我們的合法用戶。在資源訪問節(jié)點(diǎn)這一部分，通過資源服務(wù)器管理這些節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)際上要通過我們的安全網(wǎng)關(guān)再進(jìn)入到資源服務(wù)器中，在安全網(wǎng)關(guān)和資源服務(wù)器之間增加安全連接，通過這兩級(jí)保障使得服務(wù)器中的數(shù)據(jù)相對(duì)來說更加安全。也就是說，用戶使用尋址服務(wù)進(jìn)行資源訪問的時(shí)候，第一是采集數(shù)據(jù)是安全的，第二是在采集安全數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上傳輸鏈路是安全的，第三是訪問的人是經(jīng)過注冊(cè)和認(rèn)證的是安全的。這樣的話，我們盡力保障訪問安全。

最終，我們形成一個(gè)多協(xié)議融合網(wǎng)關(guān)的原型。

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