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)是國家綜合實力的象征，是全球化競爭中賴以生存的資本和保障。據(jù)IDC預測，2019年，IoT行業(yè)中，邊緣基礎設施將成為市場主流，多用于單個部門的業(yè)務板塊中。2020年，數(shù)字孿生、IoT平臺、資產(chǎn)管理和物聯(lián)網(wǎng)安全將成為市場主流，其中數(shù)字孿生、IoT平臺多應用于多部門協(xié)作的業(yè)務板塊當中，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)服務將成為市場主流，其中5G、物聯(lián)網(wǎng)支出管理適用于單個部門的業(yè)務板塊，物聯(lián)網(wǎng)服務、物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析適用于多個部門協(xié)作的業(yè)務板塊，區(qū)塊鏈則用于整個公司的戰(zhàn)略層面。

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領域，現(xiàn)在平臺現(xiàn)狀如下。2016年，西門子推出Mindsphere平臺。2017年2月，發(fā)源于三一重工的樹根互聯(lián)在中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)峰會上正式發(fā)布根云平臺。2017年3月，GE宣布與中國電信達成協(xié)議，將實現(xiàn)Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺在中國的落地。2017年4月海爾發(fā)布了COSMO PLAT工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。航天云網(wǎng)受到各界廣泛關注，各類物聯(lián)網(wǎng)平臺也十分活躍，如機智云、艾拉網(wǎng)絡等。BAT（百度、阿里巴巴、騰訊）也在拓展物聯(lián)網(wǎng)云服務。中國移動早在2014年就推出開放的物聯(lián)網(wǎng)平臺OneNET。PTC的ThingWorx已成為業(yè)界廣泛關注的物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)平臺。2017年3月，SAP在中國發(fā)布了Leonardo物聯(lián)網(wǎng)套件。中國工業(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。第一，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點接入，包括智能感知、互連、精準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，造成接入標準不統(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。對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)來說，我們要管理的節(jié)點非常多?，F(xiàn)在IPv4的地址已經(jīng)耗盡，為了給更多的節(jié)點以標志，我們使用IPv6。如果把工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的每一個節(jié)點都用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。我們在物聯(lián)網(wǎng)智能采集的節(jié)點上，往往使用能耗相對比較低，但變量存儲、計算能力也相對比較低，能效要求嚴苛，需要更高的安全需求。這些特點使我們在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的研究中，要有一些新的研究領域來解決這些問題。比如說,在智能電網(wǎng)、智能交通、工業(yè)自動化、石油化工等領域，每一個領域都會有自己不同的設備和不同的固件。這些設備之間不能互通，各個行業(yè)之間不能互通。如果從監(jiān)管的角度來講，就需要進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)標準有這三個（如下圖）。

對三個協(xié)議進行比較后，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)點訪問如何提高能效和適應性；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)議標準共存以及互聯(lián)互通的問題。

針對這四個問題，我們進行了一些研究，解決思路如下。對于尋址訪問，運用海量小文件存儲思想，構(gòu)建“扁平化”的尋址體系，提高訪問效率與監(jiān)管便捷性。對于能效，采用多重壽命標準，評價其普適性、可靠性與網(wǎng)絡能耗的多目標優(yōu)化之間的關系，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)建更加嚴格的多級訪問權(quán)限控制，引入嚴格的身份認證與加密機制。在多種協(xié)議的互通中，引入?yún)f(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關，嵌入身份語義的編址與地址分配機制，參與提交CCSA標準協(xié)議草案。最后，我們形成一個驗證的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，擁有“真實節(jié)點+路由器+高性能尋址服務器”，通過高精度功率監(jiān)測統(tǒng)計能耗，通過“安全分析+大規(guī)模性能測試”進行驗證。

我們從四個方面進行研究：一是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一資源尋址定位技術；二是嵌入身份語義的工業(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。

研究內(nèi)容一：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一資源定位技術架構(gòu)。我們現(xiàn)在借鑒分布式存儲系統(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)，最終實現(xiàn)統(tǒng)一的定位。

研究內(nèi)容二：嵌入身份語義的編址及分配方法。我們通過嵌入身份語義的編址形式，對每一個物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點按照IPv6的地址格式進行編碼；在編碼過程中，兼顧傳統(tǒng)的信息采集節(jié)點短地址的特征，加上我們把它接入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)IPv6的地址形式對外，把身份語義嵌入每一個編碼地址中。在嵌入身份語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；（2）身份標識分級，可支持資源尋址聚類，有效降低尋址復雜度；（3）具有可壓縮特征，適用于帶寬資源受限的有損網(wǎng)絡和組播業(yè)務；（4）地址分配由網(wǎng)關自動完成，人工配置工作量較低。基于這樣的原則，我們把身份語義切入每一個節(jié)點的配置地址中，通過每一個節(jié)點的地址訪問，就可以識別出這個節(jié)點是在什么樣的生產(chǎn)線上，是哪一類傳感器，再進一步我們可以定位到是哪一個工廠。

研究內(nèi)容三：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)高能效資源訪問方法。工業(yè)的無線傳輸有一個重要的不足，那就是每一個節(jié)點的能量是有限的。它不像有線節(jié)點那樣每個節(jié)點都有專門的供電方法。有些節(jié)點附近我們不方便連接有線電源，供電往往靠單個節(jié)點上自帶的電池，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)點的能量最先耗盡，就會造成這個節(jié)點的“死亡”，導致全網(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節(jié)點的壽命，適度地通過休眠算法，通過簇頭能量均衡調(diào)度，實現(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；二是怎么進行節(jié)能路由及其調(diào)度。但是，不同的應用場景也許對于能量空洞的避免和節(jié)能路由的使用是不一樣的，我們在研究過程中引入了一種算法提高它的資源訪問效率，通過一個約束條件，看你是更關心生命周期長還是更關心第一個節(jié)點死亡時間短，不同的需求有不同的方法來調(diào)整，使得整個高效資源訪問更好地進行。

研究內(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服務。比如說，用戶使用尋址服務的時候，通過注冊用戶服務器來管理我們的合法用戶。在資源訪問節(jié)點這一部分，通過資源服務器管理這些節(jié)點，每一個節(jié)點的數(shù)據(jù)實際上要通過我們的安全網(wǎng)關再進入到資源服務器中，在安全網(wǎng)關和資源服務器之間增加安全連接，通過這兩級保障使得服務器中的數(shù)據(jù)相對來說更加安全。也就是說，用戶使用尋址服務進行資源訪問的時候，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)基礎上傳輸鏈路是安全的，第三是訪問的人是經(jīng)過注冊和認證的是安全的。這樣的話，我們盡力保障訪問安全。

最終，我們形成一個多協(xié)議融合網(wǎng)關的原型。

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