工业设计与物联网

工业设计与物联网的发展

工业设计技术是物联网的关键组成部分

物联网作为一种新的网络形式，相关理论研究和实践应用正在探索过程中。本文介绍了物联网的概念，给出了基于智能物体层、数据传输层、信息关联层、应用服务层的物联网四层体系架构，最后探讨了物联网在实现过程中所面临的问题和挑战。

一、概念

物联网（Internet of Things）这个概念最早由麻省理工的Auto-ID中心在1999年提出，其基本想法是将RFID和其他传感器相互连接，形成RFID架构的分布式网络。

欧洲委员会[1]提出“物联网是未来因特网的综合部分之一，可以被定义为一个动态的全球网络基础。基于标准的和互操作的通信协议，无论物理的还是虚拟的“物”均有身份、物理属性和虚拟特质，具备自配置能力且使用智能接口，可以无缝地集成到信息网络中去。”

本文认为，物联网实质上是将真实世界映射到虚拟世界的过程：真实世界中的事物，通过传感器采集一定的数据，在虚拟世界中形成与之对应的事物。“相关物体可能在虚拟电子空间中被创造出来，源于物理物体空间，且与物理空间的物体有关联。”[2]传感器采集到数据的详细程度，将影响到该事物在虚拟世界中的抽象程度。在虚拟世界中，对该事物最简单也最重要的描述是物体提供了一个ID 用于识别（如使用RFID标签），最详细的描述则是真实世界中该事物的所有属性和状态均可在虚拟世界中被观察到。进一步的，在虚拟世界中对该物体做出控制，则可通过物联网改变真实世界中该物体的状态。对于一个真实的事物，其所需的各种应用与操作，只需在虚拟世界中对与之对应的虚拟事物进行应用和操作，即达到目的。

这样将会对世界带来巨大的改变：实地实时监测和控制一个事物的成本是高昂的，通过物联网，所有事物都将在虚拟世界中被找到，以较低的成本被监测和控制，从而实现4A（anytime, any place, anyone, anything）[3]连接。虚拟世界提供了对所有事物的实时追踪的可能，所有的信息都不是孤立的，这将为各种海量运算和分析提供了最基础和最重要的信息源。真实世界存在于某一时刻，而当物联网发展到能将真实世界中的所有事物都映射到虚拟世界中时，无数个某一时刻的世界汇集起来，在虚拟世界中将形成一个可以追溯的历史，如同过去以纸质保存历史事件的发生，将来将以电子数据对所有事物进行全息描述的形式存储世界的历史。

二、体系架构

目前, 物联网还没有一个广泛认同的体系结构，最具代表性的物联网架构是欧美支持的EPCglobal和日本的UID物联网系统。EPC系统由EPC 编码体系、射频识别系统和信息网络系统3 部分组成。UID 技术体系架构由泛在识别码

(uCode)、泛在通信器、信息系统服务器、和ucode 解析服务器等4部分构成。EPCglobal 和UID上只是RFID 标准化的团体，离全面的“物联网”体系架构相去甚远。

美国的IBM公司在2008年提出“智慧的地球”这一与物联网概念相近的概念，并提出通过INSTRUMENTED，INTERCONNECTED和INTELLIGENT这三个层面来实现智慧地球。在文献基础上，本文提出了物联网体系架构。

1、智能物体层：通过传感器捕获和测量物体相关数据，实现对物理世界的感知。同时具备局部的互动性，需要一定的存储和计算能力。

2、数据传输层：以有线或无线的方式实现无缝、透明、安全的接入，提供并实施编码、认知、鉴权、计费等管理。

3、信息关联层：通过云计算实施对海量数据的存储和管理、数据处理与融合，屏蔽其异质性与复杂性，形成一个与真实世界对应的虚拟世界。

4、应用服务层：从虚拟世界中提取信息，提供丰富的面向服务的应用。如智能交通、智能电网、智能医疗等等。

需要指出的是，数据由底部的传感器通过网络到达应用服务层面，而实际上，在服务应用层面，各个中心、用户可以反向的通过网络由执行器对物体进行控制。

在该体系结构中，感知层面的各种传感器、执行器都是具体的，随着技术的发展会不断升级，新设备不断引入物联网。而服务应用层的各种需求也是不断提出的，并不是一层不变的。若是每个具体的服务应用和传感设备都形成一个独立的网络，最后可能形成许多套特殊的网络，这不利于推广和不便于维护。因此这需要物联网的网络层有一定前瞻性，物体设备层可以变化，服务应用层可以变化，但它们都是通过一个普适的网络进行连接，这个网络可以在一定的时间内保持稳定。

三、面临的挑战

1、统一标准

物联网其实就是利用物体上的传感器和嵌入式芯片，将物质的信息传递出去或接收进来，通过传感网络实现本地处理，并联入到互联网中去。由于涉及到不同的传感网络之间的信息解读，所以必需有一套统一的技术协议与标准，而且主要是集中在互联上，而不是传感器本身的技术协议。现在很多所谓的物联网标准，实际上还是将物联网作为一种独立的工业网络来看待的具体技术标准，而应对互联需要的技术协议，才是真正实现物联网的关键。

2、安全、隐私

在物联网中所有“事物”都连接到全球网络，彼此间相互通信，这也带来了新的安全和隐私问题，例如可信度，认证，以及事物所感知或交换到的数据的融合。人和事物的隐私应该得到有效保障，以防止未授权的识别和攻击。安全与隐私这个

问题，是人类社会的问题，不论是物联网还是其他技术，都是面临这两个问题。因此，不仅要从物联网内部的技术上做出一定的控制，而且要从外部的法规环境上作出一定的司法解释和制度完善。

备受关注的新一代信息技术产业发展“十二五”规划已完稿，物联网“十二五”规划作为其中的重要组成部分备受关注。工信部科技司有关人士告诉中国证券报记者，物联网“十二五”规划正进入专家论证阶段，预计9月份召开部长办公会，最快将于当月出台。

伴随物联网“十二五”规划的制定，工信部还起草了我国促进物联网产业发展的指导意见，该意见目前已上报国务院。此外，无锡传感网示范区规划也已上报国务院。

产业规模或超5000亿元

目前，我国已形成基本齐全的物联网产业体系，部分领域已形成一定市场规模。“有专家预计，‘十二五’期间物联网产业将形成万亿规模，不过目前这一论断尚存争议。”据知情人士透露，根据早期编写的物联网“十二五”规划，预计到2015年将形成具有核心技术的产业规模达2000亿元，其中传感器100亿元，系统和试验检测700亿元，芯片、中间件和集成模块及设备产业600亿元，工程实施、服务开发系统和运维600亿元。

工信部电信研究院在今年5月发布的物联网白皮书中预计，“十二五”期末我国物联网相关产业规模将达到5000多亿的规模，形成万亿级规模的时间节点预计在“十三五”后期。据悉，工信部电信研究院也是物联网“十二五”规划编制组成员单位之一。

我国“十二五”规划纲要明确指出，要“推动物联网关键技术研发和在重点领域的应用示范”。上述人士介绍，物联网“十二五”规划将锁定十大物联网应用重点领域，分别是智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业与自动化控制、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业、国防军事；建成50个面向物联网应用的示范工程，5到10个示范城市。据悉，无锡传感网示范区规划现已上报国务院。

据了解，物联网“十二五”规划还将对上述十个领域给出针对性的专项规划。物联网“十二五”规划课题组成员张宏科公开表示，智能交通细分专项的重点发展方向是，通过智能芯片和称重传感器监测轨道交通、航运交通和公路交通的实时运行情况，然后通过数据处理对交通工具的速度、故障、位置以及整体交通拥堵情况进行检测，并针对不同情况及时给出解决方案。据悉，目前智能交通每年以超过1000亿元的市场规模快速增长，有关专家预计，到2015年仅交通运输管理就将达400亿元。

多渠道资金扶持

日前，2011年物联网发展专项资金已下发，近百家物联网企业获得资金支持，这也是物联网产业发展以来，国家首次设立的专项基金。该物联网专项基金重点支持技术研发类、产业化类、应用示范与推广类、标准研制与公共服务类四大项目。

据了解，物联网专项基金总计50亿元，贯穿于“十二五”期间，预计5年内发放完毕。首批5亿元物联网专项基金申报工作已在今年5月启动，共有600多家企业申报，最终工信部筛选出近100家符合条件的企业，发放了首批专项基金。

财政部企业司有关负责人表示，“十二五”期间，中央财政将根据我国物联网发展规划及其产业发展状况，进一步健全支持物联网发展的财政政策体系，加强与产业政策、科技政策的协调配合，充分发挥财政政策的引导和激励作用，积极吸引社会资本加大对物联网的投入，并积极鼓励和支持有条件的地方建立本地区支持物联网发展的财政政策。

另外，工信部部长苗圩日前在《求是》杂志撰文指出，将落实国家支持高新技术产业和战略性新兴产业发展的税收优惠政策，设立国家物联网发展专项资金，建立长效稳定的财政扶持机制，并表示将完善物联网发展的投融资政策，鼓励银行和风险投资及社会资金投向物联网产业，促进金融机构加大支持企业发展的力度，支持企业在境内外资本市场直接融资。

上海可鲁电气公司副总经理张坚表示，工业互联网技术是物联网的关键组成部分。

张坚表示，工业互联网的发展要解决三个问题。在工业领域设备的需求多种多样，但所有设备都要基于网络连接才能发挥功效，因此如何让上网就成了关键问题。其次工业互联网建立好后，另一个问题随之出现，就是如何解决安全上网的难题，这就要求合理利用一些公共资源来使工业网络有安全传输的保障。最后要解决的是如何上得起网的问题，现阶段工业设备如果上网成本代价很高，在中国普及推广是具有很大难度的。

针对工业互联网的特征，即嵌入式，互通和实时性、时间性的要求，就要适应其发展的智能化设备越来越多，并且尽量避免信息孤岛的出现，由此可见生产数据信息化的任重道远。

以下为演讲实录：

张坚：各位专家、各位来宾下午好。我是最后一个演讲嘉宾，在这里，首先谈谈我的感想，因为看到“感知中国”。昨天我正好也在上海参加了世博会组织的“如何在世博会的未来馆里面展现中国的人性的东西，就谈到了物联网，今天离世博开会还有133天倒计时。

物联网在所有的业务领域中间，我们其实也是非常关注，我今天也想借这个机会谈一谈我们从应用的角度出发，去看一看物联网，我们怎么去感受和实践，请各位专家多多指导，我们在这里也是代表我们林董，非常感谢电子学会创造了这么一个机会，让我们有机会聆听各位专家的指导。我这里先报个名，下次电子学会组织的话我们一定积极参加，对我们太有启发了，也是增加了我们这条路要继续走下去的原动力。

我这个题目看上去蛮怪的，就是“工业互联网”。实际上我们公司04年成立以后，一直在做怎样把工业设备通过工网互联网互联互通，做的是这件事情。当时也不知道用什么名称定义，我们也查了很多国外的资料，我们把它简单的看作是一个工业互联网。今天我们从实际应用的角度来谈一谈思考和实践，我们的起点是属于基础层的，所以各位专家包含。

我们想分三个标题来看，一个是怎么看待下一代互联网，这也是国家战略里面提到的，第二个想汇报一下我们在工业互联网技术方面的事件，第三方面是谈谈对于未来的期望。

首先，讲到物联网，我们想到的就是M2M，是从机器、人、移动、网域的。物联网需要解决的问题，刚才各位专家谈的非常深奥，对我们来说启发非常大，我们谈一谈工业智能设备联网需要解决的问题，一个是IP地址资源，张教授也提到了这个问题。第二个是不同的厂商如何进行互联互通，这里面实际到了很多协议层面的问题。第三个是工业智能设备组成的局域网，怎样以现有的工网、网域网整合起来，通过工网形成网域自动化的功能。第四个在工业设备的远程监控和远程维护，这是应用层面考虑的。

在今年2月18号，我们学习了国家关于产业振兴的规划，里面谈到了几个亮点，第一个讲到下一代的互联网应用，第二讲到未来服务模式的创新以及公共技术服务平台的建设。这对我们来讲也是一个很大的启发，因为我们也想做远程维护和远程监控，我们可以把它看成是一些在生产性流程企业里面的公共服务平台，所以也是增加了我们很多的信心。

我们再来看一下，下一代物联网怎么理解的，也许我们理解的很偏，但是我们在工作上也是基于这样的考虑。第一，下一代物联网的特质就是服务的互联网，上午的专家也谈到，未来除了服务互联网以外，还有增值的其他功能。另外也谈到了物联网，前面讲的工业互联网主要是聚焦在三个方面，一个是可扩展性，第二个是安全、第三个是智能化。

我们从这个角度回过头来看，工业互联网怎么定义它？一是依托公众网络连接专用网络。现在企业里面有很多局域网络，但是如果我们看一些石油的传输管线，包括铁路交通、电网，怎样把局域网通过公网连接起来。第二以生产自动化为基础，实现企业全面信息化，然后再变成工作互联网。

工业互联网的核心理念是交叉学科的组合，这是为什么很多企业在做这个工作，但是感觉很难，原因很简单，是涉及到信息安全、网络通信、自动化，是跨学科的。所以我们把它理解成工业互联网应该是三个学科的整合。

工业互联网的特征，一是嵌入式，特别是我们原来做的试点工程，二是互通和实时性。因为它在工业的控制里面要求反应是实时的，不可以像商业互联网有等待的时间，它有时间要求。三是经济性和便利性。

工业互联网应用的主要是工业自动化领域，我们看到这次世博的主题是“城市让世界更美好”，有一些定位，在工业里面还有在日常生活里面，我们这次是聚焦在工业自动化领域。还有一个特征就是局域网异构网的连接。

我们再看一下工业企业信息化现在的现状，一是现在智能化设备越来越多，二是在企业里边当部分的企业还是信息孤岛，三是生产数据信息化的任重道远，这个路子刚起步。

我们也看到了工业自动化的市场需求，一个是构建远程监护和远程维护系统，这在石油行业、电力行业和交通领域的需求是非常强劲的，包括很多国产化的过程。另外，由于涉及到管理模式的改革，在有一些行业里面什么和调度要分离。这样它的需求就会跑出来，需要建立这样一个平台。

另外，我们从资料上也看到下一代互联网是一个产业，规模将达到万亿级，这个从市场上返回的信息来看的话，也深有感受。

目标市场我们也是定义比较清楚的，主要是定义在企业信息化延伸到广义网里面去，或者通过广义网的平台进行自动化管理。所以它的重点就是把它做成公众互联网，所以今天听完各路专家给我们的指点，我们觉得工作互联网也是一个终极的要求目标。

接下来我想汇报一下我们现在在做什么事情。我们提出来工业互联网要解决三个问题，第一个问题是解决如何上网络问题。大家知道，在工业领域里面设备是五花八门的，像我们碰到的现场有西门子的、南瑞的，在石油行业里面有各种各样的，这些设备怎么上网。第二个是如何解决安全上网，因为我们讲到公网，利用一些公共资源。刚才张老师讲过了，公网的安全其实是很重要的研究课题。第三个是解决如何上得起网，因为大家知道，工业设备如果上网的话，成本代价如果很高的话，在中国普及推广难度是很高的。

围绕这些我们也做了很多研发，我们把自己定义为创新型中小企业，主要在研发这边做了很多工作。到目前为止大概有40左右的专利，解决刚才讲的三个问题。

我们看一下案例，第一个是在三年前开始进入陕京线，从陕西到北京的石油管路监控。我们承接了一期工程和二期工程，到现在为止已经营运。这里边也是解决了刚才讲的三个问题，在工业里面找一个落点，想去验证一下这个系统或者体系，在应用层面上反馈怎么样，如何改进、更新。从现在运营的结果来看，可以降低维护成本，因为它很多的石油管线站场是无人值守的，难度还是蛮大的。而且我们也是用了组合公网的结构，比如有移动的、有卫星的，还有宽带上网，我们主要的媒介传输还是用公网。

所以设备前端数据采集，然后通过处理、通过公网传输到后台，实施统一的监控和远程维护。第二个例子是电网上面，我们其实在三年前就在浙江电力做了试点，做嵌入式。到现在为止，它其实做到没有停运、没死机，这在电力行业里面要经过很严格的考验的，双机的方法来做，效果非常好，我们还参加了国家智能电网的试点项目，也想为国家智能电网添砖加瓦，我相信这块应该有很多技术和成果可以分享。

它在电力行业里面主要的核心就是工业网关，可以连接各种各样的信息交换，在不同层面上进行互联互通，我就不展开了，各位都是专家，我们只是从运营角度看一下。另外一个项目也是比较值得自豪的，七一一动力，在全国组建100多个新型能源的实时监控系统。这也是用到了我们前面讲的工业互联网的技术或者成果。

这里边有产品的，有技术专利，包括还有一些未来的想法，将来我们也是通过形成完整的应用系统，从目前来讲的话我们现在有两个应用系统，一个是远程监控维护的应用系统，第二个是分布式控制系统，来跟应用接轨。

从整个使用的效果来看，用户在几个方面是比较认可的，一个是高可靠性，一个是高性能，一个是安全性，还有一个是应用型，包括维护和扩展比较方便。然后形成了远程自动

化应用服务的系统，这也是用户的反馈。另外，我们构思了未来在这个领域往下进一步发展的产业价值的发挥，因为这毕竟要推广、应用，大家来分享这个成果。我们现在处在第一阶段和第二阶段的中间，所以我们接下来要在这个平台上做增值服务，同时要形成一个产、学、研的平台。

这是我们对未来的期望：

一是国家战略“两化融合”，这是我们的原动力，因为我们主要还是把技术和应用落地，跟企业的应用能够接轨，产生效应，帮助企业解决困难。

二是我们对工业互联网的发展有一个设想，是分成三个阶段来走的，初级阶段、中级阶段和成长阶段，包括最后的成熟阶段。初级阶段主要是解决方案、推广、应用帮企业解决问题，成长阶段是和相应的标准、行业、政府的参与、支持结合起来，我们国家大的行业石油、电力和交通，在这里面进行行业验证。同时我们现在也在参与行业的标准制定，我相信如果到这个阶段的话，我们觉得下一步的发展就会比较快。

三是成熟阶段，就是形成产业联盟，完成供应链和创新的商业模式。

我们选择行业试点是基于几个方面，一是从客户市场出发，因为我们还是按照市场需求来做，同时加上技术创新，形成解决方案然后落地，锁钉在目标市场。刚才听完张老师的产、学、研一体化，我觉得还要加两个字，前面加“政府”，后面加上“用”，就是“政、产、学、研、用”，我们一起来添砖加瓦，也希望各位专家能够帮助我们。

在“两化融合”方便，我们也想结合本地的资源开展。大家知道，在上海围绕“两化融合”有一个1010工程，就是十大行业十大工程，在这里面有几方面我们感觉到是可以得到政府和行业的支持的，一个是工业软件振兴工程，另外一个是生产性服务业。

我们有一个梦想，想成为“两化融合”的试点示范企业，所以刚才我们也跟电子学会的领导表了个态。最后，欢迎各界同仁和专家的参与、指导，共同努力，抓住下一代互联网的机遇，创作辉煌。