傳感器的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代
5月26日，2019中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會在貴陽開幕，全球大數(shù)據(jù)業(yè)界的代表和嘉賓圍繞“創(chuàng)新發(fā)展?數(shù)說未來”的主題，共商大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展與合作大計。
在2019數(shù)博會“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與智能+”高端對話上，中國信息通信科技集團(tuán)有限公司黨委常委、中國工程院院士余少華在主題演講中談及推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的原因。他認(rèn)為，總的來說，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大體系對中國製造的國際地位和轉(zhuǎn)型升級意義重大，未來我們工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要建立兩個關(guān)聯(lián)工廠，不僅僅是物理的工廠，更是智能的工廠。從中國製造業(yè)來看，中國有超過220個工業(yè)品產(chǎn)量是世界 ，我們應(yīng)該是不折不扣的全球 製造大國，從趨勢上來看，未來十年互聯(lián)網(wǎng)是由消費(fèi)領(lǐng)域向製造領(lǐng)域推進(jìn)。在這個趨勢過程中，人、網(wǎng)、物都會發(fā)生量級變化。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)
通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡(luò)互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)製造原料的靈活配置、製造過程的按需執(zhí)行、製造工藝的合理優(yōu)化和製造環(huán)境的快速適應(yīng)，達(dá)到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務(wù)驅(qū)動型的新工業(yè)生態(tài)體系。
以機(jī)器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人之間的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為基礎(chǔ)，通過對工業(yè)數(shù)據(jù)的全面深度感知、實時傳輸交換、快速計算處理和高級建模分析，實現(xiàn)智能控制、運(yùn)營優(yōu)化和生產(chǎn)組織方式變革。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的最早概念來自于美國，是GE公司率先提出來的。我們知道，傳統(tǒng)的製造業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品的生產(chǎn)、檢修、追溯，大部分都是通過人工來操作，嚴(yán)重依賴?yán)瞎と说慕?jīng)驗判斷，而且傳承週期很長。
那麼工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，就是通過萬物互聯(lián)的方法，將生產(chǎn)設(shè)備、產(chǎn)品、服務(wù)，通過云計算、大數(shù)據(jù)來分析，最終實現(xiàn) 化解決方案，這大大增加了製造業(yè)的效率，堪稱第四次工業(yè)革命。因此工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0有很多的共同之處。只不過，德國的工業(yè)4.0的提法少了云計算和大數(shù)據(jù)融合，更多的是製造業(yè)的智能化。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)化國家在過去幾十年強(qiáng)大的技術(shù)積累，以及和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合以後產(chǎn)生的新戰(zhàn)略，新的技術(shù)布局以及對未來的一種新的愿景。如果我們單從互聯(lián)網(wǎng)角度去解讀這些愿景和戰(zhàn)略，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。事實上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)有強(qiáng)大的技術(shù)支撐。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺參考架構(gòu)
那麼目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)走到哪一步了呢？很可惜，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)的 階段，但目前也僅走到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)階段。也就是未來還有很長的路要走。感知是物聯(lián)網(wǎng)的先行技術(shù)，要確保物聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，離不開眾多感知技術(shù)的加持，其中最為關(guān)鍵的技術(shù)之一便是傳感器。
傳感器是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)和核心，是自動化智能設(shè)備的關(guān)鍵部件，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展，將給傳感器企業(yè)帶來巨大的機(jī)會。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為傳感器企業(yè)帶來巨大市場
參照工業(yè)2.0、3.0、4.0，人工智能1.0、2.0等階段劃分，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可分成三個階段：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0，通過建設(shè)以IP技術(shù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)連接體系，實現(xiàn)工廠IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)的連接，工廠外部企業(yè)與上下游、智能產(chǎn)品、用戶的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，通過工業(yè)數(shù)據(jù)採集技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品、設(shè)備、原材料、產(chǎn)業(yè)鏈等詳細(xì)數(shù)據(jù)的上傳和匯聚，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和工業(yè)APP打下基礎(chǔ);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0，通過人工智能、邊緣計算技術(shù)，實現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的智能無縫連接。
我國大部分的工業(yè)企業(yè)尚處於工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)1.0或向其邁進(jìn)的過程中，少部分 性企業(yè)在探索實踐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0，個別企業(yè)開始布局工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)3.0的研究。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的不同階段對傳感器要求差別亦不同，傳感器及傳感系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)企業(yè)同樣需要準(zhǔn)確定位，不僅要看到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展給傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展帶來的藍(lán)海，更要挖掘有效市場，實現(xiàn)最終的產(chǎn)值和利潤。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)一方面給傳感器企業(yè)帶來了機(jī)會，另一方面也對傳感器提出了新的要求，主要體現(xiàn)在對靈敏度、穩(wěn)定性、魯棒性等方面的要求會更高。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的普及使得傳感器無處不在，大量使用對傳感器提出輕量化、低功耗、低成本的要求，同時也更多要求網(wǎng)絡(luò)化、集成化、智能化。
此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)傳感器應(yīng)用涉及的面更廣，對傳感器的數(shù)量及產(chǎn)業(yè)化的需求更大，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)目前還存在企業(yè)規(guī)模小、創(chuàng)新能力不足的問題，完全滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求還有不少差距。近期爆發(fā)的中美貿(mào)易摩擦中對核心芯片的禁運(yùn)，也給我們傳感器及應(yīng)用行業(yè)敲響了警鐘。傳感器和集成電路芯片一樣，都屬於高技術(shù)含量的關(guān)鍵零部件，如果國內(nèi)企業(yè)不加大自主創(chuàng)新力度，未來也會面臨類似的局面。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
隨著傳感器、計算機(jī)、無線通信及微機(jī)電等技術(shù)的發(fā)展和相互融合，產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN,wirelesssensornetworks)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與當(dāng)今主流無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用同一個標(biāo)準(zhǔn)——802.15.14，它是一種新型的信息獲取和處理技術(shù)，是繼互聯(lián)網(wǎng)之後，將對人類社會的生產(chǎn)、生活方式產(chǎn)生重大影響的一項重要技術(shù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)綜合了嵌入式計算技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)以及通信技術(shù),能夠協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和採集網(wǎng)絡(luò)分布區(qū)域內(nèi)的不同監(jiān)測對象的信息。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(WSNS，wirelesssensornetworkssystem)通常由傳感器節(jié)點、聚節(jié)點和管理節(jié)點組成。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)圖
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)引起了全世界範(fàn)圍的廣氾關(guān)注，被稱為二十一世紀(jì) 影響的技術(shù)之一；改變世界的10大新技術(shù)之一；全球未來的四大高技術(shù)產(chǎn)業(yè)之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)很快也將進(jìn)入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)測控領(lǐng)域。伴隨未來大多數(shù)工業(yè)儀表和自動化產(chǎn)品對無線傳輸功能的集成，從而完成從有線到無線的過渡。
典型的工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
工業(yè)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)示意圖，核心部分是低功耗的傳感器節(jié)點（可以使用電池長期供電、太陽能電池供電，或風(fēng)能、機(jī)械振動發(fā)電等），網(wǎng)絡(luò)路由器（具有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)路由功能）和無線網(wǎng)關(guān)（將信息傳輸?shù)焦I(yè)以太網(wǎng)和控制中心，或者傳輸通過互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)）。
在工業(yè)自動化領(lǐng)域的老牌勁旅，如GE、Honeywell等，都推出了各種工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品和系統(tǒng)，國內(nèi)也有不少研究機(jī)構(gòu)和大型公司在進(jìn)行相關(guān)研究。
傳感器網(wǎng)路在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)在人們普遍理解為使用傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)到機(jī)(M2M)通信的工業(yè)環(huán)境自動化。
市場分析公司NanoMarkets在2014年11月發(fā)表的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用傳感器市場”報告就將工廠自動化、樓宇自動化、智能電網(wǎng)和公共交通等作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，並預(yù)測到2019年之前這一領(lǐng)域每年消費(fèi)的傳感器將超過200億美元。今後的技術(shù)人員和維護(hù)人員將越來越多地使用強(qiáng)大的平板電腦收集和處理來自工業(yè)機(jī)械中集成的傳感器發(fā)出的信息。
1、工業(yè)環(huán)境監(jiān)測
工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測範(fàn)圍已經(jīng)涉及到整個生態(tài)環(huán)境的各個方面，包括日常環(huán)境監(jiān)測，如大氣，水，電磁輻射和放射性監(jiān)測等；同時還存在一些特殊的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測，如沙漠、高山和存在放射源等區(qū)域的監(jiān)測。這些環(huán)境對傳感器產(chǎn)品的靈活性、可靠性和安全性提出了高要求。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以突破傳統(tǒng)的監(jiān)測方法，在滿足了靈活性、可靠性和安全性的同時，為工業(yè)環(huán)境的監(jiān)測降低了成本，同時也大幅度縮減了傳統(tǒng)監(jiān)測的繁瑣流程，為隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了便利。隨著人們對於工業(yè)環(huán)境的關(guān)注程度越來越高，需要採集的環(huán)境數(shù)據(jù)也越來越多，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的需求將逐步擴(kuò)大。
2、智能電網(wǎng)
當(dāng)前，全球能源、環(huán)境、氣候變化等問題日益突出，世界各國紛紛把開發(fā)利用清潔能源作為能源發(fā)展與變革的重點。智能電網(wǎng)如今已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用之一，也是電網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。智能電網(wǎng)通過 的傳感測量技術(shù)、通訊技術(shù)、 的控制方法和決策支持系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用，確保電力供應(yīng)的安全性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。
為了使智能電網(wǎng)的持續(xù)運(yùn)營，設(shè)備安全保障已經(jīng)成為了關(guān)鍵問題。由於電網(wǎng)設(shè)備長期處於高電壓、大電流等工作狀態(tài)，同時面臨雷雨等極端自然環(huán)境的威脅，對設(shè)備實施智能監(jiān)控顯得尤為重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可對電網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，了解設(shè)備的工作狀態(tài)，並將數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行模瑢υO(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一管理，同時實時監(jiān)控也提高了維護(hù)效率。隨著智能電網(wǎng)計劃的推進(jìn)，對電網(wǎng)設(shè)備的智能化監(jiān)控需求形成了巨大的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品市場。
3、數(shù)字化油田
經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會需求的不斷擴(kuò)大加速著油井?dāng)?shù)量的迅速上升，油田開發(fā)整體範(fàn)圍也呈擴(kuò)大趨勢。因此，油田生產(chǎn)、管理與經(jīng)營的智能化成為發(fā)展趨勢，數(shù)字化油田應(yīng)運(yùn)而生。
在油田的數(shù)字化過程中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品可以對油井環(huán)境和井口設(shè)備實現(xiàn)實時監(jiān)控，將工作現(xiàn)場的設(shè)備狀態(tài)，環(huán)境參數(shù)等重要信息傳到控制中心，在必要時刻即刻發(fā)出警報並安排調(diào)度。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品在油田的深入推廣和廣氾示範(fàn)，數(shù)字化油田的數(shù)量也將逐漸增加，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品的市場需求將呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢。
4、智能工業(yè)
我國工業(yè)製造業(yè)正面臨新一輪產(chǎn)業(yè)革命的契機(jī)，製造企業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行改造升級的需求十分迫切，信息技術(shù)企業(yè)也在積極借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，以其為突破口迅速向工業(yè)領(lǐng)域滲透。以智能化為核心的工業(yè)4.0的提出，契合了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域融合的趨勢，未來市場發(fā)展?jié)摿薮蟆Ｖ悄苎u造中的核心之一是工業(yè)過程的智能監(jiān)測。
將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到智能監(jiān)測中，將有助于工業(yè)生產(chǎn)過程工藝的優(yōu)化，同時可以提高生產(chǎn)線過程檢測、實時參數(shù)採集、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、材料消耗監(jiān)測的能力和水平，使得生產(chǎn)過程的智能監(jiān)控、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護(hù)水平不斷提高。隨著物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和工業(yè)4.0的進(jìn)一步推進(jìn)，以智能化為核心的工業(yè)過程控制將得到快速發(fā)展，進(jìn)而拉動對基於無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的工業(yè)過程監(jiān)測系統(tǒng)解決方案的市場需求。
工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品飛速增長的主要原因是隨著整個物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境的成熟，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也由政府主導(dǎo)開始慢慢發(fā)展。中國工業(yè)感測終端的數(shù)量保持著飛速增長的態(tài)勢，2014年中國工業(yè)感測終端數(shù)量為7億左右，預(yù)計伴隨著中國製造2025的推行，到2020年，中國工業(yè)感測終端將突破20億個。
同時，無線通信、功耗、極端微型化（驅(qū)動力之一是MEMS傳感器）以及嵌入式計算方面的發(fā)展，也促成了面向苛刻工業(yè)環(huán)境的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起。工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品會隨著“中國製造2025”的提出所帶動的企業(yè)生產(chǎn)線改造和IT設(shè)備升級改造一直高速增長到2019年，並一直保持著上升趨勢。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域傳感器不僅是硬件，更是數(shù)據(jù)的創(chuàng)造者，同時也是服務(wù)的創(chuàng)造者。
