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1、工业物联网互联互通白皮书1IIoT2018年9月中国电子技术标准化研究院工业物联网互联互通白皮书工业物联网互联互通白皮书3IIoT前 言工业物联网是通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作，实现制造原料的灵活配置、制造过程的按需执行、制造工艺的合理优化和制造环境的快速适应，达到资源的高效利用，从而构建服务驱动型的新工业生态体系（见工业物联网白皮书（2017版）。互联互通是工业物联网发展的关键问题，但是现阶段工业物联网从互联互通的对象、技术、实施等方面均呈现出纷繁复杂的局面，工业物联网互联互通的实现宜采取具体问题具体分析的方法，结合应用场景和当前可选的成熟技术手段，采用因时制宜的实施方案，科

2、学地推进工业物联网互联互通的部署实施。工业物联网互联互通白皮书以互联互通为主题，从“如何认识”、“如何呈现”、“如何实现”和“如何应用”四个方面，给出了工业物联网互联互通的内涵外延、技术现状、实施路径和应用案例，期望为工业物联网的发展起到拨开云雾见月明的指导作用。工业物联网的互联互通技术日新月异，后续将根据业界反馈意见及最新研究成果进行适时更新。工业物联网互联互通白皮书6一、如何认识互联互通1(一)对象范围 1(二)网络架构 2(三)面临的挑战 4二、如何呈现互联互通7(一)技术全景 7(二)典型技术 10(三)新兴技术 20三、如何实现互联互通 25(一)实施步骤 25(二)实施路线 26(

3、三)实施路径 27四、如何应用互联互通 33案例一：数控机床互联互通解决方案 33案例二：基于OPCUA的纺织机械设备互联互通解决方案 40案例三：基于SDN和边缘计算技术的空调制造设备互联互通解决方案 45 目录工业物联网互联互通白皮书7IIoT案例四：智能煤矿物联网互联互通解决方案 49案例五：基于工业PON的工程机械互联互通解决方案 54案例六：空调噪音数据互联互通解决方案 57附录A：工业物联网互联互通技术标准清单 61附录B：缩略语 69致谢 72工业物联网互联互通白皮书1IIoT一、如何认识互联互通(一) 对象范围互联互通是工业物联网发展的关键问题。随着制造业的转型升级，工业物联网

4、的发展全面渗透到了工业制造的各个领域，工业物联网将实现制造领域实体间的全面互联互通，将为制造领域中数据信息的流动提供通道，为制造领域的创新应用模式提供了支撑，从而促进工业资源的优化配置，推动企业的高质量发展，提升产业经济附加值。原有的工业控制系统为工业物联网的互联互通奠定了基础。工业控制系统主要包括监控和数据采集系统SCADA、分布式控制系统DCS、过程控制系统PCS及可编程逻辑控制器PLC等，原有工业控制系统中的仪器仪表或传感器具有数据采集功能，但是采集的数据和应用范围有限，数据的价值未得到深入地挖掘和全面的释放，尽管工业控制系统是以解放人力资源、提高生产效率为初衷，但是原有的工业控制系统实

5、现了小范围的机器互联。感知技术的发展为工业物联网的互联互通提供了有效的途径。随着传感器向微小型化、智能化、多功能化和网络化的方向飞速发展，工业领域中的传感器应用领域越来越广泛，加上通信技术的发展，机器的状态、工艺的参数、仓库的库存、在制品的位置等物理工业物联网互联互通白皮书2世界的信息均可以获取，为后续的业务应用提供丰富的数据资源。网络连接技术和新兴技术的发展为工业物联网的互联互通提供了基础设施保障和技术支撑。多种网络连接和通信技术用于实现设备与设备、设备与系统、系统与系统之间的连接问题，并进一步实现数据的端到端、跨系统的流动。与此同时，为满足工业物联网对实时性、安全性等的特殊需求，一批适用于

6、工业场景互联互通问题的新兴技术不断出现。本白皮书中的互联互通以工业场景下的人员、设备、原料、产品和环境等要素为对象。分析了工业物联网互联互通面临的挑战，给出了互联互通技术全景、实施路径以及典型案例。(二) 网络架构工业物联网白皮书（2017版）中工业物联网是通过工业资源的网络互联、数据互通和系统互操作构建服务驱动型的新工业生态体系，是工业物联网的核心基础，代表着工业物联网实现互联互通的两个阶段，即：互联阶段和互通阶段。工业物联网互联互通网络架构如图1所示。互联阶段：对应OSI（open system for interconnection）7层模型中的物理层、链路层、网络层和传输层。物理层和链

7、路层通过宽带蜂窝网络、窄带蜂窝网络、现场总线、工业以太网、无源光网络、工业无线网等连接工厂的传感器、控制器、生产设备等，获取工业生产全生命周期内不同维度的数据，包括设备、原材料、人员、工工业物联网互联互通白皮书3IIoT艺流程和环境等工业资源状态。图1中链路和、和分别表示宽带蜂窝网络和窄带蜂窝网络通过无线的方式将生产系统的相关数据传输到私有云/企业专网或者互联网中；链路和链路分别表示现场总线可以通过PLC控制器或工业网关以有线的方式连接到私有云/企业专网；链路表示工业以太网/无源光网络可以直接连接到私有云/企业专网上；链路表示工业无线以无线的方式将工业数据传输到私有云/企业专网；链路和表示底层

8、数据也可通过边缘控图1 工业物联网互联互通的网络架构生产设备互联产品远程运维物品识别定位配件产品追溯能耗自动检测生产业绩考核设备状态检测工厂环境检测产品设计云大数据分析云工业服务云公有云设备管理云互联网工业防火墙PLC 控制器 工业网关工业防火墙工业防火墙私有云 /企业数据中心宽带蜂窝网（3G/4G/5G)窄带蜂窝网（NB-IoT/LoRa)现场总线工业以太网 / 无源光网络工业无线（WIA-PA、WIA-FA、WirelessHART/wifi、eLTE） PLC PLC 工业应用应用层传输层网络层链路层物理层边缘控制器在制品原料流水线环境 作业工人 生产装备辅助生产设施仓储物流PLC 控制

9、器公共网络企业专网无线网络互通阶段互联阶段工业物联网互联互通白皮书4制器或者具有OPC UA协议的PLC控制器通过工业防火墙传输到互联网；私有云/企业专网的数据也通过工业防火墙传输到互联网。互通阶段：对应OSI模型中的会议层、表示层和应用层，或TCP/IP模型中的应用层。工业数据也可通过互联网连接到公有云，在公有云中实现工厂设备管理、产品设计、大数据分析和工业服务等功能。从以上可看出，工业物联网互联互通的网络架构中互联阶段主要实现物联网泛在化的末端智能感知，通过工业网关、短距离无线通信、窄带蜂窝网络和OPC UA等互联互通技术，实现无线通信网络、工业以太网、宽带蜂窝网络等异构网络的安全、高效融

10、合，其对应于工业物联网实施的前两个阶段，即智能的感知控制和全面的互联互通；互通阶段是基于云计算平台技术，进行数据建模、分析和优化，实现多源异构数据的深度开发应用，其对应于工业物联网实施的第三阶段，即深度的数据应用；工业应用在分布式数据可互操作性和管理的基础上优化服务资源，实现语义、语法和数据字典的互操作性，对应于工业物联网实施的第四阶段，即创新的服务模式。(三) 面临的挑战互联互通技术的复杂多样性为设备间实时通信带来巨大的挑战。设备与设备、设备与系统、系统与业务应用、系统与系统之间的互联互通以及数据交互的低时延、高可靠、高确定性是工业物联工业物联网互联互通白皮书5IIoT网互联互通的基础，也是

11、工业企业最为关注的问题。企业往往选择在不影响生产的前提下来扩充已有设备的通信能力，其通常来自不同的制造商，采用的通信技术复杂多样，需要使用协议转换设备对原有设备和产线进行改造，实现设备之间的互联互通。不同设备、系统之间的信息集成存在无法兼容的问题，在这种状况下要实现设备间互联以及互联后数据的低时延高可靠交互，都将成为巨大挑战。工业物联网互联互通基础参差不齐，实施的深度和广度各不相同。工业物联网互联互通实施过程中涉及到多种类多数量的传感器、基础设施、系统、平台的集成，而这些工业装备的价格往往比较高昂。企业在推进互联互通实施过程中缺乏统一的规划，不同的工厂应用场景也需要不同的实施方案，对于传统的生

12、产设备改造升级需要投入大量的资金，而制造企业在短期内无法获得丰厚的利润回报，对工业物联网互联互通应用前景持观望态度。网络和数据安全问题是互联互通的巨大隐患。接入物联网系统中的“物”均面临着被攻击的风险，工业物联网设备在网络威胁面前同样无法幸免，入侵工控系统的恶意软件屡见不鲜。此外，工业数据的安全存储与传输也面临着巨大挑战。本白皮书聚焦工业装备的互联互通问题，暂不涉及网络及数据安全防护的研究，该问题将在以后白皮书中详细探讨。工业物联网互联互通白皮书7IIoT二、如何呈现互联互通(一) 技术全景工业物联网互联互通面临着如何与现有的因特网和工业控制网络进行有机深度融合的问题。一旦提到通信问题，必然会

13、想到OSI七层通信模型或者简化的TCP/IP五层通信模型，分层的思想是为了简化通信问题的解决，每一层只关注各自的功能和协议，向相邻层提供接口和服务，接下来用分层的思想来解析一下因特网和工业控制网络。因特网在分层思想的指导下，具有完备的通信协议解决方案，这也是因特网得以广泛应用的根本。因特网设计之初的网络层采用了一种无连接、基于数据报的传输模式，尽管后期采用了改善机制，但是此传输模式所带来的时延、丢包、乱序等问题需要上层协议采用重传等技术来解决，无法保证端到端的带宽和时延，因此因特网向工业控制领域延伸存在着巨大的障碍。工业控制网络中的现场总线仅关注物理层、数据链路层以及应用层，中间层级不涉及。由

14、于相关厂商企业为了维护自己的经济利益，相互之间不妥协，导致出现多种工业现场总线标准。以太网由于传输速率较快、成本低等优点进入了工业控制领域，但是重演了多种工业以太网标准共存的历史局面，总的来说，工业控制网络的工业物联网互联互通白皮书8开放性和兼容性有待改进。工业物联网的互联互通除了要解决上述问题之外，还要面临如何应用物联网本身的网络通信连接技术。物联网的概念由来已久，但是并没有大规模快速发展的原因之一在于物联网一直没有专门适合物联网应用的通信传输手段，但是最近几年，此种情况有了较大的改观，以NB-IoT、LoRa等为代表的窄带蜂窝网络技术的发展，期望依据广覆盖、大连接、低功耗、低成本特点推动物

15、联网技术的应用的发展，此类专门的物联网网络技术是否在工业物联网领域大展拳脚地进行应用存在较大的未知。另外在应用层通信协议中，也相继出现针对物联网应用采用发布/订阅模式的MQTT、AMQP、OPC UA等典型协议，并且在规模化物联网应用中获得了一定的认可度。现有的多种网络通信连接技术都可以用来在一定程度上解决工业物联网互联互通的问题，但是尚不存在一种被广泛认可一体化解决方案，图2给出了工业物联网互联互通相关技术的演进过程。工业物联网互联互通相关技术的演进过程包括典型技术和新兴技术。其中典型技术包括现场总线、工业以太网、无源光网络、工业无线、窄带蜂窝网、宽带蜂窝网、OPC UA、MQTT、CoAP

16、、DDS、AMQP等，通过构建设备与设备、设备与系统、系统与系统以有线或无线的连接方式，实现信息数据在工业生产系统各单元之间无缝传递；新兴技术主要包括边缘计算、软件定义网络（SDN）、时间敏感网络（TSN）等，是工业物联网实现跨平台、跨产业互联互通的提升手段，通过边缘侧设备的实时连接和感知，建立工业装备数字化模型，实现实时数据传输与网络资源自适应分工业物联网互联互通白皮书9IIoT图2 工业物联网互联互通相关技术的演进过程工业物联网互联互通技术演进2018 年2015 年2010 年2005 年2000 年宽带蜂窝网窄带蜂窝网延伸提升技术支撑短距离无线通信现场总线工业无线工业以太网2000 年

17、ITU 在 3G 技术指导性文件2000 年国际移动通讯计划中确定主流无线接口标准2012年ITU将LTE-AdvancedWirelessMAN-Advanced 确立为 4G 标准2018 年 3GPP出台了第一个正式可商用5G标准2001 年 ODVA 发布 EtherNet/IP 标准2004 年 IEC 发布了 ModbusRTPS 国际标准2005 年 IEC 发布 PowerLink、ProfiNet 国际标准2007 年EtherCAT 成为 IEC国际标准1993 年 CAN 成为 ISO 国际标准1999 年 FF、PROFIBUS、INTERBUS成为 IEC 国际标准2

18、007 年 CIP、CC-Link、HART 成为IEC 国际标准2010 年 IEEE 发布 WIFI 标准2005 年 Zgibee 联盟推出 Zigbee1.0 版本2010 年 IEC 发布 WirelessHART 国际标准2011 年发布了 WIA-PA 国家标准2014 年 ISA100.11a 成为国际标准2015 年 LoRa 联盟发布 LoRaWAN 标准2016 年 3GPP 发布 NB-IoT 规范1991 年 IEEE 发布第一版 HTTP 标准2008 年 OPCUA 成为 IEC 国际标准2014 年 ISO 发布 AMQP 国际标准2016 年 ISO 发布 M

19、QTT 国际标准2012 年 IEEE 成立 TSN 技术工作组2012 年 ONF 发布 SDN 白皮书2016 年边缘计算产业联盟 ECC 正式成立3G4GPONPowerlinkProfiNetModbusRTPSEtherCATCANZigBeeMQTTAMQPSDNTSNLoRaNB-IoT边缘计算OPCUAHTTPFFPROFIBUSINTERBUSCIPCC-LinkHARTEtherNet/IP5GISA100.11aWIA-PAWiFiWirelessHART工业物联网互联互通白皮书10配。语法、语义和数据字典与具体的应用场景紧耦合，不同的行业领域差别较大。(二) 典型技术1

20、. 现场总线(1) 概述现场总线（Fieldbus）诞生之初是为了解决智能仪器仪表、控制器、执行器等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。现在被应用广泛的现场总线近几十余种，现场总线技术的出现给工业自动化带来了一场革命。目前国际标准化工作主要集中在国际电工委员会IEC，比如IEC 61158系列标准规定了各种类型现场总线所采用协议模块矩阵概念和互补描述方法，但不涉及现场总线的具体实现，IEC 61784作为系列配套标准，给出通信行规等内容，用于指导相关产品设计、应用选型比较和工程系统选择。由于现场总线相关利益团体的不妥协，现场总线标准之争的结果是多标准并存，

21、这不仅影响到现场总线技术的发展和推广，也使得现场总线的互联互通范围具有一定的局限性。(2) 技术特点现场总线结构简单，使得控制系统从设计、安装、投运到正常生产运行及检修维护，可以节省硬件数量与投资、节省安装费用以及提高系统的可靠性，为用户提供灵活的系统集成主动权。工业物联网互联互通白皮书11IIoT(3) 适用范围现场总线可以应用于石油、化工、电力、冶金、加工制造等多个领域，每种总线都有其产生的背景和比较适用的领域，比如过程自动化领域中基金会现场总线FF、PROFIBUS协议等应用较多。2. 工业以太网(1) 概述工业以太网是将商用以太网IEEE802.3应用于工业控制领域的产物，在实时性、可

22、靠性、环境适应性等方面可以满足工业现场的需要。工业以太网虽然解决了现场设备之间数据传输的实时性和确定性的问题，但是相关国际标准化工作正如当年的现场总线标准一样，出现了多种工业以太网标准，比如IEC61158系列标准中Type 10对应ProfiNet、Type 12对应EtherCAT等，仍然面临着无法一统江湖的问题，在解决工业物联网互联互通问题时还存在心有余而力不足的情形。(2) 技术特点工业以太网具备设备易于互联、开发环境和硬件设备多种选择、数据通信容量大、通信速率高和可持续发展潜力大的技术特点。(3) 适用范围工业以太网主要应用于工厂的信息管理层，方便工业现场监控数据能够远程传输并与工厂

23、信息管理层直接通信。工业以太网已逐步应用于电力、交通、冶金、煤炭、石油化工等工业领域中。工业物联网互联互通白皮书123. 无源光网络(1) 概述无源光网络技术（PON）是指光分配网（ODN）中不含有任何电子器件及电子电源，ODN全部由光分路器等无源器件组成。PON技术是从20世纪90年开始发展，ITU（国际电信联盟）从APON（155 MHz）开始，发展BPON（622 MHz），以及到GPON（2.5 GHz）；同时由于以太网技术的广泛应用，IEEE也在以太网技术上发展了EPON技术。目前用于宽带接入的PON技术主要有EPON和GPON。(2) 技术特点在工业场景下PON技术具有全光网络、全

24、业务连接、多重安全保障等特点。(3) 适用范围无源光网络技术在工业互联网体系架构中处于车间级网络位置，通过工业级ONU设备实现产线设备到无源光网络的连接，光分配网络（ODN）连接到OLT，最终通过OLT与企业网络对接，实现产线数据到企业信息化系统的有效传输。4. 工业无线(1) 概述工业无线技术是一种新兴的面向设备间信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有抗干扰能力强、能耗低、通信实时性好等特征，成为工业通信市场的增长点。工业物联网互联互通白皮书13IIoT工业无线技术包括WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA、WIA-FA等，获得了国际电工标准委员会I

25、EC认可，分别成为IEC 62591、IEC 62734、IEC 62601、IEC 62948国际标准。(2) 技术特点WIA-PA网络采用星形和网状两层拓扑结构，提高了终端设备加入和退出网络的灵活性。ISA100.11a 协议通过应用层提供本地和隧道协议，实现透明传输，保证网络极大的兼容性。(3) 适用范围工业无线技术主要应用于工厂自动化领域和过程自动化领域，ISA100还可应用在过程自动操作、定位与追踪、RFID和设备管理等领域。WIA-FA广泛应用于离散制造业装备的智能化升级。5. 窄带蜂窝网(1) 概述窄带蜂窝网是一种无线广域网，旨在以低比特率实现设备到设备的远程通信。主流的窄带蜂窝

26、网技术有eMTC、NB-IoT、LoRa、Sigfox、RPMA等。NB-IoT和eMTC的3GPP R14版本已经于2017年8月冻结，首个LoRa城域物联网商用网络已于2018年4月由阿里云、中国联通、Semtech联合发布，Sigfox已经在全球40多个国家和地区部署了网络，但是应用并未取得预期的效果，目前在中国也在积极推动网络的建设，RPMA主要部署在美国。(2) 技术特点eMTC：具有速率高、实时性好、支持漫游和语音，易于部署工业物联网互联互通白皮书14等优势，但是终端价格较贵，能耗较高。NB-IoT：具有终端价格较便宜、易于部署，基站覆盖距离远等优势，但是实时性差，速率低，下行容量

27、较差。LoRa：具有信号穿透力较强，方案价格较便宜，易于部署等优势，但是实时性差、速率低、下行容量和厂家间设备兼容性较差。Sigfox：具有终端省电、价格便宜和基站覆盖距离远等优势，但是无下行数据通道速率低、安全性较差。RPMA：具有基站覆盖好，支持双向通信，相同报文负载下系统容量较Sigfox和Lora高。(3) 适用范围窄带蜂窝网利用自身低功耗、低成本的特性将分散的传感器和以前难以联网的设备连入企业中控网络或者企业云。目前常见的低功耗广域物联网应用在工业测量监控、智能穿戴、定位跟踪等方面。6. 宽带蜂窝网络(1) 概述宽带蜂窝网是指采用蜂窝无线组网方式提供话音、数据、视频图像等多媒体业务的

28、3G、4G和5G网络。3G和4G网络主要面向个人移动通信，5G网络设计时所定义的场景不但覆盖了传统的应用场景，还考虑到工业环境下的设备互联和远程交互应用等需求。(2) 技术特点蜂窝网络的网络覆盖率高、连接简单、服务质量好，蜂窝网络工业物联网互联互通白皮书15IIoT能根据动态的网络和变化的信道条件进行自适应处理，从而满足系统多类型用户的需求。(3) 适用范围工业生产环境全网覆盖。工业企业内部应用蜂窝网，能够实现充分的网络覆盖，生成和采集大量与生产、管理相关的数据，从而避免企业信息化系统变成信息死海中的一个个“孤岛”。 工业实时信息传输。宽带蜂窝网络使工业物联网获取和利用大数据与云计算资源的范围

29、将成倍增长，为工业物联网制造提供的数据、信息、存储和计算能力也将更全面、更广泛，甚至更方便、更快捷和更安全。7. OPC UA(1) 概述OPC UA标准是OPC基金会2006年推出的一个新的工业软件应用接口规范，主要目标是建立更丰富的数据模型与平台的独立性，提高工厂底层和企业系统之间的集成支持。OPC UA有效地将现有的OPC规范（DA、A&E、HAD、命令、复杂数据和对象类型）集成进来，并进行扩展。OPC UA提供一致、完整的地址空间和服务模型，解决过去同一系列的信息不统一被访问的问题。OPC UA消息的编码格式可以是XML文本格式或二进制格式，也可使用多种传输协议（TCP）进行传输。OP

30、C UA软件从过去仅支持Windows平台拓展到Linux、Unix、Mac等各种其他平台。OPC UA支持基于Internet的WebService服务架构（SOA）和非常灵活的数工业物联网互联互通白皮书16据交换系统。OPC UA 协议规范已经被国际电工委员会（IEC）标准化，定义为标准 IEC 62541（UA）进行广泛推广。目前共有13 种OPC UA 规范，可以将其分为3组：核心规范部分、访问类型规范部分和实用类型规范部分。IEC已经制定了最新的OPC UA国际标准，我国在原有OPC UA标准上已等同采用，转化成国家标准GB/T 33863.1-2017 GB/T 33863.8-2

31、017，另外几项标准还处于起草阶段。在国际上，OPC UA与很多标准组织都有着紧密的合作关系，除了和TSN融合外，还与其他技术联盟EtherCAT、DDS、Avnu联盟合作。(2) 技术特点OPC UA基于消息传递，消息采用WSDL定义，而非二进制数据传输，其实现与平台无关；采用集成的地址空间，增加了语义识别功能；在数据传输的可靠性、安全性、平台可移植性等方面具有巨大优势，吸引了众多系统厂商的关注。(3) 适用范围OPC UA可广泛应用于控制系统、MES系统以及ERP系统。信息通过级联的OPC UA组件，安全、可靠地从生产层传输到ERP系统中。8. MQTT(1) 概述MQTT（Message

32、 Queuing Telemetry Transport，消息队列遥测传输）是基于发布-订阅的消息传递协议，只需要少量带宽且易于实现。工业物联网互联互通白皮书17IIoT1999年IBM开发出MQTT的第一个版本，2013年3月，IBM向OASIS提交了MQTT V3.1进行标准化，2014年10月MQTT V3.1.1成为OASIS正式标准。随后，由OASIS提交给ISO/IEC JTC 1，并于2016年7月批准发布，被指定为ISO/IEC 20922。2017年7月OASIS发布了最新5.0的标准草案版的提案。5.0版本标准旨在提高MQTT协议支持设备的数量，增加错误报告机制，规范设备能

33、力发现机制，提高协议性能，以及扩展其在资源受限设备上可用性。(2) 技术特点精简传输。短小的二进制报文结构减少了对处理器的性能要求和通信带宽需求，使其在资源受限的设备和不可靠网络上也能很好工作。灵活和开放。不指定传输数据的类型与格式，使用户可以根据需要定制协议，但同时也带来一定互操作问题。基于发布/订阅模式。MQTT系统是由服务器通信的客户端组成，客户端可以是信息发布者，也可以是订阅者。优质的QoS和安全性。MQTT传输层基于TCP协议，具有可靠传输的本质。MQTT协议本身只提供客户端标识符和用户名/密码凭据，用于在应用程序级别对设备进行身份验证。(3) 适用范围MQTT正在成为设备接入、交互

34、式应用的重要协议和使能者，可以应用在云端设备接入和交互式应用方面。工业物联网互联互通白皮书189. CoAP(1) 概述CoAP是一种服务层协议，旨在用于资源受限的互联网设备，如无线传感器网络节点。通过将数据轻松转换为HTTP，简化与Web的集成，同时还满足多播支持、极低的开销和简单性。CoAP的核心协议在RFC 7252中规定，最新的CoAP协议为RFC8323。(2) 技术特点CoAP具有精简传输、支持同步/异步通信机制、资源发现和描述的缓存的特点。(3) 适用范围工业物联网中，CoAP协议可以作为廉价计算设备间、设备和Web应用间、机器间的通信协议。10. DDS(1) 概述DDS数据分

35、发服务是新一代分布式实时通信中间件技术规范，采用发布/订阅体系架构，强调以数据为中心，提供丰富的QoS服务质量策略，能保障数据进行实时、高效、灵活地分发，可满足各种分布式实时通信应用需求。OMG于2004年将DDS标准化，正式发布了DDS规范1.0版，在2015年发布了DDS规范1.4版。DDS标准发布后获得了广泛应用，在许多航空航天、大型舰船等高可靠性实时软件系统中作为软件中间工业物联网互联互通白皮书19IIoT件使用，新一代开源移动机器人操作系统ROS 2也采用了DDS作为消息中间件机制。除此之外，其他技术组织也在加强DDS技术的研究和增进与OMG的合作，例如OpenFog参考架构采用DD

36、S作为核心的数据管理和通信机制,OPC基金会和OMG共同制定了OPC-UA/DDS网关规范，使得采用两种协议的系统可以实现互联互通。新的DDS-XRCE（DDS For Extremely Resource Constrained Environments）即将正式发布，可以在资源非常有限的硬件（RAM小于100K字节）上实现DDS。(2) 技术特点DDS的技术特点包括支持实时通信的发布/订阅模型、丰富的QoS策略支持、自动发现机制简化系统动态配置和良好的可扩展性和可移植性。(3) 适用范围DDS的应用领域从早期的航空、舰船、武器的关键实时软件系统逐渐扩展到智能机器人、工业物联网等各个领域。D

37、DS特别适用于有实时和鲁棒性要求的、数据驱动型的各种工业应用场合，如异质工业实时通信网络互通和工厂分布式智能自动化系统。11. AMQP(1) 概述高级消息队列协议AMQP是一种提供统一消息服务的应用层协议，2014年成为国际标准ISO/IEC 19464-2014，目前也有很多AMQP协议的开源项目，比如OpenAMQ、VMware公司的RabbitMQ等。工业物联网互联互通白皮书20(2) 技术特点AMQP具有可互操作性、可靠性、统一性、完整性、开放性和安全性的特点。(3) 适用范围AMQP是实现消息机制的一种协议，消息队列主要有异步处理、应用解耦、流量缓冲、日志处理等应用场景。(三) 新

38、兴技术1. 边缘计算(1) 概述边缘计算是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的分布式开放平台，就近提供边缘智能服务，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。它可以作为联接物理和数字世界的桥梁，使能智能资产、智能网关、智能系统和智能服务。2016年10月，由IEEE和ACM正式成立了IEEE/ACM Symposium on Edge，组织专业学术论坛，对边缘计算的应用价值与研究方向进行探讨。2017年，工业互联网联盟（IIC）成立了边缘计算任务组（Edge Computing TG），对边缘计算参考架构进行研究与探

39、讨。2017年IEC发布了垂直领域边缘智能（VEI）白皮书，对边缘计算在制造业等垂直行业的重要价值进行讨论。ISO/IEC JTC1 SC41工业物联网互联互通白皮书21IIoT（国际标准化组织/国际电工委员会第一联合技术委员会物联网及相关技术分技术委员会）成立了专门的边缘计算研究小组，以推动边缘计算标准化工作。(2) 技术特点工业物联网的边缘计算是ICT与OT融合的支撑与使能技术，OT与ICT技术的深度融合将大幅提升行业自动化水平，满足行业数字化在敏捷联接、实时业务、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等方面的关键需求。(3) 适用范围边缘计算构建丰富多样的工业现场网络连接能力，能够为网络连接

40、提供超低时延和确定性时延的承载能力。在工业场景中，可以应用在梯联网、智能电网、智能路灯、智能楼宇、智能车联网和智能农机等方面，以满足用户低时延、高带宽、海量连接和高安全性等不同需求。2. 软件定义网络(1) 概述软件定义网络(SDN)是一种新型的网络架构模型，使用一组开放网络接口将传统封闭的网络体系解耦为数据平面、控制平面和应用平面。各平面间实现了功能的解耦、平面内进行了工作模块的高度协同、逻辑上集中的系统中实现了资源透明化和复杂的系统抽象，程序可以自由地控制网络中的各组成部分实现服务的灵活部署。工业物联网互联互通白皮书22在标准推进方面，开放网络基金会（ONF）专门致力于软件定义网络及其核心

41、技术OpenFlow的标准化以及商业化。除ONF外，包括互联网工程任务组(IETF)、国际电信联盟(ITU)、欧洲电信标准协会(ETSI) 也在推动了SDN 的发展和应用。(2) 技术特点SDN支持控制平面与转发平面的分离，具备对网络设备逻辑上的集中控制、开放的标准接口和可编程的特性，使用户可根据实际需求自由合理地调配网络资源，具有灵活性高、兼容性好和可编程性高的特点。(3) 适用范围实时可靠信息传输是工业信息网区别于普通信息网的最基本和最重要特征，传统工业以太网的信息传输范围是远远不够的,需要在跨局域网的广域大网络实现工业数据实时传输，SDN适用于工业骨干网的实时通信和可靠通信。3. 时间敏

42、感网络(1) 概述时间敏感网络（TSN）是IEEE 802.1标准的扩展，用于构建更可靠的、低延迟、低抖动的以太网，满足工业制造、汽车和智能交通、航空航天、能源以及实时音视频等多个领域的应用需求。TSN系列标准包括IEEE 802.1AS精准时间同步协议、IEEE 802.1Qat流预留协议、IEEE 802.1Qav排队及转发协议、IEEE 802.1Qbv时间感知调度协议、IEEE 802.1QccTSN网络管理和配置工业物联网互联互通白皮书23IIoT协议等。IEEE把相关标准提交到ISO/IEC JTC1 SC6（数据通信分技术委员会），包括ISO/IEC/IEEE 8802-1AS-

43、2014、ISO/IEC/IEEE 8802-1Q:2016、ISO/IEC/IEEE 8802-1AB:2014和ISO/IEC/IEEE 8802-1BA:2016标准，同时全国信息技术标准化委员会也开始启动国家标准的制定工作。 AVNU联盟、IIC和OPC基金会等组织和ICT设备厂商、自动化和测量设备厂商、半导体厂商和开源软件组织都在积极构建基于TSN的生态系统，推动在智能制造、工业物联网和车联网等领域的使用。(2) 技术特点TSN引起广泛关注的一个重要原因是能够为目前广泛采用、实施成本低的以太网引入确定性。其核心技术特点主要包括支持精确时间同步,提供端到端的确定性低延迟通信和支持动态网

44、络配置。(3) 适用范围在工业物联网中，TSN主要应用场合适用于工厂内车间级骨干网络。在工厂车间级，TSN技术适用于IT/OT系统融合、自动化设备间横向实时通信、面向智能制造和设备维护的数据采集和状态监控。工业物联网互联互通白皮书24工业物联网互联互通白皮书25IIoT三、如何实现互联互通(一) 实施步骤工业物联网是支撑智能制造的一套使能技术体系，互联互通是工业物联网的关键问题，工业物联网互联互通的实现可以遵循如下步骤：1. 物理世界数字化工业领域的物理世界包括人员、机器、原料、产品和环境等，需要通过传感器或者其他装备抽象到数字世界，使计算机进行统一的存储处理和交换传输成为可能，也为下一步进行

45、互联互通奠定基础。2. 基础设施网络化原有工业领域基础设施服务于传统制造，单一地以完成制造为目的，互联互通需求低。然而在工业物联网背景下，原有的基础设备面临着全面互联互通的高需求，通过网络通信技术将基础设施连接起来实现信息的交换和资源的共享，最终实现相互通信的目的。3. 网络配置智能化工业物联网互联互通的最终目的是实现工业制造领域的全要素工业物联网互联互通白皮书26扁平化联通，网络资源可以实现灵活调配和组合，并且可以根据应用实现快速的网络配置，为工业物联网各种应用提供强有力的网络支撑。(二) 实施路线当前工业物联网互联互通面临着由因特网、工业控制网络和物联网专有网络通信技术构成的错综复杂的局面

46、，工业物联网互联互通的实施是一项复杂的工程，应统筹规划、有步骤地推进，其实施路线如图 3所示。 工业物联网的发展与工业制造的现状密切相关，工业制造领域门类众多，不同行业之间，甚至同一个行业的不同区域之间发展参差不齐，工业物联网互联互通实施时要坚持从实际情况出发，依据现有的网络设施基础，根据人力、物力和财力的投入成本，确定合理的互联互通实现目标。另外不同的工业物联网应用对互联互通的具体要求不同，比如个性化定制生产需要企业内信息系统和生产系图 3工业物联网互联互通实施路线现有基础：网络基础设施投入成本典型应用：个性化生产远程运维预测性维护规划内容：网络节点规模传输介质传输速率具体实现：部署方案设备

47、选型施工监理工作内容：日常监测网络管理应急方案实际情况应用导向网络规划部署实施运维管理工业物联网互联互通白皮书27IIoT统的全联通，才能实现依据订单组织物流和生产。而远程运维通常是实现设备与运维平台的联通。因此工业物联网互联互通的实施路线是由实际情况和应用导向双因素决定。当前阶段工业物联网互联互通面临各种各样的网络通信技术，另外网络接入点规模不同、网络覆盖区域不同、网络传输性能要求不同等等均会产生不同的网络规划需求。工业物联网互联互通的部署实施需要充分重视兼容性，因此部署方案和设备选型需要考虑到上下兼容，尤其是与未来网络演进的兼容及与业务发展方面的兼容。由于工业物联网与制造业务密切相关，因此

48、工业物联网的网络运维管理相比较其他物联网应用而言尤为重要，网络需要提供一定的冗余机制，确保互联互通的正常运行。其次还需要提供必要的应急措施，保证一旦发生意外时，互联互通可以在尽可能短的时间内得以恢复。(三) 实施路径由于现阶段工业物联网从联通的对象范围和联通的技术现状等方面均呈现出纷繁复杂的局面，工业物联网互联互通的实施路径宜需要采取具体问题具体分析，根据当前互联互通的目的和可采用的技术方案采用因时制宜的实施路径。工业物联网互联互通解决了人员、设备、原料、产品和环境的互联互通，人员的互联互通是通过携带具有定位、机器视觉等功能工业物联网互联互通白皮书28的智能终端，实现人员的定位、活动轨迹的跟踪

49、及实时工作状态的监测；原料和产品通常采用加装标签的方式可以实现互联互通；环境监测通过部署若干传感器实现。所以人员、原料、产品和环境的互联互通情况相对来说比较简单，下面以设备的互联互通为例，并且根据设备的联网能力，分不具备联网能力的设备、有限联网能力的设备和具有联网能力的设备这三类情况，根据联通实施路径起点的不同给出具体实施路径。1. 不具备联网能力的设备互联互通实施路径不具备联网能力的设备是指工业领域中不支持任何通信软硬件接口的设备。工业物联网面临着数量庞大的老旧设备，这种老旧设备在互联互通时存在诸多问题，比如有些设备不具备运行状态信息的采集功能，或者有些设备不支持任何通信接口，不具备基本的通

50、信能力，此类情况需要借助于智能化手段改造原有的设备，首先借助于传感手段获取数据，其次通过赋予某种通信网络能力支持信息传输，实施示意图如图4所示。图4 不具备联网能力的设备互联互通示意图工业物联网互联互通白皮书29IIoT 上述示意图中仅以支持IP协议的无线通信方式为例，具体实现并不局限于此，但是在条件允许的情况下优先推荐支持IP协议的通信技术。此外如果由于采集数据的格式限制，可以使其转换为第二种有限联网能力的设备，通过网关转换接入至IP网络。目前产业界也在积极探索如何深度挖掘老旧设备的数据，比如ABB在2016年推出了一款智能传感器，可以便捷地贴附在电机上，将电机震动、温度、负载和能耗等关键参