物联网技术与应用

物联网技术与应用 Internet of Things Technology & Application 2 报 告 内 容 物联网应用面临的挑战 物联网在工业领域的应用分析 各国政府的物联网战略 物联网体系架构与技术发展 物联网概念产生背景与内涵 3 一、物联网产生背景 电子交易：电子商务 电视传媒： VOD、 Tivo（数字录像） 电子钱包：手机支付、不停车收费 物品定位：自动查找遗失物品 智能建筑：钢筋混凝土 +硅片 +软件 三维地图 ： 未来之路 1995 物联网概念提出： 将所有物品通过 RFID、传感器、智能嵌入技术 等与互联网连接，实现物理世界与信息世界的整合； 通过 功能强大的计算机集群 ，对人、机、物实时动态管理； 国际电信联盟突尼斯峰会发布报告，描绘了物联网时代的远景： 司机出现操作失误时汽车会自动报警； 公文包会提醒主人忘带了什么物品； 衣服会告诉洗衣机对颜色和水温的要求等。 机器联网 人与人联网 物品联网 ITU互联网报告 2005：物联网 Kevin Ashton1998 一、物联网产生背景 5 物联网 A元素 允许任何人与任何物，在任意时间和任意地点，通过任意网络和任意服务相连接； 物联网 C元素 涉及到信息的捕获、通信、聚合、内容、计算和连接等处理方法； 物理世界和虚拟世界的共存交互 物理实体有数字对象、虚拟的表示； 二、物联网概念内涵 1998 年 MIT的 Kevin Ashton： 把 RFID技术与传感器技术应用于日常物品中形成一个 “ 物联网 ” 2005 年 ITU报告： 物联网是通过 RFID和智能计算等技术实现全世界设备互连的网络 2008 年 IBM： 把传感器设备安装到电网 、 铁路 、 桥梁 、 隧道、 供水系统 、 油气管道等各种物体中 ， 并且普遍连接形成网络 ， 即 “ 物联网” 以互联为特征 以智能服务为特征 以标识为特征 科学内涵： 以 “ 全面的感知 、 可靠的传输 、 智能化处理 ” 为特征 ， 连接现实世界和虚拟世界 ， 以安全优质 、 随时随地提供可运营 、 可管理的信息服务为目标的全球化网络 。 二、物联网概念内涵 7 “十五年周期定律” IBM前 CEO郭士纳：计算模式每隔 15年发生一次变革 1965年 大型机的商业应用 1980年 个人计算机的普及 1995年 互联网革命 2010年 物联网？ 8 欧盟网络企业和 RFID司物联网总监 Peter. Friess预测： 2015年到 2020年间显现对经济发展刺激作用； 美国权威咨询机构 forrester预测到 2020年： (物物互联业务：人与人通信业务 )比将达到 30:1； 物联网将拥有 30万亿元通信大市场； 物联网前景预测 IBM前 CEO郭士纳预测： 计算模式每隔 15年发生一次变革； 2010年以物联网为标志； 易观国际分析： 物联网最主要的推动力只有两个：政府与电信运营商； 未来物联网产业的最关键环节是应用层面的行业用户； 各国政府行动战略 未来信息产业发展：信息网络 -全面感知和智能应用 9 10 美国：智慧的地球 智慧的银行 智慧的交通 智慧的医疗 智慧的城市 智慧的电力 智慧的供应链 智慧的地球 通过超级计算机、云计算整合物联网与互联网构建智慧的地球 11 日本：“ U-Japan” 战略 12 韩国：“ U-Korea”计划 Friendly Government 友好的政府 Intelligent Land 智能的建筑 Regenerative Economy 可再生经济 Secure&Safe Social Enviroment 安全的社会环境 Tailored u-life Service 定制化生活服务 F I R S T 五大重点应用领域 四项关键建设 Balanced Global Leadership 均衡的全球领导地位 B Ecological Industrial Infrastructure 生态型产业基础设施 E Streamlining Social Infrastrcture 现代化的社会基础设施 S Transparent Technolo-gical Infrastructure 透明化的技术基础设施 T 先进的韩国 在全球最优的泛在基础设施上建成第一个泛在社会 13 欧盟：物联网行动计划 通过构建新型物联网管理框架来引领世界物联网发展； 提出物联网的三方面特征： 作为新的独立系统，建立在特有基础设施上； 物联网将伴随新的业务共同发展； 物联网包括多种通信形式； 欧盟物联网行动计划 物联网管理 安 全 性 保 证 标 准 化 研 究 开 发 开 放 和 创 新 达 成 共 识 国际对话 污 染 管 理 未 来 发 展 管理体制制定 立法保证 政策框架制定 芯片沉默权利 关键资源发展 强制标准化制定 研究资助 研究项目整合 创新项目试点 定期汇报 加强国际对话 R F I D 循环 统计数据 进行监督 14 物联网技术发展路线 信息汇集 协同感知 泛在聚合 主要目标 将多种感知技术所采集的分布式、异构信息进行汇聚； 通过网络将感知信息汇聚到业务应用系统，集中进行信息的处理与共享，并提供信息应用服务。 以事件、任务和目标为驱动，实现感知、网络和应用各个层面的协同工作； 具备分布式、跨层次、自学习的协同处理能力，提供智能、精确的多元化信息服务。 将海量信息进行聚合，产生出新的有应用价值的信息； 实现任何人、任何物体、任何时间、任何地点互联互通； 引发应用和服务模式创新。 关键技术 传感器设计与实现 短距离无线传输技术 低功耗技术 电磁兼容技术等 上下文感知技术 海量信息处理技术 任务驱动的大规模自治组网技术 多种通信网络融合技术等 信息聚合理论 模糊控制技术 泛在异构网络 人工智能 仿生学传感器 纳米材料、生物芯片等 发展趋势：智能化、协同化、泛在化、服务个性化 计算与处理、关键技术分布图 15 智 能 嵌 入 式系 统 技 术智 能 图 像 识别 及 处 理图 像 压 缩 及合 成物 理 世 界感 知自 适 应 信 号提 取 及 调 理启 发 式 跨 层能 量 优 化自 适 应 优 化通 信 协 议高 维 海 量 信息 整 合自 组 网并 行 计 算自 配 置 拓 扑及 覆 盖 控 制网 络 服 务 质量 控 制泛 在 接 入实 时 动 态 信号 分 析后 台 支 撑应 用行 业 应 用移 动 网 络 ( 如T D )I n t e r n e t无 线 网 络 ( 如W L A N )卫 星 网 络 P o s t - I P 网 络云 计 算 技 术 海 量 存 储 技 术 数 据 管 理 系 统专 家 系 统数 据 挖 掘自 组 织 泛 在设 备 互 联分 布 式 智能 处 理多 传 感 器 多源 信 息 融 合异 构 异 质系 统 协 同效 能 评 估与 反 馈信 息 建 模与 描 述分 布 式 数 据存 储 与 查 询 协同泛在计算泛在接入高性能信息处理分布式信息处理智 能 人 机 交 互情 景 感 知K BM BG BT BP B数 据 量处 理 能 力M I P S1 0 M I P S1 02M I P S1 03M I P S1 09M I P S标示和地址等基础资源管理与服务平台 物理实体的实时定位跟踪服务平台 基于物理位置的服务发现和推介平台 可运营可管理的物联网云计算服务平台 超级计算物理平台 海量感知数据存储物理平台 超大规模网络分布式管理平台 基于形式化语义的信息分类、关联与识别共性平台 后台海量数据并行计算与并行挖掘技术 基于 Web的海量数据的检索和知识挖掘共性平台 上下文感知的普适环境 具有传感信息实时交互能力的分布式数据仓库 并行化处理的操作系统平台 面向物联网的共性服务中间件平台 面向物联网的一体化开发平台 计算与处理、关键技术分布图 服务 物流仓储 交通运输 智能家居 安全监控 军事国防 智能农业 防灾减灾 医疗健康 协作感知 接入传输 计算处理 综合决策 智能控制 RFID 并发服务质量保障 跨层拥塞控制技术 高能效 MAC与路由技术 精确同步与定位 传感器网络 行业与技术标准化、规范制定 认知无线电通信技术 机会通信技术 精细化频谱监测管控 多体制无线接入技术 专业微型传感器 集成射频的片上系统 基于 MIMS的一体化设备 事件驱动专用处理器 1. 组网体系 2. 短距离通信 3. 软件工具 4. 专用器件 基于特性语义的匿名标示、隐私安全 微型低功耗、可泛在接入与传感 物理环境 Cyber空间 嵌入式软件设计技术 多模态智能人机交互技术 共性服务中间件技术 专用一体化开发测试工具 物理世界智能感知 Cyber空间重建 物联网组网体系 N G N / I P v 6 骨 干 网云 计 算 平 台S e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o rS e n s o r城 市城 镇城 镇监 控 中 心I P v 4 / I P v 6 网 关I P v 6 节 点I P v 6 节 点I P v 6 节 点五自特征 1.自组织（ self-organizing) 2.自管理（ self-Administering） 3.自维护（ self-Maintaining） 4.自配置（ self-Configurating） 5.自适应(Adaptation) 短距通信 海量用频设备需要精细化频谱监测管控 物联网终端需要支持多体制无线接入，实现无缝泛在接入网络 认知无线电技术和机会通信技术 物联网软件系统 嵌入式软件协同系统优化设计技术 上下文感知的系统自适应设计技术 软硬协同技术 多模态智能人机交互技术 人、机、物协调的互操作环境 人机交互技术 嵌入式网络的中间件技术 可运营可管理的云计算服务中间件技术 中间件技术 并行化处理的操作系统平台 开发、编译、调试、测试一体化开发工具 开发测试工具 专用器件与设备 具有多种射频接入能力的物联网网关 SOC芯片 传感事件驱动的低功耗安全芯片 具有频谱环境感知功能的低功耗射频前端处理芯片 物联网核心芯片 三维空间感知位置传感器 低成本微型专业传感器 面向行业的微型高精度传感器设计与研制技术 多模式互联网无缝接入能力 基于 SOC和 MIMS的微功耗、微型一体化终端 适应环境的自治安全的协作控制技术 物联网专用微型智能终端 宽带移动通信 G网 /C网共存技术 LTE技术 WiFi/WiMax技术 IMT-Advanced技术 NGN与 IPv6 产业化、业务拓展和技术革新 多体制接入共存技术 多媒体高速接入技术 v4到 v6的平滑过渡技术 6LowPAN技术 V6下 P2P重叠网络技术 移动 IPv6 网络规模无限扩展技术 超高速骨干交换 高速桌面接入 1. 无线宽带 2. 宽带接入 3. IPv6技术 4. NGN技术 疆域覆盖、宽带接入 无限扩展、高速交换、质量可控 采集信息 融合信息 泛在接入与传输 信息处理技术 基础软件技术 超算平台技术 海量感知数据分布式存储、检索技术 物理实体的匿名标识与映射技术 人性化服务发现与信息发布技术 具有传感信息实时交互能力的分布式数据仓库设计技术 并行化处理的操作系统设计技术 面向物联网的共性服务中间件系统设计技术 面向物联网的一体化开发和评测工具 并行处理计算结构新体系研究 多核阵列超级计算系统研发 智能控制技术 分布式协作控制 分布式安全控制算法与协议 移动计算与移动控制模型 计算、处理与控制 2010年前 2010-2015 2015-2020 2020以后 标识与感知技术 多种标识机制共存 区域性 ID、局部方案 物联网统一标识框架 开放式架构和 URI ID管理、语义支持、隐私保护 类 DNA的 ID 物联网体系结构 架构标准制订、内容敏感中间件和智能平台 与未来的互联网结合 自适应的、基于上下文的架构 具认知能力和经验积累的架构 通信技术 RFID, UWB, Wi-Fi, WiMax, Bluetooth, ZigBee, RuBee, ISA 100, WirelessHart, 6LoWPAN 超低功套片、片上天线、毫米波单片、超低功单片天线和超低功片上系统 宽频段和频段感知的通讯协议 统一的宽频段通讯协议 组网技术 固定式传感网 有自组 -定位功能、抗延迟、有存储 -电源网、有 -无线混合的网络 上下文感知网络 有网络认知、自我学习、自我修复功能的网络 软件和算法 关系数据库、事件驱动平台、传感器中间件、传感网中间件、代理（服务）机制和定位算法 大容量、开放式语义的软件模型，组合算法，新的企业级应用软件 面向目标的软件、分布式智能和解决方案、物 -物交互 面向用户的软件、不可见的物联网、物 -人交互 硬件 RFID 、传感器、内置于移动设备的传感器、近场通讯手、MEMs技术 支持多协议标准的RFID读写器、低（零）功耗射频标签、大规模传感网 智能传感器（生化）、更大规模的传感网 纳米技术和新材料 物联网技术发展路线（ I） 物联网技术发展路线（ II） 2010年前 2010-2015 2015-2020 2020以后 数据和信号处理 串 -并行数据处理、QoS 能量 -频谱感知的数据处理、上下文自适应的数据处理 上下文感知的数据处理与响应 可认知处理与决策优化 发现和搜索引擎 传感器发现、专有的域名服务 分布式注册 -搜索机制、传感器及传感器数据的语义发现 自动化路由标签、标识管理中心 可认知的自动化搜索引擎 功率和能量存储技术 薄 -平板电池、锂电池、能量优化系统、能量自取、近 -中距无线供能 能量自取于转换、印制电池、大功率长距无线供能 恶劣环境下的能量获取（生化、感应）与回收，无线供能 可生物降解电池、纳米能量处理器件 安全和隐私 用于传感网设备和RFID的安全保护机制 用户为核心的隐私保护、匿名机制 自动的安全 -隐私评估、以上下文为中心的安全 自适应的安全机制与协议 材料技术 硅晶、铜、铝 SiC、 GaN、硅和适应高温工作的材料 钻石 标准化 现有 RFID标准与传感网标准 物联网、 M2M标准、交互标准等 异构网间的互操作标准 自动通讯标准 27 物联网的应用领域 电 力 负载监控、远程抄表 农 业 大棚监控、动物溯源 安 全 平安城市、危险品跟踪 环 保 环境监测、污染物处理 交 通 物流调度、定位导航 市 政 路灯控制、电梯监控 企 业 生产监控、设备管理 医 疗 远程诊断、老人看护 智能楼宇 远程诊断 面向智能工厂的生产过程监控 环境监测 协同供应链管理 智能电网 现代物流过程监控与跟踪定位 畜牧养殖和电子监管 28 从工业本身看工业化 工业产品、工业体系和工业能力之间的关系如同浮游在海面上的冰山，人们所能看到的耀眼夺目的工业产品如同深埋在海面之下的巨大冰基，而冰基所蕴含的巨大浮力就是工业能力。若需要冰山越突出显赫，必然需要冰基越博大雄厚。 工业体系和工业能力决定了工业产品的技术水平和质量，具有强大的工业能力和整体素质，生产什么产品都可以。像福特、宝马、三菱等公司在二战时期生产飞机、坦克、舰船等武器。 一、物联网与工业领域 /工业化的关系 三、物联网与工业的关系 29 从工业本身看工业化 70万 kw水轮机 工业产品 大型石化装备 350km/h高速列车 ARJ 30 工业装备是工业体系的基石 工业装备的技术水平决定了工业体系所具有的工业能力和整体素质，体现了工业化的进程和高度，使得机械化、规模化、自动化、智能化等工业化的特征能够实现。 新装备是核心：既包括工作母机、重大设备、成套装备等硬装备，也包括支撑设计、制造、管理环节的一体化软件系统等看不见的软装备。 三、物联网与工业的关系 31 新型工业化特征 新技术是基础：以传统的工业技术为基础，充分融合以信息技术为代表，涵盖各种学科领域最新成果的高新技术，形成系统性、工程性、综合性的先进工业技术。 新装备是核心：既包括工作母机、重大设备、成套装备等硬装备，也包括支撑设计、制造、管理环节的一体化软件系统等看不见的软装备。 新能力是关键：既包括装备、技术、质量等构成的硬能力，也含有产品创新、资源获取、组织管理等软能力。 新产品是体现：生产出以信息技术为代表的高技术含量高、产品附加值高、资源消耗低的新产品。 32 物联网应用加快新型工业化进程 信息技术是新型工业化的核心要素之一。作为倍增器的物联网不是简单的应用，需要融合渗透到工业化要素之中。 我们认为：物联网技术就是在新型工业化进程中，逐步使用信息、信息技术与传感技术，使之渗透到工业领域相关环节（工业环节、工业装备、工业活动、工业产品）之中，大幅提升工业素质和工业能力的过程。 案例：智能感知装备 物联网：实时企业的基础设施 经销 数据中心 (后台 ) 分枝 客户 供应商 制造 运送 呼叫中心 Web 销售商 金融 预测 物联网 数据中心 （后台） 分支 经销 客户 供应商 制造 运送 呼叫中心 Web 销售商 金融 预测 理想的灵活系统 现实性 1998 2008 2013 2003 实时企业 不连贯的企业 通过 IT达成的商务灵活性 消息为导向的中间件 商务活动监视 商务流程管理 门户和应用平台套件 基于部件的应用服务器 集成（ Integration Broker） 商务流程融合 Web服务和 Web服务网络 转变 复杂事件管理 物联网：改变了企业的 IT基础设施 36 物联网 :制造模式的转变 2003 2007 2009 2005 应用迷宫 广泛采用面向服务体系结构的应用软件 大量流程创新 早期面向服务体系结构，标准和应用开发工具 面向服务体系结构标准，模式的广泛集成 早期融合应用 (内部和厂商 ) 将面向服务体系结构完整集成到体系结构当中 类型 A 类型 B 类型 C 广泛采用融合应用软件 采用高峰： 下一代应用，体系结构和流程 流程执行和价值 商务灵活性 37 传感技术 MEMS技术： 制造装备技术能力的提升 制造 装备 制造 系统 企业 管理 RFID+工业 WSN+工业应用软件： 设备的互联互通、制造过程的状态检测、物流的实时监控等 ，对制造环境的感知能力得到极大的提升，生产效率、产品质量取得突破性的应用。 智能 装备 感知 制造 系统 实时 企业 管理 物联网是企业的神经系统 38 物联网在工业领域的作用 物联网技术将推动工业信息化进入新阶段 泛在网络 +传感器 +智能计算 泛在感知信息化（感知、智能特征）； 以泛在网络为基础、以泛在感知为核心、以泛在服务为目的、以泛在智能拓展和提升为目标； 基于物联网的新一代信息化制造和自动化技术（ u- manufacturing）。 四、物联网在工业领域应用分析 全球物联网在工业领域的应用还处于初级阶段，但已具备较好的基础，目前还主要以关键技术攻关、实验室验证、小规模应用为主 。 过程制造业 ： 基于 Mesh网络结构开发的无线网络已经成熟，可以满足过程工业慢时变的过程控制应用需求 Hart通信基金会 Emerson 等 四、物联网在工业领域应用分析 生产过程监控 温度、压力、流量、液位 增加生产率、改善产品质量 设备监控 机器健康和能量消耗的监测 优化设备及相关的资产 安全和环境 与安全、法规、环境相关的监测与控制 WSN Applications: Process monitoring, machine health, asset monitoring, safety and environmental monitoring Target Markets: Electric power； Water & wastewater； Oil & gas； Chemicals (excluding pharma), Refining, Plastics/rubber； Primary Metals, Minerals, and Mining； Paper Characteristics: Hazardous and remote environments, heavy equipment, capital intensive Vendors: ABB, Accutech (CMI), Banner, Emerson, Endress+Hauser, Honeywell, GE, Yokogawa, Pepperl+Fuchs, Siemens 四、物联网在工业领域应用分析 离散制造业： 技术和标准的研制工作正在开展之中 关键是实时性响应的问题 高密度网络覆盖的问题 节点数更多、网络共存更重要 低成本的问题 开关类设备成本 RFID技术已成熟可用 四、物联网在工业领域应用分析 离散制造业： 装配过程的控制 电缆厂和绕线机 汽车装配的机器人控制 接近感知 电机装配 移动的设备感知 旋转机械设备 安全监控 WSN Applications: Assembly control, Proximity sensing, automated bin selection, portable monitoring and opportunities for mobile assets, asset monitoring Market segments: Aerospace, automotive, other transportation vehicles； machinery； and electrical, appliance and component manufacturing； fabricated metal products, textiles, wood, etc. Characteristics: Automated assembly, labor intensive, many suppliers/components, dependent on economic fluctuations Vendors: ABB, Banner, FESTO, ProSoft 四、物联网在工业领域应用分析 四、物联网在工业领域应用分析 五、典型工业行业应用分析 1、钢铁行业 问题： 设备、物质流、能源流和排放流信息不全 多段生产、多段运输、多段存储，点多面广 重点突破： 动态有序的物质流管控 面向预测维护的设备故障诊断 基于能量流网络的能源管控 面向绿色制造的环境监控技术 基于能量流网络的能源管控 问题 ：（ 1）点多面广，信息不足，扩展困难 （ 2）缺乏网络化的控制、调度方案 （ 3）缺乏整体优化方案 能源三级计量： （ 1）企业进出口（千点） （ 2）车间进出口（万点） （ 3）设备进出口（数万点） 借助无线传感网和 GIS，实现能源信息准确计量 通过设备互联，实现能源管网网络控制，实现能源智能调度 焦 炉 电 厂 高 炉 转 炉 电炉 连铸 热轧 冷轧 煤炭 14085万吨 焦炭 外销 烧结 高炉煤气 干熄焦 焦炉煤气 动力煤 重油 铁水 钢坯 TRT 外购电 电力 外送电网 转炉煤气 炼焦煤 喷吹煤 锅炉 蒸汽管网 锅炉 蒸汽管网 锅炉 蒸汽管网 低压锅炉 蒸汽管网 低压锅炉 蒸汽管网 生产设备：消耗、回收 能源设备：存储、供应 能源管网：输送、缓冲