物联网工业应用研究

物联网工业应用研究 趋势与典型应用 上海交通大学上海市网络化制造与企业信息化重点实验室范菲雅2011年9月 国内外物联网应用发展现状及趋势推进物联网工业应用的必要性物联网工业应用全景与推进路线物联网典型工业应用物联网工业应用推进保障措施 目录 各国政府的物联网发展战略 美国的 智慧地球 提升为国家战略 侧重地球对物理世界的感知 强调传感等感知技术的应用 提出建设智慧型基础设施 欧盟的 物联网行动计划 具体而务实强调物联网技术的广泛应用 侧重信息的安全管理温总理提出的 感知中国 将物联网作为战略性新兴产业予以重点关注和推进 尚未走出 概念 阶段 缺乏顶层蓝图规划 科技与产业主攻方向不明 需尽快在国家层面尽快制定物联网发展战略和路线图无锡关注中心 建立 感知中国 物联网产业联盟 地方省市百花齐放 2010年3月2日上海物联网中心揭牌 2010年4月26日 上海推进物联网产业发展行动方案 2010 2012 发布 2010年11月8日 上海物联网产业联盟 成立 1999 2004 2005 2008 2009 6 2009 8 2010 上海物联网中心上海物联网产业联盟 物联网应用体系发展现状 1 物联网 TheInternetofthings 作为一种新的理念 是现有互联网基础上的延伸和扩展 是微电子技术 嵌入式技术 短距离通信技术 传感技术 智能标签等技术的发展 延续和集成应用 物联网应用产业范围 M2M通过嵌入到机器中的通信模块 实现机器之间的通信从而达到远程控制 M2M是物联网发展的初级形态 无线传感网是物联网感知的终极形态 也是泛在网形成的基础 行业应用软件 与传统信息化工具紧密融合的物联网应用软件 云平台 数据的存储与挖掘 海量数据的泛在聚合 中间件 基于标准框架的物联网应用中间件 应用层 有线传输 现场总线 IP网络 无线传输 短距离接入技术的无线网状网 RFID WIFI WiMAX等 中长距离的GSM CDMA 卫星通讯技术等 AllIP融合 IPv6 IPv9 传输层 一维 二维条码 RFID终端GPS GIS终端智能传感器 嵌入式设备执行器等其他终端设备 感知层 物联网应用体系发展现状 2 物联网产业链是以应用为核心 以传感感知为基础 传输通信为保障 信息聚合处理为关键环节的创新价值链 物联网应用技术架构 物联网相关应用技术标准规范现状 信息来源 ETSIM2MTC 整体框架 ITU TSG13USN网络的需求和架构设计ETSIM2MTCM2M需求和功能架构ISO IECJTC1SC6SGSNSN研究报告 WSN RFID IEEE802 15低速近距离无线通信技术标准IETF6LoWPANROLL基于IEEE802 15 4的IPv6 低功耗有损网络路由EPCGlobalGS1RFID标识和解析EPCGlobal召开了有关ONS ObjectNameService 的路由和命名问题的讨论 智能电网 计量 无线通讯网 FCC 美国智能电网标准IEEE P2030 智能电网Guide802 15 4g 智能电网近距离无线标准CEN CENELEC ETSI欧洲智能计量标准 3GPPSA1 SA2 RAN2M2M优化需求网络和无线接入的M2M优化技术GSMASCAG 智能SIM卡OMADM EPC标准在美国和欧洲得到较广泛认可EPCC1G2被接受为ISO18000 6C 物联网应用体系发展现状 3 国外物联网技术应用现状 1 从产业应用发展角度来看 国外RFID行业应用和M2M应用均处于成长初期 在各个行业和领域有一定范围先导性的应用 无线传感网WSN技术由于还处于发展过程 应用还处于产品导入开始期 主要集中在军事 环境监测领域的小范围应用 国外RFID的应用现状 RFID在国外主要用于物品识别 过程追溯和电子支付 在美国 RFID在物流 零售 药品以及军事等领域得到了一定的应用 例如沃尔玛利用RFID标签进行商品管理在欧洲 RFID在交通 生产制造 零售等领域也开展了一些尝试性的应用 例如斯德哥尔摩交通系统日本政府选择了电子产品 书籍 服装 建筑设备 制药和物流等领域进行应用实验 经过了几年的发展 RFID手机支付在日本的消费领域应用十分广泛 国外M2M的应用相对而言已经得到了一定发展 特别是在欧洲 欧洲M2M市场主要是基于电信运营商的商业运作并逐步发展 以工业级SIM卡为切入点 提供从咨询 开发 集成 实施的完整解决方案 应用相对比较成熟 已经实现了在安全监测 机械服务 汽车信息通信终端服务 自动售货机 公共交通系统 工业流程自动化 城市信息化等领域的应用 欧洲电信运营商Vodafone的物联网业务应用现状 国外物联网技术应用现状 2 国外M2M的应用现状 国内物联网技术应用现状 1 国内基于电信运营商的M2M应用发展 国内物联网的应用还处于最初级阶段 在政府主导项目的拉动下 国内物联网技术具有一定范围的应用集中在社会服务领域如二代身份证 社保卡 交通卡 票务 航空行李管理 社会物流等方面 在物品标识 特种设备和危险品管理 安全管理 以及生产管理等领域 一些国有大型企业进行了不少先驱性的尝试 煤炭行业应用 基于有源RFID 环境传感器 摄像头 自动化控制传感器 水位计 煤仓料位计 远程产量监控计 电力监控传感器 实现地层勘探管理 地表综合管理 工矿管理 人员考勤定位 以及生产设备井下监控 在神华煤矿获得应用 核电行业应用 基于无线通讯终端 视频传感器 嵌入式传感器 电力传感器有机结合应用 实现对核电厂输变电监控 厂区监控 人员定位等 应用于中广核工程 世博智能交通系统与服务 集出行服务 交通监控 智能公交 决策支持 电子收费 应急救援等功能于一体的智能交通集成应用与服务系统 国内物联网技术应用现状 2 在不同领域的应用个案 无锡 上海 杭州 重庆 广东 深圳 武汉 时间 中国传感 物联 网技术产业联盟 中关村物联网产业联盟 2009年 2010年 2008年 2007年 2006年 上海电子标签与物联网产学研联盟 中国射频识别 RFID 产业技术创新联盟 北京 感知中国 中心 中国物联网研究发展中心 国家推动 RFID产业推动 无锡 北京 中国物联网研究发展中心 运营商推动 中国移动全国M2M运营中 全国M2M产业基地 重庆 中国无线传感网ID中心 中国移动全国M2M运营中心 全国M2M产业基地 杭州 上海 上海电子标签与物联网产学研联盟 全国M2M产业基地 中国无线传感网ID中心 中国移动全国M2M运营中心 中国射频识别产业技术创新联盟 中关村物联网产业联盟 中国传感 物联 网技术产业联盟 感知中国 中心 中国物联网研究发展中心 重庆 给机器注入思想 的M2M产业联盟 给机器注入思想 的M2M产业联盟 深圳 射频识别创新技术联盟 射频识别创新技术联盟 武汉 广东省无线射频 RFID 标准化技术委员 广东省无线射频标准化技术委员 广东 上海物联网产业联盟 国内产业联盟和中介服务机构的发展现状 国内物联网技术应用现状 3 物联网应用发展趋势分析 未来3至5年国内的RFID的应用 M2M的应用将进入产品的快速成长发展期 而无线传感网的应用 由于MEMS器件芯片技术缺失 技术标准 安全体系还未规范 国内缺乏成熟的应用解决方案等环境下 未来大多数的应用还处于专业领域内的封闭式应用状态 处于产品导入应用的阶段 国内外物联网应用发展现状及趋势推进物联网工业应用的必要性物联网工业应用全景与推进路线物联网典型工业应用物联网工业应用推进保障措施 目录 物联网工业应用促进制造业转型发展 制造业的精益化趋势粗放式的制造模式向精益制造的转型 需要更及时高效地获取制造企业各种资源 设备 人 物料 场地 动能源等 的状态 为精准决策提供依据 物联网技术为各种资源实时状态的获取提供了支持 制造业的服务化趋势随着成本的上升 制造业必然通过向 微笑曲线 的两端 研究开发和服务 延伸 实现产业升级 而这种延伸发展是基于创新和区域的对产业链的整合 物联网技术使制造企业为用户提供跨地域的 产品使用 维护 维修 服务成为可能 信息获取与识别 网络与传输 信息处理 整体架构与基础资源管理 基础较好 无线传感网 3G TD 宽带接入挑战 多网融合 网络智能管理 专网 基础较好 人机交互 数据挖掘 信息处理薄弱环节 分级处理 情报提炼 态势研判 动态数据管理 安全与政策 亟待突破 尚未部署 已部署 传感器 传感网节点芯片 MEMS RFID产业很薄弱 智能集成传感 微纳传感 新型传感 微能源 基础 已有基于现有网络和传输的部署 标准等挑战 物理世界的安全架构 认证 信用管理 电子取证 应用企业环境 产业环境较好 信息化管理基础好 应用 系统 网络 终端器件 获取 传输 信息的应用 物联网发展基础能力分析 物联网应用发展存在的问题 技术与标准 行业应用 商业模式 政策环境 核心技术有待进一步突破 缺乏统一技术和应用标准的指导 目前制约大规模产业应用主要因素 一是技术在不同应用环境的成熟度 二是应用成本 要加快研发技术到产业应用的转化 形成技术进步和产业应用之间的良性循环 同时缺乏统一的标准和规范 制约了物联网业务规模应用的发展 应用商业模式不成熟 物联网的产业链构成复杂 涉及终端制造商 应用开发商 网络运营商 最终用户等诸多环节 各环节业务定位和利益分配机制还不清晰 缺乏可持续性 需要进行商业模式的创新和多元化 行业应用基础弱 与两化融合难度大 当前物联网关注的重点还是技术上 还没有延伸向应用端 没有应用作支撑的技术研发缺乏产业发展的动力 目前市场化的物联网解决方案不够丰富 应用产业链不完善 还未形成多层次的应用产业链体系 比较单薄 应用还仅局限在某个点上的封闭式应用 没有与现有的两化进行融合 政策环境有待进一步健全 产业发展政策的稳健性信息应用的监管和安全管理 随着物联网应用的推广 会涉及国家安全 企业机密和个人隐私的信息 亟待出台保障信息安全的法令法规 加强信息应用的监管 总体来说物联网产业建设正处于起步阶段 从政策环境 经济环境 社会环境 产业环境均存在有利条件或不利的挑战 物联网应用目前还处在零散应用的产业起步期 距离大规模产业化应用还存在较大差距 主要是存在技术研发与应用 两化脱节 市场应用配套环境不成熟等问题 国内外物联网应用发展现状及趋势推进物联网工业应用的必要性物联网工业应用全景与推进路线物联网典型工业应用物联网工业应用推进保障措施 目录 全国各省市开展的物联网推进策略 各省市的物联网应用推进大多都是以技术推动为主体 推进策略还局限在比较高层面的定位规划 尚未形成具体落地的应用推进方向和策略 以应用驱动推进物联网发展的必要性 面对物联网产业经济发展的战略性机遇 必须抓住契机 主动出击 掌握技术的核心和关键 制定战略规划 部署实施具体措施 全力推进物联网的工业应用 从而促进整个产业的发展 物联网的发展依赖应用的驱动 深化应用和推动物联网产业发展的核心动力 必须以应用为导向带动技术进步 推动我国物联网发展抢占新一轮科技革命制高点 从而促进整个产业的兴起和繁荣 物联网应用发展契合经济结构转型的背景 物联网技术是信息化和自动化的融合点 物联网的应用将提高整个社会的自动化和智能化的水平 将会有效抵御劳动力成本上升给产业带来的成本上升的矛盾 同时通过物联网技术加大对环境的自动监测能力 推动国内生产与生活方式向低碳 清洁方向发展 有利于中国经济增长方式和结构的转型 物联网工业应用的主要领域 物联网技术在工业制造和生产服务领域的应用主要是以提高制造过程 生产服务过程的智能化管理水平为目标 对实时数据进行采集 对过程进行精确控制 基于条码 传感器和无线射频技术的融合应用 实现工业制造和生产服务企业内及企业间资源的优化利用 提高综合管控与决策能力 重大工程示范 重点行业和领域 应用示范区建设 社会服务示范区 综合应用示范区 公共服务平台培育 公共数据交换平台等 商业应用模式 标准规范体系 技术研发保障体系 应用技术服务体系 政策保障 基础设备 市场环境组织保障 上海物联网应用促进中心 应用服务机构 物联网应用推进计划 物联网工业应用推进路线 目标方向重点工程措施重点工程行业应用产业基地产业发展良性循环 统筹规划协调 形成推进合力 以应用需求为导向 发挥示范作用突破应用的关键 形成与两化的融合应用 聚合各方优势 完善应用基础环境 国内外物联网应用发展现状及趋势推进物联网工业应用的必要性物联网工业应用全景与推进路线物联网典型工业应用物联网工业应用推进保障措施 目录 典型应用 1 1 基于条码和RFID融合的装备制造业物料全生命周期跟踪 现存问题 全生命周期中物料信息采集和动态跟踪有待更加精准 数据录入滞后和不完整 影响物料全生命周期中的采购 生产计划和仓储管理环节产品制造总装与产成品装运检验手段有待提高 由于装备产品的零部件品种众多数量巨大 装错和漏装情况时有发生增加了运输成本和产品成本 且易导致客户满意度的下降 质量溯源体系缺乏 目前大多装备制造企业产品质量跟踪体系尚未形成集中 系统的信息化管理 另一方面 由于质量信息记录不完整 无法实现准确的质量追溯 供应现场数据的实时获取有待提高 如原材料库存数据 采购订单信息 到货信息等 典型应用 1 一 采购物流环节 实现从采购计划下达 采购单生成 采购单执行 到货接收 检验入库 采购发票结算全过程中物流活动环节的严密跟踪 监督 二 生产制造环节 建生产感知控制系统 及时获取生产数据以及关键零部件的入库 发料 加工安装 完工等信息 监控在制品 成品和物料的生产状态和质量状态 支持生产计划的临时调整 三 仓储环节 利用RFID和智能手持设备 实现自动盘点 四 包装运输和到地组装环节 自动识别和判断零部件的可配套性和运输的准确性 提供有效的检查方法 五 全生命周期质量管控 实时记录关键质量信息 实现质量追溯 应用内容 通过物联网技术与管理系统融合应用 实现装备产品采购物流 生产过程 仓储控制 设备安装以及运行维护等产品全生命周期关键过程和阶段的精细化管理 提升企业的持续盈利能力 电站装备 航空等领域 2 基于嵌入式系统的大型设备远程智能监控与维护服务 典型应用 2 第一阶段 基于智能嵌入式系统的远程设备监控利用嵌入式系统采集用户现场设备运行参数 通过无线发射方式进行数据传输 利用监控平台接受并管理采集来的数据 实现运行状态展示 诊断 情况预警等功能 掌握设备实时运行情况 第二阶段 基于数据挖掘的设备智能维护服务在第一阶段的基础上 利用所采集的设备历史运营数据 对设备状态 故障处理 检修计划 备品备件等进行管理 通过对历史数据的分析 利用决策方法和数据挖掘工具 实现设备状态的预防性维护维修 智能诊断以及备品备件管理 应用内容 新能源装备 工程机械 冶金设备等领域 典型应用 3 3 基于物联网与信息化融合的生产过程智能管理与控制 生产线上数据不能及时获取 使得产品统计的实时性和数据准确性得不到保证 且造成资源的浪费 产品生产精细化管理有待提高 目前生产的管理是以批次管理为单位 不能对生产线上每一个产品的生产过程进行有效的监控和管理 生产过程质量的管理和追溯有待提高 目前生产质量管理主要是采用汇总统计分析的方式 不能实现对单品的管理 质量问题主要通过生产流水号查询零部件的批次号和供应商代号进行追溯 无法直接快速地定位到对应的批次和产品个体 现存问题 典型应用 3 在工厂车间层通过RFID技术采集实时生产作业信息 并与制造业执行系统 MES 和生产资源计划系统 ERP 等集成 融合应用 建立可靠的实时生产信息流 从而创造附加值 提高生产率 第一阶段 基于RFID技术的生产数据采集和工艺过程管理通过对线上产品进行识别 根据生产工艺管理系统 确定当前产品的生产工艺内容 保证工人或加工设备执行正确的加工工序 实现与管理信息系统的融合应用 第二阶段 基于工件识别的复杂生产控制管理根据生产需求计划和生产线实时情况 包括实时生产数据 设备与环境状态 人力状态等 进行统筹调度 排产和管理 对生产计划进行优化 并把实时的计划信息和生产信息写入产品电子标签中 更好的进行排产 调度的优化以及质量的管控 实现实时状态下的精益生产 应用内容 4 基于智能传感技术的生产环境监测与能源管理 典型应用 4 一 基于传感技术的环境监测针对能源消耗大 生产安全重要性高以及特种生产环境等情况的工业企业 利用智能传感技术 实时采集各类关键性的物理 化学 温度 湿度 压力等指标参数 进行现场警报等自动控制措施 实现实时感知 准确辨识 快捷响应及有效控制 保证生产的安全和可靠性 实现对生产环境的精细化 智能化管理 二 基于智能环境监测的能源管理利用物联网技术进行前端环境数据采集和监测 建设分项能耗计量系统和节能管理系统 通过对环境和设备设施准确的分项能耗计量和运行监测 实现用能监督管理 通过科学的能耗数据诊断 分析 找出不合理的用能症结 进行针对性的能源管理措施 以合同能源管理的形式实现对暖通设施 照明 能耗设备等关键能耗系统的改造实施 实现节能减排的目标 应用内容 船舶 工程机械 电力生产等领域 5 基于多技术融合应用的第三方智能物流 典型应用 5 一 基于多技术融合应用的物流可视化和追溯管理基于GPS卫星导航定位技术 RFID技术 传感技术等多技术融合应用 实现车辆货品等对象的识别和跟踪 实时监控车辆的运行路线 对于驶离规定路线的车辆进行报警 实现车辆定位 运输物品监控 在线调度与配送可视化与管理 通过数据分析和挖掘 进行车辆运营效率的优化 实现物流作业的透明化 可视化和过程追溯管理 二 面向精准供应的智能物流服务面向生产企业 提供第三方的精益智能化入厂物流配套服务 结合生产管理系统 零部件物料跟踪系统 自动化仓储系统的协作管理 实现主动式物料搬运 自动输送与分拣上线 自动出入库操作等 使整个上线喂料物流过程实现自动化 智能化 提升制造服务水平 应用内容 重化 汽车等物流领域 6 基于Telematics的车联网 典型应用 6 第一阶段 基于Telematics的综合信息服务基于Telematics系统 通过无线通信技术 卫星导航技术 短距离通信技术等手段 实现对车辆的实时信息获取 传输 加工处理 存储以及应用 并依托后端车联网服务平台 开展车辆安全 远程诊断 导航 综合信息等服务 在此阶段 可针对电动汽车在区域内进行试点应用 第二阶段 车路协同智能交通管理利用实时无线通信技术 实现车车 车路之间信息交互与协同控制 形成一个以车路协同网络为中心的全分布式智能交通控制系统 利用智能车载系统和智能路侧系统组成自组织网络 互相交换诸如车速 方向 位置甚至驾驶员意图等信息数据 利用智能路侧系统和后台管理系统的智能控制提高交通系统的运输效率 同时通过车辆的智能控制提高道路安全性 应用内容 车联网 是利用无线射频识别等技术 通过装载在车辆上的电子标签 实现在信息网络平台上对所有车辆的属性和静 动态信息的获取 利用和管理 并根据不同的应用需求对车辆提供实时综合服务 7 智能港口码头区域综合应用 典型应用 7 综合应用无线传感器网络 RFID 移动通信等技术 采集货物运输 港口码头作业 堆场 园区 仓储作业 物流装备作业等活动的信息和数据 有机整合物流系统信息流 实现货物的自动识别 定位跟踪和状态监控 实现码头集装箱物流 仓储等过程的自动化控制和管理 实现港口码头作业全过程的信息采集和传输 强化港口信息系统的监管能力和作业效率 提高港口码头的智能化管理和服务水平 国内外物联网应用发展现状及趋势推进物联网工业应用的必要性物联网工业应用全景与推进路线物联网典型工业应用物联网工业应用推进保障措施 目录 物联网工业应用配套环境建设 1 以应用为导向的物联网工业应用标准体系建设 1 管理类标准 主要包含编码注册管理标准 无线电管理标准 编码注册管理标准是对各类信息编码体系维护 管理的标准 是保证物品编码唯一性的机制 无线电管理标准是对射频识别系统的发射功率 频率带宽等方面的管理规定 2 技术类标准 主要包括开放系统及封闭系统的编码标准 编码解析标准 物品信息服务标准 跟踪服务标准 数据格式标准 测试标准等 3 信息安全类标准 物联网信息网络方面均需要制定安全标准 主要包括物联网信息系统安全基础 技术 管理以及评测四类标准 4 应用技术类标准 物联网技术的应用领域非常广泛 在各个应用领域需要根据应用领域的自身特点 结合具体应用领域的要求和管理目标 制定分属不同应用领域的物品编码与标识 数据存储和交换格式 产品规范 系统架构类 测试规范类 工程建设等应用标准 物联网工业应用配套环境建设 2 物联网工业应用技术研发体系建设 1 系统集成技术在物联网环境中 系统集成是实现从前端信号采集 网络传输和后台服务系统的有效连接 面向异构的硬件系统和通讯环境 解决各类终端设备 子系统间的数据接口 通讯协议 应用软件接入等相关的问题 2 中间件技术物联网中间件为底层终端与上层应用