物联网，为实施智能制造提供有力支撑

qq4612366 · 发表于 2017-5-9 15:00:30

江南大学物联网工程学院院长刘飞教授

刘飞，男，1965年出生，浙江大学博士，现为江南大学教授，博士生导师，先后担任江南大学自动化研究所所长、通信与控制工程学院院长、物联网工程学院院长、轻工过程先进控制教育部重点实验室主任。主要从事先进控制理论及应用、工业系统监控与诊断、过程工业智能装备与控制系统的研究与开发，是“工业感知与先进控制”江苏高等学校优秀科技创新团队带头人。
编者按：
随着“全面感知”、万物互联的智能时代到来，物联网作为超越虚拟世界与实体世界深度融合的全新体系，成为第三次信息产业浪潮、第四次工业革命的核心支撑，更被视作全球经济增长的新引擎。据预测未来几年内，物联网设备连接数量将会达数百亿，一个全新的“万物互联”新世界即将到来。本期记者特别专访了江南大学物联网工程学院院长刘飞教授，与他一起畅谈智能制造背景下中国物联网产业的未来发展。
自动化博览：您如何看待物联网技术在中国的应用情况？中国物联网产业若想在未来取得更进一步的发展，需要解决哪些问题？
刘飞：物联网概念缘起不是在中国，但物联网技术应用的最大推动力无疑是中国。中国政府自2009年批准无锡建设国家传感网创新示范区，2010年将“物联网的研发应用”明确列入要大力培育的战略新兴产业，“物联网”或称“传感网”逐渐进入公众视野，成为新一代信息技术的主要研究领域，也成为未来信息产业的发展方向，可以预见将对人类社会产生深远影响。目前物联网的应用在中国获得政府、科研院所、企业的广泛关注和参与，围绕物联网的政策探讨、技术开发、学术研究、应用示范及推广等都极其广泛，事实上推动了信息技术及互联网普及和蓬勃发展。但一般认为尚未形成真正大规模的物联网产业，究其原因，物联网被用作承载众多技术的“筐”，或与现有产业重叠，或被现有产业覆盖，模糊了其核心内涵，外延丰富以及浮躁的繁荣反而弱化了产业内生的创新动力。
物联网未来的发展应该回归初心，专注信息世界与物理世界的融合，在器件、系统、服务各个层面提供无缝的协同和连接，构建融感知、智能、传输、控制于一体的信息物理系统(Cyber Physical System, CPS)，应该在有机融合架构下重新审视传感器及仪表、通信与网络、信息处理、人工智能、自动控制等技术，形成新的技术体系，而不是现有技术简单组合。通俗地讲，现有技术简单组合只是实现了物联网的表象，只有当崭新的CPS体系结构大大简化、构建成本大大降低，才是物联网产业真正繁荣之时；当然，中国众多的应用实践为孕育CPS重大科学进步和原理性突破提供了可能，中国物联网产业发展应能走在世界前列。
自动化博览：您认为未来中国的物联网技术将在哪些领域有所突破？
刘飞：在现有技术体系下，由互联网、移动网络、大数据和云服务、低成本传感器等核心技术的支撑，物联网在中国已经步入迅速发展的阶段。从狭义的角度看物联网，一些人关注的重点是“网”，主要是网络技术、协议、标准等，这方面国内无论是研究还是应用基本处于前列，特别在无线通信技术方面，开始改变Zigbee、Wi-Fi等短距离通信的瓶颈；例如，近期基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）就是物联网领域一个新兴的技术，其支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，覆盖广、功耗低、有海量连接能力、模块成本较低，该技术的产品化目前还在进行中，但国内运营商已经在开始推动，这可能在一些垂直应用行业带来新突破。
从广义角度看物联网，关注重点应是“物联”，即通过信息与物理的融合实现物体的智能，进而物—物互连，虽然在智能处理、集成应用方面有所发展，但在各类微传感器和执行器、低功耗处理与传输等方面还有更广阔的空间；在信息与物理的融合结构（多尺度多层面）和融合理论方面尚待突破。
从物联网技术应用的角度，中国在公共领域服务、城市管理、交通、环保、医疗、安防等民生领域的应用创新将不断取得成效；但稍加分析可以看到，很多应用或是政府支持引导，或是互联网厂商和移动运营商推动，有些应用属于锦上添花；其实面广量大的工业企业特别是制造业本身有竞争力提升的需求，需要雪中送炭。一直以来从气动、电动仪表、DDC控制、DCS及现场总线，到MES/ERP/CIMS等系统，检测、控制、管理的技术和标准不断为企业发展服务，未来面向工业领域的物联网技术突破值得期待，比如，我国学术界已提出了工业认知网络、流程工业知识自动化；最近美国工业互联网联盟发布了工业物联网参考架构V1.8版本。
自动化博览：在您看来推动物联网产业发展的主要动力是？
刘飞：从国家层面推动物联网产业发展，简而言之就是大力促进信息技术向社会生活和生产的方方面面渗透，因此物联网产业发展就不是网络或信息技术问题，而是应用驱动问题。其实我国物联网概念的提出和推动，无论是面向社会管理和民生服务领域，还是面向工业、农业、电力等国民经济领域，都体现出应用驱动、示范引领的特点。
现在随着云计算、大数据、工业4.0、智能制造、人工智能、深度学习等新一代信息技术发展，也许有人认为物联网产业将被替代；其实不然，物联网关注的是多学科多技术的本质融合和集成应用，上述各类新技术的发展恰恰为物联网产业发展提供支撑和条件。应该说人类借助物联网，以更加精准、智能和定制的方式生产和生活、工作和享受；人类拓展时空限制，向往更美好的生活，甚至让工作变成生活的需要，正是物联网产业发展的主要动力。
自动化博览：如今大家都在谈论智能制造，您认为物联网将在这场制造业变革中发挥怎样的作用？
刘飞：我国坚持倡导的工业化与信息化“两化融合”，实际上为现阶段我国制造业变革指明了方向，同时也为物联网产业发展提供了充足的动力。记得几年前国家工业部门谈起物联网有一种说法，就是物联网更加重视物与物之间的信息，传感器采集信息后送给传感网，经互联网再由计算机对这些信息进行科学计算，发出指令，通过互联网和传感网，再反馈到实际检测的物理单元中，然后去控制和调整生产线。这就是说物联网本身包含了智能制造的一些要素，如对物理单元、机器或生产线的实时感知、智能计算、动态反馈及调整等；因此物联网可以为实施智能制造提供有力支撑。
此前国家、江苏省及无锡市等诸多物联网产业发展规划中，都重点提出推进智能工业、智能物流、智能电网等应用示范工程，也是说明物联网在制造业变革中的重要作用。理想的未来一个制造工厂本身应该按照一个CPS来设计和运行；而目前对已有制造企业的改造和升级，可通过物联网等新一代信息技术与先进制造技术结合来实施，例如德国工业4.0侧重离散工业领域，对于流程工业领域则有智能优化制造的需要，这其中物联网的思维、架构和技术都将发挥作用。
自动化博览：物联网技术的广泛应用，对自动化技术/产品提出了哪些新要求？
刘飞：自动化科学和技术发展伊始，即以作为对象的“物”为出发点，维纳划时代的著作《控制论——关于在动物和机器中控制和通讯的科学》，就是研究机器、动物等“物体”中控制和通讯的一般规律的科学，其思想和方法已广泛渗透到自然科学和社会科学各领域。物联网作为新一代信息技术被提出，其功能目标与自动化有相似之处，由自动化技术再看物联网，其“物—物”相联的本质也更加清晰；并且，自动化技术所包含的系统、决策、优化、反馈等思想，也为物联网下的各类技术集成和应用提供了方法论和工具。事实上，我国自动化学科所包含的控制理论与工程、检测技术及装置、系统工程、模式识别与智能系统、导航制导等方向内容，在不同程度上体现了物联网感知、传输、智能、控制等要素。
当然，自动化不等于物联网，但物联网的广泛应用，借助廉价及泛在的感知、通信及计算，一方面将开拓自动化技术的新领域，引发新应用；在物联网背景下自动化技术应能回归本源，与人或机器深度融合，与被控对象共同构成CPS，比如，人与物依存的可穿戴设备，基于知识自动化的生产等。另一方面也将带动自动化产品的新发展，如检测和执行单元的数字化、微型化、分散化、智能化等，未来自动化技术/产品将是一个充满机会的领域。
自动化博览：未来物联网技术将呈现出怎样的发展趋势？您如何看物联网产业的未来发展？
刘飞：物联网的核心概念是融合，是具有计算、通信、控制、协作和自治等功能的统一体，其技术要点是物理进程与计算进程相互嵌入，在器件、系统、服务、全异网络乃至控制系统等各个层面提供无缝的协同和连接。从理论研究方面看，相关论著发文量自2009年后开始逐步增长，到2013年以后增长明显；未来的发展趋势，希望逐步形成面向物联网（或CPS）的新突破，比如，信息空间与物理空间的融合渗透于所有尺度和层面，信息空间中的计算、通信、控制，如何对传统物理空间中的物进行定义并特性分析；需要新的模型化工具将具有时空属性的物理空间，与离散的无时空属性的信息空间进行关联；物联网（或CPS）运行过程中的动态自治和重组机理，人—物和物—物互动模式，以及各层面的反馈机制需要探讨；传输、控制与网络的耦合架构，是依赖于网络的控制机制设计，还是传输和网络需要控制？从技术层面看未来的发展，一些难题或问题也将逐步解决，诸如，物联网本质上是并发的，时间同步问题引起对硬件和软件、操作系统和编程语言的关系的重新考虑；网络环境下完备的功能测试不具可能性，由此引出CPS的可预测性问题；信息空间中信息本身和传输处理的安全可信问题也不可回避。
物联网产业经历最初的躁动期到平缓期，最近两年增速明显，主要原因一是物联网本身特有的融合性、渗透性和扩展性决定其对其它产业和技术的带动作用，物联网成为其它产业创新的触发器和其它产业升级的倍增器，由此受到政府、企业和社会的重视；二是与之相关的技术发展为物联网提供支撑，诸如集成电路、MEMS、移动通信、云计算、大数据、新材料等；三是经过前几年物联网应用的摸索，企业更加务实，开始寻找到产业落脚点和盈利点；四是物联网人才积累和培养正发挥作用，高校院所及企业研发人员在不断的应用实践中思考研究、学习提高，同时一批掌握新科技的毕业生逐步进入产业，以江南大学物联网工程学院为例，每年就有700多本科生和近300研究生毕业，物联网产业具备持续发展的条件，未来前景广阔。
摘自《自动化博览》2017年3月刊
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