1 引論
1.1 工業互聯網
工業互聯網從技術本質上，是物聯網應用。也即，其連接的主體中包含設備。在當下的中國，工業互聯網、工業物聯網、產業互聯網的多個相近的概念都在使用，實際上所有試圖解釋和分辨的努力基本都是白費的，因爲主張者基本都說不清楚。本問作者實際上更主張採用工業物聯網的提法，因爲原本物聯網的目的就是要面向應用，從而必然涉及到人與業務。但是不幸的是，物聯網這個概念被很多人特指爲傳感器網絡，或者僅僅爲數據採集服務，那麼就不是筆者所主張的意思了。總的來說，工業互聯網相對更符合作者對此類系統的主張且不會引起歧義，但是我們卻不得已經常使用物聯網的概念——畢竟，在技術本質上工業互聯網就是一類物聯網應用。
物聯網概念的出現的時間並不長，在其不長的歷史中給很多人造成了概念上的困惑。而這些困惑的來源，正是來自於人們難以分辨新興的物聯網概念和由來已久的工業領域的數據採集系統、SCADA等系統之間的差異到低在哪裏。的確，無論從概念還是技術架構上而言，這些傳統的工業信息化系統都符合物聯網的範疇。或者我們可以說，物聯網的思想萌芽恰恰是來自傳統的工業信息化系統。其中最明顯的例子就是所謂“智能電網”。電網的調度傳統上就是電網SCADA的功能，而在物聯網的理念深入的同時，傳統的電網SCADA也產生了一些有益的變化，比如其完善的基於數據模型的技術架構和標準的通信協議。雖然公認的物聯網概念的似乎是誕生於物流領域，即RFID技術，但是隨着物聯網理念的推廣，公認的流行技術架構也明顯開始借鑑傳統的工業控制系統。而隨着衆多原本提供工業控制系統與產品的企業開始聲稱自己已經轉型爲工業物聯網或者“智慧工業”的解決方案的提供商，工業物聯網和工業控制系統的界限已經逐步消失。
那麼問題來了，既然如此，是不是說我們就沒有必要再提出這個“工業互聯網”的概念了呢？
首先，工業控制系統雖然可以視爲工業物聯網的類型之一，但其仍然具有自身的特點。
這類傳統控制系統普遍注重數據的實時性，這主要是因爲這類系統一般都出現在數據所代表的工況必須儘快處理的場景。但是隨着工業信息化的發展，人們逐漸發現存在着更多的不需要那麼強的實時性的場景。或者說，更多的工業物聯網應用只要求數據有及時性，只要數據到達用於處理數據的計算單元時間足以使這些計算單元有足夠的時間來處理即可。這種從實時性到及時性的改變，擴大了工業信息化的應用範圍，還對系統的技術方案也帶來了很大的變化。當然，我們仍然可以把實時的系統看做及時系統的一個極限情況。也顯然，我們並不能說物聯網系統就不會強調實時性，在某些應用中，比如有害氣體報警、災害處置等情況下，實時性仍然是致命地關鍵的。
傳統工業控制系統還有一個特點是，一般而言事務流程相對簡潔明瞭，雖然可能在幾種工況之間切換，但是總得來說靈活性不高，也相對固定。而新型的物聯網業務模式中，有一些基於數據分析的業務的，其業務流程具有一定的靈活性，或者說模糊性。比如根據採集到的數據發送定向廣告，其選擇的算法可能是不斷進化的，帶有一定的隨機性和模糊性。此外，高級物聯網應用的頂層業務流程隨企業或企業間的關係不斷變化，其穩定性也較差。
其次，相比傳統工業系統，工業物聯網使很多新興商業模式成爲可能。
傳統的工業信息化系統一般都是局域網模式。雖然這種網絡鎖覆蓋的地理面積可能也相當的大，比如“智能電網”，但是這仍然改變不了這些應用是局域網應用的事實。究其原因，主要是此類應用一般都是運行在一個局域網或者虛擬局域網的環境中。但是當智能電網延伸到終端的時候，比如一些用電戶同時利用自身新能源設備向電網賣電的情況，基於物聯網的結算體系就對這一新型能源供給和消費模式的清算提供了可能。此外，由於新興的工業物聯網應用中出現一些跨越法人邊界的、連接多種產業角色平臺的屬性。傳統的工業控制系統的定義已經顯然不在合適。一個很好的例子就是機牀廠家爲了完善自己的售後服務所安裝的機牀聯網系統，可以讓機牀廠在自己的辦公室中就能瞭解在客戶處的機牀設備的情況。一些物聯網系統其數據層以下甚至就是傳統的SCADA系統，但是因爲其上層應用的創新性，我們已經不能再將其與傳統的SCADA混爲一談了，原因就在設計系統的視角已經改變。
再次，物聯網的發展，的確催生了很多超越傳統控制系統的技術和產品。
主要體現在一些新型的傳感器和傳輸網絡技術上。爲了經濟、準確地採集更多的數據，對傳感器技術提出了更多的要求。而低功耗、自組織、高安全性的無線通信網絡技術也是方興未艾。在上層的數據和業務流程處理上，也不斷產生了各種有別於傳統實時數據庫的平臺級產品。一些傳統工業設備爲了支持聯網，也出現了明顯的大面積地採納智能化設計的趨勢，即設備遠程支持聯網。
但是，一般不主張將過程控制系統（PCS）稱爲物聯網系統。此類系統一般採取PLC、DCS或者專用控制器實現，一般針對的是一個機羣內部的高速、實時的系統。這類系統一般對系統的實時性的要求更高、業務更單純。
另一方面，類似MES之類的原本歸屬不甚明確的工業信息化系統，目前普遍被歸爲工業物聯網系統，甚至在部署形式上，會出現公有云部署方式。
1.2 基本架構
圖1-1 工業物聯網基本架構
圖1-1可以簡明扼要地描述常見的物聯網系統，當然也包括工業物聯網的技術架構的示意圖。其中：
感知層與傳輸層
也就是一般所謂的可以產生數據的設備。可以簡要分爲幾類：普通設備、傳感器和執行器，以及智能設備和傳統的過程控制系統。對於自身缺乏網絡傳輸能力的設備，也就是說，一般需要先將數據以某種相對傳統的電氣和協議方式傳給一個傳輸層設備，即工業網關，由工業網關來幫助實現信號和協議的轉換，從而實現聯網。而智能設備，實際上可以理解爲內置了工業網關的設備，其自身天生就具有聯網能力。傳統的控制系統一方面控制了一個設備羣，另一方面也可以作爲整個設備羣的“網絡代言人”存在，以接入更大的工業物聯網系統。
這裏面有一個概念需要澄清，即傳感網。傳感網主要負責從傳統設備、傳感器和執行器到工業網關之間的通信。這是因爲，在工業現場，經常因爲低功耗要求、部署難度和成本等原因，是無法直接採用網絡層的那些技術的。爲此，工業領域和民用領域都催生了很多新型網絡技術。因爲主要是爲了一個設備集羣或者一個相對較小的範圍內的數據，這些通信技術普遍因爲傳輸距離較短而稱爲近場通信技術。但是這裏所謂的較短，更多是相對的意義，也就是和同一個系統中的用於連接服務端的網絡層跨越的距離相比，並不時說絕對距離就很短。比如，對於一個車間的生產管理系統，整個系統覆蓋的面積也就只有近百米見方；而一個油氣管道SCADA覆蓋了上千公里的距離，而其中的數據採集節點之間的近場通信網絡的傳輸距離也有近千米的距離。
傳感層和傳輸層也經常合稱爲設備端，這種稱謂更多用在從整個系統的角度來討論作作爲數據來源的智能設備和工業網關的時候。
網絡層
我們可以列舉的出的各類聯網信號和協議類型，包括有線和無線局域網，3G/4G/5G等移動通信網，以及NB-IOT等專門爲物聯網開發的技術。
數據層和業務層
這兩個層次一開始並沒有明顯區分，但是隨着人們漸漸發現不斷變化的業務邏輯和相對穩定的數據之間的差異後，越來越多的平臺將二者明顯區分開來，甚至有些物聯網服務商所提供的服務，主要就集中在數據層，而不直接提供業務邏輯，而是希望更多的集成商或者業務服務商借助其數據平臺提供業務邏輯。
這兩個層次一般都部署在服務器上，甚至是同一個物理服務器上，所以也經常被合稱爲服務端。
客戶端
也就是物聯網的用戶用來獲取物聯網系統提供的服務的設備或應用。常見的如一些手機、個人電腦上運行的可以接受物聯網服務端數據的應用，或者在很多B/S架構下，就是瀏覽器。當然，有些時候，服務端是通過直接傳遞數據給設備端提供服務的，而這種情況下，所謂客戶端並不包括已經定義爲設備端的設備。
1.3 數據
工業物聯網的內傳輸的數據，最大的特點是普遍會帶有時間戳。
時序數據
是帶有時間戳的連續數據，傳遞的方向是從設備端到服務端。時序數據一般用來表徵設備的狀態參數，通常是按照一定的採樣頻率聯繫發送的。時序數據的獲取方式可能是設備向網關主動推送，也可能是網關向設備端按照一定的頻率查詢。
事件數據
也帶有時間戳，但是因爲是表徵的是不規則發生的或者條件出發的事件，所以並不是連續發送的。一般用來表徵告警、狀態的切換等事件。正是因爲事件數據發生的不可預見性，事件數據通常採用設備端主動向網關推送的方式爲好；如果也採用網關向設備查詢的方式，就要充分評估查詢頻率對設備事件數據的傳遞產生的時間延遲，以及這種延遲可能帶來的不利影響。
指令數據
指令數據傳遞的方向是從服務端向設備端。指令數據可能帶也可能不帶時間戳，主要看物聯網系統自身業務對時間的敏感性來設計。比如，如果系統業務流程需要設備端忽略發出過早發佈的指令而採取最新的指令，指令數據帶有時間戳就有了必然的意義。如果帶時間戳，指令數據的表達格式一般和時序數據很像，但是通常不是連續發送的。
文件數據
文件數據的傳遞方向是雙向的，從設備端向服務端或者相反方向都有可能。比如在機牀羣控系統中，服務器可以向機牀數控系統下發工藝程序文件，也可以從數控系統中獲得被操作員在機牀側修改過的最新版本的工藝程序文件，或者數控系統的運行日誌等文件。
不同類型的數據不僅自身的基本組成不同，在物聯網系統的各個層面上，也會因爲採用電氣信號、通信協議、傳送機制的不同而有不同的變體，這在我們未來的章節中會逐漸講解。
1.4 小結
本章我們可以看到：
1、所謂工業物聯網，可以看做原本的工業控制和工業信息化系統的延伸和概念的擴張，隨之帶來的也有一些專有技術、產品和商業模式的產生。
2、典型的工業物聯網架構可以分爲傳感層、傳輸層、網絡層、數據層和業務層。其中傳感層和傳輸層常被稱爲設備端，數據層和業務層常被稱爲服務端。
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