物联网USN 体系与混合式架构应用

韩济泽，张永林

（江苏科技大学，江苏镇江 212003）

物联网被称为继互联网、个人PC之后第三个万亿级的信息技术产业。自提出以来，一直是各国争相竞争的技术高点。能够优先掌握先进的物联网技术，不仅是提高我国船舶企业竞争力的重要途径，也是实现我国船舶制造智能化、信息化、数字化的重要支撑。

文中主要研究并分析了当前常用物联网的3 种标准体系和3 种架构，结合上海外高桥船舶分段制造车间实际的应用场景，研究船舶制造过程的物联网接入需求，给出功能性采集数据；分析车间现有的网络构成，将车间网络分为无线传感网络、多业务高带宽网络和数控设备网络3 类，给出各自特有的网络形式与共性网络，并设计了混合式网络架构。最后，按生产设备的多寡，给出车间环境整体拓扑结构和基于USN 体系的物联网架构方案。

1 物联网标准体系

1.1 USN体系

泛在传感器网络（USN）是国际电信联盟（ITU）提出的一种分层体系架构。ITU 在2005 年WSIS 大会上正式提出“Internet of Things(IoT)”的物联网概念，紧接着，物联网成了世界各国争相发展的新一代信息技术。USN 逐渐发展成为重要的物联网分层体系，最初的USN 体系由底向上划分为三层构造：感知层、网络层、应用层。底层的感知层是物联网体系的核心，相当于人类的五官，实时感知、识别外部世界，是及时获取数据信息的重要通道与来源。网络层运用多种网络形式、网络介质将采集到的数据信息及时向上层传输，以便上层获取与查看。应用层是整个体系架构的最上层，该层集中了大量的应用管理设备，满足物联网带给人们的便捷，即在任何时间（Anytime）、任何地点（Anywhere），对任何事物（Anything）都能智能快捷地获取并管理数据信息。随着科学技术的进步，USN 体系得到发展与细化，比如出现了五层体系，甚至是六层体系[1-2]。

1.2 SWE体系

2005 年，开放地理空间联盟（Open Geospatial Consortium,OGC）提出SWE（Sensor Web Enablement）访问传感器标准体系[3]。该体系主要通过Web 访问连入互联网的传感器资源，定位于应用层，结合传感观测服务（Sensor Observation Service,SOS）、传感器建模语言（Transducer Markup Languange,TML）等技术，提供基于XML 数据标准格式的传感器建模语言，使得传感器能够实现自我感知的功能[3]。SWE 体系常用于构建传感信息模型，重点在于对设备的发现与数据资源的共享[4]，并对顶层服务提供大量的统一接口，但缺乏对底层硬件设备服务的统一规范，企业大规模应用受到一定限制[3，5]。

1.3 RFID体系

射频识别技术（RFID）是物联网的核心技术之一，能够通过非接触式的方式对选定目标进行识别、跟踪和管理，是物联网实现智能化的重要方法之一[3]。目前，RFID 包括三大标准体系,分别是ISO/IEC体系、美国EPC（Electronic Product Code）global 体系和日本的UID（Ubiquitous Identification）体系[6]。当前，EPC（电子编码）在全世界的应用范围较为广泛。ISO/IEC 体系主要基于ISO IEC14443、ISO IEC10536、ISO IEC15693，作为实现RFID 的主要标准[6-7]。UID 则限于兼容日本本土已有的编码体系，有限支持ISO 标准，应用范围较局限。

分析表1，对比USN 体系、SWE 体系与RFID 标准的结果可以发现：USN 体系适用于任何形式的物联网架构设计，而且应用范围覆盖SWE 体系与RFID 标准，而且USN 体系架构的复杂性较SWE 体系更为全面，较RFID标准更为直观明确。因此，应用USN体系标准设计物联网网络立体分层结构是个很好的选择。

表1 USN、SWE和RFID体系比较

2 物联网网络架构

2.1 REST架构

表征状态转移（Representational State Transfer,REST），是由Roy Fielding 博士在其博士论文中首次提出的一种软件架构概念[8]。REST 架构常基于HTTP、URI（Uniform Resource Identifier，统一资源标准符）和XML（可扩展标记语言）以及HTML 使用，是一种可以提高系统伸缩性且相对简单的服务架构。REST 对所有的资源共享提供统一的操作接口（比如API 接口），接口有明确的功能定义和操作契约[8]。REST 还可以提供无状态交互，帮助基于架构的基本服务，组合构建为更大的自由集合，得到理想的系统应用架构。

2.2 集中式架构

集中式架构是物联网物理架构常见的接入架构之一，是基于各类M2M等终端设备为代表，如Machine to Machine（机器-机器）；Machine to Man（机器-人），通过分析终端设备自带的接口与接入方式，整合并设计开发一系列集成接口，使得机器设备能够集中连接在一起，实现工业生产对加工设备的集中管理。集中式架构通过有线通讯方式，能够提供稳定、可靠的网络接入。但是在实际开发统一集成接口过程中，由于设备与设备间异构、兼容性较差，造成开发成本过高，而且开发好的集成接口，由于数量有限，设备接入数量与范围等方面也存在局限性[3，9]。

2.3 分布式架构

分布式架构常见于各类传感器网络中[3],通过把众多设备抽象为节点，并以自组网的形式，设计出星形、环形等形状的分布式网络，再将各节点通过不同的路由转换策略进行整合通讯[10]。相较于接入设备受限的集中式架构，分布式架构以设备虚拟为节点，接入数量存在明显优势。而且节点开发成本低廉，使得接入范围更广，能够满足更多设备的接入需要。但分布式节点以小型、轻便设备为主，并网方式以无线方式为主，因而在通讯可靠性上存在明显不足，易受到环境干扰造成通讯质量不佳，甚至中断的不良影响。因而，文中将结合集中式和分布式架构特点，设计出满足实际车间需求的混合式网络架构[11-16]。

表2 REST架构、集中式架构、分布式架构比较

综合分析比对REST 架构、集中式架构与分布式架构发现，REST 架构主要面向软件系统开发，不适合船舶制造车间大型设备简单化的模型设计。集中式架构仅是面向终端设备，比如便携式终端，是实现人机交互的主要架构方案，而船舶车间不仅拥有终端设备，还有前端设备、中高端设备，设备接入有限，不适合做整个系统的架构设计。分布式架构和集中式架构一样，存在对象单一的问题。可以将集中式架构与分布式架构整合在一起，构成混合式架构，更适合面向复杂系统整体的物联网架构设计[17-18]。

3 实例设计

基于“工信部——外高桥船舶制造过程的物联网技术研究”项目，设计船舶分段制造车间物联网网络架构与立体分层网络架构方案。

3.1 物联网接入需求

3.1.1 数据接入需求

物联网系统接入需求分为功能性需求和非功能性需求两大类[2]。功能性需求是指设备能够提供给实际生产加工活动的自身能力与同时满足不同用户需求相匹配的业务能力，包括用户管理、设备管理、数据信息管理等。非功能性需求作为功能需求的补充[7]，是指设备自身稳定性、可靠性、灵活性、兼容性等性能，并且支持系统整体稳定运行的能力。根据外高桥船舶分段制造过程物联网接入需求，结合工艺过程、生产管理、设备管理等视角，给出需要通过物联网采集的功能性数据需求，如图1 所示。

图1 船舶制造过程中的功能性数据需求

图1 给出了船舶制造过程从生产工艺、生产材料、生产设备3 个方面的功能性数据需求。数据作为接入物联网的基础，通过不同方式获取到的数据是构成物联网感知层的核心内容，也是实现物联网实时监控生产制造过程中数据交互的重要组成部分。因此给出生产制造的数据需求，是构建车间物联网系统的第一步。

3.1.2 接入设备及其接入方式

由于船舶制造车间生产设备众多，支撑的网络形式迥异，因此数据类型也不尽相同。根据图1 所示的数据需求，选择能够采集到这些数据的设备以及设备所连接的网络形式，关系到是否能够实现物联网实时监控、查看的目的。

根据车间实际环境和数据种类，采用不同的接入设备搭配不同的接入方式：比如生产工艺的焊接精度、焊接品质是可以通过人工的方式，现场进行实时测量、评价，就可以获取数据信息；而生产设备的产能则需要设备运行一定时间后，通过设备的重力传感器来判断这段时间重力改变的次数，因此在采集产能数据时，需要将重力传感器接入PC 端，通过光纤网络实时上传数据，以便工作人员实时获取数据信息。

3.2 物联网网络架构设计

3.2.1 生产车间现有网络分析

因生产车间拥有众多加工设备，而且每一台设备由于生产厂商不同，所支持的网络形式也存在差异。车间当前存在3 种主要网络形式，分别是无线传感网络、多业务高带宽网络和数控设备网络。无线传感网络，又称无线传感器网络（Wireless Sensor Network,WSN），主要包括4G、WiFi、ZigBee、WiMAX等网络形式。多业务高带宽网络（Multi-service High-bandwidth Network,MHN）包括有线（比如工业PON、工业以太网、电力载波通讯PLC 等）和无线（比如WiFi、4G、WiMAX 等）两类网络。数控设备网络（CNC Equipment Network,CNC-EN）包括串行总线（Universal Serial Bus,USB）、工业现场总线（Industrial Field Bus，IFB）、工业以太网（Industrial Ethernet，IE）、PLC 等通讯网络。

图2 给出了车间当前主要3 种网络形式WSN、MHN、CNC-EN 的区别与联系。可以看出，WSN 包含MHN 的WiMAX 网络，MHN 与CNC-EN 共同支持PLC、IE 网络，但是无线传感网络与数控设备网络之间没有共性网络，彼此间网络形式是独立的。

图2 WSN、MHN、CEN 3种网络关系图

3.2.2 物联网网络架构设计

根据2.2 节集中式架构与2.3 节分布式架构，结合现场车间设备资源分布，搭建如图3 所示的混合式物联网网络架构（IoT Hybrid Network Architecture，IOT-HNA）。将整个生产车间划分为两个子部分，如图4 所示。左半区域，主要用来存放按照切割标准生产好的待用钢板，这部分区域大型设备很少，留有储备加工原料的场地，适合利用无线技术、传感器技术进行网络设置。右半区域，主要将切割好的钢板按照生产设计要求进行拼装、焊接等制造工艺，这部分区域大型设备众多，运行交织复杂，生产加工环境相对恶劣，同时重型加工设备对无线传感网络的通讯造成较强干扰，因此，这部分区域，使用多业务高带宽网络与数控设备网络兼并的通讯组网方式，满足这部分区域设备既能精准加工，又能实时传输数据的需要。

图3 混合式物联网网络架构

图4 车间现场平面左、右部分分布图

图3 是在图4 的基础上设计而来的。将图4 分段制造组立车间分为左、右两部分，左边部分设计了如图3 所示的核心模块左半边的网络架构，由于该区域大型设备较少，因此可以使用车间设备屏蔽效果较弱的无线网络形式；而右边部分大型生产设备众多且异构，会对无线信号的产生与接收造成较强的屏蔽效果，因此，在这部分应用统一的集成接口转换器，使用稳定性较好的光纤网络形式实时采集与查看生产制造过程的数据。

3.2.3 整体拓扑结构

拓扑结构是指网络中各个节点相互连接的形式。主要有星形拓扑、环形拓扑、树形拓扑、总线型拓扑等7 种形式，其中由总线型、星形和环形这3 种基本形式混合起来运用的称为混合型结构。根据图4 制造车间布局图，文中基于星形、环形和总线型，设计了物联网整体混合型拓扑结构，如图5 所示。

图5 是在图3 的基础上设计而来的。将图3 中大型设备细化，得到包括六大工位在内的工业现场总线网络形式的混合型拓扑结构图。核心交换机的左边，将各种便携式设备连入路由器，实时访问数据库，使用便携式设备的访问记录，同时也保存在数据库中，方便实时查看与监控。右边则将企业ERP 连入API 统一接口中，实现ERP 获取各工位实时生产数据信息，方便工作人员、管理者随时监控查看。

图5 船舶制造车间物联网整体拓扑结构

3.3 车间物联网立体分层架构方案

设计船舶制造分段车间整体立体分层架构，基于物联网USN 体系架构，结合RFID 技术、GPS 技术、条码技术、Socket 服务等关键技术，结合车间实际情况，确定采用四层架构设计方案，分为数据感知层、网络配置层、网络处理层和实际应用层。整体分层架构方案如图6 所示。

图6 整体分层架构方案

图6 是基于USN 体系拓展而来的四层架构方案。最低层是数据感知层，包含RFID 技术、GPS、EPC技术、条码技术、生物识别技术、传感器等先进技术，实现对人员分布、设备生产状态等数据的及时获取。接入大量物联网设备，连入支持自身设备的网络配置层，实现数据通过互联网方式进行上传与接收，再通过网络处理层对虚拟的数据信息进行处理、分类，最后传到应用层的各个终端、企业ERP，即实现物联网技术在整个车间网络架构系统中的应用。

4 结束语

文中重点设计了USN 体系及混合式架构在实际船舶制造车间的应用。首先，对现有常用的物联网体系与架构进行了比较分析，得到USN 体系比SWE体系、RFID 标准更为广泛、清晰的应用领域，也是目前物联网架构设计最常用的体系。其次，对不同网络架构进行对比分析，提出应用集中式与分布式相结合的混合式网络架构，同时深入船舶制造车间，设计适合车间现有网络分布的混合式网络架构。然后，根据USN 体系感知层、网络层与应用层，分别介绍了数据信息需求、现有网络配置分析及内在关系。最后，设计了整体车间网络立体架构方案，同时对应用层进行了说明。所设计的USN 体系分层方案与混合式网络架构，能够很好地满足船舶制造车间对船舶制造过程智能化、信息化、数字化的需求,同时在不改变车间现有条件的基础上设计的网络架构方案也易实现。