工業物聯網：平台架構、關鍵技術與應用實踐

胡典鋼

資深工業物聯網專家，順豐物聯網平台負責人，
兼任順豐集團職業發展評審委員和ZETA聯盟工業物聯網高級顧問，
負責順豐物聯網平台建設及產品化工作。
在物聯網、邊緣計算、工業大數據領域從業10餘年，有豐富的實踐經驗。

歷任NI公司應用工程師、高級應用工程師、大區銷售經理，
兼任GSDZone社區專欄作者和海南大學校外專家，
NI (中國)首位認證雙架構師——LabVIEW架構師和TestStand架構師，
主導大型工業自動化測試控制和工業物聯網項目的開發工作。
2016年受邀撰寫專著《TestStand工業自動化測試管理》，廣受業界好評，多次重印。

推薦語
序
前言
致謝
第1章　工業物聯網：未來已來 1
1.1　工業物聯網的發展背景 2
1.1.1　智能製造與工業4.0 2
1.1.2　OT與IT融合之路 4
1.1.3　企業數字化轉型 7
1.2　工業物聯網的內涵與本質 9
1.2.1　工業物聯網的支撐體系 9
1.2.2　工業物聯網與工業互聯網的關係 9
1.2.3　高效率、低成本與高質量 11
1.3　工業物聯網產業現狀 13
1.3.1　工業物聯網賽道角力與佈局 13
1.3.2　企業如何找准定位 15
1.4　工業物聯網面臨的挑戰 17
1.4.1　如何衡量價值 18
1.4.2　做看板還是決策建議系統 19
1.4.3　既懂業務又懂技術 20
1.4.4　技術鏈路過長 21
1.5　本章小結 22
第2章　工業物聯網體系架構 23
2.1　從業務視角到體系架構 24
2.1.1　工業物聯網感知 26
2.1.2　工業物聯網網絡連接 27
2.1.3　邊緣計算 28
2.1.4　工業物聯網平台 28
2.1.5　工業物聯網應用 29
2.2　關於工業物聯網體系構建的思考 30
2.2.1　架構千篇一律 30
2.2.2　平台是效率最優的嗎 31
2.2.3　工業物聯網需要什麼樣的團隊 31
2.3　工業物聯網技術趨勢 32
2.3.1　加速泛在連接 32
2.3.2　工業大數據 33
2.3.3　沉澱用例，能力復用 34
2.4　本章小結 35
第3章　工業物聯網感知 36
3.1　工業物聯網感知層的內涵 37
3.1.1　工業數據採集的範圍 37
3.1.2　工業數據採集的特點 37
3.1.3　工業數據採集的體系結構 39
3.2　傳感器：真實物理世界的探針 41
3.3　工業數據採集關鍵指標 43
3.4　工業通信基礎 50
3.4.1　數據傳輸方式 50
3.4.2　網絡拓撲 52
3.5　有線設備接入 54
3.5.1　基於現場總線 54
3.5.2　基於工業以太網 59
3.6　無線設備接入 62
3.6.1　短距離無線設備接入 63
3.6.2　長距離無線設備接入 74
3.7　協議轉換 79
3.8　本章小結 80
第4章　工業物聯網網絡連接 81
4.1　OSI參考模型 82
4.2　網絡互聯和數據互通 86
4.2.1　網絡互聯 86
4.2.2　數據互通 89
4.2.3　工業網絡設備 92
4.3　有線網絡互聯 95
4.3.1　工業網絡互聯 95
4.3.2　時間敏感網絡 95
4.3.3　接入層、匯聚層與核心層 98
4.4　無線網絡互聯 100
4.4.1　無線網絡互聯延伸 100
4.4.2　5G：下一代蜂窩網絡技術 101
4.4.3　4G Cat-1與低功耗廣域網 106
4.4.4　物聯卡的流行與挑戰 111
4.4.5　無線信號穿透性和繞射性 113
4.5　數據互通：OPC UA 116
4.5.1　應用層協議還是技術標準體系 116
4.5.2　信息模型 119
4.6　本章小結 123
第5章　邊緣計算 124
5.1　邊緣計算：新瓶裝舊酒？ 125
5.1.1　為什麼提出邊緣計算 126
5.1.2　誰在擔任邊緣計算的角色 127
5.1.3　邊緣計算領域有哪幾類公司 129
5.2　邊緣計算和邊雲協同 130
5.3　AIoT：帶邊緣處理能力的節點 131
5.3.1　SoC嵌入式硬件架構解析 132
5.3.2　輕量級邊緣智能 135
5.4　預測性維護 138
5.4.1　預測性維護的興起 138
5.4.2　如何實施預測性維護 141
5.4.3　預測性維護的挑戰 144
5.5　追溯：工業自動化 146
5.5.1　分佈式控制系統 146
5.5.2　數據採集與監視控制系統 149
5.6　邊緣節點續航陷阱 151
5.6.1　被忽視的續航陷阱 151
5.6.2　邊緣節點功耗估算 154
5.6.3　電池續航能力評估 155
5.6.4　一次電池和二次電池 159
5.6.5　電池可靠性測試與認證 161
5.7　本章小結 163
第6章　雲計算 164
6.1　寫在工業物聯網平台之前 165
6.2　雲計算為何興起 166
6.3　雲計算知識圖譜 169
6.4　雲計算服務模式 171
6.4.1　基礎設施即服務 171
6.4.2　平台即服務 172
6.4.3　軟件即服務 174
6.5　雲計算部署模式 174
6.6　上雲的挑戰：錯誤預期 177
6.7　虛擬化技術 179
6.8　服務化 182
6.8.1　遠程過程調用 183
6.8.2　面向服務架構 184
6.8.3　微服務 186
6.8.4　RESTful風格 187
6.9　Docker容器技術 190
6.10　Kubernetes資源管理 193
6.11　C/S與B/S架構 196
6.12　本章小結 197
第7章　工業物聯網平台 198
7.1　工業物聯網平台應包含什麼 199
7.1.1　通用PaaS服務 199
7.1.2　工業PaaS服務 200
7.1.3　工業物聯網平台應用分佈 201
7.2　設備接入 202
7.2.1　設備註冊 202
7.2.2　規則引擎 206
7.2.3　接入並發能力 207
7.3　設備管理 208
7.3.1　物模型 209
7.3.2　遠程升級 209
7.3.3　物影子 213
7.4　物聯網協議 216
7.4.1　長連接和短連接 216
7.4.2　MQTT協議 218
7.4.3　HTTP 222
7.5　邊雲協同 224
7.5.1　邊緣節點集中管理 224
7.5.2　跨層級設備接入和管理 229
7.6　大數據系統 232
7.6.1　數據存儲 232
7.6.2　數據分析 236
7.6.3　數據可視化 237
7.7　工業數據建模 239
7.7.1　信息模型和機理模型 239
7.7.2　精益生產和持續改善 242
7.8　平台賦能開發者：低代碼化 243
7.9　平台核心：數據的自動流動 248
7.9.1　打破信息孤島 248
7.9.2　挖掘數據應用價值 249
7.10　本章小結 250
第8章　工業物聯網應用 251
8.1　應用：回歸業務本質 252
8.2　關於工業APP 253
8.3　應用案例概覽 253
8.3.1　應用案例業務價值匯總 254
8.3.2　如何看待和衡量投資回報率 254
8.4　當代工廠車間數字化應用 255
8.4.1　從信息化整體規劃到數字化轉型 255
8.4.2　應用實踐 257
8.5　軌道交通裝備遠程監控和故障診斷 260
8.5.1　背景介紹 260
8.5.2　目標價值 261
8.5.3　技術方案 261
8.5.4　延伸：一站式數字化設備運維服務 266
8.5.5　延伸：傳感器無線網絡，直面佈線難題 268
8.6　醫藥冷鏈：法律法規下的不斷鍊 270
8.6.1　背景介紹 270
8.6.2　目標價值 270
8.6.3　技術方案 270
8.6.4　延伸：室內外定位技術 273
8.7　電梯物聯網：安全與廣告跨界 275
8.7.1　背景介紹 275
8.7.2　目標價值 276
8.7.3　技術方案 277
8.7.4　延伸：規模化部署的障礙 282
8.8　聲源定位：讓城市更安靜 282
8.8.1　背景介紹 282
8.8.2　目標價值 283
8.8.3　技術方案 283
8.8.4　延伸：科技如何改善民生 286
8.9　本章小結 287