物聯網，為實施智能製造提供有力支撐

江南大學物聯網工程學院院長劉飛教授

劉飛，男，1965年出生，浙江大學博士，現為江南大學教授，博士生導師，先後擔任江南大學自動化研究所所長、通信與控制工程學院院長、物聯網工程學院院長、輕工過程先進控制教育部重點實驗室主任。主要從事先進控制理論及應用、工業系統監控與診斷、過程工業智能裝備與控制系統的研究與開發，是「工業感知與先進控制」江蘇高等學校優秀科技創新團隊帶頭人。

編者按：

隨著「全面感知」、萬物互聯的智能時代到來，物聯網作為超越虛擬世界與實體世界深度融合的全新體系，成為第三次信息產業浪潮、第四次工業革命的核心支撐，更被視作全球經濟增長的新引擎。據預測未來幾年內，物聯網設備連接數量將會達數百億，一個全新的「萬物互聯」新世界即將到來。本期記者特別專訪了江南大學物聯網工程學院院長劉飛教授，與他一起暢談智能製造背景下物聯網產業的未來發展。

自動化博覽：您如何看待物聯網技術在的應用情況？物聯網產業若想在未來取得更進一步的發展，需要解決哪些問題？

劉飛：物聯網概念緣起不是在，但物聯網技術應用的最大推動力無疑是。政府自2009年批准無錫建設國家感測網創新示範區，2010年將「物聯網的研發應用」明確列入要大力培育的戰略新興產業，「物聯網」或稱「感測網」逐漸進入公眾視野，成為新一代信息技術的主要研究領域，也成為未來信息產業的發展方向，可以預見將對人類社會產生深遠影響。目前物聯網的應用在獲得政府、科研院所、企業的廣泛關注和參與，圍繞物聯網的政策探討、技術開發、學術研究、應用示範及推廣等都極其廣泛，事實上推動了信息技術及互聯網普及和蓬勃發展。但一般認為尚未形成真正大規模的物聯網產業，究其原因，物聯網被用作承載眾多技術的「筐」，或與現有產業重疊，或被現有產業覆蓋，模糊了其核心內涵，外延豐富以及浮躁的繁榮反而弱化了產業內生的創新動力。

物聯網未來的發展應該回歸初心，專註信息世界與物理世界的融合，在器件、系統、服務各個層面提供無縫的協同和連接，構建融感知、智能、傳輸、控制於一體的信息物理系統(Cyber Physical System, CPS)，應該在有機融合架構下重新審視感測器及儀錶、通信與網路、信息處理、人工智慧、自動控制等技術，形成新的技術體系，而不是現有技術簡單組合。通俗地講，現有技術簡單組合只是實現了物聯網的表象，只有當嶄新的CPS體系結構大大簡化、構建成本大大降低，才是物聯網產業真正繁榮之時；當然，眾多的應用實踐為孕育CPS重大科學進步和原理性突破提供了可能，物聯網產業發展應能走在世界前列。

自動化博覽：您認為未來的物聯網技術將在哪些領域有所突破？

劉飛：在現有技術體系下，由互聯網、移動網路、大數據和雲服務、低成本感測器等核心技術的支撐，物聯網在已經步入迅速發展的階段。從狹義的角度看物聯網，一些人關注的重點是「網」，主要是網路技術、協議、標準等，這方面國內無論是研究還是應用基本處於前列，特別在無線通信技術方面，開始改變Zigbee、Wi-Fi等短距離通信的瓶頸；例如，近期基於蜂窩的窄帶物聯網（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）就是物聯網領域一個新興的技術，其支持低功耗設備在廣域網的蜂窩數據連接，覆蓋廣、功耗低、有海量連接能力、模塊成本較低，該技術的產品化目前還在進行中，但國內運營商已經在開始推動，這可能在一些垂直應用行業帶來新突破。

從廣義角度看物聯網，關注重點應是「物聯」，即通過信息與物理的融合實現物體的智能，進而物—物互連，雖然在智能處理、集成應用方面有所發展，但在各類微感測器和執行器、低功耗處理與傳輸等方面還有更廣闊的空間；在信息與物理的融合結構（多尺度多層面）和融合理論方面尚待突破。

從物聯網技術應用的角度，在公共領域服務、城市管理、交通、環保、醫療、安防等民生領域的應用創新將不斷取得成效；但稍加分析可以看到，很多應用或是政府支持引導，或是互聯網廠商和移動運營商推動，有些應用屬於錦上添花；其實面廣量大的工業企業特別是製造業本身有競爭力提升的需求，需要雪中送炭。一直以來從氣動、電動儀錶、DDC控制、DCS及現場匯流排，到MES/ERP/CIMS等系統，檢測、控制、管理的技術和標準不斷為企業發展服務，未來面向工業領域的物聯網技術突破值得期待，比如，學術界已提出了工業認知網路、流程工業知識自動化；最近美國工業互聯網聯盟發布了工業物聯網參考架構V1.8版本。

自動化博覽：在您看來推動物聯網產業發展的主要動力是？

劉飛：從國家層面推動物聯網產業發展，簡而言之就是大力促進信息技術向社會生活和生產的方方面面滲透，因此物聯網產業發展就不是網路或信息技術問題，而是應用驅動問題。其實物聯網概念的提出和推動，無論是面向社會管理和民生服務領域，還是面向工業、農業、電力等國民經濟領域，都體現出應用驅動、示範引領的特點。

現在隨著雲計算、大數據、工業4.0、智能製造、人工智慧、深度學習等新一代信息技術發展，也許有人認為物聯網產業將被替代；其實不然，物聯網關注的是多學科多技術的本質融合和集成應用，上述各類新技術的發展恰恰為物聯網產業發展提供支撐和條件。應該說人類藉助物聯網，以更加精準、智能和定製的方式生產和生活、工作和享受；人類拓展時空限制，嚮往更美好的生活，甚至讓工作變成生活的需要，正是物聯網產業發展的主要動力。

自動化博覽：如今大家都在談論智能製造，您認為物聯網將在這場製造業變革中發揮怎樣的作用？

劉飛：堅持倡導的工業化與信息化「兩化融合」，實際上為現階段製造業變革指明了方向，同時也為物聯網產業發展提供了充足的動力。記得幾年前國家工業部門談起物聯網有一種說法，就是物聯網更加重視物與物之間的信息，感測器採集信息後送給感測網，經互聯網再由計算機對這些信息進行科學計算，發出指令，通過互聯網和感測網，再反饋到實際檢測的物理單元中，然後去控制和調整生產線。這就是說物聯網本身包含了智能製造的一些要素，如對物理單元、機器或生產線的實時感知、智能計算、動態反饋及調整等；因此物聯網可以為實施智能製造提供有力支撐。

此前國家、江蘇省及無錫市等諸多物聯網產業發展規劃中，都重點提出推進智能工業、智能物流、智能電網等應用示範工程，也是說明物聯網在製造業變革中的重要作用。理想的未來一個製造工廠本身應該按照一個CPS來設計和運行；而目前對已有製造企業的改造和升級，可通過物聯網等新一代信息技術與先進位造技術結合來實施，例如德國工業4.0側重離散工業領域，對於流程工業領域則有智能優化製造的需要，這其中物聯網的思維、架構和技術都將發揮作用。

自動化博覽：物聯網技術的廣泛應用，對自動化技術/產品提出了哪些新要求？

劉飛：自動化科學和技術發展伊始，即以作為對象的「物」為出發點，維納劃時代的著作《控制論——關於在動物和機器中控制和通訊的科學》，就是研究機器、動物等「物體」中控制和通訊的一般規律的科學，其思想和方法已廣泛滲透到自然科學和社會科學各領域。物聯網作為新一代信息技術被提出，其功能目標與自動化有相似之處，由自動化技術再看物聯網，其「物—物」相聯的本質也更加清晰；並且，自動化技術所包含的系統、決策、優化、反饋等思想，也為物聯網下的各類技術集成和應用提供了方法論和工具。事實上，自動化學科所包含的控制理論與工程、檢測技術及裝置、系統工程、模式識別與智能系統、導航制導等方向內容，在不同程度上體現了物聯網感知、傳輸、智能、控制等要素。

當然，自動化不等於物聯網，但物聯網的廣泛應用，藉助廉價及泛在的感知、通信及計算，一方面將開拓自動化技術的新領域，引發新應用；在物聯網背景下自動化技術應能回歸本源，與人或機器深度融合，與被控對象共同構成CPS，比如，人與物依存的可穿戴設備，基於知識自動化的生產等。另一方面也將帶動自動化產品的新發展，如檢測和執行單元的數字化、微型化、分散化、智能化等，未來自動化技術/產品將是一個充滿機會的領域。

自動化博覽：未來物聯網技術將呈現出怎樣的發展趨勢？您如何看物聯網產業的未來發展？

劉飛：物聯網的核心概念是融合，是具有計算、通信、控制、協作和自治等功能的統一體，其技術要點是物理進程與計算進程相互嵌入，在器件、系統、服務、全異網路乃至控制系統等各個層面提供無縫的協同和連接。從理論研究方面看，相關論著發文量自2009年後開始逐步增長，到2013年以後增長明顯；未來的發展趨勢，希望逐步形成面向物聯網（或CPS）的新突破，比如，信息空間與物理空間的融合滲透於所有尺度和層面，信息空間中的計算、通信、控制，如何對傳統物理空間中的物進行定義並特性分析；需要新的模型化工具將具有時空屬性的物理空間，與離散的無時空屬性的信息空間進行關聯；物聯網（或CPS）運行過程中的動態自治和重組機理，人—物和物—物互動模式，以及各層面的反饋機制需要探討；傳輸、控制與網路的耦合架構，是依賴於網路的控制機制設計，還是傳輸和網路需要控制？從技術層面看未來的發展，一些難題或問題也將逐步解決，諸如，物聯網本質上是併發的，時間同步問題引起對硬體和軟體、操作系統和編程語言的關係的重新考慮；網路環境下完備的功能測試不具可能性，由此引出CPS的可預測性問題；信息空間中信息本身和傳輸處理的安全可信問題也不可迴避。

物聯網產業經歷最初的躁動期到平緩期，最近兩年增速明顯，主要原因一是物聯網本身特有的融合性、滲透性和擴展性決定其對其它產業和技術的帶動作用，物聯網成為其它產業創新的觸發器和其它產業升級的倍增器，由此受到政府、企業和社會的重視；二是與之相關的技術發展為物聯網提供支撐，諸如集成電路、MEMS、移動通信、雲計算、大數據、新材料等；三是經過前幾年物聯網應用的摸索，企業更加務實，開始尋找到產業落腳點和盈利點；四是物聯網人才積累和培養正發揮作用，高校院所及企業研發人員在不斷的應用實踐中思考研究、學習提高，同時一批掌握新科技的畢業生逐步進入產業，以江南大學物聯網工程學院為例，每年就有700多大學部生和近300研究所畢業，物聯網產業具備持續發展的條件，未來前景廣闊。

摘自《自動化博覽》2017年3月刊

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