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    于海斌（1964－）
男，黑龍江密山人，博士，中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研究員，博士生導(dǎo)師，副所長，主要研究方向為分布式智能控制系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)化制造技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。

1    工業(yè)無線技術(shù)概念

    工業(yè)無線技術(shù)是繼現(xiàn)場總線之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個熱點技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統(tǒng)成本、提高工業(yè)測控系統(tǒng)應(yīng)用范圍的革命性技術(shù)，也是未來幾年工業(yè)自動化產(chǎn)品新的增長點。

    工業(yè)無線技術(shù)是一種本世紀初新興的，面向設(shè)備間短程、低速率信息交互的無線通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術(shù)特征，是對現(xiàn)有無線技術(shù)在工業(yè)應(yīng)用方向上的功能擴展和技術(shù)創(chuàng)新，并將最終轉(zhuǎn)化為新的無線技術(shù)標準。工業(yè)無線技術(shù)是從新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中發(fā)展而來的。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)具有應(yīng)用特異化的特點，針對軍事、醫(yī)療、智能家居等不同應(yīng)用領(lǐng)域，其實現(xiàn)技術(shù)完全不同。工業(yè)無線技術(shù)是滿足工業(yè)應(yīng)用高可靠、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

    基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的有線測控系統(tǒng)相比，具有以下一些優(yōu)勢：

    (1) 低成本。在傳統(tǒng)的有線系統(tǒng)中，布線的成本是每米$30～$100，在一些惡劣環(huán)境下，可達到每米$2000。測控系統(tǒng)運行期間需要不斷檢測系統(tǒng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)錯誤，更換電纜。使用工業(yè)無線技術(shù)將使測控系統(tǒng)的安裝與維護成本降低90％，是實現(xiàn)低成本測控系統(tǒng)的關(guān)鍵。

    (2)  高可靠、易維護。在有線系統(tǒng)中，絕大部分系統(tǒng)故障是由電纜的連接器件損壞而引發(fā)的，其維護復(fù)雜度、維護費用高。使用無線技術(shù)將徹底杜絕此類錯誤的發(fā)生。

    (3)  高靈活、易使用。使用無線技術(shù)后，現(xiàn)場設(shè)備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現(xiàn)場儀表與被控設(shè)備的可移動性、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的靈活性以及工程應(yīng)用的多樣性，用戶可以根據(jù)工業(yè)應(yīng)用需求的變化快速、靈活、方便、低成本地重構(gòu)測控系統(tǒng)。

    利用基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)，人們可以以較低的投資和使用成本實現(xiàn)對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統(tǒng)由于成本原因無法在線監(jiān)測的重要工業(yè)過程參數(shù)，并以此為基礎(chǔ)實施優(yōu)化控制，來達到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能降耗的目標。

    美國能源部（DOE）在2004年發(fā)布的 “未來工業(yè)計劃”（IOF）中指出：這種基于工業(yè)無線技術(shù)的低成本測控系統(tǒng)是實現(xiàn)到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5％目標的主要手段，代表著工業(yè)自動化系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展方向，將在提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低工業(yè)生產(chǎn)過程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面發(fā)揮重要作用，在石油天然氣開采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應(yīng)用前景。

2    國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢

    在計算機、通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的推動下，工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了20世紀六七十年代的模擬儀表控制系統(tǒng)、20世紀八九十年代的集散控制系統(tǒng)（DCS）和20世紀末的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）階段，正朝著智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向不斷發(fā)展。隨著測控系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴大，降低投資和使用成本成為工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展新階段的迫切要求。據(jù)美國市場研究機構(gòu)Freedonia集團統(tǒng)計，2001年全球工業(yè)用傳感器的市場份額是110億美元，而安裝和使用成本（主要是布線成本）超過1000億美元，成為阻礙工業(yè)通信技術(shù)發(fā)展的主要難題。在這一背景下，無線通信技術(shù)的低成本特征引起了人們廣泛的關(guān)注，2003年，美國能源部（DOE）組織研究機構(gòu)對在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下利用低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)高效數(shù)據(jù)采集的可行性及其對工業(yè)控制領(lǐng)域的影響進行了深入的分析。美國總統(tǒng)科技顧問委員會在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規(guī)劃”中指出：低成本無線技術(shù)的應(yīng)用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

    工業(yè)測控系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場級、車間級和企業(yè)級三個層次，如圖1所示。

圖1   工業(yè)測控系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

    據(jù)美國網(wǎng)絡(luò)技術(shù)市場分析機構(gòu)On World公司對未來無線設(shè)備數(shù)量增長最快的采油、石化、污水處理、電力、汽車等5個行業(yè)需求的統(tǒng)計分析，到2020年，無線技術(shù)的主要需求來自現(xiàn)場級，即為現(xiàn)場的傳感器、執(zhí)行器提供低成本的信息交互手段。而阻礙用戶接受無線技術(shù)的關(guān)鍵問題主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面是無線技術(shù)本身的抗干擾、功耗和傳輸可靠性等共性技術(shù)問題還未解決；另一方面是工業(yè)無線技術(shù)缺乏統(tǒng)一的國際標準。

    （1）共性關(guān)鍵技術(shù)研究進展

    面向工業(yè)無線技術(shù)的市場需求， 2004年由美國能源部發(fā)起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司參與成立了無線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)聯(lián)盟（WINA），該聯(lián)盟專門討論無線技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用的技術(shù)難題。同年，美國工業(yè)技術(shù)計劃“傳感器和自動化”方向上設(shè)立了4個重點項目。在這些項目的支持下，工業(yè)自動化領(lǐng)域一些大的公司開展了以測控系統(tǒng)應(yīng)用為牽動的工業(yè)無線技術(shù)共性關(guān)鍵問題的研究。

    Eaton公司在2004年啟動了“基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的工廠高級能源管理”項目，該項目致力于構(gòu)建一個低成本的無線網(wǎng)絡(luò)，來完成信息的快速采集、監(jiān)視和診斷，計劃五年完成。截止2005年，該項目完成了市場需求的調(diào)查，搭建了小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)原型，進行了網(wǎng)絡(luò)性能測試實驗以及與高級能源管理系統(tǒng)的互操作實驗。

    GE全球研究中心在2004年啟動了“分布式無線多傳感器技術(shù)”項目，與Eaton公司重點面向網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的研究不同，該項目主要研究工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境對無線網(wǎng)絡(luò)的影響，計劃四年完成。目前該項目已完成了典型工業(yè)環(huán)境下無線信道特征數(shù)據(jù)的收集與分析，系統(tǒng)仿真工具設(shè)計，并在核電廠和化工廠完成了現(xiàn)場實驗。

    Honeywell實驗室在2003年9月啟動了“可提高工業(yè)效率的無線和感知”項目，重點研究面向工業(yè)現(xiàn)場的可靠無線技術(shù)，計劃于2007年底完成。項目目前的進展是詳細比較FHSS與DSSS在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境下的性能，提出了一種魯棒的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

    歐洲的研究基本與美國同步，2004年10月至2005年4月，歐盟集中25個組織(包括大小公司和研究所)啟動了RUNES計劃、制定了未來10內(nèi)無線技術(shù)在工業(yè)控制和自動化方面發(fā)展應(yīng)用的開發(fā)路線圖。該計劃的目標是：通過采用無線技術(shù)，到2008年將安裝成本降低50%，運行成本降低30%；到2014年將安裝成本降低80%，運行成本降低50%。目前，該計劃也處于技術(shù)攻關(guān)階段。

    （2）標準化研究進展

    在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)的同時，國際上一些區(qū)域組織和技術(shù)聯(lián)盟也在積極開展相關(guān)標準的制定工作。

    2004年，HART通信基金會宣布開始制定無線HART協(xié)議，作為HART現(xiàn)場通信協(xié)議第七版HART7.0的核心部分。與所有符合HART協(xié)議的儀表和設(shè)備一樣，無線HART向后兼容于現(xiàn)有的HART設(shè)備和應(yīng)用。HCF的無線工作組吸引了世界眾多的過程控制供應(yīng)商加入，主要參加單位有：Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等。歷經(jīng)近三年的努力，經(jīng)HCR成員投票，無線HART的規(guī)范和通信協(xié)議已在2007年6月正式通過。

    2004年12月，美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會成立了工業(yè)無線標準SP100委員會，啟動了工業(yè)無線技術(shù)的標準化進程，與無線HART不同的是，SP100是一個覆蓋整個工業(yè)自動化應(yīng)用的標準。到2007年1月，SP100已發(fā)展為包括12個工作組，世界范圍內(nèi)200多家公司和科研機構(gòu)參與其中，預(yù)計在2008年的上半年，SP100委員會將推出第一個面向過程控制應(yīng)用的工業(yè)無線技術(shù)標準SP100.11a。

    2006年7月，現(xiàn)場總線基金會（Fieldbus Foundation）宣布成立無線工作組，著手制定基于無線通信的基金會現(xiàn)場總線標準，我國的中科院沈陽自動化所以及Emerson、Honywell等公司參與其中，目前工作組處于應(yīng)用案例探討階段。

    （3）國內(nèi)研究進展
   
    在國內(nèi)方面，中科院聯(lián)合一些高校也正在積極開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，并取得了豐富的技術(shù)積累。2006年7月份，美國儀表系統(tǒng)和自動化學(xué)會SP100標準委員會面向全球征集技術(shù)提案，國內(nèi)的沈陽自動化所、浙江大學(xué)、重慶郵電大學(xué)等三家單位與Honeywell、GE、Siemens等國際著名公司分別提交了自己的技術(shù)提案，并于10月份進一步提交了技術(shù)白皮書。目前，沈陽自動化所已作為工作組成員參與工業(yè)無線標準SP100、現(xiàn)場總線基金會Wireless FF標準的制定工作，中國擁有自主知識產(chǎn)權(quán)無線工業(yè)通信標準提案已經(jīng)提交到相關(guān)國際組織，并已引起國外同行的普遍關(guān)注。

    總的來說，目前國外基于工業(yè)無線技術(shù)的測控系統(tǒng)的發(fā)展還處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實驗室測試驗證階段，工業(yè)無線通信的關(guān)鍵技術(shù)難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛，一些大的工業(yè)自動化產(chǎn)品提供商在本國政府的資助下積極開展工業(yè)無線技術(shù)的研究工作，但尚未形成成熟的產(chǎn)品和相關(guān)專利。一些區(qū)域組織和技術(shù)聯(lián)盟正在積極制定相關(guān)技術(shù)標準，并已取得了一些成果，并試圖以國際標準的形式形成技術(shù)壁壘，進而壟斷國際市場，但距離形成統(tǒng)一的國際標準還有相當?shù)牟罹唷?BR>
    而在國內(nèi)，原理性研究取得大量成果，驗證性產(chǎn)品開發(fā)工作已經(jīng)啟動、市場需求增長迅速。中科院聯(lián)合一些高校也正在積極開展相關(guān)技術(shù)的研究工作，具備一定的技術(shù)攻關(guān)能力，獲得了一些國際先進的研究成果，并已經(jīng)參與到相關(guān)區(qū)域性標準的制定工作中?？傊?，國外公司并未取得太大的技術(shù)優(yōu)勢。

3    工業(yè)無線技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

    與面向商用的無線技術(shù)不同，面向工業(yè)自動化應(yīng)用的無線技術(shù)需要滿足以下需求：

    (1)  高可靠性：大部分的工業(yè)控制應(yīng)用要求數(shù)據(jù)的可靠傳輸率要超過95%。但是在工業(yè)現(xiàn)場使用無線通信來實現(xiàn)高可靠傳輸面臨以下挑戰(zhàn)，一方面，工廠環(huán)境中往往存在IEEE802.11、藍牙、IEEE802.15.4等多種類型的無線網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)大都集中在2.4GHz的ISM共享頻段上，彼此間存在嚴重干擾；另一方面，工業(yè)環(huán)境中的射頻通信條件較為惡劣，廠房中遍布的各種大型器械、金屬管道等對信號的反射、散射造成的多徑效應(yīng)，以及馬達、器械運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收。

    (2) 嚴格實時性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸延遲應(yīng)低于1.5倍的傳感器采樣時間。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)成本很低，通常沒有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的支撐，設(shè)備間的通信需要通過多跳接力的方式進行，保證端到端通信的確定性比較困難。

    (3) 低能耗：用于對工業(yè)全流程進行泛在感知的無線傳感器節(jié)點由于成本的限制通常不采用外接電源的方式，而是靠自身攜帶的電池供電。從運行和維護成本方面考慮，節(jié)點的電池壽命應(yīng)達到3至5年。無線傳感器節(jié)點的能耗由感知、計算和通信三部分組成，如何利用最少的能源實現(xiàn)信息采集任務(wù)是工業(yè)無線技術(shù)必須解決的問題。

    (4)  安全性：隨著工業(yè)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化進程的推進，網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應(yīng)用造成巨大的損失。無線通信由于信道的開放特征更容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復(fù)雜，而無線傳感器節(jié)點由于資源限制很難實現(xiàn)復(fù)雜的安全算法，如何在安全性和簡潔性之間取得折中是工業(yè)無線技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

    (5)  兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業(yè)無線技術(shù)的新型測控系統(tǒng)要具有與工廠原有的有線控制系統(tǒng)互連和互操作的能力。為了達到閉環(huán)控制的要求，互連與互操作技術(shù)在實現(xiàn)通信介質(zhì)和協(xié)議轉(zhuǎn)換的同時，還要保證通信的可靠和實時，這是以前的互連與互操作技術(shù)無需考慮的工業(yè)無線技術(shù)的特有問題。

4    市場前景

    工業(yè)無線技術(shù)具有巨大的市場潛力。據(jù)美國On World公司最近的一項無線傳感器市場調(diào)查顯示，79％的被調(diào)查用戶正在考慮使用無線設(shè)備完成遠程監(jiān)控，特別是管道運營行業(yè)和水源監(jiān)測，幾乎所有的大型油氣公司都在尋求網(wǎng)絡(luò)化實時監(jiān)測平臺的解決方案。美國控制工程雜志報導(dǎo)的一項調(diào)查顯示，在工業(yè)自動化市場中，最終用戶和系統(tǒng)集成商對無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)表現(xiàn)出強烈的興趣。45%的受訪者計劃于2005年試用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。而近70%的受訪者正在關(guān)注無線技術(shù)在工業(yè)測控應(yīng)用方面的進展。在關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)能節(jié)約多少成本這個問題上，58%的受訪者相信，每采用一個無線傳感器，這項技術(shù)在連線和勞動力上節(jié)約了超過100美元的成本；33%的受訪者認為每個傳感器可節(jié)約超過250美元。Venture Development Corporation在其“北美離散和過程制造業(yè)的RF/微波無線監(jiān)測和控制產(chǎn)品市場調(diào)研報告”中指出，工業(yè)自動化領(lǐng)域相關(guān)無線產(chǎn)品的生產(chǎn)量2004年為610萬美元，預(yù)計今后將以60.2%的年增長率快速增長。

5    總結(jié)

    無線傳輸進入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢無可置疑。市場預(yù)測認為再過四、五年，即2010年前，大多數(shù)儀表和自動化產(chǎn)品都將嵌入無線傳輸?shù)墓δ堋o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展將逐步推動工業(yè)測控模式的變革，但近期，工業(yè)無線測控系統(tǒng)技術(shù)仍將是傳統(tǒng)有線測控系統(tǒng)技術(shù)的延伸，并將在較長的一段時間內(nèi)與現(xiàn)有有線通信系統(tǒng)配合使用；國際上對工業(yè)無線技術(shù)的研究還處于起步階段，相關(guān)的標準正在制訂，我國科研機構(gòu)已參與其中并發(fā)揮重要作用，這是我國在工業(yè)通信領(lǐng)域發(fā)揮自主創(chuàng)新能力，取得領(lǐng)先地位的重要機遇。