于海斌（1964－）
男，黑龍江密山人，博士，中國科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研究員，博士生導師，副所長(cháng)，主要研究方向為分布式智能控制系統、網(wǎng)絡(luò )化制造技術(shù)、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )等。

1    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)概念

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是繼現場(chǎng)總線(xiàn)之后，工業(yè)控制領(lǐng)域的又一個(gè)熱點(diǎn)技術(shù)，是降低工業(yè)測控系統成本、提高工業(yè)測控系統應用范圍的革命性技術(shù)，也是未來(lái)幾年工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品新的增長(cháng)點(diǎn)。

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是一種本世紀初新興的，面向設備間短程、低速率信息交互的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，適合在惡劣的工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實(shí)時(shí)通信等技術(shù)特征，是對現有無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)應用方向上的功能擴展和技術(shù)創(chuàng )新，并將最終轉化為新的無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準。工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是從新興的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)中發(fā)展而來(lái)的。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)具有應用特異化的特點(diǎn)，針對軍事、醫療、智能家居等不同應用領(lǐng)域，其實(shí)現技術(shù)完全不同。工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)是滿(mǎn)足工業(yè)應用高可靠、低能耗、硬實(shí)時(shí)等特殊需求的一類(lèi)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。

    基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的測控系統，與傳統的有線(xiàn)測控系統相比，具有以下一些優(yōu)勢：

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

    (2)  高可靠、易維護。在有線(xiàn)系統中，絕大部分系統故障是由電纜的連接器件損壞而引發(fā)的，其維護復雜度、維護費用高。使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)將徹底杜絕此類(lèi)錯誤的發(fā)生。

    (3)  高靈活、易使用。使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)后，現場(chǎng)設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場(chǎng)儀表與被控設備的可移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò )結構的靈活性以及工程應用的多樣性，用戶(hù)可以根據工業(yè)應用需求的變化快速、靈活、方便、低成本地重構測控系統。

    利用基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的測控系統，人們可以以較低的投資和使用成本實(shí)現對工業(yè)全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無(wú)法在線(xiàn)監測的重要工業(yè)過(guò)程參數，并以此為基礎實(shí)施優(yōu)化控制，來(lái)達到提高產(chǎn)品質(zhì)量和節能降耗的目標。

    美國能源部（DOE）在2004年發(fā)布的 “未來(lái)工業(yè)計劃”（IOF）中指出：這種基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的低成本測控系統是實(shí)現到2020年美國工業(yè)整體能耗降低5％目標的主要手段，代表著(zhù)工業(yè)自動(dòng)化系統技術(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(guò)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(kāi)采、石化、冶金、污水處理等高耗能、高污染行業(yè)有廣泛的應用前景。

2    國內外發(fā)展現狀與趨勢

    在計算機、通信和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)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、20世紀八九十年代的集散控制系統（DCS）和20世紀末的現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統（FCS）階段，正朝著(zhù)智能化和網(wǎng)絡(luò )化的方向不斷發(fā)展。隨著(zhù)測控系統規模的不斷擴大，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。據美國市場(chǎng)研究機構Freedonia集團統計，2001年全球工業(yè)用傳感器的市場(chǎng)份額是110億美元，而安裝和使用成本（主要是布線(xiàn)成本）超過(guò)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(wú)線(xiàn)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）組織研究機構對在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下利用低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現高效數據采集的可行性及其對工業(yè)控制領(lǐng)域的影響進(jìn)行了深入的分析。美國總統科技顧問(wèn)委員會(huì )在“面向21世紀的聯(lián)邦能源研究與發(fā)展規劃”中指出：低成本無(wú)線(xiàn)技術(shù)的應用將使工業(yè)生產(chǎn)效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

    工業(yè)測控系統的典型結構分為現場(chǎng)級、車(chē)間級和企業(yè)級三個(gè)層次，如圖1所示。

圖1   工業(yè)測控系統典型結構

    據美國網(wǎng)絡(luò )技術(shù)市場(chǎng)分析機構On World公司對未來(lái)無(wú)線(xiàn)設備數量增長(cháng)最快的采油、石化、污水處理、電力、汽車(chē)等5個(gè)行業(yè)需求的統計分析，到2020年，無(wú)線(xiàn)技術(shù)的主要需求來(lái)自現場(chǎng)級，即為現場(chǎng)的傳感器、執行器提供低成本的信息交互手段。而阻礙用戶(hù)接受無(wú)線(xiàn)技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題主要體現在兩個(gè)方面：一方面是無(wú)線(xiàn)技術(shù)本身的抗干擾、功耗和傳輸可靠性等共性技術(shù)問(wèn)題還未解決；另一方面是工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)缺乏統一的國際標準。

    （1）共性關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展

    面向工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的市場(chǎng)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(wú)線(xiàn)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò )聯(lián)盟（WINA），該聯(lián)盟專(zhuān)門(mén)討論無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域應用的技術(shù)難題。同年，美國工業(yè)技術(shù)計劃“傳感器和自動(dòng)化”方向上設立了4個(gè)重點(diǎn)項目。在這些項目的支持下，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域一些大的公司開(kāi)展了以測控系統應用為牽動(dòng)的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)共性關(guān)鍵問(wèn)題的研究。

    Eaton公司在2004年啟動(dòng)了“基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的工廠(chǎng)高級能源管理”項目，該項目致力于構建一個(gè)低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，來(lái)完成信息的快速采集、監視和診斷，計劃五年完成。截止2005年，該項目完成了市場(chǎng)需求的調查，搭建了小規模網(wǎng)絡(luò )原型，進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò )性能測試實(shí)驗以及與高級能源管理系統的互操作實(shí)驗。

    GE全球研究中心在2004年啟動(dòng)了“分布式無(wú)線(xiàn)多傳感器技術(shù)”項目，與Eaton公司重點(diǎn)面向網(wǎng)絡(luò )結構的研究不同，該項目主要研究工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境對無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)信道特征數據的收集與分析，系統仿真工具設計，并在核電廠(chǎng)和化工廠(chǎng)完成了現場(chǎng)實(shí)驗。

    Honeywell實(shí)驗室在2003年9月啟動(dòng)了“可提高工業(yè)效率的無(wú)線(xiàn)和感知”項目，重點(diǎn)研究面向工業(yè)現場(chǎng)的可靠無(wú)線(xiàn)技術(shù)，計劃于2007年底完成。項目目前的進(jìn)展是詳細比較FHSS與DSSS在工業(yè)現場(chǎng)環(huán)境下的性能，提出了一種魯棒的網(wǎng)絡(luò )結構。

    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(gè)組織(包括大小公司和研究所)啟動(dòng)了RUNES計劃、制定了未來(lái)10內無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)控制和自動(dòng)化方面發(fā)展應用的開(kāi)發(fā)路線(xiàn)圖。該計劃的目標是：通過(guò)采用無(wú)線(xiàn)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(jìn)展

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

    2004年，HART通信基金會(huì )宣布開(kāi)始制定無(wú)線(xiàn)HART協(xié)議，作為HART現場(chǎng)通信協(xié)議第七版HART7.0的核心部分。與所有符合HART協(xié)議的儀表和設備一樣，無(wú)線(xiàn)HART向后兼容于現有的HART設備和應用。HCF的無(wú)線(xiàn)工作組吸引了世界眾多的過(guò)程控制供應商加入，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(wú)線(xiàn)HART的規范和通信協(xié)議已在2007年6月正式通過(guò)。

    2004年12月，美國儀表系統和自動(dòng)化學(xué)會(huì )成立了工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準SP100委員會(huì )，啟動(dòng)了工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的標準化進(jìn)程，與無(wú)線(xiàn)HART不同的是，SP100是一個(gè)覆蓋整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化應用的標準。到2007年1月，SP100已發(fā)展為包括12個(gè)工作組，世界范圍內200多家公司和科研機構參與其中，預計在2008年的上半年，SP100委員會(huì )將推出第一個(gè)面向過(guò)程控制應用的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)標準SP100.11a。

    2006年7月，現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )（Fieldbus Foundation）宣布成立無(wú)線(xiàn)工作組，著(zhù)手制定基于無(wú)線(xiàn)通信的基金會(huì )現場(chǎng)總線(xiàn)標準，我國的中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所以及Emerson、Honywell等公司參與其中，目前工作組處于應用案例探討階段。

    （3）國內研究進(jìn)展
   
    在國內方面，中科院聯(lián)合一些高校也正在積極開(kāi)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，美國儀表系統和自動(dòng)化學(xué)會(huì )SP100標準委員會(huì )面向全球征集技術(shù)提案，國內的沈陽(yáng)自動(dòng)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(zhù)名公司分別提交了自己的技術(shù)提案，并于10月份進(jìn)一步提交了技術(shù)白皮書(shū)。目前，沈陽(yáng)自動(dòng)化所已作為工作組成員參與工業(yè)無(wú)線(xiàn)標準SP100、現場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì )Wireless FF標準的制定工作，中國擁有自主知識產(chǎn)權無(wú)線(xiàn)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(lái)說(shuō)，目前國外基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的測控系統的發(fā)展還處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和實(shí)驗室測試驗證階段，工業(yè)無(wú)線(xiàn)通信的關(guān)鍵技術(shù)難題正在被逐漸攻克，市場(chǎng)需求非常旺盛，一些大的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品提供商在本國政府的資助下積極開(kāi)展工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的研究工作，但尚未形成成熟的產(chǎn)品和相關(guān)專(zhuān)利。一些區域組織和技術(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(jìn)而壟斷國際市場(chǎng)，但距離形成統一的國際標準還有相當的差距。

    而在國內，原理性研究取得大量成果，驗證性產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)啟動(dòng)、市場(chǎng)需求增長(cháng)迅速。中科院聯(lián)合一些高校也正在積極開(kāi)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(jìn)的研究成果，并已經(jīng)參與到相關(guān)區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(wú)線(xiàn)技術(shù)面臨的挑戰

    與面向商用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)不同，面向工業(yè)自動(dòng)化應用的無(wú)線(xiàn)技術(shù)需要滿(mǎn)足以下需求：

    (1)  高可靠性：大部分的工業(yè)控制應用要求數據的可靠傳輸率要超過(guò)95%。但是在工業(yè)現場(chǎng)使用無(wú)線(xiàn)通信來(lái)實(shí)現高可靠傳輸面臨以下挑戰，一方面，工廠(chǎng)環(huán)境中往往存在IEEE802.11、藍牙、IEEE802.15.4等多種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)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(chǎng)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，以及馬達、器械運轉時(shí)產(chǎn)生的電磁噪聲，都會(huì )干擾無(wú)線(xiàn)信號的正確接收。

    (2) 嚴格實(shí)時(shí)性：對于工業(yè)閉環(huán)控制應用，數據傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時(shí)間。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )成本很低，通常沒(méi)有網(wǎng)絡(luò )基礎設施的支撐，設備間的通信需要通過(guò)多跳接力的方式進(jìn)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(jìn)行泛在感知的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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，節點(diǎn)的電池壽命應達到3至5年。無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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(shí)現信息采集任務(wù)是工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)必須解決的問(wèn)題。

    (4)  安全性：隨著(zhù)工業(yè)控制系統網(wǎng)絡(luò )化進(jìn)程的推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò )安全和數據安全問(wèn)題日益突出，一些安全漏洞將給工業(yè)控制應用造成巨大的損失。無(wú)線(xiàn)通信由于信道的開(kāi)放特征更容易受到攻擊，其安全保障機制將更加復雜，而無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由于資源限制很難實(shí)現復雜的安全算法，如何在安全性和簡(jiǎn)潔性之間取得折中是工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)面臨的挑戰。

    (5)  兼容性：為了保護用戶(hù)的原有投資，基于工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的新型測控系統要具有與工廠(chǎng)原有的有線(xiàn)控制系統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(shí)現通信介質(zhì)和協(xié)議轉換的同時(shí)，還要保證通信的可靠和實(shí)時(shí)，這是以前的互連與互操作技術(shù)無(wú)需考慮的工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)的特有問(wèn)題。

4    市場(chǎng)前景

    工業(yè)無(wú)線(xiàn)技術(shù)具有巨大的市場(chǎng)潛力。據美國On World公司最近的一項無(wú)線(xiàn)傳感器市場(chǎng)調查顯示，79％的被調查用戶(hù)正在考慮使用無(wú)線(xiàn)設備完成遠程監控，特別是管道運營(yíng)行業(yè)和水源監測，幾乎所有的大型油氣公司都在尋求網(wǎng)絡(luò )化實(shí)時(shí)監測平臺的解決方案。美國控制工程雜志報導的一項調查顯示，在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)中，最終用戶(hù)和系統集成商對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)表現出強烈的興趣。45%的受訪(fǎng)者計劃于2005年試用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。而近70%的受訪(fǎng)者正在關(guān)注無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)測控應用方面的進(jìn)展。在關(guān)于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )能節約多少成本這個(gè)問(wèn)題上，58%的受訪(fǎng)者相信，每采用一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器，這項技術(shù)在連線(xiàn)和勞動(dòng)力上節約了超過(guò)100美元的成本；33%的受訪(fǎng)者認為每個(gè)傳感器可節約超過(guò)250美元。Venture Development Corporation在其“北美離散和過(guò)程制造業(yè)的RF/微波無(wú)線(xiàn)監測和控制產(chǎn)品市場(chǎng)調研報告”中指出，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域相關(guān)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品的生產(chǎn)量2004年為610萬(wàn)美元，預計今后將以60.2%的年增長(cháng)率快速增長(cháng)。

5    總結

    無(wú)線(xiàn)傳輸進(jìn)入工業(yè)控制領(lǐng)域的趨勢無(wú)可置疑。市場(chǎng)預測認為再過(guò)四、五年，即2010年前，大多數儀表和自動(dòng)化產(chǎn)品都將嵌入無(wú)線(xiàn)傳輸的功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展將逐步推動(dòng)工業(yè)測控模式的變革，但近期，工業(yè)無(wú)線(xiàn)測控系統技術(shù)仍將是傳統有線(xiàn)測控系統技術(shù)的延伸，并將在較長(cháng)的一段時(shí)間內與現有有線(xiàn)通信系統配合使用；國際上對工業(yè)無(wú)線(xiàn)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。