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    于海斌（1964－）
男，黑龍江密山人，博士，中國科學院沈陽自動化研究所研究員，博士生導師，副所長，主要研究方向為分布式智能控制系統、網絡化制造技術、無線傳感器網絡等。

1    工業無線技術概念

    工業無線技術是繼現場總線之后，工業控制領域的又一個熱點技術，是降低工業測控系統成本、提高工業測控系統應用范圍的革命性技術，也是未來幾年工業自動化產品新的增長點。

    工業無線技術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線通信技術，適合在惡劣的工業現場環境使用，具有很強的抗干擾能力、超低能耗、實時通信等技術特征，是對現有無線技術在工業應用方向上的功能擴展和技術創新，并將最終轉化為新的無線技術標準。工業無線技術是從新興的無線傳感器網絡技術中發展而來的。無線傳感器網絡技術具有應用特異化的特點，針對軍事、醫療、智能家居等不同應用領域，其實現技術完全不同。工業無線技術是滿足工業應用高可靠、低能耗、硬實時等特殊需求的一類無線傳感器網絡技術。

    基于工業無線技術的測控系統，與傳統的有線測控系統相比，具有以下一些優勢：

    (1) 低成本。在傳統的有線系統中，布線的成本是每米$30～$100，在一些惡劣環境下，可達到每米$2000。測控系統運行期間需要不斷檢測系統狀態，發現錯誤，更換電纜。使用工業無線技術將使測控系統的安裝與維護成本降低90％，是實現低成本測控系統的關鍵。

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

    (3)  高靈活、易使用。使用無線技術后，現場設備擺脫了電纜的束縛，從而增加了現場儀表與被控設備的可移動性、網絡結構的靈活性以及工程應用的多樣性，用戶可以根據工業應用需求的變化快速、靈活、方便、低成本地重構測控系統。

    利用基于工業無線技術的測控系統，人們可以以較低的投資和使用成本實現對工業全流程的“泛在感知”，獲取傳統由于成本原因無法在線監測的重要工業過程參數，并以此為基礎實施優化控制，來達到提高產品質量和節能降耗的目標。

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

2    國內外發展現狀與趨勢

    在計算機、通信和網絡技術發展的推動下，工業通信技術的發展經歷了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世紀末的現場總線控制系統（FCS）階段，正朝著智能化和網絡化的方向不斷發展。隨著測控系統規模的不斷擴大，降低投資和使用成本成為工業通信技術發展新階段的迫切要求。據美國市場研究機構Freedonia集團統計，2001年全球工業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，成為阻礙工業通信技術發展的主要難題。在這一背景下，無線通信技術的低成本特征引起了人們廣泛的關注，2003年，美國能源部（DOE）組織研究機構對在工業現場環境下利用低成本的無線網絡技術實現高效數據采集的可行性及其對工業控制領域的影響進行了深入的分析。美國總統科技顧問委員會在“面向21世紀的聯邦能源研究與發展規劃”中指出：低成本無線技術的應用將使工業生產效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

    工業測控系統的典型結構分為現場級、車間級和企業級三個層次，如圖1所示。

圖1   工業測控系統典型結構

    據美國網絡技術市場分析機構On World公司對未來無線設備數量增長最快的采油、石化、污水處理、電力、汽車等5個行業需求的統計分析，到2020年，無線技術的主要需求來自現場級，即為現場的傳感器、執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的關鍵問題主要體現在兩個方面：一方面是無線技術本身的抗干擾、功耗和傳輸可靠性等共性技術問題還未解決；另一方面是工業無線技術缺乏統一的國際標準。

    （1）共性關鍵技術研究進展

    面向工業無線技術的市場需求， 2004年由美國能源部發起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司參與成立了無線工業控制網絡聯盟（WINA），該聯盟專門討論無線技術在工業控制領域應用的技術難題。同年，美國工業技術計劃“傳感器和自動化”方向上設立了4個重點項目。在這些項目的支持下，工業自動化領域一些大的公司開展了以測控系統應用為牽動的工業無線技術共性關鍵問題的研究。

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

    GE全球研究中心在2004年啟動了“分布式無線多傳感器技術”項目，與Eaton公司重點面向網絡結構的研究不同，該項目主要研究工業現場環境對無線網絡的影響，計劃四年完成。目前該項目已完成了典型工業環境下無線信道特征數據的收集與分析，系統仿真工具設計，并在核電廠和化工廠完成了現場實驗。

    Honeywell實驗室在2003年9月啟動了“可提高工業效率的無線和感知”項目，重點研究面向工業現場的可靠無線技術，計劃于2007年底完成。項目目前的進展是詳細比較FHSS與DSSS在工業現場環境下的性能，提出了一種魯棒的網絡結構。

    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內無線技術在工業控制和自動化方面發展應用的開發路線圖。該計劃的目標是：通過采用無線技術，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，該計劃也處于技術攻關階段。

    （2）標準化研究進展

    在關鍵技術攻關的同時，國際上一些區域組織和技術聯盟也在積極開展相關標準的制定工作。

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

    2004年12月，美國儀表系統和自動化學會成立了工業無線標準SP100委員會，啟動了工業無線技術的標準化進程，與無線HART不同的是，SP100是一個覆蓋整個工業自動化應用的標準。到2007年1月，SP100已發展為包括12個工作組，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委員會將推出第一個面向過程控制應用的工業無線技術標準SP100.11a。

    2006年7月，現場總線基金會（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，目前工作組處于應用案例探討階段。

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

    總的來說，目前國外基于工業無線技術的測控系統的發展還處于關鍵技術攻關和實驗室測試驗證階段，工業無線通信的關鍵技術難題正在被逐漸攻克，市場需求非常旺盛，一些大的工業自動化產品提供商在本國政府的資助下積極開展工業無線技術的研究工作，但尚未形成成熟的產品和相關專利。一些區域組織和技術聯盟正在積極制定相關技術標準，并已取得了一些成果，并試圖以國際標準的形式形成技術壁壘，進而壟斷國際市場，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，驗證性產品開發工作已經啟動、市場需求增長迅速。中科院聯合一些高校也正在積極開展相關技術的研究工作，具備一定的技術攻關能力，獲得了一些國際先進的研究成果，并已經參與到相關區域性標準的制定工作中。總之，國外公司并未取得太大的技術優勢。

3    工業無線技術面臨的挑戰

    與面向商用的無線技術不同，面向工業自動化應用的無線技術需要滿足以下需求：

    (1)  高可靠性：大部分的工業控制應用要求數據的可靠傳輸率要超過95%。但是在工業現場使用無線通信來實現高可靠傳輸面臨以下挑戰，一方面，工廠環境中往往存在IEEE802.11、藍牙、IEEE802.15.4等多種類型的無線網絡，這些網絡大都集中在2.4GHz的ISM共享頻段上，彼此間存在嚴重干擾；另一方面，工業環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，以及馬達、器械運轉時產生的電磁噪聲，都會干擾無線信號的正確接收。

    (2) 嚴格實時性：對于工業閉環控制應用，數據傳輸延遲應低于1.5倍的傳感器采樣時間。無線傳感器網絡成本很低，通常沒有網絡基礎設施的支撐，設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：用于對工業全流程進行泛在感知的無線傳感器節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，節點的電池壽命應達到3至5年。無線傳感器節點的能耗由感知、計算和通信三部分組成，如何利用最少的能源實現信息采集任務是工業無線技術必須解決的問題。

    (4)  安全性：隨著工業控制系統網絡化進程的推進，網絡安全和數據安全問題日益突出，一些安全漏洞將給工業控制應用造成巨大的損失。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雜，而無線傳感器節點由于資源限制很難實現復雜的安全算法，如何在安全性和簡潔性之間取得折中是工業無線技術面臨的挑戰。

    (5)  兼容性：為了保護用戶的原有投資，基于工業無線技術的新型測控系統要具有與工廠原有的有線控制系統互連和互操作的能力。為了達到閉環控制的要求，互連與互操作技術在實現通信介質和協議轉換的同時，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無需考慮的工業無線技術的特有問題。

4    市場前景

    工業無線技術具有巨大的市場潛力。據美國On World公司最近的一項無線傳感器市場調查顯示，79％的被調查用戶正在考慮使用無線設備完成遠程監控，特別是管道運營行業和水源監測，幾乎所有的大型油氣公司都在尋求網絡化實時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，在工業自動化市場中，最終用戶和系統集成商對無線網絡技術表現出強烈的興趣。45%的受訪者計劃于2005年試用無線網絡技術。而近70%的受訪者正在關注無線技術在工業測控應用方面的進展。在關于無線網絡能節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，這項技術在連線和勞動力上節約了超過100美元的成本；33%的受訪者認為每個傳感器可節約超過250美元。Venture Development Corporation在其“北美離散和過程制造業的RF/微波無線監測和控制產品市場調研報告”中指出，工業自動化領域相關無線產品的生產量2004年為610萬美元，預計今后將以60.2%的年增長率快速增長。

5    總結

    無線傳輸進入工業控制領域的趨勢無可置疑。市場預測認為再過四、五年，即2010年前，大多數儀表和自動化產品都將嵌入無線傳輸的功能。無線傳感器網絡技術的發展將逐步推動工業測控模式的變革，但近期，工業無線測控系統技術仍將是傳統有線測控系統技術的延伸，并將在較長的一段時間內與現有有線通信系統配合使用；國際上對工業無線技術的研究還處于起步階段，相關的標準正在制訂，我國科研機構已參與其中并發揮重要作用，這是我國在工業通信領域發揮自主創新能力，取得領先地位的重要機遇。