1.3.2 典型技术
1.面向工业现场设备的OPC UA
（1）技术介绍
在现实的智慧工厂建设时，数据互通是不可忽略的第一个障碍。特别在工业现场的数据采集、传输与运营中，需要对运行的机器状态、生产能耗、质量及生产相关参数进行采集，不管上层架构如何能够进行智能分析与优化，如果缺乏统一的标准与信息模型就会陷入无米之炊的困境。
OPC UA是一套安全、可靠且独立于制造商和平台，可使不同操作系统和不同制造商的设备之间可以进行数据交互，适用于工业通信的数据交互规范。OPC UA的目的是为工厂车间和企业之间的数据和信息传递提供一个与平台无关的互操作性标准。
面对工厂中各种生产设备异构接口及信息模型异构的问题，OPC UA通过地址空间建模及面向服务的架构为搭建智能工厂提供了解决方案。OPC UA可以促进企业纵向集成，解决企业内部的信息孤岛，在实现信息网络与物理设备之间的连通方面具有十分广阔的应用前景。
目前，OPC UA技术还正在积极考虑与TSN等技术进行结合，提高数据互联的实时性和可靠性，向现场设备端延伸。
（2）主要特点和优势
OPC UA作为工业4.0参考架构模型中唯一推荐的通信层实现方法，可以解决智能设备研发及使用过程中面临的多数据源互通的集成问题。OPC UA的基础是传输机制和数据建模，即如何兼容各种设备异构的接口及通信协议，以及如何统一异构设备之间的信息模型。
OPC UA传输机制：解决复杂设备的互联互通。设备之间之所以难以实现互联互通，是因为数据总是在不同的系统、不同的语言、不同的通信协议之间流转。OPC UA提供了一套安全、可靠的信息交换技术，独立于生产或提供具体应用程序的供应商和系统供应商。OPC UA的通信独立于具体的编程语言，也独立于应用程序运行的操作系统，是一种不与专有技术或供应商绑定的开放式标准。OPC UA在整体上使得工厂的各个环节的横向与纵向数据实现了透明交互，并且配置效率更高，程序与应用模块化更强，使得工厂组织更为便利，即使面对复杂的变化，也可以实现快速的切换。
OPC UA信息模型：解决面向生产过程的信息模型异构。数据收集到了，如何使用呢？例如，当想实现机器人与数控机床的协同工作时，首先需要清楚两者间需要哪些数据来保证它们之间的工作一致性。OPC UA信息模型从应用层提供了一种解决方案。OPC UA提供了生产过程中的数据及其语义，利用服务为其提供标准的接口，实现服务与设备的解耦。由于建立在一个基本模型上，OPC UA信息模型具有很高的灵活性，包括标准化的信息模型或供应商特有的信息模型，不仅数据以互操作形式交互，而且还具有明确被定义的语义。
（3）适用场景
工业互联网需要在企业内部建立各环节信息的无缝链接，沿信息流实现底层设备、控制层、MES至ERP的纵向集成。纵向集成主要解决企业内部的信息孤岛问题，解决信息网络与物理设备之间的联通问题。
如图1-26所示，信息通过级联的OPC UA组件，安全、可靠地从生产层传输到ERP系统中。现场设备层的嵌入式OPC UA服务器和企业层中ERP系统内的集成式OPC UA客户端直接相互连接。同时OPC UA可以将历史数据上传至云端，实现数据的远端管理。从而构建了一个具有工业4.0能力的系统或一个独立于存储数据位置的信息物理系统（Cyber-Physi-cal Systems, CPS）。OPC UA提供了一个具有无与伦比的统一性、跨层的安全性和可扩展的架构，从而确保了信息的双向联通。
图1-26 OPC UA部署
2.面向轻量级设备的LightweightM2M
（1）技术介绍
LightweightM2M（简称LwM2M），是一种轻量级的物联网设备管理协议，由国际标准组织开放移动联盟（Open Mobile Alliance, OMA）制定。协议定义了终端设备和物联网服务平台/业务应用之间的接口标准，尤其适合工业领域的各种计量设备或仪表。此类设备通常是资源非常受限的嵌入式终端，无UI，计算能力和网络通信能力都有限，而且数量巨大、种类众多，尤其需要一种通用的轻量级设备管理协议。
LwM2M协议架构被设计为客户/服务（Client/Server）模式，物联网服务平台/业务应用实现LwM2M服务器功能，LwM2M客户端通常被部署于受限制的物联网设备之中，负责上报信息及执行服务器的命令。
LwM2M协议定义了一系列通用的设备管理和服务管理的操作，如设备启动、恢复出厂设置、设备配置、固件/软件升级、设备诊断、设备锁定和数据擦除、远程命令的下发执行、连接管理等。
LwM2M提供了请求/响应和订阅/发布两种业务交互机制，支持多样化数据上报方式：使用请求/响应机制，执行如平台读取设备数据、下发执行命令、设置设备参数等操作；使用订阅/发布机制，实现设备数据采用周期性或阈值触发的方式，进行自动上报。
LwM2M将设备的能力属性，抽象为开放的对象模型，支持对于特定设备定义可扩展的管理对象。同时，LwM2M还面向整个物联网产业，提供了“对象注册表”的方式，支持对第三方扩展的对象进行注册和维护。
LwM2M属于应用层协议，基于由IETF所制定的受限应用协议（Constrained Application Protocol, CoAP）协议承载，可进行DTLS安全保护，通过UDP/IP或SMS传送。
LwM2M作为一种轻量级的物联网设备管理协议，当前已被业界广泛采用，如微软公司Azure平台、华为公司OceanConnect平台，以及ARM、三星公司的物联网芯片等。
（2）主要特点和优势
LwM2M提供了一种通用、开放的轻量级设备管理标准。
轻量级，对设备硬件要求低，功耗小。相比传统基于TCP的连接协议，LwM2M在传输层基于UDP，协议业务交互机制简洁，每种业务交互需要的消息交互数都尽量缩减到最少。LwM2M消息载荷格式简洁，且大多数业务交互流程都是由平台侧发起，可以最大限度地降低终端设备功耗。
易于系统集成。LwM2M协议采用了在WEB通信中最常用的RESTful架构，所有对设备的访问均被抽象为对资源的CRUD操作。LwM2M协议已有成熟的开源项目，开源许可证（License）商业友好，适合快速集成。
强大的对象和资源模型。LwM2M使用了三层树形结构的数据模型：对象（Objects）、对象实例（Object Instance）、资源（Resource）。LwM2M提供了通用的设备管理对象，如“Access Control”“Device”“Firmware Update”“Location”“Connectivity Monitoring”等，支持多样化格式用于描述设备属性，如“Pain text”“JSON”“TLV”“opaque”等。
协议设计开放，易于拓展。LwM2M标准协议允许设备厂商或组织根据自己的设备属性，设计新的对象模型进行扩展，并提供了方便的对象注册工具，支持将自定义对象注册为标准。目前，由第三方注册的对象，已有一百多个，如“Digital Input”“Digital Output”“Ana-logue Input”“Analogue Output”“Temperature Sensor”“Actuation”“Light Control”等大量的工业领域常用设备的对象模型。现有很多工业现场协议定义的数据模型，也很容易移植和注册到LwM2M支持的对象列表中。
（3）适用场景
对于未来工厂，将各环节设备进行全面连接，支撑工业用户对设计、生产和运维等过程进行全生命周期管理，从而实现降低成本、提高效率、保障安全的目标，正逐步形成趋势。
为此，当前工业现场中正越来越多地使用各种计量设备或仪表，这些设备功能相对单一（如可能仅为了上报数据或示数），对设备硬件成本和功耗敏感。此外，工业企业面临生产服务化的转型，未来的出场设备，可能广泛采用移动网络连接，对于通信流量敏感。LwM2M的消息交互过程简洁、数据格式精炼，适合资源受限型的轻量级设备连接到平台。在未来工厂中，LwM2M协议可以广泛应用在能耗监控、环境检测、物流跟踪、简单控制等生产辅助环节的受限设备上，完成数据采集、检测值上报、设备升级维护等。各领域的设备都能方便快速地采用LwM2M集成到平台进行数据汇聚及互通，从而使能全流程、全方位的运营优化。
3.oneM2M
（1）技术介绍
oneM2M是由全球8家ICT行业领先的标准制定组织（中国CCSA、欧洲ETSI、北美TIA和ATIS等）和6家行业联盟[宽带论坛（BBF）、康体佳（Continua）健康联盟、家庭网关组织（HGI）及开放移动联盟（OMA）等]联合制定的物联网标准。oneM2M致力于不同行业及标准之间协作和沟通，如工业、车联网、健康医疗、智慧城市、家居等，主要目标是通过定义通用的业务能力规范，实现不同协议、不同类型IoT设备和应用间的跨行业的连接和互通。
oneM2M定义了支持设备管理、数据模型和连接控制等在内的业务体系架构，以及基于该体系架构的开放接口和基于语义的互操作能力。
在oneM2M中，端到端物联网业务被抽象为层次化模型（见图1-27），分别包含应用实体（Application Entity, AE）、公共业务实体（Common Service Entity, CSE）及网络业务实体（Network Service Entity, NSE）三层。oneM2M聚焦于公共业务层与应用层。
AE是应用层中实现业务逻辑的实体，如AE可以是工业远程监控、故障诊断、车队跟踪应用、功率计量应用等。CSE部署在平台或网关，向应用（即AE）提供访问能力。CSE之间可以通过Mcc接Z口进行信息交互。
图1-27 oneM2M功能架构
oneM2M标准通过抽取不同IoT行业和场景中的公共部分，定义了12个CSE公共能力部件，包括数据管理和存储、设备管理、发现、群组管理、位置、注册、安全等。
（2）主要特点和优势
便于应用开发。oneM2M标准利用CSE提供的统一接口，可以屏蔽设备通信方式间的差异；在AE与CSE之间、CSE与CSE之间，采用在Web中广泛采用的RESTful API访问。底层支持多样化的传输协议，如HTTP、CoAP、MQTT或WebSocket，适配各行业的需求。
便于数据共享。oneM2M基于语义WEB的方法，将工业互联网数据建模为标准的机器可识别、可互操作的方式，实现跨设备、跨应用、跨行业的信息共享，从而支撑工业互联网在全面数据分析和业务逻辑驱动方面的需求，如柔性制造、预测性维护等。
强调跨行业连接和数据的互通性。oneM2M通过定义统一的资源模型以及标准协议互通技术，实现非oneM2M设备服务到oneM2M资源的双向映射。oneM2M引入了14项跨多行业的互操作规范，如OMA LwM2M、OCF、OSGi、OPC-UA、ModBus、3GPP、DDS、W3C WoT等，实现对汽车、医疗、智慧城市、智能家居和工业领域的使能。
（3）适用场景
在工业互联网场景中，如柔性制造、用户直连制造（Customer to Manufactory, C2M）、数字主线（Digital Thread）等，除了工厂内控制系统设备间的互联互通外，还要求工厂内不同系统间乃至不同工厂间、产业链上下游的互通。例如，在智能电网的场景中，因为未来用电量的无法预测性，造成发电企业很难预估精确发电量，这样容易造成用电高峰到来时的电力供应不足，或者因用电量不足造成的浪费甚至安全问题。跨行业的数据互通可以很有效地解决这一问题。通过收集大量用电行业的数据，如充电汽车的行驶情况、制造企业的排产情况、智能家居的供热情况、天气数据等，可以根据这些跨行业的数据分析未来一段时间内的用电量，如电动车充电、家庭取暖、制造业大规模集中生产或新增产线，进而预测应有的发电量，避免电力不平衡的情况发生。
oneM2M通过定义统一的信息模型，以及不同行业协议和信息到oneM2M的映射，实现跨行业的互通。应用可以通过调用oneM2M提供的公共能力，实现对不同行业数据的访问、查询、订阅等业务。对单个行业来讲，可以借助oneM2M实现对周边相关跨行业的数据采集和分析，从而极大地丰富该行业可以提供的业务。