于海斌（1964－）
男，黑龙江密山人，博士，中国科学院沈阳自动化研究所研究员，博士生导师，副所长，主要研究方向为分布式智能控制系统、网络化制造技术、无线传感器网络等。

1    工业无线技术概念

    工业无线技术是继现场总线之后，工业控制领域的又一个热点技术，是降低工业测控系统成本、提高工业测控系统应用范围的革命性技术，也是未来几年工业自动化产品新的增长点。

    工业无线技术是一种本世纪初新兴的，面向设备间短程、低速率信息交互的无线通信技术，适合在恶劣的工业现场环境使用，具有很强的抗干扰能力、超低能耗、实时通信等技术特征，是对现有无线技术在工业应用方向上的功能扩展和技术创新，并将最终转化为新的无线技术标准。工业无线技术是从新兴的无线传感器网络技术中发展而来的。无线传感器网络技术具有应用特异化的特点，针对军事、医疗、智能家居等不同应用领域，其实现技术完全不同。工业无线技术是满足工业应用高可靠、低能耗、硬实时等特殊需求的一类无线传感器网络技术。

    基于工业无线技术的测控系统，与传统的有线测控系统相比，具有以下一些优势：

    (1) 低成本。在传统的有线系统中，布线的成本是每米$30～$100，在一些恶劣环境下，可达到每米$2000。测控系统运行期间需要不断检测系统状态，发现错误，更换电缆。使用工业无线技术将使测控系统的安装与维护成本降低90％，是实现低成本测控系统的关键。

    (2)  高可靠、易维护。在有线系统中，绝大部分系统故障是由电缆的连接器件损坏而引发的，其维护复杂度、维护费用高。使用无线技术将彻底杜绝此类错误的发生。

    (3)  高灵活、易使用。使用无线技术后，现场设备摆脱了电缆的束缚，从而增加了现场仪表与被控设备的可移动性、网络结构的灵活性以及工程应用的多样性，用户可以根据工业应用需求的变化快速、灵活、方便、低成本地重构测控系统。

    利用基于工业无线技术的测控系统，人们可以以较低的投资和使用成本实现对工业全流程的“泛在感知”，获取传统由于成本原因无法在线监测的重要工业过程参数，并以此为基础实施优化控制，来达到提高产品质量和节能降耗的目标。

    美国能源部（DOE）在2004年发布的 “未来工业计划”（IOF）中指出：这种基于工业无线技术的低成本测控系统是实现到2020年美国工业整体能耗降低5％目标的主要手段，代表着工业自动化系统技术的发展方向，将在提高产品质量、降低工业生产过程中的跑冒滴漏、提高能源效率等方面发挥重要作用，在石油天然气开采、石化、冶金、污水处理等高耗能、高污染行业有广泛的应用前景。

2    国内外发展现状与趋势

    在计算机、通信和网络技术发展的推动下，工业通信技术的发展经历了20世纪六七十年代的模拟仪表控制系统、20世纪八九十年代的集散控制系统（DCS）和20世纪末的现场总线控制系统（FCS）阶段，正朝着智能化和网络化的方向不断发展。随着测控系统规模的不断扩大，降低投资和使用成本成为工业通信技术发展新阶段的迫切要求。据美国市场研究机构Freedonia集团统计，2001年全球工业用传感器的市场份额是110亿美元，而安装和使用成本（主要是布线成本）超过1000亿美元，成为阻碍工业通信技术发展的主要难题。在这一背景下，无线通信技术的低成本特征引起了人们广泛的关注，2003年，美国能源部（DOE）组织研究机构对在工业现场环境下利用低成本的无线网络技术实现高效数据采集的可行性及其对工业控制领域的影响进行了深入的分析。美国总统科技顾问委员会在“面向21世纪的联邦能源研究与发展规划”中指出：低成本无线技术的应用将使工业生产效率提高10％，并使排放和污染降低25％。

    工业测控系统的典型结构分为现场级、车间级和企业级三个层次，如图1所示。

图1   工业测控系统典型结构

    据美国网络技术市场分析机构On World公司对未来无线设备数量增长最快的采油、石化、污水处理、电力、汽车等5个行业需求的统计分析，到2020年，无线技术的主要需求来自现场级，即为现场的传感器、执行器提供低成本的信息交互手段。而阻碍用户接受无线技术的关键问题主要体现在两个方面：一方面是无线技术本身的抗干扰、功耗和传输可靠性等共性技术问题还未解决；另一方面是工业无线技术缺乏统一的国际标准。

    （1）共性关键技术研究进展

    面向工业无线技术的市场需求， 2004年由美国能源部发起，GE、Honeywell、RAE等70多家大公司参与成立了无线工业控制网络联盟（WINA），该联盟专门讨论无线技术在工业控制领域应用的技术难题。同年，美国工业技术计划“传感器和自动化”方向上设立了4个重点项目。在这些项目的支持下，工业自动化领域一些大的公司开展了以测控系统应用为牵动的工业无线技术共性关键问题的研究。

    Eaton公司在2004年启动了“基于无线传感器网络的工厂高级能源管理”项目，该项目致力于构建一个低成本的无线网络，来完成信息的快速采集、监视和诊断，计划五年完成。截止2005年，该项目完成了市场需求的调查，搭建了小规模网络原型，进行了网络性能测试实验以及与高级能源管理系统的互操作实验。

    GE全球研究中心在2004年启动了“分布式无线多传感器技术”项目，与Eaton公司重点面向网络结构的研究不同，该项目主要研究工业现场环境对无线网络的影响，计划四年完成。目前该项目已完成了典型工业环境下无线信道特征数据的收集与分析，系统仿真工具设计，并在核电厂和化工厂完成了现场实验。

    Honeywell实验室在2003年9月启动了“可提高工业效率的无线和感知”项目，重点研究面向工业现场的可靠无线技术，计划于2007年底完成。项目目前的进展是详细比较FHSS与DSSS在工业现场环境下的性能，提出了一种鲁棒的网络结构。

    欧洲的研究基本与美国同步，2004年10月至2005年4月，欧盟集中25个组织(包括大小公司和研究所)启动了RUNES计划、制定了未来10内无线技术在工业控制和自动化方面发展应用的开发路线图。该计划的目标是：通过采用无线技术，到2008年将安装成本降低50%，运行成本降低30%；到2014年将安装成本降低80%，运行成本降低50%。目前，该计划也处于技术攻关阶段。

    （2）标准化研究进展

    在关键技术攻关的同时，国际上一些区域组织和技术联盟也在积极开展相关标准的制定工作。

    2004年，HART通信基金会宣布开始制定无线HART协议，作为HART现场通信协议第七版HART7.0的核心部分。与所有符合HART协议的仪表和设备一样，无线HART向后兼容于现有的HART设备和应用。HCF的无线工作组吸引了世界众多的过程控制供应商加入，主要参加单位有：Emerson、ABB、Siemens、Dust Networks等。历经近三年的努力，经HCR成员投票，无线HART的规范和通信协议已在2007年6月正式通过。

    2004年12月，美国仪表系统和自动化学会成立了工业无线标准SP100委员会，启动了工业无线技术的标准化进程，与无线HART不同的是，SP100是一个覆盖整个工业自动化应用的标准。到2007年1月，SP100已发展为包括12个工作组，世界范围内200多家公司和科研机构参与其中，预计在2008年的上半年，SP100委员会将推出第一个面向过程控制应用的工业无线技术标准SP100.11a。

    2006年7月，现场总线基金会（Fieldbus Foundation）宣布成立无线工作组，着手制定基于无线通信的基金会现场总线标准，我国的中科院沈阳自动化所以及Emerson、Honywell等公司参与其中，目前工作组处于应用案例探讨阶段。

    （3）国内研究进展
   
    在国内方面，中科院联合一些高校也正在积极开展相关技术的研究工作，并取得了丰富的技术积累。2006年7月份，美国仪表系统和自动化学会SP100标准委员会面向全球征集技术提案，国内的沈阳自动化所、浙江大学、重庆邮电大学等三家单位与Honeywell、GE、Siemens等国际著名公司分别提交了自己的技术提案，并于10月份进一步提交了技术白皮书。目前，沈阳自动化所已作为工作组成员参与工业无线标准SP100、现场总线基金会Wireless FF标准的制定工作，中国拥有自主知识产权无线工业通信标准提案已经提交到相关国际组织，并已引起国外同行的普遍关注。

    总的来说，目前国外基于工业无线技术的测控系统的发展还处于关键技术攻关和实验室测试验证阶段，工业无线通信的关键技术难题正在被逐渐攻克，市场需求非常旺盛，一些大的工业自动化产品提供商在本国政府的资助下积极开展工业无线技术的研究工作，但尚未形成成熟的产品和相关专利。一些区域组织和技术联盟正在积极制定相关技术标准，并已取得了一些成果，并试图以国际标准的形式形成技术壁垒，进而垄断国际市场，但距离形成统一的国际标准还有相当的差距。

    而在国内，原理性研究取得大量成果，验证性产品开发工作已经启动、市场需求增长迅速。中科院联合一些高校也正在积极开展相关技术的研究工作，具备一定的技术攻关能力，获得了一些国际先进的研究成果，并已经参与到相关区域性标准的制定工作中。总之，国外公司并未取得太大的技术优势。

3    工业无线技术面临的挑战

    与面向商用的无线技术不同，面向工业自动化应用的无线技术需要满足以下需求：

    (1)  高可靠性：大部分的工业控制应用要求数据的可靠传输率要超过95%。但是在工业现场使用无线通信来实现高可靠传输面临以下挑战，一方面，工厂环境中往往存在IEEE802.11、蓝牙、IEEE802.15.4等多种类型的无线网络，这些网络大都集中在2.4GHz的ISM共享频段上，彼此间存在严重干扰；另一方面，工业环境中的射频通信条件较为恶劣，厂房中遍布的各种大型器械、金属管道等对信号的反射、散射造成的多径效应，以及马达、器械运转时产生的电磁噪声，都会干扰无线信号的正确接收。

    (2) 严格实时性：对于工业闭环控制应用，数据传输延迟应低于1.5倍的传感器采样时间。无线传感器网络成本很低，通常没有网络基础设施的支撑，设备间的通信需要通过多跳接力的方式进行，保证端到端通信的确定性比较困难。

    (3) 低能耗：用于对工业全流程进行泛在感知的无线传感器节点由于成本的限制通常不采用外接电源的方式，而是靠自身携带的电池供电。从运行和维护成本方面考虑，节点的电池寿命应达到3至5年。无线传感器节点的能耗由感知、计算和通信三部分组成，如何利用最少的能源实现信息采集任务是工业无线技术必须解决的问题。

    (4)  安全性：随着工业控制系统网络化进程的推进，网络安全和数据安全问题日益突出，一些安全漏洞将给工业控制应用造成巨大的损失。无线通信由于信道的开放特征更容易受到攻击，其安全保障机制将更加复杂，而无线传感器节点由于资源限制很难实现复杂的安全算法，如何在安全性和简洁性之间取得折中是工业无线技术面临的挑战。

    (5)  兼容性：为了保护用户的原有投资，基于工业无线技术的新型测控系统要具有与工厂原有的有线控制系统互连和互操作的能力。为了达到闭环控制的要求，互连与互操作技术在实现通信介质和协议转换的同时，还要保证通信的可靠和实时，这是以前的互连与互操作技术无需考虑的工业无线技术的特有问题。

4    市场前景

    工业无线技术具有巨大的市场潜力。据美国On World公司最近的一项无线传感器市场调查显示，79％的被调查用户正在考虑使用无线设备完成远程监控，特别是管道运营行业和水源监测，几乎所有的大型油气公司都在寻求网络化实时监测平台的解决方案。美国控制工程杂志报导的一项调查显示，在工业自动化市场中，最终用户和系统集成商对无线网络技术表现出强烈的兴趣。45%的受访者计划于2005年试用无线网络技术。而近70%的受访者正在关注无线技术在工业测控应用方面的进展。在关于无线网络能节约多少成本这个问题上，58%的受访者相信，每采用一个无线传感器，这项技术在连线和劳动力上节约了超过100美元的成本；33%的受访者认为每个传感器可节约超过250美元。Venture Development Corporation在其“北美离散和过程制造业的RF/微波无线监测和控制产品市场调研报告”中指出，工业自动化领域相关无线产品的生产量2004年为610万美元，预计今后将以60.2%的年增长率快速增长。

5    总结

    无线传输进入工业控制领域的趋势无可置疑。市场预测认为再过四、五年，即2010年前，大多数仪表和自动化产品都将嵌入无线传输的功能。无线传感器网络技术的发展将逐步推动工业测控模式的变革，但近期，工业无线测控系统技术仍将是传统有线测控系统技术的延伸，并将在较长的一段时间内与现有有线通信系统配合使用；国际上对工业无线技术的研究还处于起步阶段，相关的标准正在制订，我国科研机构已参与其中并发挥重要作用，这是我国在工业通信领域发挥自主创新能力，取得领先地位的重要机遇。