物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)的發(fā)展、現(xiàn)狀與展望

宗子軒+諶海云+吉寧+張偉偉

摘 要：物聯(lián)網信息網絡技術發(fā)展非常迅速，他和SCADA系統(tǒng)應用于眾多行業(yè)和領域。首先介紹了物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)的基本概念和特征，其次介紹它們的現(xiàn)狀和現(xiàn)行應用中的問題，然后歸納它們的共同點，最后總結出它們的未來發(fā)展方向，以及對物聯(lián)網發(fā)展的期待。

關鍵詞：物聯(lián)網;射頻識別;RTU;SCADA系統(tǒng);通訊網絡

中圖分類號：TP316 ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-1302（2014）12-00-04

0 ?引 ?言

物聯(lián)網被看作信息領域一次重大的發(fā)展和變革，是繼計算機、互聯(lián)網和移動通信網之后的又一次信息產業(yè)浪潮。在物聯(lián)網之前，SCADA系統(tǒng)只是針對物理位置固定的過程進行數(shù)據采集和監(jiān)控。從這點來看，物聯(lián)網在移動數(shù)據采集上面有很大的優(yōu)勢，特別是不易布線的地方，物聯(lián)網更具有SCADA系統(tǒng)不可比的便捷。物聯(lián)網是SCADA系統(tǒng)的一種延伸，物聯(lián)網取代部分SCADA系統(tǒng)是必然的一個趨勢。在物聯(lián)網快速發(fā)展的時代，SCADA系統(tǒng)也必將支持對移動過程裝置和流程的數(shù)據采集和監(jiān)控[1]。

1 ?概 ?述

1.1 ?物聯(lián)網系統(tǒng)概述

1.1.1 ?物聯(lián)網系統(tǒng)的概念

物聯(lián)網[2，3]（The Internet of Things， IoT），即通過射頻識別（RFID）、傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS）、移動電話、激光掃描器等信息傳感設備，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網連接起來，進行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網絡[4]。物聯(lián)網一般情況下作為無線網，我們每個人周圍的設備一般為1 000至5 000個，那么物聯(lián)網包含物體總數(shù)為500萬億至1 000萬億個。在物聯(lián)網上，每個人都能以應用電子標簽將真實的物體上網聯(lián)結，且在物聯(lián)網上都可以查找出它們的具體位置。通過物聯(lián)網可以用中心計算機對機器、設備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設備、汽車進行遙控，以及搜尋位置、防止物品被盜等各種應用[5]。

物聯(lián)網將能現(xiàn)實世界數(shù)字化，且應用范圍十分廣泛。物聯(lián)網遍及智能交通、環(huán)境保護、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場照明管控、老人護理、個人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測、食品溯源、敵情偵查和情報搜集等多個領域，具有十分廣闊的市場和應用前景。

1.1.2 ?RFID射頻識別技術

RFID是一種通信技術，可通過無線電訊號識別特定目標并讀寫相關數(shù)據，而無需識別系統(tǒng)與特定目標之間建立機械或光學接觸。RFID技術興起于20世紀80年代，隨著超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，到20世紀90年代進入了實用階段。RFID作為一種具備巨大發(fā)展前途的應用技術，不僅在物流領域具有強大的應用優(yōu)勢，同時在商業(yè)、交通、醫(yī)療、軍事等領域也有著廣泛的發(fā)展前途[6]。

RFID具有快速掃描、體積小、抗污染能力和耐久性、重復使用、記憶容量大等特點，被認為是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一。它被稱作四大物聯(lián)網關鍵技術（RFID、傳感器、智能技術、納米技術）之首，是物聯(lián)網的構建基礎和核心[7]。

1.1.3 ?物聯(lián)網的架構和特征

物聯(lián)網架構可分為三層：感知層、網絡層和應用層[8]。感知層由各種傳感器構成，包括溫濕度傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、攝像頭、紅外線、GPS等感知終端。感知層是物聯(lián)網識別物體、采集信息的來源。網絡層由各種網絡，包括互聯(lián)網、廣電網、網絡管理系統(tǒng)和云計算平臺等組成，是整個物聯(lián)網的中樞，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯(lián)網和用戶的接口，它與行業(yè)需求結合，實現(xiàn)物聯(lián)網的智能應用。

和傳統(tǒng)的互聯(lián)網相比，物聯(lián)網有其鮮明的特征：物聯(lián)網是各種感知技術的廣泛應用;物聯(lián)網是一種建立在互聯(lián)網上的泛在網絡;物聯(lián)網本身也具有智能處理的能力，能夠對物體實施智能控制;物聯(lián)網的使用場景和時間更加自由，更貼合用戶的使用習慣，提供更好的用戶體驗。

1.2 ?SCADA系統(tǒng)概述

1.2.1 ?SCADA系統(tǒng)的概念

SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監(jiān)控與數(shù)據采集）系統(tǒng)是基于計算機通訊和控制技術發(fā)展起來的生產過程控制與調度自動化系統(tǒng)，它可以對現(xiàn)場的運行設備進行監(jiān)視和控制，以實現(xiàn)數(shù)據采集、測量、各類信號報警、設備控制以及參數(shù)調節(jié)等各項功能[9]。

SCADA系統(tǒng)分為三層架構。第一層為數(shù)據采集層，第二層為數(shù)據監(jiān)控層，第三層為數(shù)據應用層[8]。

SCADA系統(tǒng)將先進的計算機技術、工業(yè)控制技術、顯示技術、通信技術（有線通信和無線通信等）、RTU（Remote Terminal Unit，遠程終端單元）/PLC（Programmable Logic Controller，可編程程序控制器）技術、測量技術、現(xiàn)場總線技術等結合在一起，采用N（N≥2）層客戶機/服務器結構或者瀏覽器/Web服務器/數(shù)據庫服務器軟件架構。一般來說，全部SCADA系統(tǒng)主要由位于監(jiān)控調度中心的SCADA軟件系統(tǒng)、位于現(xiàn)場監(jiān)控站的各遠程終端單元（RTU/PLC）以及連接它們的通訊系統(tǒng)（有線、無線、光纖、擴頻、微波、衛(wèi)星等）組成[10]。

1.2.2 ?SCADA系統(tǒng)的特點和功能

SCADA系統(tǒng)具有實時性、多任務性、開放性、分布性、可靠性、安全性和維護性。其優(yōu)勢在于網絡能力較強、RTU較靈活、價格較低[11]。

SCADA系統(tǒng)不僅要實現(xiàn)對現(xiàn)場生產過程的數(shù)據采集、處理與監(jiān)控，而且是管理信息系統(tǒng)、辦公自動化、地理信息系統(tǒng)（GIS）、制造執(zhí)行系統(tǒng)以及企業(yè)資源計劃等系統(tǒng)的實時數(shù)據源，這就需要SCADA系統(tǒng)具備良好的開放性，以實現(xiàn)與上述系統(tǒng)的數(shù)據交換和系統(tǒng)集成。

2 ?物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1 ?物聯(lián)網發(fā)展及現(xiàn)狀

物聯(lián)網的實踐最早可以追溯到1990年施樂公司的網絡可樂販售機，美國麻省理工學院（MIT）的Kevin Ashton教授首次提出物聯(lián)網的概念，且在1999年美國麻省理工學院建立了“自動識別中心（Auto-ID）”，提出“萬物皆可通過網絡互聯(lián)”，闡明了物聯(lián)網的基本含義。早期的物聯(lián)網是依托射頻識別（RFID）技術的物流網絡，隨著技術和應用的發(fā)展，物聯(lián)網的內涵已經發(fā)生了較大變化。2005年ITU在突尼斯舉行的信息社會世界峰會（WSIS）上正式確定了“物聯(lián)網”的概念，國際電信聯(lián)盟（ITU）發(fā)布《ITU互聯(lián)網報告2005：物聯(lián)網》，引用了“物聯(lián)網”的概念。物聯(lián)網的定義和范圍已經發(fā)生了變化，覆蓋范圍有了較大的拓展，并介紹了物聯(lián)網的特征、相關的技術、面臨的挑戰(zhàn)和未來的市場機遇，物聯(lián)網也不再只是指基于RFID技術的物聯(lián)網[12]。

國外的一些具有技術優(yōu)勢和戰(zhàn)略優(yōu)勢的國家和組織，比如美國、日本、韓國、歐盟等，物聯(lián)網的發(fā)展較為迅速，發(fā)展水平較為領先。

物聯(lián)網具有很大的發(fā)展空間?；诖?，我國對物聯(lián)網的發(fā)展進行了詳細的規(guī)劃，政府也在政策扶持方面給予大力支持。在我國制定的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中，將物聯(lián)網納入國家五大戰(zhàn)略性新興產業(yè)，相應標準也在制定中;物聯(lián)網還被列為《國家中長期科學與技術發(fā)展規(guī)劃（2006-2020年）》和“新一代寬帶移動無線通信網”重大專項中的重點研究領域。國家教育部已成立物聯(lián)網及相關專業(yè)教學指導小組，以江南大學、北京郵電大學、南京郵電大學、天津大學為代表的高校已經或正在申報申報物聯(lián)網相關專業(yè)。

2014年2月18日，全國物聯(lián)網工作電視電話會議在北京召開。國務院副總理馬凱在會議中強調，要搶抓機遇，應對挑戰(zhàn)，以更大決心、更有效措施，扎實推進物聯(lián)網有序健康發(fā)展，努力打造具有國際競爭力的物聯(lián)網產業(yè)體系，為促進經濟社會發(fā)展做出積極貢獻。

2.2 ?SCADA系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀

第一代是基于專用計算機和專用操作系統(tǒng)的SCADA系統(tǒng)。第二代是基于通用計算機的SCADA系統(tǒng)。第三代是基于分布式計算機網絡以及關于數(shù)據庫技術的能夠實現(xiàn)大范圍聯(lián)網的SCADA系統(tǒng)[10]。第四代SCADA/EMS系統(tǒng)的基礎條件已經誕生。該系統(tǒng)的主要特征是采用Internet技術、面向對象技術、神經網絡技術以及JAVA技術等，繼續(xù)擴大SCADA/EMS系統(tǒng)與其它系統(tǒng)的集成，綜合安全經濟運行以及商業(yè)化運營的需要。

目前，國外和國內市場上應用較為普遍的SCADA上位機系統(tǒng)有：WondWare的InTouch、西門子公司的WinCC、澳大利亞的CiTech、美國Interlution公司的Fix、意大利LogoSystem的LogView等，這些系統(tǒng)較為全面的解決了傳統(tǒng)SCADA上位機系統(tǒng)功能的主要問題：數(shù)據采集與控制信息發(fā)送;報警處理;歷史趨勢顯示與記錄。

3 ?物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)存在的主要問題

物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)以及其它工業(yè)自動化系統(tǒng)，都屬于計算機網絡技術發(fā)展中的產物[10]，它們有許多共同的特點，比如體系架構結構、數(shù)據采集功能、對通訊網絡的依賴、數(shù)據處理等，但是物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)在發(fā)展和應用過程中也存在諸多問題。

3.1 ?物聯(lián)網存在的主要問題

（1）安全問題

在射頻識別（RFID）系統(tǒng)中，電子標簽會被大量、頻繁的使用，被植入電子標簽的任何物體都有可能會被掃描、追蹤，因此會涉及到個人隱私的泄露，從而影響社會安全。

（2）標準問題

物聯(lián)網在不同行業(yè)、領域的應用，沒有統(tǒng)一的標準。RFID系統(tǒng)廠商提供的都是專用系統(tǒng)，與其他廠商系統(tǒng)的頻率、協(xié)議都不盡相同。就猶如不同的3G、4G網絡通信協(xié)議，終端可能就不能同時支持不同的協(xié)議，這必然要耗費很多的人力、物力、財力。所以需要加強不同國家、不同地區(qū)的合作來解決標準不統(tǒng)一問題。

（3）實際應用問題

應用成本很高會使物聯(lián)網發(fā)展遇阻，需要企業(yè)、個人之間相互協(xié)調。

（4）政策法規(guī)

對于可能出現(xiàn)的安全問題，需要出臺相關法律法規(guī)作為物聯(lián)網發(fā)展的有力保障。

（5）技術問題

目前來看，技術雖已具備一定的理論，但還不夠成熟，特別是在功耗、安全、網絡可靠性和健壯性等方面還存在很多技術難題需要突破[13]。

3.2 ?SCADA系統(tǒng)存在的主要問題

部分SCADA系統(tǒng)可能存在以下問題。

（1）與企業(yè)MIS（Management Information System，管理信息系統(tǒng)）系統(tǒng)的結合性能差;

（2）不具備GIS（Geographic Information System，地理信息系統(tǒng)）功能;

（3）數(shù)據采集速度較慢，需要新一代的數(shù)據傳輸協(xié)議以適用高速傳輸;

（4）缺少高效的控制能力和系統(tǒng)自診斷能力。

針對國內的需要，這些系統(tǒng)有明顯的弱點：

（1）本地化差。雖然部分系統(tǒng)已經推出中文版，但是與中國市場中一些行業(yè)的特殊需求，依然難以滿足需求;

（2）成本昂貴。從國外采購的SCADA系統(tǒng)，一般需要數(shù)萬美元，很多公司難以接受。

雖然國內的系統(tǒng)具有較高的性能價格比、本地化能力較強，但是其MIS、GIS、控制效率低，自診斷能力缺乏等不完善的地方，依然需要投入大量的人力和資金完善系統(tǒng)功能、修復系統(tǒng)漏洞、開發(fā)新型系統(tǒng)。

除此之外，SCADA系統(tǒng)的安全問題也備受業(yè)內專業(yè)人士的關注[10]。工業(yè)控制系統(tǒng)受到黑客制造的惡意代碼攻擊，SCADA系統(tǒng)的信息安全問題認識存在認識偏差[8]。隨著信息技術的發(fā)展和SCADA系統(tǒng)通信的網絡化，SCADA的通信也有可能會被黑客攻擊。

4 ?物聯(lián)網和SCADA系統(tǒng)未來發(fā)展的方向

4.1 ?物聯(lián)網未來發(fā)展的方向

我國的物聯(lián)網產業(yè)與歐美等發(fā)達國家相比，仍存在一定的差距，但已經具備一定的產業(yè)技術和應用基礎。以后，物聯(lián)網應從以下方面發(fā)展[14]。

（1）加大科研的投入，突破技術難題，掌握核心和關鍵技術;

（2）加快物聯(lián)網標準的制定，盡量統(tǒng)一標準;

（3）加快法律法規(guī)和政策的出臺，加快物聯(lián)網的發(fā)展，使其起到模范帶頭作用，帶動其他產業(yè)的良性發(fā)展;

（4）在完善功能的前提下，盡可能的給出較為低廉的價格;

（5）以用戶為核心，增強用戶體驗。

人類將進入物聯(lián)網時代[6]，物聯(lián)網將會推動社會的高速發(fā)展，也必將產生重大深遠的意義。

（1）物聯(lián)網提高生產效率，降低生產成本，推進經濟快速發(fā)展，為國家經濟做出貢獻;

（2）物聯(lián)網構建“智慧城市”，讓人類的生活邁入更高的臺階，推動人類的進步;

（3）物聯(lián)網使周圍的物體智能化，人和自然和諧共處，社會達到可持續(xù)發(fā)展。

4.2 ?SCADA系統(tǒng)未來發(fā)展的方向

因特網、擴頻無線電、網絡與數(shù)據高速公路[10]是SCADA系統(tǒng)發(fā)展的方向，其未來將實現(xiàn)以下功能：

（1）SCADA系統(tǒng)與其他系統(tǒng)的廣泛集成，具有更好的兼容性;

（2）專家系統(tǒng)、模糊決策、神經網絡等新技術與SCADA系統(tǒng)的融合;

（3）面向對象技術（OOT）是網絡數(shù)據庫設計、市場模型設計和站控系統(tǒng)分析[9]。

5 ?結 ?語

當今，物聯(lián)網作為一個非常熱門的智能發(fā)展項目，把傳統(tǒng)的信息網絡、通信網絡延伸到了更為廣泛的物理世界。物聯(lián)網的快速發(fā)展，很有可能會取代部分SCADA系統(tǒng)的功能，這也將是必然趨勢。物聯(lián)網的應用已經深入到了我們生活的方方面面，它提供的越來越便捷的生活服務，使我們的社會變得現(xiàn)代化、服務實現(xiàn)智能化，從而讓生活變得更加舒適、方便、高效、快捷。

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