導讀：gongyewulianwangganzhicengzuoweiwulishijieyushuzishijiedeqiaoliang，shishujudediyirukou。xianshiqingkuangxia，youyuganzhicengshujulaiyuanfeichangduoyang
，laizigezhongduoyuanyigoushebeihexitong，yinciruhecongzhexieshebeihexitongzhonghuoqushuju，shigongyewulianwangmianlindediyidaomenkan。在工業領域，感知即通常所說的工業數據采集。

01 工業數據采集的範圍

工業數據采集利用泛在感知技術對多源異構設備和係統、環境


、renyuandengyiqieyaosuxinxijinxingcaiji，bingtongguoyidingdejiekouyuxieyiduicaijideshujujinxingjiexi。xinxikenenglaizijiazhuangdewulichuanganqi，yekenenglaizizhuangbeiyuxitongbenshen。

《智能製造工程實施指南（2016—2020）》將智能傳感與控製裝備作為關鍵技術裝備研製重點；針對智能製造提出了“體係架構、互聯互通和互操作、現場總線和工業以太網融合、工業傳感器網絡、工業無線、工業網關通信協議和接口等網絡標準”
，並指出：“針對智能製造感知
、控製、決策和執行過程中麵臨的數據采集

、數據集成、數據計算分析等方麵存在的問題，開展信息物理係統的頂層設計。”

這裏麵蘊含兩方麵信息：一是工業數據采集是智能製造和工業物聯網的基礎和先決條件
，後續的數據分析處理依賴於前端的感知
；二是各種網絡標準統一後才能實現設備係統間的互聯互通，而多種工業協議並存是目前工業數據采集的現狀。

廣義上
，工業數據采集分為工業現場數據采集和工廠外智能產品/移動裝備的數據采集（工業數據采集並不局限於工廠，工廠之外的智慧樓宇
、城市管理、物流運輸
、智能倉儲、橋梁隧道和公共交通等都是工業數據采集的應用場景），以及對ERP
、MES
、APS等傳統信息係統的數據采集。

如果按傳輸介質劃分
，工業數據采集可分為有線網絡數據采集和無線網絡數據采集。

02 工業數據采集的特點

工業數據采集具有一些鮮明的特征，在麵對具體需求時，不同場景會對技術選型產生影響，例如設備的組網方式、數據傳輸方式、數據本地化處理、數據彙聚和管理等。

1. 多種工業協議並存

工業領域使用的通信協議有很多
，如PROFIBUS
、Modbus、CAN、HART、EtherCAT、EthernetIP、Modbus/TCP、PROFINET、OPC UA，以及大量的廠商私有協議。這種狀況出現，很大程度上是因為工業軟硬件係統存在較強的封閉性和複雜性。

shexiangzaigongyexianchang
，butongchangshangshengchandeshebei
，caiyongbutongdegongyexieyi，yaoshixiansuoyoushebeidehulian，xuyaoduigezhongxieyizuojiexibingjinxingshujuzhuanhuan，zheshigongyewulianwangcunlianggaizaoxiangmukaizhanshizuixianyudaodewenti——想要解決“萬國牌”設備的數據采集，耗時又費力。

如果是新建設的工廠，應從最開始的規劃階段考慮車間
、廠級和跨地域的企業級工業物聯網應用要求，在沒有曆史包袱的情況下，通過製定標準，綜合評估現場的電磁環境抗幹擾要求、數據帶寬要求、傳輸距離、實時性、組網時支持的設備節點數量限製
、星形或Daisy-Chain網絡拓撲、後期擴展性等因素，選擇合適的技術路線，並設計好OT與IT互通的接口
，這將大大降低數據采集的難度和工作量。

2. 時間序列數據

工業數據采集大多數時候帶有時間戳，即數據在什麼時刻采集。大量工業數據建模
、工業知識組件和算法組件
，均以時間序列數據作為輸入數據，例如時域分析或頻域分析方法，都要求原始數據包含時間維度信息。

工業物聯網應用越來越豐富，延伸到了更多的場景下
，例如室內定位開始在智慧倉儲
、無wu人ren化hua工gong廠chang中zhong探tan索suo應ying用yong，無wu論lun是shi基ji於yu時shi間jian還hai是shi基ji於yu接jie收shou功gong率lv強qiang度du的de定ding位wei方fang式shi，其qi定ding位wei引yin擎qing都dou要yao求qiu信xin號hao帶dai有you時shi間jian標biao簽qian，才cai能neng完wan成cheng定ding位wei計ji算suan
，保bao證zheng時shi空kong信xin息xi的de準zhun確que性xing和he可ke追zhui溯su性xing。

在搭建工業物聯網平台時
，應結合時間序列數據的特點

，在數據傳輸

、存儲


、分析方麵做針對性的考慮。例如時序數據庫（Time Series DataBase，TSDB）專門從時間維度進行設計和優化
，數據按時間順序組織管理。

圖3-1suoshiweidianxingdeshijianxulieshuju，cunchuyuguanxixingshujukuzhong
，dangshujuguimojijuzengdashi，guanxixingshujukudechulinenglibiandechijin，xuyaoxingnenggengyoudeshujuku。gongyeshujuhehulianwangshujucunzaihendachabie
，qianzhetongchangshijiegouhuade，erhouzheyifeijiegouhuashujuweizhu。

▲圖3-1 時間序列數據示例

3. 實時性

gongyeshujucaijideyigehendatedianshishishixing，baokuoshujucaijideshishixingyijishujuchulideshishixing。lirujiyuchuanganqideshujucaiji，qizhongyigezhongyaozhibiaoweicaiyanglv，jimeimiaocaijiduoshaogedian。caiyanglvdideruwenshiducaiji，caiyangjiangezaifenzhongji；采樣率高一些的如振動信號，每秒鍾采集幾萬個點甚至更多，方便後續信號分析處理以獲得高階諧波分量。

有(you)些(xie)大(da)的(de)科(ke)學(xue)裝(zhuang)置(zhi)，例(li)如(ru)粒(li)子(zi)加(jia)速(su)器(qi)的(de)束(shu)流(liu)監(jian)測(ce)係(xi)統(tong)，采(cai)樣(yang)率(lv)達(da)數(shu)兆(zhao)每(mei)秒(miao)。采(cai)樣(yang)率(lv)越(yue)高(gao)意(yi)味(wei)著(zhe)單(dan)位(wei)時(shi)間(jian)數(shu)據(ju)量(liang)越(yue)大(da)，如(ru)此(ci)大(da)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)，如(ru)果(guo)不(bu)加(jia)處(chu)理(li)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)網(wang)絡(luo)傳(chuan)輸(shu)到(dao)數(shu)據(ju)中(zhong)心(xin)或(huo)雲(yun)端(duan)，對(dui)於(yu)網(wang)絡(luo)的(de)帶(dai)寬(kuan)要(yao)求(qiu)非(fei)常(chang)之(zhi)高(gao)
，而(er)且(qie)如(ru)此(ci)大(da)的(de)帶(dai)寬(kuan)下(xia)，很(hen)難(nan)保(bao)證(zheng)網(wang)絡(luo)傳(chuan)輸(shu)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)，可(ke)能(neng)會(hui)產(chan)生(sheng)非(fei)常(chang)大(da)的(de)傳(chuan)輸(shu)時(shi)延(yan)。

而部分工業物聯網應用
，如設備故障診斷、多機器人協作、狀態監測等，由於要求在數據采集（感知）、分析
、決(jue)策(ce)執(zhi)行(xing)之(zhi)間(jian)，完(wan)成(cheng)快(kuai)速(su)閉(bi)環(huan)

，因(yin)此(ci)對(dui)數(shu)據(ju)的(de)實(shi)時(shi)處(chu)理(li)有(you)著(zhe)較(jiao)高(gao)的(de)要(yao)求(qiu)。如(ru)果(guo)將(jiang)數(shu)據(ju)上(shang)傳(chuan)到(dao)雲(yun)端(duan)

，雲(yun)端(duan)分(fen)析(xi)後(hou)再(zai)繞(rao)一(yi)圈(quan)回(hui)來(lai)，指(zhi)導(dao)下(xia)一(yi)步(bu)動(dong)作(zuo)，一(yi)來(lai)一(yi)回(hui)產(chan)生(sheng)的(de)時(shi)延(yan)，很(hen)多(duo)時(shi)候(hou)將(jiang)變(bian)得(de)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)。

上(shang)述(shu)業(ye)務(wu)場(chang)景(jing)將(jiang)在(zai)靠(kao)近(jin)數(shu)據(ju)源(yuan)頭(tou)的(de)現(xian)場(chang)對(dui)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)即(ji)時(shi)處(chu)理(li)
，實(shi)時(shi)分(fen)析(xi)，提(ti)取(qu)特(te)征(zheng)量(liang)
，然(ran)後(hou)基(ji)於(yu)分(fen)析(xi)的(de)結(jie)果(guo)進(jin)行(xing)本(ben)地(di)決(jue)策(ce)
，指(zhi)導(dao)下(xia)一(yi)步(bu)動(dong)作(zuo)，同(tong)時(shi)將(jiang)分(fen)析(xi)結(jie)果(guo)上(shang)傳(chuan)到(dao)雲(yun)端(duan)，數(shu)據(ju)量(liang)經(jing)過(guo)本(ben)地(di)處(chu)理(li)後(hou)大(da)大(da)減(jian)小(xiao)了(le)。圖(tu)3-2所示是實時振動信號狀態監測和數據分析。

▲圖3-2 實時振動信號狀態監測和數據分析

03 工業數據采集的體係結構

工業數據采集體係包括設備接入、協議轉換、邊(bian)緣(yuan)計(ji)算(suan)。設(she)備(bei)接(jie)入(ru)是(shi)工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)建(jian)立(li)物(wu)理(li)世(shi)界(jie)和(he)數(shu)字(zi)世(shi)界(jie)連(lian)接(jie)的(de)起(qi)點(dian)。設(she)備(bei)接(jie)入(ru)利(li)用(yong)有(you)線(xian)或(huo)無(wu)線(xian)通(tong)信(xin)方(fang)式(shi)，實(shi)現(xian)工(gong)業(ye)現(xian)場(chang)和(he)工(gong)廠(chang)外(wai)智(zhi)能(neng)產(chan)品(pin)/移動裝備的泛在連接，將數據上報到雲端。工業數據采集發展了這麼多年，存在設備接入的複雜性和多樣性。

數據接入後，將對數據進行解析、轉換，並通過標準應用層協議如MQTT、HTTPshangchuandaowulianwangpingtai。bufengongyewulianwangyingyongchangjing，zaixieyizhuanhuanhou，kenengzaibendizuojishishujufenxiheyuchuli，zaishangchuandaoyunduan
，tishengjishixingbingjiangdiwangluodaikuanyali。

邊bian緣yuan計ji算suan近jin幾ji年nian發fa展zhan迅xun速su，大da家jia越yue來lai越yue意yi識shi到dao數shu據ju就jiu近jin處chu理li的de優you勢shi，無wu論lun是shi實shi效xiao性xing還hai是shi出chu於yu數shu據ju安an全quan性xing考kao慮lv
，或huo是shi網wang絡luo的de可ke靠kao性xing，邊bian緣yuan計ji算suan在zai工gong業ye物wu聯lian網wang體ti係xi中zhong扮ban演yan著zhe重zhong要yao角jiao色se，邊bian雲yun協xie同tong也ye逐zhu漸jian成cheng了le共gong識shi。

根據硬件載體不同，將設備接入產品分為以下3類，分類並非絕對，不同類別之間的差異，在於其側重點不同。

1. 通用控製器

第一類是通用控製器，來自工業裝備大腦主控，例如可編程邏輯控製器（Programmable Logic Controller，PLC）
、微控製單位（MicroController Unit，MCU）等，工業自動化領域存在很多控製和數據采集係統，如分布式控製係統（Distributed Control System，DCS）和數據采集與監視控製係統（Supervisory Control and Data Acquisition

，SCADA），它們在承擔本職功能的同時
，可以作為接入設備使用。

通用控製器通常集成了數字輸入輸出I/O單元
、網絡通信單元，以及針對特定應用的選配功能
，如模擬量輸入單元、模擬量輸出單元、計數器單元、運動控製單元等，通過串口或以太網物理接口連接，然後基於現場總線
、工業以太網或標準以太網完成數據采集協議的解析，如圖3-3所示。

▲圖3-3 通用控製器

通用控製器應用於數控機床
、激光切割機等各種自動化裝備、機器人（如機械臂和移動機器人）
、SCADA係統的通信管理機，有些自動化裝備擁有專用控製器，采用不同的硬件架構如PowerPC、ARM Cortex等。基於通用控製器的設備接入，完成自動化裝備自身數據

、工藝過程數據采集。

2. 專用數據采集模塊

第二類是專用數據采集模塊

，采集現場對象的物理信號
，傳感器將物理信號變換為電信號後
，專用數據采集模塊通過模擬電路的A/D模數轉換器或數字電路將電信號轉換為可讀的數字量。

lirufenglifadianjiliyonglichuanganqishixianfengjihunningtuyinglizhuangtaideshishizaixianjiance，weifengjihunningtujichuchengzailidepinggutigongyiju，tongshiliyongjiasuduchuanganqicaijizhendongxinhao
，zaifenglifadianxitongdeyunxingguochengzhong，shishizaixianjiancezhendongzhuangkuangbingfasongjiancexinxi，genjujiancexinxiyouxiaokongzhifengjiyunzhuanzhuangtai，bimianyouyugongzhenerzaochengdejiegoushixiao
，bingduichaochufuduyuzhidezhendongjinxinganquanyujing。

jianglichuanganqihejiasuduchuanganqianzhuanggudingyufengjishang
，chuanganqishuchuduanlianjiedaozhuanyongshujucaijimokuaideshuruduan，zhuanyongshujucaijimokuaitongguowangluojiangshujushangchuandaobendihuoyuanduanfuwuqi，jinxingxiayibushujufenxihekeshihua。

專用數據采集模塊的形式可能是數據采集板卡、嵌(qian)入(ru)式(shi)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)等(deng)。對(dui)於(yu)自(zi)動(dong)化(hua)裝(zhuang)備(bei)或(huo)機(ji)器(qi)人(ren)
，如(ru)果(guo)某(mou)些(xie)關(guan)注(zhu)的(de)數(shu)據(ju)缺(que)失(shi)，無(wu)法(fa)從(cong)其(qi)通(tong)用(yong)控(kong)製(zhi)器(qi)直(zhi)接(jie)獲(huo)取(qu)，此(ci)時(shi)可(ke)通(tong)過(guo)加(jia)裝(zhuang)傳(chuan)感(gan)器(qi)


，配(pei)合(he)專(zhuan)用(yong)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)模(mo)塊(kuai)的(de)方(fang)式(shi)，完(wan)成(cheng)更(geng)多(duo)維(wei)度(du)的(de)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)，這(zhe)種(zhong)做(zuo)法(fa)很(hen)常(chang)見(jian)。

3. 智能產品和終端

第三類是智能產品和終端
，強調遠程無線接入和移動屬性。例如通過運營商4G/5G蜂窩網絡
、Wi-Fi等室內短距離通信，或者低功耗廣域網無線連接上報數據。通過無線方式可以采集智能產品和終端的各種指標數據

，例如電量、信號強度、功耗
、定位、嵌入式傳感器數據等。

dabufenzhinengchanpinhezhongduanzaichanpindingyishizhijiejichenglewuxiantongxinnengli，shoujihekechuandaishebeishuyudianxingdelizi。dangqianzhinengchanpinyuelaiyuefengfu

，wanwuhulianshidai，morenjubeiyuanchengjierunengli
，duizhinengchanpinshiyongguochengzhongdegezhongyunxingzhibiaojinxingjiance，fenxicaijideshuju，keyizhidaoyanfatuanduigenghaodigaijinchanpin。

例如具有移動屬性的自動化裝備，如AGV機器人在室內基於Wi-Fi自組網集群，實現AGV之間的通信
，草皮收割機在戶外作業時的遠程監測和控製。有些產品終端本身不具備遠程接入能力，可間接通過數傳模塊（Data Transfer Unit

，DTU）或工業網關，實現同樣的效果。

工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)采(cai)集(ji)關(guan)於(yu)數(shu)據(ju)的(de)界(jie)定(ding)是(shi)非(fei)常(chang)廣(guang)義(yi)的(de)
，它(ta)可(ke)能(neng)來(lai)自(zi)通(tong)用(yong)控(kong)製(zhi)器(qi)運(yun)行(xing)時(shi)的(de)關(guan)鍵(jian)指(zhi)標(biao)，或(huo)者(zhe)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)的(de)某(mou)個(ge)物(wu)理(li)量(liang)，或(huo)者(zhe)單(dan)純(chun)一(yi)個(ge)身(shen)份(fen)標(biao)識(shi)信(xin)息(xi)，比(bi)如(ru)RFID標簽EPC數據區定義的標簽ID、廣播報文中攜帶的唯一MAC地址等，通信雙方彼此交換的可能僅僅是簡單的身份信息，完成一次確認
，無須多餘信息
，雖然通信雙方有能力攜帶額外信息。