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、人ren員yuan等deng一yi切qie要yao素su信xin息xi進jin行xing采cai集ji，並bing通tong過guo一yi定ding的de接jie口kou與yu協xie議yi對dui采cai集ji的de數shu據ju進jin行xing解jie析xi。信xin息xi可ke能neng來lai自zi加jia裝zhuang的de物wu理li傳chuan感gan器qi，也ye可ke能neng來lai自zi裝zhuang備bei與yu係xi統tong本ben身shen。

《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。

設she想xiang在zai工gong業ye現xian場chang，不bu同tong廠chang商shang生sheng產chan的de設she備bei
，采cai用yong不bu同tong的de工gong業ye協xie議yi，要yao實shi現xian所suo有you設she備bei的de互hu聯lian
，需xu要yao對dui各ge種zhong協xie議yi做zuo解jie析xi並bing進jin行xing數shu據ju轉zhuan換huan
，這zhe是shi工gong業ye物wu聯lian網wang存cun量liang改gai造zao項xiang目mu開kai展zhan時shi最zui先xian遇yu到dao的de問wen題ti——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3-1所(suo)示(shi)為(wei)典(dian)型(xing)的(de)時(shi)間(jian)序(xu)列(lie)數(shu)據(ju)
，存(cun)儲(chu)於(yu)關(guan)係(xi)型(xing)數(shu)據(ju)庫(ku)中(zhong)，當(dang)數(shu)據(ju)規(gui)模(mo)急(ji)劇(ju)增(zeng)大(da)時(shi)
，關(guan)係(xi)型(xing)數(shu)據(ju)庫(ku)的(de)處(chu)理(li)能(neng)力(li)變(bian)得(de)吃(chi)緊(jin)，需(xu)要(yao)性(xing)能(neng)更(geng)優(you)的(de)數(shu)據(ju)庫(ku)。工(gong)業(ye)數(shu)據(ju)和(he)互(hu)聯(lian)網(wang)數(shu)據(ju)存(cun)在(zai)很(hen)大(da)差(cha)別(bie)，前(qian)者(zhe)通(tong)常(chang)是(shi)結(jie)構(gou)化(hua)的(de)，而(er)後(hou)者(zhe)以(yi)非(fei)結(jie)構(gou)化(hua)數(shu)據(ju)為(wei)主(zhu)。

▲圖3-1 時間序列數據示例

3. 實時性

工gong業ye數shu據ju采cai集ji的de一yi個ge很hen大da特te點dian是shi實shi時shi性xing，包bao括kuo數shu據ju采cai集ji的de實shi時shi性xing以yi及ji數shu據ju處chu理li的de實shi時shi性xing。例li如ru基ji於yu傳chuan感gan器qi的de數shu據ju采cai集ji，其qi中zhong一yi個ge重zhong要yao指zhi標biao為wei采cai樣yang率lv

，即ji每mei秒miao采cai集ji多duo少shao個ge點dian。采cai樣yang率lv低di的de如ru溫wen濕shi度du采cai集ji，采cai樣yang間jian隔ge在zai分fen鍾zhong級ji；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。

youxiedadekexuezhuangzhi
，lirulizijiasuqideshuliujiancexitong，caiyanglvdashuzhaomeimiao。caiyanglvyuegaoyiweizhedanweishijianshujuliangyueda
，rucidadeshujuliang，ruguobujiachulizhijietongguowangluochuanshudaoshujuzhongxinhuoyunduan，duiyuwangluodedaikuanyaoqiufeichangzhigao
，erqierucidadedaikuanxia，hennanbaozhengwangluochuanshudekekaoxing
，kenenghuichanshengfeichangdadechuanshushiyan。

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。

shangshuyewuchangjingjiangzaikaojinshujuyuantoudexianchangduishujujinxingjishichuli，shishifenxi，tiqutezhengliang
，ranhoujiyufenxidejieguojinxingbendijuece，zhidaoxiayibudongzuo，tongshijiangfenxijieguoshangchuandaoyunduan，shujuliangjingguobendichulihoudadajianxiaole。tu3-2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
、bianyuanjisuan。shebeijierushigongyeshujucaijijianliwulishijieheshuzishijielianjiedeqidian。shebeijieruliyongyouxianhuowuxiantongxinfangshi，shixiangongyexianchanghegongchangwaizhinengchanpin/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
、HTTP上shang傳chuan到dao物wu聯lian網wang平ping台tai。部bu分fen工gong業ye物wu聯lian網wang應ying用yong場chang景jing，在zai協xie議yi轉zhuan換huan後hou
，可ke能neng在zai本ben地di做zuo即ji時shi數shu據ju分fen析xi和he預yu處chu理li，再zai上shang傳chuan到dao雲yun端duan，提ti升sheng即ji時shi性xing並bing降jiang低di網wang絡luo帶dai寬kuan壓ya力li。

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。

例(li)如(ru)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)機(ji)利(li)用(yong)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)實(shi)現(xian)風(feng)機(ji)混(hun)凝(ning)土(tu)應(ying)力(li)狀(zhuang)態(tai)的(de)實(shi)時(shi)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)，為(wei)風(feng)機(ji)混(hun)凝(ning)土(tu)基(ji)礎(chu)承(cheng)載(zai)力(li)的(de)評(ping)估(gu)提(ti)供(gong)依(yi)據(ju)
，同(tong)時(shi)利(li)用(yong)加(jia)速(su)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)采(cai)集(ji)振(zhen)動(dong)信(xin)號(hao)
，在(zai)風(feng)力(li)發(fa)電(dian)係(xi)統(tong)的(de)運(yun)行(xing)過(guo)程(cheng)中(zhong)，實(shi)時(shi)在(zai)線(xian)監(jian)測(ce)振(zhen)動(dong)狀(zhuang)況(kuang)並(bing)發(fa)送(song)檢(jian)測(ce)信(xin)息(xi)，根(gen)據(ju)檢(jian)測(ce)信(xin)息(xi)有(you)效(xiao)控(kong)製(zhi)風(feng)機(ji)運(yun)轉(zhuan)狀(zhuang)態(tai)，避(bi)免(mian)由(you)於(yu)共(gong)振(zhen)而(er)造(zao)成(cheng)的(de)結(jie)構(gou)失(shi)效(xiao)，並(bing)對(dui)超(chao)出(chu)幅(fu)度(du)閾(yu)值(zhi)的(de)振(zhen)動(dong)進(jin)行(xing)安(an)全(quan)預(yu)警(jing)。

jianglichuanganqihejiasuduchuanganqianzhuanggudingyufengjishang，chuanganqishuchuduanlianjiedaozhuanyongshujucaijimokuaideshuruduan

，zhuanyongshujucaijimokuaitongguowangluojiangshujushangchuandaobendihuoyuanduanfuwuqi
，jinxingxiayibushujufenxihekeshihua。

專用數據采集模塊的形式可能是數據采集板卡

、qianrushishujucaijixitongdeng。duiyuzidonghuazhuangbeihuojiqiren，ruguomouxieguanzhudeshujuqueshi，wufacongqitongyongkongzhiqizhijiehuoqu，cishiketongguojiazhuangchuanganqi，peihezhuanyongshujucaijimokuaidefangshi，wanchenggengduoweidudeshujucaiji，zhezhongzuofahenchangjian。

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。

大da部bu分fen智zhi能neng產chan品pin和he終zhong端duan在zai產chan品pin定ding義yi時shi直zhi接jie集ji成cheng了le無wu線xian通tong信xin能neng力li
，手shou機ji和he可ke穿chuan戴dai設she備bei屬shu於yu典dian型xing的de例li子zi。當dang前qian智zhi能neng產chan品pin越yue來lai越yue豐feng富fu
，萬wan物wu互hu聯lian時shi代dai，默mo認ren具ju備bei遠yuan程cheng接jie入ru能neng力li，對dui智zhi能neng產chan品pin使shi用yong過guo程cheng中zhong的de各ge種zhong運yun行xing指zhi標biao進jin行xing監jian測ce


，分fen析xi采cai集ji的de數shu據ju
，可ke以yi指zhi導dao研yan發fa團tuan隊dui更geng好hao地di改gai進jin產chan品pin。

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。