物联网在工业4.0时代的应用与未来

11 物联网在当今时代及其未来进展

11.1 引言

11.1.1 工业4.0简介

通过工业革命推动的技术与工业化演变，改变了各个行业[1]的运作方式。第一次工业革命引入了水力和蒸汽动力，彻底改变了水能的利用方式。随后的第二次工业革命中，电能得到发展。第三次工业革命见证了电子技术和信息技术的进步。随着被称为工业4.0的第四次工业革命的到来，信息物理系统正在形成[2]，旨在通过原材料与机器之间可靠高效的通信，实现先进制造与生产过程。通过智能工厂将自动化提升至新水平，是此次工业革命的愿景[3]。为了融合现实世界与虚拟世界，并使制造及各类供应链的整体运行更加高效，物联网与工业4.0概念的融合已成为趋势[4, 5]。

11.1.2 物联网简介

如今，我们生活在一个生物体并非唯一能够相互交流的世界。当物体和设备配备了传感器并连接到互联网时，它们便能轻松地相互通信，共同完成任务。用来描述这一技术的术语是物联网。通信的核心在于拥有一个网络，以实现设备之间的数据交换。物联网通过一个名为互联网的网络将它们连接起来。

物联网的应用不胜枚举，无论是智能家居、智慧城市、智能汽车等。这些应用都是通过节点之间高效数据传输所产生的一系列操作的实现。例如，当温度变得极高时，我们的大脑会发送一个信号，从而引发打开风扇的自主行为。一系列计算设备模仿此类行为便形成了智能应用。借助物联网，我们现在可以高效地模仿所有活动。

像物联网这样的技术能够实现任务自动化并帮助做出智能决策，随着其广泛使用和普及性不断提高，它必将改变世界的运行方式[7]。

许多行业已将其集成到产品和服务中。然而，也存在一些缺点，因为连接在互联网上的节点可能容易受到网络攻击，从而危及系统中的数据安全[8]。不过，这是一项不断改进的技术，

物联网的当前前景进步 开启无限可能的大门。本章反映了物联网在各个行业中的当前趋势，探讨了其面临的问题，并前瞻性地展望了未来物联网应用扩展的改进空间。

11.1.3 工业物联网简介

一个相互关联的自动化机器网络，能够协同高效地运作并执行制造过程，从而减少人力劳动和人类在过程中的参与，被称为工业物联网[9]。工业物联网融合了大数据、机器学习等众多概念，以在制造过程中收集数据，实现机器、传感器和产品之间的通信，进而实现整个流程的自动化[10]。机器和计算机与物联网协同工作，推动未来智能工厂的发展[11]。

11.2 工业物联网如何在工业4.0时代推动工业工程发展

工业工程至今已历经四个阶段[12]。第一阶段为第一次工业革命，发生在18世纪以后。这场革命带来了变革，使得原本依赖人力和畜力的手工劳动，可以通过使用蒸汽动力、水力以及其他由水能驱动的工具得到增强。

20世纪初，世界见证了第二次工业革命，电力和钢铁相继被引入。电力的出现极大地提高了各种机器的机动性，这次革命也标志着大规模生产的开始。装配线也是工业2.0时代的发明。

20世纪50年代末，第三次工业革命开始[13]。计算机和电子设备被应用于制造流程中，这改变了工厂对模拟机械的依赖，并 ushered in 数字时代。

如今，随着工业4.0的到来，制造运营必将发生转变。通过在工业工程中引入工业物联网、大数据、机器学习等新技术，各行业的更顺畅工作流程有望实现[14]。

各行业一直将其视为推动制造和运输等运营发展的有前途的方式。借助物联网使能系统，各行业已采用有效方法来持续跟踪他们的货物以及在运输过程中通过物联网实现的高效跟踪机制进行监控[15]。多年来，许多工业企业已将注意力转向物联网支持的运营，以缩短交付时间、保持优质服务、维持生产流程的标准，最重要的是降低不必要成本。远程生产监控、物流管理、预测性维修和系统化资产管理仅仅是推进行业发展的众多优势中的几项[16]。

11.3 物联网及其当前应用

物联网已触及人们所能想到的各个行业[17]。它改变了数字世界的运行方式，将大量无生命物体引入了数字领域。自21世纪初以来，物联网一直备受关注，如今据说每秒就有超过120台新的物联网设备接入互联网。2020年使用的设备已超过300亿台设备，且这一数字预计还将继续攀升[18]。最初，物联网主要致力于减少人力劳动，但如今已催生出一些极为重要的进步，在最重要的医疗保健行业中发挥了关键作用，其中近40%的设备专门用于医疗保健[19]。在这一蓬勃发展的技术的无数应用中，当前有一些应用值得关注。

11.3.1 家庭自动化

如今，世界正见证着一个智能家居时代的到来，通过全面控制各种协同工作的家用电器，打造一个以自动化运行的住宅。物联网有多种应用，但其中最受欢迎的是家庭自动化。它主要提供气候控制、娱乐设备管理以及经济型住宅的维护。借助各种警报器和安防摄像头，还可以确保家庭安全[5, 20]。

当设备配备传感器后，它们将连接到互联网。该网络可以通过手机进行远程控制；换句话说，即使用户不在家，现在也可以访问家中所有应用程序。为了使系统更智能，这些设备会根据数据传感器收集的数据自动进行设置[21]。例如，室内温度是用于自动控制空调和风扇的宝贵数据。

在家中无人时，可能会发生一些严重的家庭灾难。其中一种灾难可能是燃气泄漏。通过支持物联网的家庭自动化，我们的家庭可以免受灾难性燃气泄漏的危害。使用GSM模块、Arduino和传感器，检测到任何泄漏时，可通过短信向用户发送即时通知，从而防止潜在的灾难。

11.3.2 可穿戴设备

智能手环、智能手表、智能眼镜等如今已成为每个人生活中不可或缺的一部分[22]。尽管这些可穿戴设备具有时尚功能，但它们对于感知脉搏、体温及其他重要身体数据至关重要，能够向用户提供即时的生物反馈。这些可穿戴设备中嵌入的传感器或微处理器可以通过互联网发送和接收数据。可穿戴技术已蓬勃发展多年，持续改善人们的健康与健身状况。这些系统可以佩戴在身上，或纹在皮肤上，也可嵌入衣物之中[23]。可穿戴时代始于名为Fitbit的健身追踪手表，随后多年来逐步演变为更智能的应用。

尽管这些可穿戴设备对时尚产业产生了积极影响，但它们最近的关注点已转向更实用的应用。宠物追踪和儿童追踪设备、空气质量与污染热点检测可穿戴设备、心脑活动监测纹身等，仅仅是可穿戴技术[24]的众多实例中的一部分。

11.3.3 联网汽车

汽车是世界上的革命性发明。如今，我们观察到汽车中存在两种通信方式。车对基础设施通信是一种将所有传感器和控制器的数据传输到系统，以控制车辆的制动和速度的通信方式[25]。

另一种有趣的通信是车对车通信，其中一辆汽车的所有传感器和其他设备通过网络与邻近的汽车相连；这有助于控制车速、避免事故并改善交通状况[26]。

11.3.4 智能电网

随着城市化的到来，电力需求持续增长。如今，通过智能电网，电力生产、配电、用电及整体分析变得更加便捷。多个欧洲国家已采用这些技术，并取得了显著的改善

控制用电。智能电网是物联网的应用，因为系统所需的数据来自家庭中由物联网支持的传感器和设备[27]。这些数据反映了用电情况、总成本，并有助于了解哪些区域耗电量较大。通过分析这些数据，电力供应链可以相应地进行控制和协调，让公众积极参与该过程，利用提取的数据实现高效供电。

智能电表是物联网设备在智能电网中应用的一个例子。这些电表维持电力供应商与用户之间的通信，自动进行故障检测、成本数据收集及其他活动，使供电过程更加高效[28]。

11.4 工业物联网的应用领域

11.4.1 工业物联网在医疗保健中的应用

它有可能将远程设备连接到网络中，实现高效通信和数据交换，正是这一特性使其在推动当今医疗设施发展方面具有重大意义。它可以作为多种医疗应用的灵活替代方案，包括远程检查和跟踪患者、将传感器和其他医疗设备集成到物联网网络中以优雅地完成任务、实施健身计划以及识别严重疾病等。在医疗护理中使用物联网作为替代方案，可以在保持治疗质量的同时减少医生的工作量和成本[29]。

例如，以物联网在医疗保健中的一个应用——移动健康（M‐health）为例。M‐health 即移动健康，通过网络定期收集患者的数据，并将其提供给各类客户和医生。这不仅有助于通过从各种传感器和可穿戴设备（如智能手表的心率数据）获取数据来每日监测患者的健康状况，还可能帮助识别潜在的健康异常[30]。

11.4.2 工业物联网在采矿业中的应用

除了显而易见的好处之外，它还能规范各行业运营，确保安全并进行灾害预测。一个典型的例子是采矿业，该行业需要一个有效的通信系统来保障地下安全并预测可能发生的灾害。矿井中的传感器可以提供有关环境条件的数据

在地下，体感传感器可以监测矿工的状况，从而确保他们在整个采矿过程中的安全[31]。尽管目前尚未找到实施这一过程的最佳方法，因为这些设备需要电力并需防地下气体，但相关研究仍在继续。

11.4.3 工业物联网在农业中的应用

如今，农业已不再是人们传统观念中的那种耕作方式。物联网等技术已将农业产业转变为更加精准、高效且以数据为驱动的产业。从土壤准备到病虫害检测，无论是否有人参与，都为进步带来了无限机遇。物联网系统可在农业的各个阶段为农民提供帮助，例如播种、收获，甚至农作物运输[32]。对农作物进行无人监控以及采用先进的农作物产量优化技术，在今天已成为现实[33]。

随着人口增长和人类预期寿命的整体提高，对食物的需求每年必然增加，而现在正是我们需要高效技术来满足这一需求的关键时刻[34]。因此，许多国家已开始在农作物生产中采用基于物联网的技术，以应对即将到来的关键时期。

物联网在农业领域最引人注目的应用之一是害虫监测和疾病预测[35]。通常，农民会提前喷洒杀虫剂以防止害虫侵害，但这会严重损害作物质量和消费者健康。因此，人们引入了基于物联网的系统，通过传感器、无人机和其他设备监控作物，以检测害虫。利用图像处理技术与物联网相结合，这些害虫的图像被上传至云平台，从而更深入地了解它们，并精确激活田间机器人仅对特定植株进行喷洒[36]。这只是这些系统在农业领域提供的众多优势之一。

11.4.4 工业物联网在航空航天中的应用

物联网也已进入航空领域。它有望实现更快的到达时间、更好的乘客舒适度以及整体运营效率。通过工业物联网，飞机能够相互连接，提前检测航线上可能的碰撞，并为每架飞机计算更优航线[37]。在陆地上，物联网可以确保对机场内各项运营活动进行追踪与监控。此外，物联网还被认为有助于提高导航精度，实现更准确的位置追踪。

11.4.5 智慧城市中的工业物联网

随着城市居民人口的大幅增加，迫切需要系统化的方式来管理城市。

最近，一些城市已经引入了基于物联网的系统，其取得的进展令人鼓舞，激励着其他城市跟进。支持物联网的城市旨在保障居民的安全与福祉，维护清洁环境并优化电力[38]。

智能道路交通管理和智能交通灯有助于人们安全、准时地到达目的地。它们利用车辆的GPS数据来预防事故，并在出现拥堵时将交通灯调为绿灯以疏导交通。智能停车也是智慧城市中一项高效的应用，可更有效地管理停车位[39]。除了安全之外，降低成本是智慧城市的另一大优势。例如，通过智能照明功能，根据道路上行人或车辆的移动情况来控制路灯，照明系统会相应调整，并依据特定模式适应相应的时间表。

11.4.6 工业物联网在供应链管理中的应用

如今，我们看到工厂正在向智能工厂转型，机械由大数据、机器学习和人工智能驱动。这些机械现在非常适合通过物联网[40]连接到智能网络。因此，工厂的运营和信息系统相辅相成，所产生的数据被有效利用，以实现最大效率的工厂运行。通过对机械进行持续监控和增强可见性，工厂必将随着时间推移变得越来越智能。

11.5 现有系统的挑战

事实上，物联网正在众多行业中得到广泛应用。然而，这些行业在安全性、数据可用性及其他问题上不得不面对潜在的成本。鉴于物联网所带来的机遇，企业面临着是否采用它的艰难抉择。本节重点讨论制约企业在[28, 41]中充分发挥物联网潜力的问题。

11.5.1 安全性

随着云上设备数量的增加，未经授权的设备入侵网络的可能性非常大。

各种由物联网驱动的参与网络的设备可能尚未足够完善，无法确保其数据的安全。系统运行所需的数据在网络中公开共享，从而增加了数据漏洞的风险。

射频识别（Radio‐frequency identification）标签包含各种数据，如果这些数据落入未授权用户手中，而此人又获得了前端设备的控制权，则很容易篡改数据并为进一步的威胁打开通道。存储在云上的数据不仅可能被篡改，还可能被黑客永久删除，甚至在网络中大量扩散。拦截，也就是通常所说的中间人攻击，是另一种安全性问题。

因此，许多处理敏感和私有数据的公司尚未转向物联网驱动的技术，而是在其他地方寻找更安全的选择。相关研究和工作仍在进行中，随着各种新想法的不断讨论，物联网可能很快迎来一个充满希望的未来。

11.5.2 集成

当制造流程融入工业物联网时，它们面临着将信息技术组件与操作技术组件相融合的挑战。确保数据不丢失并实现有效整合，是工厂所面临的真实挑战。同步和整体连接性方面的问题随之出现。从财务上和实际上来看，目前将工业物联网整合到企业中似乎是不可能的。

11.5.3 连接性问题

确保机器在运行过程中不产生错误对于提高生产效率至关重要。如果缺乏对机器状态的充分可视化，可能会导致机器出现缺陷，从而影响整个生产周期。缺乏对各台机器的充分可视化，还会使同步问题变得更加严重。在全球范围内，这将成为工业物联网面临的一项关键挑战。

11.6 未来进展

物联网在其成功之路上已达成多个里程碑。随着其进步范围不断扩大，未来必将无限广阔[42]。随着新兴的有前景技术逐渐成形，物联网的局限性即将被削弱，使其成为企业最追捧的可持续技术。下文将探讨未来可能实现的一些进步。

11.6.1 物联网中的数据分析

随着越来越多的设备与物联网相连，交换的数据量巨大。为了开展物联网运营，高效的数据管理变得尤为必要。因此，研究人员一直在探讨引入数据分析以更好地进行管理、分析并获取有价值的数据洞察[43]。这将为机器学习和人工智能开辟道路，这些技术有能力使其更加便捷，并提供更优质的数据洞察。

11.6.2 边缘计算

假设一辆自动驾驶汽车遇到了危险；将传感器检测到的信息通过网络发送到数据中心，由数据中心做出决策后再传回，所需的时间非常长。试想一下，您的企业将其最重要的信息共享在一个其他企业可以轻易查看的云上？我们更倾向于使用本地网络。

当利用云进行数据交换时，带宽所耗费的成本并不经济，人们更愿意转向更具成本效益的方式。上述所有因素，即时间、隐私和成本，是当前由物联网[44]驱动的云计算系统的根本问题。

因此，一种更先进的方法应运而生，即边缘计算。在这里，智能处理直接在节点边缘（本地网络）完成，决策也在数据源处即时做出。这样一来，企业数据仅限于企业内部，所需时间显著减少，成本也得到了控制。

11.6.3 通过区块链保障物联网安全

在当今使用物联网的众多企业中，包括金融和政府机构，这些企业需要交换交易和其他私有数据。这些企业最初发现很难信任基于物联网系统的安全性。然而，通过区块链技术，物联网系统的基础设施得以改变，网络不再集中化，并实现了点对点安全通信，从而确保数据的安全性和隐私性[45]。这一进步是所有趋势中最受期待的之一，未来将有越来越多的企业选择物联网，而无需牺牲数据安全性。

11.6.4 增强现实与物联网的融合

物联网有能力将任何无生命的实体接入数字网络并使其发挥作用。

增强现实技术可使任何数字实体感觉如同真实存在的实体。当这两种技术结合使用时，将开辟一个全新的技术可能性领域[46]。尤其是在医疗保健领域，如果外科医生能够以三维形式重现任何人人体器官以更好地理解并高效诊断，复杂流程便可得到简化。

11.6.5 通过第五代移动通信技术加速物联网发展

物联网包含一个由各种家用电器、计算机、汽车设备组成的网络，能够高效地交换数据。第五代移动通信技术作为科技领域的新事物，因其极快的数据传输速度、减少中断以及高效利用带宽而受到青睐。

如果将这些因素与物联网相结合，数据交换将实现高速化，最终缩短交付时间，从而吸引更多企业。未来，运营将融合这两种技术，创建更复杂的物联网网络[47]。

11.7 得伟案例研究

问题 ：一家名为得伟的制造公司生产螺丝刀、拼图锯、泛光灯和其他常用工具。该公司拥有一家大型工厂，配备大量人员负责从设计到包装的一系列运营。由于涉及大量劳动力和数千台机器协同工作，监控并保持这些机器的连接性十分困难。由于技术或人为错误未能及时处理，产品交付正在被延迟。这不仅增加了延误，还影响了公司及其客户[48]。

解决方案 ：该问题凸显了监控工厂机械和劳动力的重要性。因此，得伟采用了思科无线基础设施和AeroScout实时定位解决方案。

通过在每家工厂生产线上的每个思科无线网络接入点安装 AeroScout标签，任何产线上的微小故障都能通过连接监控数据到管理层的服务器进行有效监控和追踪。这有助于提高可视化水平，并激励劳动力更好地工作，确保所有生产线高效同步运行，减少大量损失[48]。

11.8 结论

物联网在技术演进中发挥了至关重要的作用，引入了最先进的系统，彻底改变了当今的各种操作。除了其所推动的诸多发展之外，也存在一些潜在问题。安全性一直是这些网络运行中的持续关注点，因为数据广泛可见且容易受到威胁。其他问题如复杂性、缺乏互操作性也逐渐显现。

随着研究的不断深入，未来无疑将在前瞻性项目中看到物联网的身影，第五代移动通信技术和边缘计算等技术正进入物联网领域，并有望解决其现有问题。数据分析还将通过机器学习和人工智能等数据科学技术提供有价值的洞察，从而为数据赋予更深层次的意义。如同增强现实一样，一些独立的技术也可以很好地融合，催生出超越我们想象的网络。总体而言，物联网是一项极具灵活性的技术，将很快与多种技术协同合作，创造出创新性的项目。随着世界朝着自动化迈进，每个无生命物体都将参与网络，物联网的未来前景十分广阔。