07 марта 2016г.
Аннотация
Данный обзор посвящен описанию предпосылок внедрения и возможных приложений технологий концепции «Интернета вещей» для формирования нового типа предприятия в различных отраслях промышленности. Анализируются ведущие технологии в области систем интеллектуального управления, сетей, обмена и обработки данных. Рассматриваются актуальные тренды в развитии концепции интернета вещей – формирование «Социального интернета вещей», а также примеры внедрения технологий в промышленной практике.
INTERNET OF THINGS AS A FACTOR OF NEW INDUSTRIAL REVOLUTION
Y.V. Sukhoroslova, A.A. Isaev, V.V. Frantsuzova
JSC «Central Research Institute «Electronics», Russian Federation, Moscow
Abstract
This review is dedicated to description of the prerequisites for possible applications of the concept of "Internet of Things" technologies for the formation of a new type industry. The leading technologies in the intelligent systems, networking, and data processing were analyzed. In addition, the current trends in the Internet of Things - the formation of "Social Internet of Things" were considered, as well as examples of technology’s implementation in industrial practice.
Keywords: Internet of Things, Industry 4.0, The Industrial Internet of Things, Russian industry, development.
В последние годы всё больше внимания уделяется концепции Интернета Вещей (IoT). Период с 2008 по 2009 годы, когда количество устройств, подключённых к глобальной сети превысило численность населения Земли, аналитики корпорации Cisco считают «настоящим рождением «Интернета вещей». По прогнозам международной консалтинговой компании, J'son & Partners Consulting, к 2015 г. мировой рынок IoT составит $109 млрд, а к 2020 г. увеличится до $359 млрд, в то время как количество устройств в сети изменится с 16 млрд до 34 млрд интернет-вещей. По разным оценкам, к 2020 г. выручка компаний, полученная от услуг на основе IoT, достигнет около $250 млрд.
Нет сомнения, что стремление к повсеместной автоматизации, безусловно, до неузнаваемости изменит многие сферы жизнедеятельности: экономику, политику, социальную сферу [1]. Воплощение новых проектов в области интеллектуальных систем – сетей, фабрик и городов, требуют миллиардов «умных вещей»: датчиков, роботов, управляющих устройств и др., объединенных в единую сеть. Широкие возможности для устройств в части идентификации даёт переход с технологии IPv4 на IPv6, что обеспечивает уникальными адресами сетевого уровня не менее 300 млн устройств на одного жителя Земли.
В то же время инженеры озадачены, способны ли самые передовые беспроводные технологии обеспечить связь такого огромного количества устройств, большинство из которых питается автономно. Хотя ряд решений, основанных на технологиях RFID, ZigBee, Bluetooth, или WPAN уже поддерживают устройства с малыми энергозатратами, их возможности ограничены по количеству, пропускной способности, дальности передачи и др. С другой стороны, такие технологии, как WiMAX и LTE не подходят из-за высоких энергозатрат.
Сегодня роль устройств больше не ограничивается подключением пользователей к сети Интернет – появляется возможность соединить физический мир с киберпространством, что приводит к появлению киберфизических систем (CPS). Понятие CPS относится к следующему поколению систем Информационных и Коммуникационных Технологий (ИКТ), в которых вычисления и сети интегрированы с физическими процессами, и они могут контролировать и управлять динамикой, сделать их более эффективными, надежными, гибкими. Информация о физических процессах, собранная датчиками, передаётся, обрабатывается и используется в цифровом виде, но может также влиять на физические процессы, например, с помощью исполнительных механизмов обратной связи. Особенностью CPS является то, что система ИКТ разработана совместно с физическими компонентами, чтобы максимизировать общую эффективность, в отличие от классических встраиваемых систем, где целью является включиться в электронику, компьютеры.
Способы приложения технологий концепции «Интернета вещей» в различных сферах промышленности IoT имеет огромные возможности для разработки новых интеллектуальных применений почти в каждой области и является ключевым фактором для промышленной революции – Industry 4.0 (рис. 1). Это становится возможным, главным образом, не только из-за способности осуществлять сбор информации, но и предлагать индивидуальные услуги на её основании. Возникающие технологии, такие как распределенные вычисления, облачные вычисления и беспроводные сенсоры делают IoT способным реализовать M2M (Machine-to-Machine) сети, сенсорные сети и, в конечном счете, повсеместно распространенные сети.
Независимо от области применения, такие приложения направлены на повышение
качества повседневной жизни и будут иметь огромное
влияние на экономику и общество в целом. Различные
приложения могут быть сгруппированы в три основные области:
(a) промышленный домен, (б) умный город, (в) здоровье и медицина. Каждый домен не изолирован от других,
некоторые приложения являются
общими.
Примером промышленного применения IoT является логистика и управление цепочками
поставок. RFID (Radio Frequency Identification) могут быть присоединены к объектам и использоваться для идентификации материалов и товаров, будь то одежда,
мебель, оборудование, продукты питания. Их использование помогает эффективно управлять складом
и розничными продажами, а также упростить
инвентаризацию. Также может быть отслежен весь жизненный цикл объектов [2]. Например, RFID считыватели, установленные на заводе, позволяют контролировать процесс
производства, в то время как метку можно
проследить на протяжении всей цепочки поставок - упаковка,
транспортировка, складирование, продажа заказчику, утилизация. В случае появления дефектов посредством IoT налаживается обратная связь [3]. Такие системы
станут повседневной необходимостью для современных производств и предприятий (Рисунок 2), в том числе и радиоэлектронного комплекса.
IoT может предложить передовые
решения и в автомобильной промышленности. Автомобиль диагностируется в режиме реального времени с помощью
специальных датчиков, которыми
отслеживаются следующие параметры: давление в шинах,
состояние двигателя, расход
топлива, местоположение, скорость, расстояние от других транспортных средств, время вождения, остановки. Данные собираются и передаются в диагностический центр системы [4]. Умные системы
парковки направляют водителей
в ближайшее свободное место в зависимости от местоположения или личных предпочтений водителя [5]. Датчики, размещенные на парковках, обнаруживают транспортные средства, припаркованные в неположенном месте (например, в паркинге для лиц с ограниченными возможностями) и отправляют эвакуаторы для буксировки.
Медицинский сектор сильно меняется
с внедрением IoT. Продвинутые сенсорные устройства позволяют
выполнять мониторинг медицинских параметров и жизненно важных
функций (например, температуры, артериального давления, частоты сердечных
сокращений, уровня
холестерина) в режиме реального
времени. Собранные данные затем передаются через стандартные или специальные коммуникационные технологии (Bluetooth, ZigBee, WirelessHART, ISA100 и др.) и становятся доступными медицинскому персоналу
для диагностики
и контроля здоровья
пациентов. Компания Parks Associates предполагает, что к 2018 году производителям удастся реализовать более 70 млн персональных устройств, ориентированных на поддержание здоровья,
что составит в денежном выражении примерно 8 млрд долл.
Альтернативное применение связано с идентификацией лекарственных препаратов и медицинских измерительных приборов:
использование смарт-этикеток облегчает инвентаризацию
медицинского оборудования.
Последние инновации в технологиях концепции «Интернета вещей»
и успешные истории внедрения Потенциальные возможности IoT безграничны – промышленные и бизнес компании сильно заинтересованы этой новой парадигмой. Наметившаяся тенденция показывает, что в среднесрочной перспективе промышленность
сосредоточит свои усилия преимущественно в одном секторе:
smartcity. В частности, выделяют три основные сферы интересов: smartgrid, smartbuilding и smarthome.
Действительно, распространение возобновляемых источников энергии привело
к глубокой модернизации традиционной
системы распределения электроэнергии. Smart Grid представляет собой
интеллектуальную систему распределения электроэнергии, которая способна доставлять энергию от производителей к потребителям и обратно [6]. В отличие от обычных электросетей, где энергия генерируется только на нескольких центральных электростанциях и ''транслируется'' конечным
потребителям, через крупные сети, кабели, трансформаторы, подстанции, в smart grid производители могут быть и конечными потребителями. Такой процесс приводит к значительному увеличению эффективности в системе передачи,
распределения и контроля
электроэнергии, а также к уменьшению выбросов CO2. Например, предполагается, что улучшение
электросети США на 5% эквивалентно сокращению выбросов
СО2, производимых 53 миллионами автомобилей.
Энергия, производимая потребителями (например, с помощью солнечных
панелей, ветровых
турбин) поступает в сеть, которая, в свою очередь, управляет
ей и сохраняет в накопителях. Еще одним преимуществом smart grid является возможность мониторинга и обмена информацией о всевозможных потоках
энергии в сети [7]. Информация о потребленной электроэнергии также
предоставляется клиентам в целях повышения
их персональной
осведомленности, что приводит
к более рациональному использованию ресурсов. Smart grid станет одной из составляющей системы smart city, позволяя увеличить
количество доступных
smart- услуг. Эксплуатация электромобилей является типичным
примером. Станции
подзарядки, которые станут
одним из участников сети, будут способствовать популяризации электромобилей, позволяя быстро и безопасно
заряжать электромобили горожан [8]. Smart карты позволят автоматически распознавать клиентов и устанавливать параметры зарядки.
Кроме того, в будущем станет возможно
заказать слоты для зарядки заранее и пользоваться на станции
интегрированными в ней интерактивными услугами.
Для удовлетворения целевых показателей, установленных по некоторым ведущим
странам, основные отрасли промышленности делают огромные инвестиции в развитие трех различных направлений сетей: энергетической сети (например, электричество, газ, тепло), физической сети (например, дороги, железнодорожные пути, вода)
и сети связи (например, волокна, беспроводные, 4G). Примеры развитой Smart Grid доступны по всему миру. Среди них стоит упомянуть самый первый (и до сих пор самый крупный)
пример умной сети, которая была установлена компанией
Enel S.p.A в Италии и названа Telegestore.9. Проект стартовал
в 2001 году, когда компания
заменила старые электромеханические счетчики умными электронными счетчиками, установив
32 млн из них всего лишь за пять лет. Сегодня Smart Grid Enel состоит из умных
счетчиков, устройств, собирающих данные
в единую сеть, и системы удаленного управления.
Другой амбициозный проект будет реализован
в городе Исси-ле-Мулино, где девять крупных промышленных компаний
создадут IssyGrid, первую
окружную smart grid во Франции. IssyGrid будет состоять
из сильно разветвленной сети, способной измерять
потребление энергии в жилых домах и зданиях, для регулирования возобновляемых постановок энергии (например, солнечные панели) и накопителей энергии и использовать информацию о потреблении в целях оптимизации потребления энергии.
Мы являемся
свидетелями появления среды машинно-машинного взаимодействия, связывающего технические объекты
так же, как Интернет
объединил людей. Продукт теперь
может контролировать процесс своего создания
и взаимодействовать с другими элементами сети. IoT приведет к созданию
нового гибридного мира, в котором реальность, цифровое пространство и
виртуальность конвергируют и создают умную среду, в которой информация, получаемая сенсорами, трансформируется в знание.
Список литературы
1. Лукьянова Н.А. От знака к семиотическим конструктам коммуникативного пространства // Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2010.
2.
Cai H., Xu L.D., Xu B., Xie C., Qin S., Jiang L. IoT-based
configurable information service platform for product lifecycle management,
IEEE Transactions on Industrial Information,
Volume 10, Issue 2, 2014,
Pages 1558–1567. Chen R.Y.
Autonomous tracing
system for backward design
in food supply chain. Food Control,
Volume 51, 2015, Pages 70-84.
3.
Hank P., Müller
S., Vermesan O., Van Den Keybus J. Automotive ethernet:
in- vehicle networking and smart mobility, Proceedings of the Conference on Design, Automation and Test in Europe (DATE’13), 2013, Pages 1735–1739.
4.
Polycarpou E., Lambrinos L., Protopapadakis E. Smart parking solutions for urban areas, Proceedings of IEEE 14th International Symposium
and Workshops on a World of Wireless,
Mobile and Multimedia Networks, 2013, Pages 1–6.
5.
Ancillotti E., Bruno R., Conti M. The role of communication systems in smart grids: architectures, technical solutions and research
challenges, Computer Communications. Volume
36, Issues 17–18, 2013, Pages 1665– 1697.
6.
Atzori L., Iera A., Morabito G. From smart objects to social objects: the next evolutionary step of the internet
of things, IEEE Communications Magazine, Volume 52, Issue 1, 2014, Pages
97–105.
7.
Zargariasl H., Iera A., Atzori L., Morabito G. How often social
objects meet each other? Analysis
of the properties
of a social network
of IoT devices based on real data, Proceedings of the IEEE Globecom, 2013.
