3月15日，在慕尼黑上海電子展國際嵌入式系統創新論壇上，瑞薩電子中國負責工業業務的譚紹鵬部長演講了構建新一代的工業物聯網。

如何實施工業4.0的解決方案

首先我們回顧一下工業革命的歷程。

第四次工業革命并非一個顛覆性的革命，它只是基于第三次工業革命的基礎上進行的技術創新。工業物聯網或者工業4.0是一個完美風暴，它是專注于在資源上結合可持續性或減少浪費的技術。工業4.0作為一個價值鏈的組織使用基礎和概念集中的名詞，最早是出現在德國政府提出的《第四次工業革命高科技戰略計劃》。隨后美國提出的工業互聯網，中國提出了《中國制造2025》，實際上這些概念是一樣的，是建立在一個原有自動化基礎上做一些改良或者優化的措施，并非是顛覆性革命。

工業物聯網讓我們可以對機器、計算機、人進行定位，把各種業務轉化所得到的一些數據進行一些分析，實現一些智能化的工業操作。工業物聯網實質是物聯網當中最大最重要的組成部分。

工業4.0工廠構想

要實現我們所謂的智慧工廠或者數字工廠，首先必須是傳感器實現自動化，以前傳感器只進行數據的傳輸，以后將更注重傳感器資產的管理運營，從而防止一些意外的停機，提高生產率。

實時分析最重要的目的是優化整個工廠的吞吐量。因為工業4.0面向的是物聯網數據，它有大量的數據需要處理，如何優化這些數據并減少浪費？首先要構建整個硬件和操作系統可以通用的實時操作系統，特殊的工業組件會被一些標準化實時的以太網組件或者協議取代。

另一個熱門的是虛擬制造，如何使用工廠的一些虛擬工具建造自己的一個虛擬的環境，整個運營、產品開發到制造后面的生產，整個建模，是非常重要的。

還有一個最關鍵的部分，物理網絡系統。它解決的問題是人工與機器人之間如何協同工作，使生產單元和虛擬單元更加便利。這一部分是工業4.0很重要的一個環節，它把每個智能制造體系當中的每個小腦或神經系統里面的節點，甚至具有信息加工的二元屬性的一些屬性單元結合起來，這些信息屬性包括了網絡通訊、計算還有一些數據分析。所以，在建設信息物理系統的時候，每個單元當中的通訊、計算跟分析都要具備，這些單元著重于如何把物理世界的一些東西進行虛擬化或者信息化，這也是實現工業物聯網或者工業4.0很重要的一個組成部分。

整個工業物聯網會對整個制造行業產生高達1.2萬億美元的經濟利益影響。

建立物聯網工廠要具備什么要素

人、資產和工藝之間的無縫操作

通過技術增強傳感器與機器之間的反饋

自主的“自我意識”

可配置的、可定制的

連接

實時域、非實時域

有線和云組件

安全和保障

本身固有的安全性

用戶身份驗證與上下文感知安全

智能化分析

描述性、預測性和規范性分析

在每個工廠層面進行調節

數據管理

可重復使用、可擴展的數據模型

何為“智能信息”——最常被引用的是環境信息（如位置和時間）

傳統工業企業如何擴展邁向工業4.0

整個傳統業務的價值鏈從最底層開始，瑞薩電子就類似于最底層的芯片級、半導體廠商，往上是一些中間電子提供商，再往上就是一些嵌入式軟硬件提供商、OEM廠商、系統集成商、設備提供商，最后是企業服務者。舉個例子，比方說現在的OEM廠商要連入工業4.0的話需要接入類似于云服務、軟件分析服務。半導體廠商要集成更多的安全性或將通信安全協議集成到新硬件里面去。另外系統集成商不僅僅提供了軟硬件的集合，同時也提供了一些軟件級服務，比如SaaS。所以，整個產業鏈可以看到不同決策級的玩家或者生態鏈里面的伙伴，由于工業物聯網要素的改變導致整條產業鏈會向上或者向下進行一個延伸，這是非常關鍵的一個價值鏈。

IT/OT 困境-復雜的網絡層

目前縱觀整個系統架構，一個工廠從不同層面來看可以分成企業層面，控制層面和現場層面。現場層面很簡單理解，是各種不同的傳感器，不同的數據模塊。控制層面包括PLC、機器的主控部分、IO卡等等，企業層面上面比方說企業的ERP、CRM管理等等。把它劃分成兩個區域，一個叫IT域，一個叫OT域。IT域傳統叫做企業信息技術網，OT域主要是運營層面的技術，這是兩個不同層面的領域。

在 IT端主要是基于一些傳統的以太網的工作原理，比方說使用了CSMA監聽多路訪問或沖突的技術，它使用的是雙導線、UPP線進行組網；再比如標準的以太網4兆，快速的100兆或千兆等等，這都是符合傳統的以太網，它遵循的是QoS的優先機制進行轉化。在一個數據里面一部分數據端肯定會被丟棄掉，所以在 IT域中有一個不成文的規定就是如果帶寬占用率超過40%的時候，就需要選擇拓寬，因為帶寬嚴重不足的情況下會導致擁堵。在OT端我們強調的是信息或訊息的及時性，叫做實時性。這里面包括警示、事件告知、狀態檢測、電力狀況、判斷干擾等等，這些數據如何讓OT端的人員能夠及時解決問題或提前進行維護，減少宕機，這非常關鍵。所以，我們要做的是，如何透過IT端與OT端的融合來找到一種最優的自動化平臺來實現自動化，然后落實數字轉型和一些智能制造，這些業務可以實現可視化生產，來保證整個產線的能耗降低、效率提高。

開始實施工業4.0策略的注意事項

選擇符合您應用需求的云平臺

工業物聯網應用

什么叫邊緣網關？邊緣網關是一個接入網關，它的目的是快速增加遠程或者移動用戶一些安全遠程的連接接入，不同設備傳感器的搜集、加密分析數據、全部數據集中然后發送到云端到控制器、服務器進行后端的數據分析，它是一個數據的接入層。邊緣網關是以IT為中心的，雖然所有的數據會經過它來進行生成，但它并不能做出一個很實時性的決策，原因在于它的響應時間到云至少是在毫秒級別，可能是25毫秒到50毫秒之間，這樣使用云計算會產生一個很嚴重的延遲。比如工業系統里面的一些檢測、控制或者執行命令的要求時限很高，部分產品要求在10毫秒以內，因而20毫秒或以上延遲都是完全不可接受的。另外，它對于一些趨勢數據分析、非實時性的數據推算反應，都是無法實現的。

在云端分析的時候有一個叫做受限的粒度計算，粒度計算是一種方法論，是人工智能里面研究的一個方向。由于人類本身認知的能力是有限的，人類在處理大量信息的時候會把大量復雜信息按照不同特性進行一些劃分，劃分成簡單的塊，然后這些塊就會當成一個粒，所以在云端會用到“粒”的概念。

瑞薩電子提出如何將OT域運營技術這一端的數據以及我們常說的信息技術這一塊的域融通起來，這里面包括了我們在工業領域常用到的一些工業以太網協議的數據，這些數據都是實時性數據，或者周期性、過程性的數據，這些數據如何實時傳輸到IOT的網關，讓物聯網的協議進行云端的分析。如何實現這個實時數據與指令控制相互反應交互，也是至關重要的。

RZ/N系列 — 實現工業網絡互通并橋接IT/OT 網絡

瑞薩電子提出了基于RZ/N的芯片，它是一個事先打通并橋接了兩塊域的解決方案，具備多協議工業以太網絡和智能控制，提供了五端口的千兆位交換機，另外還具備一個安全的網絡保障。智能控制會有一個內核，單核或者雙核的ARM Cortex A7處理器，再加一個M3硬件實時操作系統的網絡引擎。

再介紹一下冗余網絡。工業物聯網如何保障安全性？除了我們提供很多不同的拓撲，還構建了一個叫HSR的環形冗余特性，這是可以真正實現零秒的網絡冗余，它避免了網絡通訊當中的數據丟包，或者說真正實現了零切換。這個協議HSR/PRP已內置在里面。

下面是內部芯片的系統框圖，在應用層端有Cortex A7，這里面主要包括一些工業應用控制等等。右邊是一些以太網的實時通訊，有一個硬件操作系統，它可以處理多重網絡的冗余。

內建高效的任務切換硬件RTOS系統

瑞薩電子的解決方案內嵌了一個RTOS系統，如下圖。可以看到整個效率下降對比于軟件操作系統會有更大的優勢。硬實時系統是一個剛性的，不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤，超過時限的錯誤會帶來整個系統的失敗，所以我們叫硬實時系統，它區分于分時操作系統。分時操作系統會將資源平均分配，但為什么用硬實時系統？因為強調實時性。用軟實時系統行不行？軟實時是一個柔性靈活的實時系統，它可以容忍偶然的超時錯誤跟失敗，并不會導致嚴重的后果。

如何做到整個工業協議與芯片系統的靈活操作

瑞薩電子定義了一個協議的抽象層，這個協議的抽象層可以將各種不同的工業以太網協議進行無縫切換。我們可以看到所有不同生態的主要協議棧都在這里面，然后綠色部分是瑞薩電子已經做的一些軟件，它可以讓這些不同部分的協議通過我們網絡硬件的引擎進行故障的切換。再向大家介紹一下IO-Link的工業現場主線，這是非常重要的一個開放式的標準創新通信協議，它支持各種IO-Link的傳感器。可以把IO-Link通信理解成是傳感器領域的USB，非常易于使用和裝配。所以，在展望工業4.0的時候，最關鍵的一點就是如何讓傳感器變得更加智能化，IO-Link通訊就是實現它最完美的一個方式。

如何在使用以太網控制器跟總線進行一些交換數據，可以看到我們有一個內部的網絡組織，在芯片內部實現的，所有應用層的數據通過這些總線與網絡控制單元進行不同的一些數據交換。這個速度會非常快，比外圍的數據交換快很多。

為此，我們提出一個解決方案，在OT端接入了一個實時工業物聯網的網關，這個網關同時可以實現傳統工業以太網協議，也同時可以兼顧實時數據在工業領域的一些控制，包括機械手、傳感器等等，將本地的數據跟云端的數據進行分析，也打通了整個IT域跟OT域的融通關系。

除了動態工業自動化以外，這個方案還可以關聯到其他的一些領域，比方說一些關鍵的基礎設施。從另一個角度來說，這個方案里面有很多工業以太網協議的切換，如果用到不同行業，它也有一些行業不同協議的切換。例如，樓宇自動化里面樓宇的網絡協議，如何讓樓宇網絡協議接入物聯網，這個平臺也可以達成。所有協議都是軟件，只是怎么把這個軟件固化到我們芯片本身。當然，包括醫療設備的自動化，還有物聯網的一些解決方案。所以，它的應用范圍不僅僅局限在工業網絡智能化。