工业物联网资源访问关键技术研究与实践

20221018

信息传输、软件和信息技术服务业

具体成果介绍如下： 1 工业物联网统一资源定位技术 课题组针对本任务，设计了一种基于软件定义网络的工业物联网统一资源定位技术，包括统一资源定位的体系架构、大规模RFID信息寻址与解析技术、端到端感知节点寻址优化技术等，用集中式存储服务器代替传统的路由表进行寻址。 2 嵌入身份语义的工业物联网资源地址及分配方法 课题组针对本任务，设计了一种基于IPv6地址的身份语义嵌入机制，并在融合网关、原型系统中实现以带有身份语义的IPv6地址进行节点访问，支持典型的工业物联网协议如WIA-PA、IEEE802.15.4和LoRa等，实现工业物联网的全IP化访问。 3 基于工业物联网的高能效资源访问方法 课题组针对本任务，分解出若干典型应用场景，重点考虑了工业生产环境的网络鲁棒性和能耗的双重要求、户外应用场景下的网络长寿命免维护需求（低死亡率）、工业物联网中多业务特征优化如低时延高突发带宽等。针对上述典型场景下的问题进行了分析研究，对应给出了若干解决方案。包括：引入绿色因子并建立优化理论模型来解决上述网络可靠性和能耗的多目标优化问题；利用天气分类和改进的线性回归模型对光充能强度进行高准确度预测后，再对应提出了一种充放能感知的路由调度理论模型，可有效延长户外场景的节点寿命、降低死亡率和增强网络免维护特征；利用GPU高效并发计算的特点，提出并实现了一种网络业务流快速调整机制，尤其对带宽需求较大的内容分发业务具有显著优化效果。截止2021年12月，与本内容紧密关联的技术研究部分，课题组在国内外期刊和学术会议上发表论文4篇，EI收录论文1篇，详见论文清单。专利2项，见专利清单。 4 工业物联网统一资源细粒度访问安全 项目组针对统一资源访问带来节点资源访问安全问题开展了深入研究，提出基于区块链的细粒度物联网访问控制模型和基于属性加密的物联网访问控制智能合约实现方法，通过将属性进一步划分支持动态、细粒度的访问控制，通过将访问控制策略以智能合约的方式部署在区块链上，降低了物联网设备的计算压力，从而保证工业物联网的资源访问安全。项目组取得了多项研究成果，包括基于区块链的细粒度物联网访问控制模型、基于属性加密的物联网访问控制智能合约实现方法等。截止2021年12月，本子课题已经在国内外期刊和学术会议上发表论文4篇，其中SCI论文1篇及EI收录论文2篇。授权国家发明专利1项，获得2019年获得吴文俊人工智能科学技术奖三等奖1项。培养了一批研究生并获得国家奖学金等多项荣誉。 5 多协议融合网关原型系统开发及标准化 课题组针对本任务，梳理了三种工业场景下的典型物联网协议，包括Wia-PA，IEEE 802.15.4，LoRa，基于课题的上述四项主要研究内容的技术方案，完成了原型系统的设计研制。原型样机硬件平台基于x86系列多核处理器，集成QoS相关硬件办卡和多队列千兆网卡。软件平台为Linux操作系统、数据层面为DPDK数据转发平台。支持可嵌入身份语义的IPv6地址和相关的路由转发机制、支持地址映射和地址翻译，还支持部分软件定义网络功能，包括：支持对下联的树形拓扑组网和路由进行软件定义，有效支撑充放能感知的路由调度策略；支持Segment Routing源路由功能，可按数据标签进行用户自主选路，有效支撑工业应用场景低延迟路径选择策略。

本课题偏向网络基础体系结构和建模，与实际转化尚有一定距离，但所研制的原型系统所落实的部分技术已经具备一定的产业转化可能。具体的转化合作需求描述如下： 随着德国工业4.0，中国制造2025等工业信息化的迅速推进，工业物联网作为提升工业信息化的重要基础设施也形成快速部署并投入应用的态势。工业物联网作为物联网的一个特殊领域，具有以各类传感器设备和专用网络为基础构件向不同方向延伸的内部架构，其自身技术也带有与一般物联网不同的技术特点。海量传感数据的采集、接入、访问、控制形成与传统网络诸多不同。主要表现在：数据来源高度异构、海量数据、更高的安全要求等。这些关键技术的使用突出体现了工业物联网成为了关键的信息产业，也为其接下来的发展提出了很多要求，这些要求在一定程度上也成为新的挑战。 工业物联网迅速发展，其安全可靠接入和访问至关重要，利用节点IP地址进行管理仍然是主要手段。IP地址具有标志节点身份和位置信息的两项基本功能，特别是无线移动节点，其拓扑和位置经常改变，真实表示和记录节点身份与位置，至关重要。本项目从工业物联网体系结构出发，研究资源对象命名服务、域名分配与寻址、分布式映射表项存储与管理、安全访问等关键问题。通过研究并实践，解决工业物联网全网节点实名登记和认证，运行安全可靠等问题。项目研究中利用IPv6作为节点地址分配基本结构，综合目前工业物联网已经形成的三大标准，即WirelessHART、ISA100.11a、WIA-PA，搭建具有全局接入和管理的工业物联网体系结构，设计异构接口一致访问协议，通过嵌入语义的地址编码与分配、统一地址映射与访问等关键问题，有效解决实名可靠接入、跟踪节点主要访问行为、确保访问可靠等关键问题，为工业物联网健康发展提供理论与技术支撑。 综上所述，本项目成果倾向于向工业物联网的体系结构、网络设计、网络设备研制类型的企业合作转化。

可国（境）内外转让

随着德国工业4.0，中国制造2025等工业信息化的迅速推进，工业物联网作为提升工业信息化的重要基础设施也形成快速部署并投入应用的态势。工业物联网作为物联网的一个特殊领域，具有以各类传感器设备和专用网络为基础构件向不同方向延伸的内部架构，其自身技术也带有与一般物联网不同的技术特点。海量传感数据的采集、接入、访问、控制形成与传统网络诸多不同。主要表现在：数据来源高度异构、海量数据、更高的安全要求等。这些关键技术的使用突出体现了工业物联网成为了关键的信息产业，也为其接下来的发展提出了很多要求，这些要求在一定程度上也成为新的挑战。 近年来，无线传感器网络逐渐进入了商用环节，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经有较多的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在环境的监测和保护、医疗护理和军事等领域。 本团队一直致力于研究先进、完善的传感器网络通信模块和整套解决方案。尤其是在传统行业的智能化改造方面，课题组一直积极追赶时代步伐，力争以新技术、新思路作为提高团队竞争力和技术先进性的手段。通过本项目的实施，传感器通信模块的功耗可有效降低、寿命可有效延长，预计可显著提高在工业物联网解决方案方面的技术领先程度。同时，课题组的科研能力也可以进一步加强，与企业合作后，如果能够将本项目和课题组相关成果落实到具体物联网设备和网络建设中，预计可为企业创造较高的经济效益。 物联网创新、创业在近年来一直是资本关注的“风口”，率先研制出具有先进架构的新型传感网系统，可能会创造数以万亿计的广阔市场前景。

2022年结项科技重点项目

北京市教育委员会

按期完成了项目任务，达到了预期目标。通过研究，在工业物联网关键技术方面取得了较好成绩，研究成果通过示范系统设计与实现，发表学术论文、申请发明专利等形式展现，具体包括：（1）学术成果。公开发表学术论文17篇，其中SCI收录10篇，EI收录7篇；（2）发明专利。申请发明专利5项，登记软件著作权3项；（3）人才培养。14位研究生不同程度参与完成项目，其中包括1名博士生，13名硕士生；参与项目研究的青年教师的得到锻炼和成长，1位教师晋升了教授职称，2位教授晋升了副教授职称；（4）项目研究积累的基础，进一步获得了重要科研项目和北京市科技奖励，包括国家重点研发计划子课题1项，国家自然科学基金项目2项。 具体成果介绍如下： 1 工业物联网统一资源定位技术 课题组针对本任务，设计了一种基于软件定义网络的工业物联网统一资源定位技术，包括统一资源定位的体系架构、大规模RFID信息寻址与解析技术、端到端感知节点寻址优化技术等，用集中式存储服务器代替传统的路由表进行寻址。 2 嵌入身份语义的工业物联网资源地址及分配方法 课题组针对本任务，设计了一种基于IPv6地址的身份语义嵌入机制，并在融合网关、原型系统中实现以带有身份语义的IPv6地址进行节点访问，支持典型的工业物联网协议如WIA-PA、IEEE802.15.4和LoRa等，实现工业物联网的全IP化访问。 3 基于工业物联网的高能效资源访问方法 课题组针对本任务，分解出若干典型应用场景，重点考虑了工业生产环境的网络鲁棒性和能耗的双重要求、户外应用场景下的网络长寿命免维护需求（低死亡率）、工业物联网中多业务特征优化如低时延高突发带宽等。针对上述典型场景下的问题进行了分析研究，对应给出了若干解决方案。包括：引入绿色因子并建立优化理论模型来解决上述网络可靠性和能耗的多目标优化问题；利用天气分类和改进的线性回归模型对光充能强度进行高准确度预测后，再对应提出了一种充放能感知的路由调度理论模型，可有效延长户外场景的节点寿命、降低死亡率和增强网络免维护特征；利用GPU高效并发计算的特点，提出并实现了一种网络业务流快速调整机制，尤其对带宽需求较大的内容分发业务具有显著优化效果。截止2021年12月，与本内容紧密关联的技术研究部分，课题组在国内外期刊和学术会议上发表论文4篇，EI收录论文1篇，详见论文清单。专利2项，见专利清单。 4 工业物联网统一资源细粒度访问安全 项目组针对统一资源访问带来节点资源访问安全问题开展了深入研究，提出基于区块链的细粒度物联网访问控制模型和基于属性加密的物联网访问控制智能合约实现方法，通过将属性进一步划分支持动态、细粒度的访问控制，通过将访问控制策略以智能合约的方式部署在区块链上，降低了物联网设备的计算压力，从而保证工业物联网的资源访问安全。项目组取得了多项研究成果，包括基于区块链的细粒度物联网访问控制模型、基于属性加密的物联网访问控制智能合约实现方法等。截止2021年12月，本子课题已经在国内外期刊和学术会议上发表论文4篇，其中SCI论文1篇及EI收录论文2篇。授权国家发明专利1项，获得2019年获得吴文俊人工智能科学技术奖三等奖1项。培养了一批研究生并获得国家奖学金等多项荣誉。 5 多协议融合网关原型系统开发及标准化 课题组针对本任务，梳理了三种工业场景下的典型物联网协议，包括Wia-PA，IEEE 802.15.4，LoRa，基于课题的上述四项主要研究内容的技术方案，完成了原型系统的设计研制。原型样机硬件平台基于x86系列多核处理器，集成QoS相关硬件办卡和多队列千兆网卡。软件平台为Linux操作系统、数据层面为DPDK数据转发平台。支持可嵌入身份语义的IPv6地址和相关的路由转发机制、支持地址映射和地址翻译，还支持部分软件定义网络功能，包括：支持对下联的树形拓扑组网和路由进行软件定义，有效支撑充放能感知的路由调度策略；支持Segment Routing源路由功能，可按数据标签进行用户自主选路，有效支撑工业应用场景低延迟路径选择策略。