平台化架構設計承載匯集　工業物聯網實現智慧能源應用

工業物聯網正是將具有感知、監控能力的各種感測和控制器以及智慧分析、人工智慧、機器學習等技術，不斷地融入到工業生產環節中，從而大幅提高製造效率、改善品質、降低成本和資源消耗，實現智慧生產的新階段。然而，在實現工業物聯網的願景時，使用者將會遇到許多資料互通、以及資訊技術與營運技術在整合上的問題，同時也需要更加智慧的邊緣裝置進行人工運算模組部署(圖1)。

迎合能源管理應用　IIoT須滿足五大特性訴求

針對工業物聯網規模龐大、準確性高、無法容忍延遲等各種層面的規格要求，在能源管理應用下，工業物聯網須具備以下幾點特性：

・可靠的高速傳輸網路

在工業物聯網中，許多工業控制系統對網路有著嚴格的延遲性和可靠性要求。通常在自動化機械控制系統中，延遲誤差必須低於幾十毫秒、同時還需要保證控制訊號與數據資訊的完整傳輸，因為任何細微的資料誤差，都可能會引起整個生產線異常運作，造成碩大的人力物力損失。

・大量資料儲存和運算能力

隨著工業物聯網的普遍實施與建置，勢將會產生龐大的維運數據資料。為了實現更加精確可靠的維運管理，需要對這些資料進行全方位的前處理、儲存和運算。

・智慧分析與決策能力

以工業物聯網在能源管理的應用為例，該系統平台的主要目標是尋求在整體物聯網中的能源妥善配置，實現高效能的監控措施，而智慧分析與決策能力正是實現這目標的最關鍵。

・資訊安全保障能力

在工業物聯網中的用戶與管理者們，為了獲得最適當的智慧製造服務，常常必須與其他使用者分享資料與資訊，但這些資訊中可能包含了使用者或是企業體的隱私，以及網路通聯的過程中是否有安全防護上的破口，因此資訊安全也是工業物聯網中不可或缺、仍在積極發展的領域之一。

為了因應各種工業物聯網應用在擴張規模時所會面臨的挑戰，相關產業鏈成員無不加速產業鏈布局，打造開放式物聯網架構，最常見的就是「感知層+網路層+平台層+應用/服務層」的體系結構。物聯網海納百川、可以實現各種商業模式，其中平台層正是可以實現PaaS的關鍵環節，為上層應用提供共通的服務能力，如設備管理、網路管理、訊息管理、資料處理和探勘、維運流程和應用整合等能力。如圖2，將微電網與儲能的各種基本功能與控制整合於一個平台，並且利用雲端將建置在各處的儲能與再生能源設備集中監控、同時進行維運數據收集與分析，打造一個具有延展性的智慧電網與儲能平台。

工業物聯網技術已廣泛應用於電力產業中，利用部署在目標區域內的大量節點，感知、採集各種監測物件資訊，能夠在多種場合滿足智慧化電網之發電、輸電、變電、配電、用電等重要環節上資訊獲取的即時性、準確性、全面性等需求，全面提升電網生產、電網服務、電網管理的感知能力。隨著電力物聯網規模的擴大和採集資料的累積和增加，需要進一步研究電力物聯網採集資料的跨專業融合、深度共用和精準使用者服務技術。在以能源應用為核心的電網技術發展趨勢下，隨著智慧設備、行動通訊技術、雲端運算等資訊技術的更新，工業物聯網在電力產業的應用，已從特定模組化的服務發展到大規模市場的應用。下階段未來電網建置的核心，在於藉由打造開放式物聯網平台，實現海量設備的遠端連接、跨領域資料的深度共用、商業模式調和融通，提供精準的市場區隔服務；並以開放平台為基礎，活絡電業產業互動，建立以智慧電網為核心的電力產業生態體系。

IIoT建置架構

依據工業物聯網在規模化與平台化的建置需求，可將工業物聯網應用整體架構劃分為「地端」、「邊霧」、「網管」、「雲端」等四層架構。「地端」是在工業物聯網架構中，處理狀態感知和執行主體控制的終端設備，通過各種感測器、RFID標籤等技術方法，完成對電力輸送、調配及使用各環節的設備資訊的識別和採集；「邊霧」是靠近「地端」、處於網路邊緣的分散式智慧代理運算模組，就近提供智慧決策和服務；「網管」是「地端」和「雲端」的資料通路，常是通過電力無線專網、公共通訊網路等多種通訊方式，實現「雲端」與「地端」之間的訊息傳輸功能；「雲端」則是是基於雲端運算、大數據、人工智慧等先進技術、目前皆在雲上運行，同時構建許多能源電力生產、輸配與使用等環節業務需求的微服務。

以圖3為例，雲端基礎設施提供運算資源虛擬化及均衡負載的能力，該公司使用了微軟Azure的服務，其資料平台提供龐大的數據處理、資料運算、分析、儲存甚至資料視覺化能力，應用服務中心提供可共用、可複用的共性業務及資料微服務，介面則實現物聯設備的統一接取、資訊匯流，以及「地端」、「邊霧」、「網管」等資源的統一調度和彈性分配。「地端」及「邊霧」實現了聯網智慧化，「網管」則實現不間斷的無縫網路覆蓋，「雲端」實現開放式的共用驅動創新服務，共同支撐建設智慧電聯的運作。圖4則說明了該平台在Azure雲端所執行的各種資料存取和大數據運算任務，集中共用模組、區隔應用服務，仍能拓展疊加各種差異化的監控分析與智慧服務，也妥善運用雲端資源、撙節物力成本。

理想的工業物聯網方案，勢必能夠實現「機台即時控制」、「人機友善協調」、「產能優化掌握」、「品質優化管控」等重要關鍵字，旨在讓一切方便客製、且易於視覺呈現(圖5、圖6)。早年人機介面(HMI)僅擁有文字型顯示器、功能鍵設定、巨集功能、直覺化設定與應用等功能，就已堪稱是豪華配備；隨著各領域的科技與製造的進步，如今的HMI已能一舉納入觸控式螢幕、網路功能、開放式程式設計、資料處理、圖形化顯示器等豐富進階功能，HMI已進化為資訊收集分析傳遞與控制操作的樞紐，甚至角色延伸至SCADA。圖6記錄了某個綠能旗艦政府專案所開發之儲能管理系統的部分圖控畫面，是國內自有建置的第一座MW級儲能之分散式電網技術實現，清楚呈現系統配置與通訊架構、以及數據資料視覺化的呈現與分析，都是智慧電網應用與自動化控制的良好示範。

人機介面之圖形化控制技術確實是是工業物聯網發展中非常關鍵的環節。不久前報載揭露，台達電子為因應快速成長的自動化、人工智慧及資料分析等技術服務領域，宣布旗下子公司Delta Electronics(Netherlands) B.V.收購加拿大SCADA圖控與工業物聯網軟體公司 Trihedral Engineering Limited百分之百股權。如此的跨界整合，可望融會彼此軟硬體優勢，深入布局自動化、人工智慧及資料分析等領域，進而強化工業自動化等多元領域的銷售拓展，加速實現智慧製造願景，在SCADA、工業4.0與智慧電網領域持續快速成長。電力物聯網平台正是當前最受矚目的技術發展議題之一，它向下可實現終端統一接入、驅動智慧終端，向上可支援平台資源共用，實現資料處理和商業模式的調配，促進電力產業生態各環節的狀態感知、業務穿透、資訊融合和決策優化。

國內最近陸續開台的5G通訊，對於工業物聯網也已產生廣泛影響。例如在工廠內建立專網、透過5G協助廠商在可控制的地理區域內建立安全又快速的無線網路，實現全然客製化的特定工業應用。特別是其中5G NR技術(New Radio)強調可靠性與超低延遲，重構工廠中每個通訊節點的通訊基礎設施，可對工廠每個環節營運進行高度掌握。5G系統架構在設計之初就是為了專用網路架構在多加設想考量，以實現無需依靠外部網路的獨立專網為目標，而其中關鍵技術中的「網路切片(Network Slicing)」更可以讓企業用戶建置多個虛擬網路，並針對特定網路切片的服務和流量進行客製優化，也就是在專網內又再提供不同的需求用途給多個群組，徹底使網路運作與頻寬使用達到最佳化。工業物聯網在5G的環境裡勢必如虎添翼，再創機電整合智能自動化新局面。

(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者皆任職於大同公司智慧能源事業部)