4 工业物联网操作系统的分类

概念互操作性(6级)

        一台机器/设备可以在工业生态系统内外无缝沟通和共享标准概念模型，工业生态系统中的概念互操作性有时被称为M2M/D2D通信互操作性。它指的是操作系统直接或间接的对概念模型和指令进行理解。设计一个可互操作的概念IIoT环境存在一些挑战。(1)大量异构的工业物联网设备共享资源，大多数工业物联网设备在存储和处理方面受到约束。(2)工业IIoT应用和设备主要依赖于概念模型和具有先进编曲器的可组合性。应对这些挑战的一种可能的解决方案是将设备分类成级别，并将云雾技术编排到IIoT环境中，也就是说将互操作性划分等级，对应你设备的需求进入相应等级。（另一方面，云计算及其支持技术(如基于容器的云计算、无服务器计算和cloudlet)支持可互操作的数据处理，通过提供按需付费的服务模型，允许大数据分析、数据迁移和数据虚拟化。与云互操作性相关的一些标准有ISO/IEEE 19941、IEEE P2301，以及OCCI。此外，一些建模语言如TOSCA、CAML、HOT支持在云上进行互操作的数据传输，数据可以在不改变数据的结构和格式的情况下从一个服务提供商移动到另一个服务提供商。通过将雾云基础设施整合到医疗、农业、智慧城市和制造业中，许多公司(如管理食品和饲料行业)开发了一个可互操作的环境。该领域的一些研究成果是Liu等人设计了一种基于drd4m的分布式架构）通过这些技术使异构设备之间的资源互操作共享成为可能。

动态互操作性(5级)

        动态互操作性与平台互操作性相互联系，意味着各个lot平台在数据之间相互理解且指令含义不发生改变。这可以使得供应商和供应商之间能够建立有效的沟通。

实用互操作性(4级)

        它指设备无缝通信和交换信息的能力，通过支持异构的工业标准、协议和先进的网络技术，互操作设备将被告知被传输数据的意义和目的。实用互操作性的关键组件是工业设备，连接更多的设备以更高的速率和兼容技术运行。新设备可以提供多个接口用于多通道传输，旧设备则修改参数使他在不破坏系统的条件下去扩展。实时互操作性主要强调的是传输的速度以及多个设备之间的兼容性。

语义互操作性(3级)

语法互操作性(2级)

        句法互操作性涉及数据的包装和通信机制，机器可以在数据传输过程中充分地感知和读取消息表示，尽管这一信息的重要性可能不被理解。这一层的关键目标是定义一个标准格式(如XML和JSON)和共享数据的结构。必须为每个能够将原始数据转换为标准格式并识别语法错误以实现语法互操作性的设备指定一个语法接口。这也很好理解，如同上一个学习了多个语言的人，有时候和他交流的人说错话了，但是他也能知道他的意思，有一个修正的过程，这个修正的过程很好的诠释了语法互操作性

技术互操作性(1级)

        它确保获得的数据和相应的标准在不对数据和服务[34]产生不利影响的情况下提供质量级别的体验。工业技术互操作性在异构设备、多个服务提供商和计算系统之间提供无缝的数据共享，以获得适当的标准和规范。它主要是单个设备内进行的优化。

5 工业适用于互操作性的架构、标准、协议

5.1用于互操作性的工业物联网架构

        很少有工业互联网模型结合了IIoT环境的概念和技术互操作性问题，文章提出了一种新的工业物联网操作系统RA。提出的RA分为三层，物联网设备层、分布式雾/边缘层、集中式云层。物联网设备层包括嵌入式设备，传感器，工业机械设备，它主要是数据的感知，数据的收集，数据的发送。由于物联设备层的设备资源有限，便协同分布式雾/边缘层进行处理。它充当IIoT设备层和云层之间的中介桥梁。

5.2用于互操作性的llot协议

        一系列的异构设备，网络架构和复杂的分布式环境对互操作性都是一个巨大的挑战。在这一小节中提出一种协议栈，使得设备之间可以互操作地进行通信，交换信息，满足各自的需求。想要实现这个协议栈文中只提出需要考虑的几个设计目标。

        •可靠性:物体在规定的条件下在给定的时间内实现其预期目的的可能性。可靠性是一个主要的性能指标，它计算出工业环境中真实和最优产量的相关性，其主要目标是增加收入产生。

        •安全:工业数字技术鼓励新设备的连接，这也增加了工业设施的新线程因素和未知风险。这些线程可以是内部的，也可以是外部的。网络细分、用户访问、政策管理是工业安全[23]的三个关键因素。

        •QoS :服务质量处理网络资源和系统能力，使物联网通信得到安全骨干的支持。QoS可以包括延迟、延迟变化、带宽和丢包，通过流量检测、资源利用和通道注册约束提供稳定可靠的服务。从用户的角度来看，QoS参数可以是用户的满意度、成本、处理等网络或系统级参数。

        •功耗:电力供应是任何国家建立工业技术中心的先决条件之一。而且，这个指标与经济直接相关。智能电网、智慧城市、采矿业、生产等行业是电力供应受影响最严重的领域。因此，一个可互操作的工业物联网生态系统也需要轻量级工业物联网设备之间的节能通信协议。

5.3工业物联网互操作性标准

        为了在工业环境中提供业务协助和高生产率，必须对IIoT相关技术进行设计和标准化，以分析异构对象之间的数据交换、制造和通信技术要求的规范。标准化有助于缩短商业垄断的机会，并鼓励新的初创公司和服务的增长。下表分为五个维度，如挑战、组织、标准、描述和应用领域，其中强调了各种标准、职责及其目标应用领域。

6未来的发展方向

6.1互操作的工业物联网生态系统和能源收集

        物联网生态系统使得低功耗可充电/无电池无线设备的大规模部署成为必要，如几百个甚至几千个设备更换电池显然不切实际。为了应对这些挑战低功耗的通信协议以及能量的回收利用方案已经被设计用于大规模工业应用。为了更好的克服天气不稳定和回收能源技术单一缺点，将多个设备的能量收集集中到llot设备中，以实现高效和互操作的电源管理。这对行业来说是一个巨大的挑战。用于收获系统的混合能源存储技术也有发展空间，它可以设备的电池寿命。但这也无法满足工业互联网设备的要求。因此高效节能的硬件制造和超级大的电池容量的重新设计也增加了工业物联网应用的可靠性和可扩展性。

6.2互操作性标准和协议

        物联网协议及其标准化是建立互操作的工业物联网生态系统的设计支柱之一。物联网协议允许IIoT设备通过共同“交谈”、接收数据和规范决策[3]来观察、倾听、理解和执行任务。文献中设计了一个标准化通信协议池，以应对各种挑战，如命名、寻址、路由、流量控制、避免拥塞和大规模工业部署。然而，由于事实上的通信标准的不足，在工业环境中建立通信技术存在一些限制。

6.3互操作性的数据安全

安全性是可互操作的工业4.0革命的基本标准之一，它始终受到业界和个人的极大关注。银行，网上购物都需要第三方去保护他们的交易记录，但这并不足以构建一个可互操作的生态系统。有人会想到区块链这一高度安全的加密技术，对于工业互联网的可扩展性，灵活性也带来了巨大的挑战。但真正的用例中并不围绕区块链。

6.4 开放的互操作性API

API是构建和集成软件解释器的一系列概念和协议，允许两个应用程序在没有特定领域知识的情况下彼此交换信息。然而，设计一个标准的互操作API的技术挑战是动态地服务于用户的需求和多厂商的供应。近年来，具有挑战性的问题是如何设计一个灵活的、可互操作的API。

               下图是未来发展方向的总结，分别介绍了在llot上挑战的问题，目标，预期的解决方案，描述，以及研究机会 

原文：A Comprehensive Survey on Interoperability for IIoT: Taxonomy, Standards, and Future Directions | ACM Computing Surveys