工业物联网(IIoT)概念互操作性挑战与解决方案：M2M/D2D通信与云雾技术整合

概念互操作性（6级）

机器/设备可以在工业生态系统内外无缝通信并共享标准的概念模型。工业生态系统中的概念互操作性有时称为M2M/D2D通信互操作性。它是指操作系统对概念模型和说明的直接或间接理解。设计可互操作的概念IIOT环境面临一些挑战。 （1）大量的异构工业物联网设备共享资源，并且大多数工业物联网设备在存储和处理方面受到限制。 （2）工业IIOT应用和设备主要依赖于概念模型以及与高级编排者的合成性。解决这些挑战的一种可能解决方案是将设备分为水平，并将云技术协调到IIT环境中。这意味着将互操作性分为与设备需求相对应的级别。 （另一方面，云计算及其支持技术，例如基于容器的云计算，无服务器计算和CloudLets，通过提供付费的服务模型来启用可互操作的数据处理，从而允许大数据分析，数据迁移，数据迁移，数据虚拟化。从一个服务提供商转移到另一个服务提供商的结构和格式。可以通过这些技术设计的，在该领域的一些研究结果是通过这些技术设计的。

动态互操作性（第5级）

动态互操作性和平台互操作性是互连的，这意味着每个批次平台都可以理解彼此的数据，指令的含义不会改变。这使供应商与供应商之间有效的沟通。

实用互操作性（第4级）

它是指设备无缝通信和交换信息的能力。通过支持异质行业标准，协议和高级网络技术，将互操作设备获悉要传输的数据的含义和目的。实际互操作性的一个关键组成部分是工业设备，连接更多以更高速度和兼容技术运行的设备。新设备可以为多通道传输提供多个接口，而旧设备可以修改参数以允许其扩展而不会损坏系统。实时互操作性主要强调多个设备之间的传输速度和兼容性。

语义互操作性（第3级）

机器执行明确的说明，因此互操作性尤其重要。不幸的是，在当今的IIT环境中，数据格式（例如CSV，JSON，XML）和相关模型在语义上不兼容，设备不是很聪明，并且不同供应商提供的设备规格也不同，因此无法进入通用可解释的语言。因此，实现语义互操作性的关键是数据交换技术的一场革命和明确的意义交换。 XML，ETSI SAREF，Web本体语言（OWL）和资源定义框架（RDF）被广泛用作语义互操作性的模型，由W3C在异构IIOT环境中开发。事实证明，RDF更有效，但它将多种技术结合到了独特的本体论中。它等同于学习多种语言并可以与来自不同国家的人进行交流的人。这有效地实现了一种普遍的可解释语言。

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，以便机器可以在数据传输过程中完全感知并读取消息表示，尽管该信息的重要性可能尚不理解。该层的关键目标是定义标准格式（例如XML和JSON）和共享数据的结构。必须针对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每个设备指定语法接口。这也很容易理解。就像学习了多种语言的人一样，有时与他交流的人说了错误的话，但他也可以理解他的含义，并且有一个更正的过程。此更正过程非常好。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提供了质量水平的体验，而不会对数据和服务产生不利影响[34]。工业技术互操作性提供了适当的标准和规格之间的异质设备，多个服务提供商和计算系统之间的无缝数据共享。它主要是在单个设备中进行的优化。

互操作性的5个工业体系结构，标准和协议5.1工业物联网体系结构用于互操作性

很少有工业互联网模型将IIT环境的概念和技术互操作问题结合在一起。本文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，即IoT设备层，分布式雾/边缘层和集中式云层。物联网设备层包括嵌入式设备，传感器和工业机械。它主要是关于数据感知，数据收集和数据传输。由于物联网设备层的设备资源有限，因此与分布式雾/边缘层一起处理。它充当IIOT设备层和云层之间的中间桥。

5.2互操作性的LLOT协议

一系列异质设备，网络体系结构和复杂的分布式环境对互操作性构成了巨大挑战。在本节中，提出了协议堆栈，以使设备可以互动，交换信息并满足其各自的需求。如果您想实现此协议堆栈，则本文只提出了需要考虑的一些设计目标。

•可靠性：对象在指定条件下的特定时间段内实现其预期目的的可能性。可靠性是一个主要的绩效指标，可以计算工业环境中真实和最佳产量之间的相关性，其主要目标是增加收入的产生。

•安全：工业数字技术鼓励新设备的连通性，这也为工业设施增加了新线程和未知风险。这些线程可以是内部的或外部的。网络细分，用户访问和策略管理是工业安全的三个关键因素[23]。

•QoS：服务质量解决网络资源和系统功能，以便物联网通信得到安全的骨干的支持。 QoS可以包括延迟，延迟变化，带宽和数据包丢失，并通过流量检测，资源利用和渠道注册约束提供稳定可靠的服务。从用户的角度来看，QoS参数可以是网络或系统级参数，例如用户满意度，成本，处理等。

•功耗：电力供应是在任何国家建立工业技术中心的先决条件之一。此外，该指标与经济直接相关。智能电网，智能城市，采矿，生产和其他行业是受电源影响最大的领域。因此，可互操作的IIOT生态系统还需要轻质IIOT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援助和高生产率，必须设计和标准化与IIOT相关的技术，以分析异质对象之间数据交换，制造和通信技术要求的规格。标准化有助于缩短商业垄断的机会，并鼓励新的初创企业和服务的增长。下表分为五个维度，例如挑战，组织，标准，描述和应用领域，这些方面突出了各种标准，职责及其目标应用领域。

6未来的指示6.1可互操作的工业物联网生态系统和能源收获

物联网生态系统需要大规模部署低功率可充电/无电池的无线设备，因为更换数百甚至数千台设备的电池显然是不切实际的。为了应对这些挑战，低功率通信协议以及能源恢复和利用方案是为大规模工业应用而设计的。为了更好地克服天气的不稳定和能源回收技术的单一缺点，多个设备的能源收集被集中到LLOT设备中，以实现高效且可互操作的电源管理。对于行业来说，这是一个巨大的挑战。还有用于收获系统的混合储能技术的空间，可以改善设备的电池寿命。但这无法满足工业互联网设备的要求。因此，节能硬件制造和超大电池容量的重新设计也提高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可互操作工业物联网生态系统的设计支柱之一。 IoT协议允许IIT设备通过“交谈”，接收数据并调节决策来观察，倾听，理解和执行任务[3]。文献中已经设计了一系列标准化的通信协议，以应对各种挑战，例如命名，解决，路由，流程控制，避免拥塞和大规模的工业部署。但是，由于事实上的通信标准不足，在工业环境中建立通信技术存在一些局限性。

6.3互操作性的数据安全性

安全是可互操作行业4.0革命的基本标准之一，它一直受到行业和个人的极大关注。银行和在线购物都需要第三方来保护其交易记录，但这还不足以构建可互操作的生态系统。有些人会认为这是一种高度安全的加密技术区块链，也为工业互联网的可扩展性和灵活性带来了巨大的挑战。但是，实际用例不会围绕区块链。

6.4打开互操作性API

API是一组用于构建和集成软件口译员的概念和协议，允许两个应用程序在没有特定领域的知识的情况下相互交换信息。但是，设计标准可互操作API的技术挑战是动态满足用户需求和多供应商的产品。近年来，一个具有挑战性的问题是如何设计灵活，可互操作的API。

下图是未来发展方向的摘要，它介绍了LLOT上的挑战，目标，预期解决方案，描述和研究机会。

原始文本：关于IIOT的互操作性的全面调查：分类法，标准和未来方向| ACM计算调查