Xilinx 客户塑造美好的未来

工业物联网的演进催生第四次工业革命   

“物联网”一词在过去 20 年里赢得了太多炒作和轰动效应。数量如此之大，以致于对许多人来说，“IoT”在脑海里浮现的图像就是智能冰箱通知用户，牛奶不够喝了。然后可穿戴设备在接收到冰箱发出的“牛奶不足”通知的同时，还能显示文本，跟踪用户心率和报时。这些都是值得拥有的便利技术。  

但越来越多的人对 IoT 的意义有更深广的理解。过去两年里行业已将 IoT 划分为两大板块：一种是属于消费类 IoT 便利技术（例如漂亮的可穿戴设备和智能冰箱），另一种是工业物联网(IIoT)，一个解决和实现真正重大的实质性社会进步的新兴市场机遇。

在德国,IIoT 的制造领域被视为关键市场，政府正在积极促进 IIoT 的发展。在名为 Industry 4.0 的德国政府战略推动下，企业正在结合处理技术、传感器融合技术和连接技术，开创用于信息-物理系统 (CPS) 的机器智能，供工厂、医院和市政基础设施使用。这将引发第四次工业革命（图 3）。仅德国企业预期每年在 CPS 设备更新上投入 440 亿美元，而以制造业为主的中国、台湾和印度，也需要跟进才能保持竞争力。

CPS 设计采用的智能架构配备与 ADAS 使用的类似的融合传感器。目前最先进工厂中使用的基于融合传感器的智能控制单元能在产品穿过装配线时迅速发现产品中的瑕疵，并清除故障产品。工厂还可以使用智能控制系统创建虚拟围护，避免工作人员进入不安全区域。企业已让这些传感器与工厂中的机械设备联网，在工作人员过于靠近设备的危险部件时，能立即关闭机械设备。

目前智能传感器系统也能监测工厂电机和部件的磨损情况。传感器与工厂的控制中心和企业系统联网，有助于企业执行和适时理想地调度设备维护和预先订购需要更换的部件。企业还可以调度工厂的停运时间，一次性完成多次维修，以提升工厂效率和生产力，最终最大限度地提高盈利能力。

不过Factory 4.0的信息-物理系统的能力还不止于此。它能将各种不同水平的人工智能带给已经智能化的系统，让工厂设备具备自动修正和自愈能力，且能够自动运行。例如工厂生产线上的机器人将能够检测自己是否运行在最佳状态下。机器人将运行自我诊断，判断部件是否有磨损，甚至还可以重启或调整自己的电机性能，以延迟系统失效。该信息可以联网到工厂的大型机系统，以便订购新的部件，同时加快其他机器人的工作速度，让工厂的总体效率保持不变。

工业物联网市场还包括与智能工厂具有相同的任意连接概念的智能电网和智能交通运输，但其规模更大，把自动化和互联互通扩展到了电网/飞机、列车、汽车和船运。以特大企业通用电气为例，其正在将智能化和联网系统推广到它服务的众多行业，包括电网、交通运输、石油天然气、矿业和水务系统。例如在铁路交通运输中，通用电气正在运用智能技术改造自己的机车以防范事故，监测系统磨损情况以开展更准确、更有预防性和预测性的维护。同时通用电气也正在积极开发能与自己的机车联网的智能铁路基础设施。这样便于铁路运营方高效率地运行自己的线路，相应地调度维护工作，以提高客货运输效率，再次最大限度地提高运营方的盈利能力。

各种类型的这些智能基础设施技术现在正在集成到被称为智能城市的 IIoT 细分市场上，预计到2020 年这一更为庞大的产业全球市值将达到 4,000 亿美元。在本期一篇投稿中您将了解到，从英国布里斯托目前正在开展的一个项目中可以一瞥未来城市面貌。这个项目正在把城市环卫和维护、交通和电网管理、应急服务与企业及个人通信整合在一起，以创建真正联网的智能化城市。为此这个“开发的布里斯托”项目正在大力运用最新开放式安全网络拓扑，让希望为智能城市开发解决方案的企业把自己的网络连接到项目的主网络上。汉堡、芝加哥和东京等众多其他城市也正在积极发展智能城市。

随着网络流量在未来数年呈指数级增长，有线通信领域兴起的软件定义网络 (SDN) 和网络功能虚拟化 (NFV) 趋势，加上 5G 无线技术的问世展，将成为大规模电子系统融合时代实现智能城市及其它工业物联网市场进一步发展的关键。

任意连接  

为满足对更优质更经济网络拓扑的需求，经济高效地应对线上商务与娱乐和众多新兴 IIoT 应用所需的数据业务的爆炸式增长，通信行业正着力于两种相关的网络拓扑：软件定义网络和网格功能虚拟化。

传统有线网络以相当死板的专有硬件为基础，可编程性和多用性有限。SDN 试图通过让决定数据发送目的地的顶层控制层功能与路由器和交换机等底层数据层功能（即实际转发送数据到选定目的地的设备）去耦来提升网络管理灵活性。在控制层和数据层间插入软件可编程抽象层，操作人员得以在软件中配置新应用，优先考虑和优化数据在控制层中的交付目的地，且在能根据不断变化的服务需求缩放的现有专有硬件上交付数据（或是通过厂商无关硬件利用添加的 NFV 实现）。

NFV 方法让企业能进一步优化数据层功能。通过在软件中虚拟化原本极为昂贵专用硬件（路由器和交换机）的功能，NFV 让在较廉价且较为通用的硬件上（个人计算机和商业数据中心）运行软件衍生的虚拟化功能成为可能。NFV 让网络硬件资源能低成本扩展，同时在加入 SDN 后，能随世界各地的流量负荷增减按需缩放。

在无线通信前沿，5G 有望达到新的数据率水平，不仅为手机用户带来更快的数据下载和视频流，还能提供更高带宽，促进 IIoT 和智能城市应用的融合。预计到 2020 年无线行业的无线网络将连接世界各地 500 多亿台设备。在相对于 4G 的众多优势中，5G 有望将最终用户数据率提升 10 至 100 倍，同时降低下载时延达 5 倍。此外带宽增长还能够让更多个人和企业用上云服务和云存储。更多企业将能够创建覆盖世界各地新客户的虚拟存储，同时消费者也能够随时随地存储和访问数据。

相应地，支持云业务和存储需求的数据中心也需要大规模扩展，以容纳 5G 无线网络和 SDN/NFV无线拓扑带来的惊人流量。当今的数据中心正在努力满足流量需求，但它们的功耗也在呈指数级攀升。数据中心目前消耗的电力占世界总电量的 3%，同时排放 20 亿吨二氧化碳。如此巨大的耗电量让数据中心每年支付的电费超过 600 亿美元。鉴于数据中心流量预计到 2017 年年增长 7.7ZB，难怪数据中心运维人员会寻求的新的硬件架构，在控制功耗上涨的情况下提升性能。