国家自然科学奖推荐书-中国科学院沈阳自动化研究所

项目名称：性能可管控的大规模工业无线感知网络技术与系统一、提名意见二、项目简介能源工业和制造业是实体经济的重要组成部分，是社会财富的主要创造部门，在我国占GDP比重达到1/3。

受原材料供给、绿色环保以及市场需求变化的影响，高质高效、节能减排和安全生产是能源和制造业可持续发展面临的重大挑战。

基于工业无线网络实现泛在感知是制造业系统升级的核心要点所在。

早在2002年，美国总统科技顾问报告指出，“工业无线技术的应用，将使工业生产效率提高10%，并使排放和污染降低25%。

”随后，德国“工业4.0”和美国GE提出的工业互联网，更是深化了物理感知与信息技术的融合。

工业泛在感知网络是基于低功耗自组织无线网络，以非侵入、即插即用的方式，实现对生产装备和系统运行健康、效率、能耗等状态参数的精细化在线感知和数据驱动的自主优化控制，是解决工厂提升效率、降低非计划停机、节能减排的根本途径。

由于工业测量与控制对数据传输的可靠性、实时性和安全性有着极苛刻的要求，而无线系统极易受到工厂高温、高湿、强遮挡、强电磁干扰的影响，必须解决复杂工厂环境下随机干扰的有效抑制、高温环境下的时间漂移精准补偿和大规模可靠组网等世界性难题。

项目组经过10余年的努力，揭示了满足工业控制高实时、高可靠、低能耗要求的无线网络自组织机理，突破了频谱、能量等资源严格受限下的自组网性能极限，发明了大规模、高可靠无线自组织网络的新结构、新方法和新设备，制定了系列IEC国际标准，成为国际三大主流技术之一。

主要技术发明如下：（1）发明了以“网状-星状”混合拓扑结构和网络时-空-频域资源综合管控为特征的工业无线感知网络系统架构，创建了可适应恶劣工厂环境扰动的网络资源全局优化分配体系，实现了传输实时性、可靠性与能耗可控的工业无线感知网络大规模组网，被国际权威机构评价为工业4.0相关的中国高质量Top10发明。

（2）发明了以控制任务关键性为权重的网络时-空-频域资源弹性调度方法，实现了大规模协作感知，千级数据包并发传输的秒级时延可调度。

（3）发明了基于频谱协作感知的自适应跳频机制，揭示了典型工厂环境信道丢包率、丢包间隔的概率分布规律，提出了分布式最优跳频序列生成方法，实现了工厂强射频干扰环境下的传输可靠性99%以上。

（4）发明了多源异构感知数据的语义化表征与分布式协同处理机制，研制了符合OPC-UA标准的感知数据嵌入式服务器平台并通过了国际认证，研制了多源感知数据云端自组织协作处理平台，有效地支撑了具有“自感知、自优化”特征的新一代自动化系统开发和实现。

项目成果用于研制首条中德合作的具有个性化定制能力的工业 4.0示范产线，被评为2015年度世界互联网15项领先科技成果之一；已经在鞍钢、国网辽宁电力公司、中石油辽河油田、抚顺石化等企业应用，解决了大型装备预测性维护、复杂生产过程的安全运行和能效实时优化等难题，累计经济效益逾12亿元。

研制的符合自主WIA标准的芯片和模组，已被川仪、上仪等国内仪表龙头企业采用研发自主可控的新一代智能无线仪表与系统，打破了我国高端工业测量与控制系统长期被国外公司垄断的局面，具有潜在的巨大经济效益和社会效益。

基于项目研究成果制定IEC国际标准2项、国家标准7项，获授权发明专利66项（国际5项）、软件著作权11项，发表论文68 篇。

省部级鉴定2项：成果属国内首创，整体国际先进、部分达到国际领先水平。

国际自动化学会卓越创新奖1项、中国标准创新贡献奖一等奖1项、辽宁省技术发明奖一等奖1项、辽宁省科技进步一等奖1项、中国自动化学会科技进步一等奖1项。

三、客观评价1.国际同行评价1） 2006年，美国工业无线专家工作组组长、ISA100.11a的首席科学家Tom Phinney在国际自动化学会举办的“工业无线技术”提案大会上指出：“WIA-PA是一项杰出的提案,……，网络QoS性能优化方法是全新的。

”2） 2010年，IEC（国际电工委员会）工业无线技术融合工作组报告指出：“……,WIA-PA 在网络结构、分层网管、自适应跳频、报文聚合等方面对比ISA100（美国）和W-HART（HART基金会）具有独特性。

”3）2015年，IEC TC65主席Rudy Belliardi指出：“WIA-FA技术是工厂自动化领域唯一的无线技术提案，是工厂自动化技术升级中的先驱，并将发挥重要作用。

”4）2015年，德国弗朗霍夫（Fraunhofer）协会发布的《中国工业4.0专利研究报告》中指出：“中国科学院沈阳自动化研究所作为领军研究机构之一，已经开发并申请了针对操作能效和可靠性方面的工业网络领域专利”、“在无线传感器网络领域，中国发明者的成果是先进的。

需要认真分析每一项中国专利并围绕其开展新的发明”、“中国发明者在面向工业应用的能效技术体系方面已经申请了重要的、基础性的专利”。

2.项目技术先进性评价1）2016年，由电子学会组织，柴天佑院士、桂卫华院士、钱锋院士组成的鉴定专家组认为：项目成果整体技术达到国际先进水平，其中复杂工业环境下的采样/传输一体化无线组网技术、操作优化可重构技术处于国际领先水平。

2）2011年，由辽宁科技厅组织，邬贺铨、柴天佑院士等组成的鉴定委员会，一致认为：用于工业过程监测的无线传感器网络技术整体技术达到国际先进水平，是我国在这一领域的代表性工作；网络结构、分层网管、自适应跳频、超帧结构等技术，具有国际领先的水平。

3）2016年，由辽宁省科学技术情报研究所提供的查新报告指出：1、“面向链式无线传感器网络的多模组网技术”；2、“面向 AMI运行特征的无线传感器网络组网方法”；3、“基于穿级采样的传感数据采集与恢复技术”；4、“基于随机时间源的工业无线网络时间同步技术”；5、“基于物联网的属性数据语义化标注与查询方法”；6、“面向物理世界信息的服务合成技术”。

结论如下：关于该项目委托单位完成的以上述 1-6 查新点为主要技术特征的“基于泛在感知的大型装备及生产过程可重构操作优化系统”，除该委托单位发表的相关文献，在国内外文献检索中未见相同研究报道。

4）2013年，由“安捷伦科技（中国）有限公司”进行，对“覆盖智能电网输变配用环节的多模式感知自组网”中网状网络冲突避免及低功耗性能、簇-链状网络数据传输可靠性及能耗均衡性能分别进行了测试。

结果表明：在网状网冲突避免和低功耗方面，防冲突算法系统平均冲突率为 0.32%、平均接收成功率为 99.68%、非均匀分布穿级采用无线模块平均功耗196.886mW；在簇-链状网络数据传输可靠性及能耗均衡性方面，有干扰通信平均成功率 98.3%、能耗标准差为 0.018mW。

5）2016年，由 SAP 中国研究院进行，使用 SCADA 软件评估体系对基于项目成果的SIA-SCADA 进行了细致的评估，并且与国际主流厂商 GE、西门子、施耐德等的 SCADA 软件和国内厂商的 SCADA 软件进行了对比,包括基础性能和主要功能两部分，并形成评估报告。

结论如下：结果表明，SIA-SCADA 软件在单服务器 IO 规模及系统总体 IO 规模、IO 事件响应时间、安全、冗余备份等 SCADA 软件的基础功能方面，达到了与国际主流 SCADA 软件相当的性能。

针对传统 SCADA 系统的部署时间长、应用难以动态调整、存在数据孤岛等问题突破了复杂事件处理、服务合成、语义检索等系列核心技术后，SIA-SCADA 软件在应用编程组态方式、数据集成方式、IO 设备管理方式、硬件功能的远程升级及系统软件的开放性等方面，具有了新一代 SCADA 软件的功能特点，具有国际先进水平。

6）2005-2012年，基金重点“面向传感器网络的分布自治系统关键技术及协调控制理论”(60434030)、杰青基金“面向工业测控的无线Mesh网络自组织机制研究”（60725312）、863项目“工业无线WIA网络关键技术与测试认证平台”（2011AA040101）、“工业无线WIA测控装置、系统研发与示范应用”（2011AA040103）以及重大专项“面向智能电网的安全监控、输电效率、计量及用户交互的传感器网络研发与应用验证”（2010ZX03006-005-01）上述项目的验收结论。

3.国内外重要科技奖励1) 2013年，中国标准创新贡献奖一等奖（中国国家标准化管理委员会），“IEC 62601:2011 用于过程自动化的WIA通信网络与通信规范”2）2013年，辽宁省技术发明奖一等奖，“面向过程自动化的新一代工业无线网络技术”3）2016年，辽宁省科技进步奖一等奖，“基于泛在感知的大型装备及生产过程可重构操作优化系统”4）2016年，于海斌获得何梁何利基金科学与技术进步奖，“电子信息技术奖”。

5）2016年，于海斌获得“国际自动化学会卓越创新奖”。

6）2016年，“工业4.0互联制造生产线”亮相第三届世界互联网大会，入选15项世界互联网领先科技成果。

7）2017年，中国自动化学会科学技术进步一等奖，“基于物联网的智能电网全域状态监测系统”4.项目自主知识产权情况1）2011年，IEC国际标准IEC 62601，Industrial communication networks – Fieldbus specifications- WIA-PA communication network and communication profile 2）2017年，IEC国际标准IEC 62948，Industrial networks - Wireless communication network and communication profiles - WIA-FA 3）2011年，国家标准GB/T 26790.1，用于过程自动化的WIA系统结构与通信规范4）2015年，国家标准GB/T 26790.2，用于工厂自动化的WIA系统结构与通信规范5）2017年，国家标准GB/T 33901-2017《工业物联网仪表身份标识协议》、国家标准GB/T 33900-2017《工业物联网仪表应用属性协议》、国家标准GB/T 33904-2017《工业物联网仪表服务协议》、国家标准GB/T 33899-2017《工业物联网仪表互操作协议》6）该项目核心技术获得授权国际发明专利5项、授权国家发明专利61项，软件著作权11项，出版专著1部，发表SCI论文39篇、EI论文67篇。

5.应用评价1）项目成果在完成单位应用证明2）项目成果在应用单位应用证明6. 项目成果得到国家领导人关注1）2015年，基于项目成果研制的“工业4.0互联制造生产线”亮相第二届世界互联网大会，获得习主席莅临展台，并得到央视新闻联播节目（2015年12月15日）报道。