面向工厂自动化高实时高可靠工业无线网络WIA-FA技术与标准
文：梁炜 中科院沈阳自动化研究所
WIA-FA技术是面向离散制造业工厂自动化应用中高并发、高实时、高可靠的现场传感器/执行器接入需求而研制开发的一种工作于2.4GHz/5GHz ISM频段的工业无线网络解决方案。离散制造业的典型行业包括飞机、船舶、汽车、机床、轻工、纺织、发电等装备制造业，对网络的需求量大面广。工厂自动化应用通常部署于较为狭小的车间内，一个加工单元的传感器/执行器通常为50-300个，密度可达0.2 - 1个/米³，且设备可移动，最大速度可达5-6米/秒。由于工厂自动化属于高速控制应用，WIA-FA无线网络设备的数据更新周期小于10ms、可靠性要求高达99.99%以上。
WIA-FA技术解决了工厂自动化有线网络所面临高布线与维护成本、移动性与灵活性差等应用难题，有效突破制造装备与信息系统的数字鸿沟，在提升生产效率、提高产品质量、降低生产成本等方面发挥重要作用；此外，采用无线系统可以使车间内更加干净、整洁，消除线缆对车间内人员羁绊、纠缠等危险，使车间的工作环境更加安全。WIA-FA技术是工厂自动化生产线实现在线可重构的重要使能技术，对推进制造业由传统的低成本大批量生产模式向高端高附加值的个性化生产模式转变，助推我国制造业的转型升级，具有重要意义。WIA-FA技术与2011年完成的面向过程自动化的WIA-PA技术标准（IEC62601），构成了全面覆盖流程工业和离散制造业的工业物联网基础技术体系，标志着我国在工业物联网技术领域的研究取得重大进展。
鉴于中国科学院沈阳自动化研究所于海斌研究员在WIA-FA技术和标准上的突出贡献，美国国际仪表学会授予其2016年度卓越技术贡献奖；鉴于梁炜研究员在WIA-FA在技术和标准上的突出贡献，国际电工委员会授予其2015年度IEC 1906奖。
一．关键技术创新点
关键技术：
（1）基于MIMO的分层工业无线网络体系架构
提出了基于MIMO的分层工业无线网络体系架构，通过透明化分布式协作天线，保证了空、频、时等多个维度资源的高效利用，提高了网络可靠性，并实现了移动机器人等装备的无缝漫游。
（2）高精度、低开销时间同步方法
提出了单、双向互补的时间同步架构，在保证精度的同时，控制了同步开销；通过周期自适应的误差预测与平滑补偿，进一步提高了时间同步的精度，率先实现了工业无线网络微秒级的时间同步。
（3）基于频域轮询的高并发接入协议
针对工厂自动化应用小数据、高并发等应用特点，提出基于OFDM频域轮询的高并发接入协议，从根本上改变了现有TDMA、CDMA接入机制在可靠性和容量等方面的问题，实现了百点网络可靠性99.99%条件下接入延迟小于10ms的指标。
技术创新点：
（1）适应工业应用特点的工业无线网络实时接入技术：面向工厂自动化的工业无线网络具有严格的时延界且节点密度大，现有的非工业用无线网络技术不能满足其应用要求。另外，工厂自动化应用中周期性报文和非周期报文并存、硬实时和软实时并存等特点增加了其实时通信的难度。接入机制，即节点如何占用通信资源，是除射频技术之外的影响实时通信的最主要因素。WIA-FA设计了独有的工业无线网络实时接入技术，使得网络规模更大、资源利用更优化。
（2）频繁移动条件下节点的快速漫游和切换技术：工厂自动化应用中有许多诸如机器人、轨道挂载设备、AGV车等移动设备，从而要求对其监控的网络节点要具有移动能力。同时，工厂的射频环境复杂，存在的射频阴影区域给移动设备的可靠实时通信带来了新的挑战。WIA-FA在网络节点的快速漫游和切换等技术的方面具有明显优势，漫游切换零延迟，大大满足移动设备的实时通信要求。
（3）硬实时、高密度、频繁移动的工业无线网络实时通信技术：工厂自动化应用有严格的实时性约束，现有的无线技术不能满足其要求。同时，工厂自动化应用通常要求网络规模在百点以上，且节点密度大(很多应用的节点密度达到每立方米有0.2~1个节点)，通信资源分配压力大。此外，节点频繁快速的移动(速度可达5.6 m/s)也增加了网络实时通信的难度。WIA-FA根据应用的特征，最大限度地利用资源，保证通信的实时性。
（4）适合工业应用需求的高性能低开销网络安全实现技术：一方面，网络安全对于工业无线网络的大规模部署至关重要。另一方面，任何网络安全功能都会对网络性能、设备能耗产生影响，而工业应用往往要求安全功能对网络正常行为不产生负面影响。WIA-FA能够合理地区分不同工业应用对于信息安全和网络安全的要求，形成与之对应的安全策略，并在网络上给出高性能低功耗的系统解决方案。
二．研究成果应用情况：
WIA-FA工业无线网络系统目前主要应用于AGV控制调度和机器设备无线互联，我们的合作伙伴主要有：新松机器人、嘉藤机器人、昆船智能装备、舜宇光学科技等AGV生产企业；我们的应用现场主要在航天科工集团、中国船舶重工集团、中国电子科技集团等国有大中型企业；此外我们还与德国SAP、PILZ，瑞典ABB等几个跨国公司有着长期的合作交流。
三．应用前景分析：
WIA-FA工业无线网络系统特别适用于军工企业涉密场所传输非涉密信息，作为物流配送系统无线控制调度、设备无线互联载体，它是目前唯一合法应用于涉密场景传输非密信息的无线解决方案；此外WIA-FA还适用于物流分拣系统等对网络容量需求极大、实时性要求极高的场所，在安全性、网络容量、实时性、可靠性等各方面比传统无线系统均有明显的优势。
