DDS

1、工业物联网是激动人心的未来

互联网和智能手机将人们与海量信息连接起来，从而对世界产生了深远的影响。互联网上大约有10亿个节点，包括笔记本电脑、计算机和服务器等。通过移动互联网革命，又增加了大约50亿部智能手机。

然而，与下一波连接浪潮相比，这些都显得苍白无力。物联网（IoT）承诺在短短5年内连接多达500亿台设备，50倍于互联网的联通量，10倍于移动互联网。这句话的意义十分重大，从个人的生活方式到电网的发电模式，物联网将彻底改变一切。

部分IoT应用与个人有关，比如可穿戴的智能眼镜和智能家居恒温器。但工业基础设施将迎来更加巨大的新机遇。自工业革命以来，智能机器对世界经济产生的影响超过一切。这些智能机器将结合起来形成工业物联网（IIoT），将设备连接到真正的智能分布式系统中。

本篇文章着重介绍IIoT的机遇。特别是，它引入了一种称为数据分发服务（DDS）的网络标准。DDS为医学、交通、能源、监控和数据采集等领域实际的IIoT应用提供支持。它能将终端操作系统与云端分析连接起来，构建完整的“传感器到云”的一体化系统。这种系统级的集成是实现IIoT的关键。

2、什么是工业物联网？

行业领导者们围绕物联网（IoT）和工业互联网（IIoT）进行过如下定位：

思科称之为“万物互联…互联网的最新浪潮——连接物理对象…以提供更好的安全性、舒适性和效率。”

IBM表示，“物联网…是一个全新的万维网，它由数字授权设备相互发送的信息组成。这是同一个互联网（Internet），但不是同一个网络（Web）。

通用电气（GE）创造了“工业互联网（Industrial Internet）”这一术语。他们的观点是“……机器和智能数据的融合……创造智慧（brilliant）的机器。”

思科的观点固然是宽泛和正确的，但关注于“万物”并不能捕捉到行业变革的本质。IBM正确地指出，由于Internet的基础设施架构没有改变，IoT并不是人为控制的Web。IIoT需要新的协议，以设备需要的方式封装设备所需的信息。但是，它讨论的是如何实施变革，而不是变革本身。

GE的观点完美地捕捉了真正的变化：智慧（brilliant）的机器。当前的互联网主体是人，而IIoT的主体是智能机器。更具体地说，IIoT描述的是驱动整个物理世界的未来系统。GE认识到了关键的环节：将机器控制与云端分析和优化连接起来。GE构想了一个用于真正智能化、分布式设备的平台。

正如工业革命是关于利用引擎和电力来启用新型物理基础设施一样，IIoT是在利用信息流来启用新型的物理机器。最深刻的是“大型钢铁基础设施”。智能高速公路、分布式发电、互联医院、甚至具有智能空中交通管制的自动驾驶飞行汽车都是未来的发展方向。这种基础设施转型将主导未来100年的技术发展。科技的影响从未如此深远。

最近，思科、IBM、GE、英特尔和AT&T创建了一个名为工业互联网联盟（IIC）的组织。IIC由世界上最大的系统和软件标准化组织（OMG）管理（UML标准就是由该组织定义发布的）。IIC成立4个月的时间里，已经拥有超过80个成员单位加入。RTI首席执行官被选为指导委员会委员。

由OMG来管理IIC是一个明智的举措。IIoT需要务实、闭环、具体的标准化驱动，必须由一个真正具有系统观的组织来推动，而OMG正式这样一个组织。

OMG还管理数据分发服务（DDS）中间件协议标准。DDS中间件是专门为处理工业互联网应用而设计的。DDS在工业物联网中起着关键的作用。

3、DDS如何助力IIoT通信？

连通性是构建大型分布式系统的关键。以企业和人为中心的通信太慢、太散，无法将时间敏感的大型设备网络连接在一起。这些新型的智能机器需要一种新技术。该技术应当能够找到正确的数据，然后将其按时发送到所需的地方。它必须可靠、灵活、快速和安全。容易忽视的是，它还必须适用于许多类型的行业。只有这样，它才能为IIoT实现通用的基于机器和基于云的基础架构。

DDS与其他中间件不同，它直接面向实时系统。它具有大量可精细控制的实时QoS参数，包括可靠性、带宽控制、传输截止期、活跃状态、资源限制和安全性等。它显式地管理通信数据模型，或用于在端点之间通信的类型。因此，它是一种以数据为中心的技术。就像提供以数据为中心的存储的数据库一样，DDS理解它管理的信息的内容。因此，DDS被称为“数据总线（DataBus）”

DDS的核心是实现一个无连接的数据模型，能够发布和订阅具有所需服务质量（QoS）的数据。参与者可以是数据发布者，也可以是数据订阅者。

基于DDS的系统在应用程序之间没有硬编码的交互。数据总线自动发现并连接发布和订阅应用程序，无需更改配置便可向网络中添加新的智能机器，自动完成QoS的匹配和实现。

DDS克服了与点对点系统集成相关的问题，如缺乏可扩展性、互操作性和架构演进能力。它实现了即插即用的简单、可扩展和极高的性能。

也许理解DDS的最好方法是审视使用DDS的应用系统。应用领域涵盖医疗、能源、国防、交通、工业自动化和通信等行业。

3.1 能源

工业级的数据共享能力可以改善发电、配电，以及电能的监控和优化使用，甚至推动新的商业模式和能源商业体系。

能源系统是关键的基础设施。它们有许多需求，其中高可靠性、性能、规模和安全性是共同的关键要求。许多网络分布在广阔的区域，必须包括局域网和广域网。

3.1.1 GC水坝

GC大坝是欧洲大陆最大的发电厂。多达30万个数据值流经系统。一切都由一个完全冗余的控制室协调。它可能是电力工业中最具挑战性和关键任务的控制系统。

传统的系统庞大而僵化，很难维护。新的基于DDS的控制系统是现代的、分布式的、安全的、超可靠的。其解决的最大挑战是极端可用性、容错性、性能、安全性和广域通信。

图 1. GC大坝是欧洲大陆最大的发电厂

3.1.2 西门子风力发电

现代风力涡轮机的叶片可以扫过120米的范围，花费超过100万美元，并产生数兆瓦的功率。每个涡轮机可包括多达1000个传感器和执行器，并集成了应变计、轴承监控器和功率调节技术。

真正的挑战是将涡轮机集成在一起。一个发电场可能包含数百个涡轮机，必须实现真正的分布式控制系统。在暴风雨中，控制系统必须决定如何从狂风中获取能量以产生恒定功率，同时管理价值5亿美元资产的负荷和潜在损害。借助DDS，西门子风电场整体构成了一套智能的分布式机器。它能够实现功率优化、健康状况监测，并对环境做出反应，高度体现了工业物联网技术的力量。

图2. 西门子发电厂拥有500台涡轮机，其中叶片超过一个亿、DDS实现了涡轮机内的快速控制，并实现了强风在整个阵列上的分布缓解

3.1.3 微电网

太阳能电池板、本地风力发电、电动汽车充电等动态负载和能源改变了配电控制的游戏规则。传统设计方案主要由中央办公室组成，通过长而慢的线路平衡变电站的电力，很难适用于上述场景。新的设计需要实现本地的快速控制，以及智能的发电和配电架构。

LocalGrid在加拿大最大的公共基础设施中部署了基于DDS的微电网架构。它提高了电网的响应能力，降低了运营风险，提高了服务质量。

图3.与中央办公室控制的设计相比，本地管理的微电网可以更有效地整合本地需求和发电量波动。

3.2 医疗卫生

医疗卫生行业正在转型。先进的设备连接将改变医疗实施，降低成本，并改善病人的治疗结果。

3.2.1连接医疗设备以确保患者安全

对于很多本不该出现的死亡案例，医院失误往往是主要原因。医院每天都会发生成千上万的失误。许多是由错误的警报、缓慢的响应速度和不准确的治疗引起的。

通过联网设备，报警可以变得智能，只有当多个设备显示出错误的生理参数时才会发出警报声。与忙碌的医院工作人员相比，智能药物递送系统对患者情况的反应更快、更可靠。

图4.在智能的患者自控镇痛系统中，控制系统将血氧仪和呼吸器的读数结合起来，以减少误报并停止输注药物以防止用药过量。DDS数据总线通过适当的实时可靠传输连接所有组件。

3.2.2患者监护

将整个医院与成千上万的设备集成在一起会带来性能和数据方面的挑战。为了证明DDS设计对大客户是可行的，RTI模拟了一家拥有超过100000台设备的1000张床位的医院。DDS处理实际场景下的规模，性能和发现。由于实时波形和视频通信非常重要，因此潜在的网络数据流很大。DDS的数据过滤功能，尤其是发送端的数据过滤功能，能够大幅减少带宽的浪费。

图5.医疗设备必须在复杂的医院环境中运行。该系统必须能够找到数据源，并在患者移动并扩展以处理负荷时对其进行跟踪

3.2.3计算机断层扫描（CT）

现代CT成像仪令人赞叹。它通过向旋转的钨盘发射高能电子来产生X射线。光束形成器将X射线通过患者引导至准直接收器。整个系统在机架上围绕患者360度旋转，速度足以冻结运动。控制器必须准备好所有部件，并在正确的时间发射，以匹配患者的心跳。然后，它将兆字节级别的原始数据发送到处理器，以支持3D图像的投影。它以最小的患者暴露量，对病人的安全提供了最大照顾。

DDS实时集成了所有部件。通过精确的服务质量控制，它以足够快的速度提供反馈和事件信号，以确保图像质量。

图6.CT扫描仪代表了高质量，低速，低曝光成像的最新技术

图7. CT扫描仪控制器使用数十个处理器进行精确控制和数据处理。它协调机架，患者心跳，发射器和扫描仪。高速总线收集结果并将其处理为3D图像。

3.2.4通用（GE）医疗公共平台

大型公司需要一个可以跨产品线重用的公共平台。根据MI&CT工程部总经理J.Gustavo Perez的说法，“通用（GE）医疗之所以选择DDS标准，是因为它可以处理许多种类的智能机器。DDS满足了我们设备的苛刻要求，并支持跨产品线的单个通信平台的标准化”。

3.2.5 Mevion质子束放射治疗（PBRT）

高能质子束在达到临界速度之前与人体组织几乎没有相互作用。然后，它们将几乎所有的能量都储存在很短的距离内。质子疗法可以让医生调整辐射剂量来攻击肿瘤，同时将辐射损伤降到最低。

这需要一个粒子加速器，一个超导同步回旋加速器，其尺寸可以伸缩以适应房间。回旋加速器控制极快变化的磁场来加速质子。控制系统处理病人定位、治疗计划、运动控制、光束散射、磁场成形、磁场控制、离子源和剂量测定。这是一个智能机器，足够精确，可以在不损害视力的情况下消灭视网膜癌。第一个系统于2013年底投入使用。

图8.PBRT系统的幕后视图。病人定位台与质子束相协调，提供精确的全三维图像引导曝光。这是世界上最紧凑的粒子加速器。

3.3交通运输

实时分布式连接将改变交通。从智能汽车到智能跟踪系统，移动对象与物联网的结合正在愈加紧密。

3.3.1NAV CANADA空中交通管制

加拿大空中交通管制局NAV CANADA正在利用DDS实施全陆境的空中交通管制。加拿大自动空中交通系统（CAATS）横跨7个主要中心，将连接数百个机场塔楼。它控制着从东海岸到西海岸，从美加边境到北极的空中交通，以及北大西洋和太平洋的海洋旅行。在这个巨大的地理区域中，性能、可扩展性和全天候的可靠性是关键。

CAATS利用DDS的数据过滤QoS来管理数据流。例如，操作员显示器只能请求5英里内、5000英尺以下、正在下降和接近的飞机航迹。DDS将该约束发送到发布端，并在发送端对数据进行筛选。由于DDS是以数据为中心的，所以它可以理解它所传递的信息的内容。发送端对数据进行过滤，从而减少大部分不必要的数据，而这些数据对于以消息为中心的中间件来说将全部发送。通过上述操作，能够节省带宽并实现系统的可伸缩性。

图9.加拿大国家航空公司的CAATS系统控制着整个大陆的空中交通。它需要极高的可用性、性能和可靠性。

图10.CAATS集成中心，与外部系统通信，并将各子系统连接在一起。

3.3.2大众智能车

大众汽车正在通过DDS实施驾驶员辅助和安全性集成。该系统有助于避开障碍物、检测车道偏离、跟踪眼睛活动和安全通过转弯。DDS将所有部件连接到一台智能计算机中。

2013年，大众展示了该软件在电动汽车上运行的版本。它能够放下乘客，自动驶入街区到充电站，充满电然后返回。无人驾驶汽车技术正在迅速成为现实。

图11.大众汽车的驾驶员辅助和综合安全系统使用DDS将雷达、激光测距仪和视频结合起来，以协助安全操作。它跟踪司机的眼睛以检测睡意。它还检测车道偏离，避免碰撞，并有助于保持汽车在其车道上。

图12.由大众、博世和苏黎世ETH执行的V-Charge计划，实现了一种电动汽车，可以让乘客下车，然后自动驾驶到停车场，自行停车，在充电站轮流充电。该系统于2014年成功演示。

4、DDS应用的经验

安全性通常是特定于系统的，在关键接口或边界应用不同的安全特性组合。现在，还可以在传输过程中以及在网络上的关键位置保护数据，并可以将保护附加到数据本身。

DDS的应用成千上万，包括奥迪的分布式车辆测试系统、Joy Mining公司的先进采矿机械控制系统、NASA KSC拥有的大型SCADA系统（含30万个测点）、Excelis公司的的实时语音和视频通信系统、以及Schneider的PLC通信系统。DDS在IIoT领域内的几十个行业中都有应用证明。

大多数DDS应用程序都是分布式系统，至少具有以下三个基本特性中的两个：

可靠性：5分钟（或更短）的停机时间被认为是故障，甚至是灾难；

性能或规模：系统以毫秒或微秒表示计时需求，或连接数百个应用程序，或处理数万个数据值；

生命周期：代码生命周期至少为三年，需要协调开发和应用优化。

任何具备以上三个特征的应用程序都可以真正利用DDS，没有其他技术如此适用。即使有其他技术能够使用，其指标要求也难以充分满足。例如，企业级系统常常应用“五个9”（译注：即99.999%）的可靠性，这意味着每年大约有5分钟的停机时间。对于网站或业务系统来说，这可能足够了。但你敢在一个每年“只有一次”失去空中交通管制的空域飞行吗？如果电网每隔几个月“只出一次”故障，经济会不受影响？IIoT必须满足各种不同的期望。

5、传感器到云的集成

未来的IIoT系统不仅仅是连接实时操作系统。未来的系统必须能够进行性能优化、预测性维护并为业务系统提供系统级的智能。这些操作需要实时控制和基于云的大数据分析之间的深度集成。为了支持这些集成，将需要依靠基础设施服务来构建更大的系统。

DDS路由服务提供所需的子系统网桥。路由是将本地智能机器的层次结构组装成相互连接的单元、站点和更大的基于云的系统基础设施的过程。路由服务通过连接数据模型来工作。它允许系统翻译和导出正确的数据。从而实现了系统间的集成。

这一点至关重要，因为大型系统必须独立开发。例如，医院CT成像仪的开发人员可以创建控制系统所需的数据模型。其他医院系统，如呼吸机、心电图监护仪和药物输送系统，显然需要不同的机器数据流。因此，每种方法都有不同的数据模型、实现时间和升级路径。通过控制数据导出，路由服务在系统之间进行缓冲。

当然，路由服务还必须支持系统的组合。例如，当系统升级后需要使用统计信息，位置信息和患者健康记录等通用数据时，路由服务提供通用框架来将正确的数据从子系统转换为上级系统的数据模型。

图13.路由服务从每个较低级别的系统中选择正确的信息，并将其转换为层次结构中较高级别所需的“语言”（数据模型）。通过传递QoS参数，整个系统将在任何一个级别上看起来像单个逻辑数据空间。对于大型系统，该数据空间可能隐藏非常复杂的实际拓扑。这种抽象使大型集成系统成为可能。

图14.通过路由和云技术集成，基于DDS的框架可以集成系统，从底层嵌入式平台一直到基于云的大数据分析。

6、结论

IIoT真正令人兴奋的潜力是创造先进的新型智能机器和巨大的分布式系统。IIoT将改变许多行业。可再生能源、自动驾驶汽车、自动驾驶飞机、智能医疗设备和智能医院等应用定义了未来。

DDS是一种独特的通信技术。它旨在以物理级别的速度处理数据，提供对正确数据的控制访问，以及提供现实世界基础设施所需的极端可靠性、安全性和可扩展性。

关键的是，这不仅仅是假想。DDS在有代表性的IIoT实际系统上得到了广泛证明。一直以来，DDS在涉及几十个行业、具有挑战性的、真实的工业系统中不断发展。在如此广泛的实际应用中，它是唯一的通用平台。

未来的IIoT必须将这些经过验证的应用程序集成到更大的系统中，从而将云分析和商业智能的力量带给工业系统。这也是工业互联网的核心愿景。DDS是实现这一愿景的正确标准协议，因为它既提供了智能机器所需的极端功能，又提供了扩展到基于云的分析和优化所需的集成。

译文连载

RTPS规范-译文连载：实时发布订阅协议（RTPS）DDS互操作网络协议规范-中文翻译_001

DDS规范-译文连载：DDS (Data Distribution Service) 数据分发服务-规范中文翻译_001