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能源產業成就物聯網未來?
是迷思還是契機

【作者: Jacques Benoit】   2017年02月02日 星期四

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連網產品廠商宣稱到了2020年,將有多達五百億台裝置可連上網際網路。這類裝置相互搭配運作,傳送資料至雲端型應用程式,透過巨量資料分析來實現價值,這樣的願景就是所謂的物聯網(IoT)。由於大量的智慧型電子裝置(IED)部署於變電所及配電網路,因此各界經常將能源產業視為實現IoT理所當然的機會與目標。


不過,能源產業本身存在各種挑戰。本文將探討實作IoT的各項技術及標準,對比能源產業目前使用的項目,討論包含大量裝置的智慧電網專案期間發現的各項挑戰,並提出IoT及其基礎技術提供的若干契機。


物聯網這個名詞聽起來像是最新的技術浪潮,不過其實早在1999年就已經出現;當時研究人員的想法,是利用RFID標籤追蹤大型的物體網路。這項概念演進發展,大量導入智慧型連網裝置,而Cisco(思科)這家主要的連網設備廠商,目前將物聯網定義為物體(也就是「物」)連網數量超越人口數的時間點。Cisco甚至預測到了2020年,將有500億台裝置連上網際網路。


這類裝置相互搭配運作,傳送資料至雲端型應用程式,透過巨量資料分析來實現價值,這樣的願景就是現今所謂的物聯網。雖然此項願景通常與連網消費性產品有關,但也進軍其他領域,例如目前的工業物聯網(IIoT),利用現場或廠房的數千個感測器提供資料,即時達到最佳生產力及資源使用率,進而實現工業4.0全新工業革命。



圖一
圖一

本文將探討IoT的各項承諾,實作IoT的各項技術和標準,再對比能源產業已經使用的項目,探討智慧電網專案期間發現的各項挑戰;文中也將討論如何擷取及使用現有應用的資料,並仍能符合關鍵基礎設施的安全需求。


物聯網的崛起

物聯網定義相當混亂,其中包含大量的應用和技術。連網裝置、自動化和軟體的各大廠商都加入了這一波浪潮,各界不斷大肆宣傳這項新型商業契機的作法,使得IoT定義的釐清更加困難。此外,物聯網說明內容一般維持在大方向,很少有人從技術層面切入,探討如何建構IoT實現所有效益。


標準開發組織(SDO)已經組成工作小組,以提出IoT的正式架構。例如IEEE已經建立IoT計畫,將其定義為「由各個內嵌感測器的連網項目所組成的網路」。其中已經提出140項以上的相關標準和專案,並組成IEEE P2413工作小組負責定義架構,並釐清各IoT領域、其抽象概念和共通處。


P2413工作小組已經提出下列IoT領域:居家和建物、零售、能源、製造、行動及運輸、物流、媒體、醫療保健。P2413以大方向為原則,將架構定義為三個層級,包含應用、網路和資料通訊、感測。


由於大量的智慧型電子裝置(IED)部署於變電所及配電網路,因此各界經常將能源產業視為實現IoT理所當然的機會目標。不過,討論內容通常侷限於AMI及「智慧型」溫控等常見應用。可惜的是,大多未能提及能源產業在智慧電網專案中,透過本身連網裝置標準型架構所汲取的豐富寶貴經驗。


以下將詳細探討各項IoT概念,說明其中牽涉的技術,並就智慧電網計畫的工作成果來闡述。


IoT的基礎概念,是感測器網路將傳送資料至各項應用程式,以便為組織或個人創造價值。一般是假設各個感測器將獲派獨一無二的位址,而資料會透過公共網際網路基礎設施傳輸至雲端型應用程式。不過,如果有500億個裝置要直接連網,就需要大幅改變裝置定址的方式。


網際網路通訊協定原本是設計為研究專案,使用32位元的定址空間,這在當時並不構成問題。此外,位址原本的分配方式相當浪費,造成目前IP位址空間耗盡,在使用目前版本網際網路通訊協定IPv4的情況下,已經沒有未指派公共IP位址的區塊。



圖二
圖二

到目前為止,這項限制並未阻止網際網路成長,因為大部分電腦和連網裝置並不需要公共IP位址,而是使用私人IP位址,透過執行網路位址轉譯(NAT)的路由器存取網際網路。NAT不僅降低對個別公共位址的需求,也提供安全層,只有對外的路由器具有公共IP位址,而無法由外部直接存取私人位址範圍之中的裝置或電腦。


然而,必須要有使用更大的位址空間,才有可能實現500億台個別定址裝置的IoT願景。新版標準也就是所謂的IPv6,使用128位元定址空間,理論上能夠提供2128或約3.4×1038個位址,足以因應所有可預見的應用需求。


現代電腦作業系統一般可支援IPv4及IPv6,不過,製程控制、自動化及保護使用的IED,一般並不支援IPv6。這類裝置可執行特定作業,滿足非常嚴峻的成本要求及環保規範。為因應這類要求所使用的電子裝置,只能提供非常有限的運算能力和記憶體。


此外,裝置設計人員將重點放在裝置功能,通常僅實作最低限度的通訊及安全功能。在自動化領域中,基本上已採用網路連線技術來取代點對點接線。系統之中的裝置可透過網路互相通訊,不過一般並無法向外連線至網際網路。


雖然未來裝置廠商最終將轉移至IPv6定址,但關鍵基礎設施的組織,絕對會繼續控制及限制存取其現場裝置。安全從業人員一般認為,使用公共網際網路與現場裝置通訊,會帶來嚴重的網路安全及服務品質(QoS)疑慮。


定義能源標準 以提升通訊可靠度

能源產業透過變電所自動化及智慧電網專案,獲得通訊技術和通訊協定方面的豐富經驗。就變電所而言,通訊特性為裝置對裝置,其中的關鍵需求為可靠性、低延遲及決定性行為。


在能源產業方面,IEC 61850標準已定義架構保護裝置,其基礎為使用乙太網路傳輸抽樣值及GOOSE訊息。乙太網路可提供快速的裝置對裝置通訊,並支援優先順序及QoS。不過即使有了以上功能,其非決定的特質仍然招來質疑。


SCADA/RTU應用特性可歸類為裝置對伺服器,其時間要求並不像保護那麼嚴格。這在能源產業是透過DNP3、IEC 61870-5-101/104及IEC 61850等通訊協定處理,透過各種LAN及WAN通訊網路傳輸。


即使其特性可歸類為裝置對伺服器,AMI應用的時間要求寬鬆許多。其中一項關鍵差異是AMI控制功能一般不需要及時回應。SCADA用於控制電氣設備,因此需要能夠提供可靠及可預測行為的通訊基礎設施。另一方面,AMI等應用執行的控制作業非常少。


大部分作業包含定期讀取電錶讀數,電錶斷線的控制要求非常少。因此AMI系統一般使用各種不同的通訊技術,從電力線載波(PLC)到各種無線方式,其中許多具有高延遲和低頻寬等問題。


這類通訊技術連接至公用設施時,大多利用實作場域網路(FAN)的資料集中器,作為閘道連往公用設施廣域網路(WAN)。智慧電網計畫也確認及提出各種不同標準和通訊協定,其中包括IEC 61850。


雖然能源產業中,裝置對裝置、裝置對伺服器通訊協定均已充分定義且使用普遍,但是在提供標準化資料給商業應用方面的成果比較少。即使CIM和IEC 61850已提供互通性基礎,智慧電網應用大多仍於專屬的廠商獨立環境運作。


通訊協定

在網際網路和自動化系統之中,執行資料擷取的方式大不相同。一般來說,SCADA/RTU仍然主宰自動化領域的機器對機器通訊。電力產業使用的資料擷取通訊協定,一般為主機/從機或用戶端/伺服器。SCADA主機(用戶端)連線至裝置,並定期輪詢資料。


RTU等裝置及閘道一般會由大量實體點集中資料,透過IED直接連線或提供。實作從機(伺服器)的裝置聽取傳入的連線要求,建立通訊工作階段,然後聽取資料讀取要求及控制作業。這是所有常見通訊協定使用的方式,包括Modbus、DNP3、IEC 61870-5-101/104及IEC 61850。


現代通訊協定也支援時間戳記、資料品質及主動提供報告等功能,以減少延遲及頻寬。一旦建立通訊工作階段,裝置就可在掃描作業間的空檔回報資料變更。


以上所述的所有通訊協定,均設計在各種通訊技術提供可靠作業,包括低頻寬和不可靠的傳輸。現代通訊協定也能匯出裝置點清單,以促進互通性。



圖三
圖三

在工業層級方面,OPC UA通訊協定取代舊型OPC,是IIoT理想選擇。這項用戶端/伺服器通訊協定,不再綁定Microsoft Windows作業系統,而提供安全性功能,支援Web服務介面及資訊模式,目前定義為IEC 62541。


不過,以上通訊協定均未使用於IT、Web和網際網路應用。前述應用使用完全不同的通訊協定系列。雖然Web採用戶端/伺服器方式,但依據的架構不同,且使用的是無連線的HTTP通訊協定。Web瀏覽器連線至伺服器,傳送讀取或寫入要求,然後關閉連線。Web伺服器並不會追蹤記錄連線。這種方式提供可擴充性,可同時容納非常大量的用戶端。


HTTP及其安全版本的HTTPS,正透過使用所謂「Web服務」的方式,增加在機器對機器通訊之中的使用情形。由於有越來越多裝置內建Web伺服器進行設定和監控,因此也加入可編程介面,使用具象狀態傳輸(REST)介面,支援存取裝置資料和設定。基本上這是以HTTP/HTTPS來交換結構化為XML或JSON訊息的資料。


比較緊密/鬆散結合架構

用戶端/伺服器相當適合自動化應用,因為系統架構獲得妥善定義,並且非常穩定。SCADA主機使用RTU、閘道和IED的位址和點清單預先設定,RTU及閘道則使用裝置的位址和點清單預先設定。架構因此得以緊密結合,所有裝置可安全有效地交換即時資料。不過,若要新增新裝置就必須更新系統設定。


用戶端/伺服器的替代方案為發佈/訂閱方式。在這類架構中,只要裝置有需要報告的資料或事件,就會主動發佈訊息。有一種特殊類型的伺服器會負責代理,管理訊息佇列,將其組織為各個主題。


用戶端應用程式訂閱主題,以便接收資料;使用發佈/訂閱及訊息,將產生鬆散結合的架構。新裝置可輕鬆新增至系統,並開始在特定主題發佈資料。用戶端應用程式將接收資料、識別資料源自新裝置,然後依此調整本身架構。顯然就網路安全及互通性能力而言,管理鬆散結合架構本身就存在著各種挑戰。


最常見的IoT願景是鬆散結合的裝置及感測器網路,透過傳訊架構發佈資料,使用各種Web服務及傳訊通訊協定,例如訊息佇列遙測傳輸(MQTT)、受限應用協定(CoAP)、資料分配服務(DDS)、進階訊息佇列協定(AMQP)。除了AMQP以外,以上大部分通訊協定都尚未普遍使用。AMQP通訊協定用於金融業,支援交易模式,因此更為複雜,不適合用於邊緣裝置。就我們所知,以上通訊協定都未用於能源產業的自動化系統和裝置。


在電力產業及IEC 61968標準的通用訊息模型(CIM)之中,已提案納入使用傳訊架構。使用傳訊可在裝置和企業應用程式之間建立橋樑;這兩者運作環境的需求完全不同。


其中一家廠商Intel已經提出IoT閘道開發平台,支援各式各樣的通訊技術,並提供軟體支援傳訊通訊協定及安全性。這類裝置可連結這兩種不同環境。


不過為了實現真正的互通性,裝置和應用程式也必須共用通用資料模型,這就是IEC 61850和CIM為電力產業完成的成果。


IoT的一大挑戰,就是要理解感測器產生的大量資料。廠商推動的願景,是讓大量裝置和感測器共同運作,提供資料給精密的軟體應用程式。不過,為達成以上願景,應用程式需要瞭解資料意義,也就是所謂的語義學。感測器讀取的是電壓還是溫度?溫度是攝氏或華氏度數?比例係數為何?


為了達到互通目標,裝置需要發佈自己的資料模型,而軟體應用程式則需要依此自行設定,基本上實作所謂「隨插即用」的模式。


能源產業透過IEC 61850及CIM,在資料建模和電力網路「物」的語義方面,具有強大的領先優勢。不過,可以發現願景仍未完全實現,IEC 61850所提供的,大多只有相同廠商裝置之間的互通性。


雲端運算

前幾節我們探討裝置如何通訊及產生資料,以便由應用程式處理。IoT承諾的各項效益,將透過應用程式實現,使用前述資料產生各種寶貴資訊。不過,企業應用程式相當昂貴,組織面對的挑戰,正是要負擔高額成本來部署及維護這類應用程式。廠商持續演進發展各項應用程式,新增各種全新功能,滿足市場及客戶需求,不過組織根本無法負擔如此迅速的變更,「如果沒壞,就不要修。」


IoT其中一大基礎是雲端運算,這勢必能解決許多以上挑戰。美國國家標準與技術研究院(NIST)將雲端運算定義為「可實現普遍、便利、隨需的網路存取模型,取得共用的可設定運算資源集區(例如網路、伺服器、儲存設備、應用程式及服務),能夠以最少的管理工作或服務供應商互動迅速佈建及發行。」


收集裝置和感測器資料的應用程式,需要的磁碟儲存容量持續增加。透過進階分析處理此類資料,從中擷取寶貴資訊和趨勢的作法,需要豐富的運算功能。維護應用程式及安裝各種更新,因應錯誤或安全問題所需的IT資源可能無法取得,對於規模較小的公用設施更是如此。


雲端運算平台提供兩種效益:受管理的基礎架構服務及軟體架構,簡化開發大規模應用程式。雲端運算建構於現代系統的虛擬化功能,向組織提供隨需運算及儲存功能,並透過使用容錯系統及分散各地的資料中心,確保提供高可用性。最重要的是,雲端運算可確保即時套用各項更新及修補程式。雲端運算提供各式各樣的服務模式,因應不同的使用情況:軟體即服務(SaaS)、平台即服務(PaaS)、基礎架構即服務(IaaS)。


SCADA、DMS、EMS及FLISR等公用設施應用程式,對公共設施營運相當重要,因為這類應用程式操作遠端裝置,管理傳輸或配電系統,是關鍵基礎設施的一部分。因此這類應用程式的可靠性及安全性要求非常嚴苛,一般由公用設施IT團隊部署於高度安全的公用設施資料中心。


NERC CIP等網路安全架構及標準,要求系統營運商實作可稽核的安全控制功能。在公用設施資料中心內部部署及維護應用程式較為昂貴,因此提供了公用設施可完全稽核的控制功能,規定可以使用應用程式的對象,以及如何管理資料和裝置存取。


雲端運算廠商主張自己提供的安全性層級,能夠因應所有適用需求。不過,如果在雲端部署應用程式,公用設施IT及網路安全團隊就必須仰賴第三方,喪失本身部分的控制能力。


然而,對重要性較低的應用程式和組織而言,雲端提供的重大效益,可能比喪失控制能力更為重要。雲端也能讓規模較小的公用設施,存取在其他方面無法負擔使用的應用程式。


公用設施可利用多重層級方式及私有雲端,享有雲端型解決方案的各種好處,同時也能兼顧安全性。公用設施可以選擇管理本身內部的資料擷取應用程式,由自己的私有裝置網路收集資料,並使用閘道應用程式將資料推送至雲端型應用程式進行處理。


網路安全為IoT首要之務

網路安全必須成為IoT的基本特性。然而,安全從業人員多半將IoT視為正在發生的災難事件。500億台裝置連線公共網際網路的願景,將引發各界嚴重疑慮,擔心惡意軟體、大規模殭屍網路,以及阻斷服務(DDOS)攻擊等事件普遍散佈。


研究人員不斷發現內嵌式裝置的弱點,例如車輛因為內建電腦網路而遭到竊取、節律器及胰島素泵遭到入侵、智慧型電視殭屍網路等等。網路安全從業人員將此歸咎於裝置製造商注重提供產品功能,但其安全技術仍十分有限。


IEEE P2413工作小組已經成立子工作小組處理網路安全問題,並瞭解所謂的四大信任要素(Quadruple Trust):保護、保全、隱私及安全。小組已經深入探討安全性問題,並將其作為主要原則。


能源產業再次因為領先發展而受益,網路安全一開始就是智慧電網計畫的關鍵要求,且已投入大量心力定義各項已於報告正式提出的需求,例如智慧電網安全的NIST 7628準則。雖然這類準則並未因應IoT本身,但確實針對能源產業的各項應用定義網路安全要求,涵蓋發電廠到客戶場所。


此外,許多公用設施必須達到NERC CIP網路安全標準,並由此獲得保護資產的寶貴經驗。基本上,關鍵資產必須隔離,獨立於安全的網路區域,並且必須將區域之間的網路流量加以限制,僅提供給獲得授權及驗證的實體;因此,深度架構必須採取分層防禦。


達成保護、保全、隱私及安全的NIST四大信任要素,需要使用密碼,並因應其中產生的所有主要關鍵挑戰。可用的分散式隨需運算資源持續增加,引起各界疑慮擔心加密金鑰遭到暴力攻擊法破解,因此要求使用更強大的金鑰,以及更強大的裝置。在私有網路隔離裝置,也可能是解決方案。


管理裝置生命週期

連網裝置管理仍會是需要因應的挑戰,開發應用程式和策略支援完整的裝置生命週期,是降低所有連網「物」整體擁有成本(TCO)的必要措施。目前有許多佈建、調試、更新及棄置作業,仍需要由高度合格人員手動執行。


在這方面,建立IoT的IT領域大幅領先。連網裝置廠商提供網路管理軟體(NMS)支援其裝置。不過,這類軟體一般用於支援單一廠商裝置,執行非常充分定義的功能。目前正在努力定義標準介面,規定哪些裝置可以發佈本身功能,並以編程方式管理。只是開發通用管理平台仍是挑戰,甚至在經濟考量上也不太可行。


結論

本白皮書試概述實作IoT的部分現有技術,以及與能源產業現行努力成果的相關性。


IoT將站穩腳步繼續發展,參照Gartner技術成熟度曲線(Gartner Hype Cycle),可表示IoT願景的觸發因素,是廣泛採用的網際網路,以及依據通用網路連線技術不斷增加的連線裝置。IoT目前處於「期望膨脹的高峰期」(Peak of Inflated Expectations)。工業及電力產業的所有主要廠商,目前都推出 IoT 計畫並推動其願景。


我們已經瞭解IoT已自然地連結到能源產業的現行努力成果。裝置及感測器大量部署,協助管理電力基礎設施。雖然這類裝置可能絕對不會透過公共網際網路連網,但其資料可利用IEC 61850及CIM加以結構化及建模,並使用傳訊技術和Web服務在企業層級交換。


進階軟體應用程式可利用雲端型平台提供的功能加以開發,以便提供公用設施各項寶貴資訊,實現最佳化作業。不過,以上解決方案可能將以私有雲端為基礎,並含有透過安全Web介面及Web服務型API公開的資料子集。


(本文作者任職於伊頓飛瑞慕品公司)


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