▲中國信息通信研究院標(biāo)準(zhǔn)所教授級(jí)高工 段世惠

(一)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展概述

在經(jīng)歷了機(jī)械化、電氣化、自動(dòng)化的轉(zhuǎn)型發(fā)展之后，全球的工業(yè)制造正在經(jīng)歷新一輪的變革——數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。段世惠表示，“我國錯(cuò)過了第一、第二次工業(yè)革命，趕上了第三次工業(yè)革命的末尾，成為了工業(yè)經(jīng)濟(jì)大國，但還不是強(qiáng)國。”

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的重要基石，提倡“現(xiàn)代工業(yè)”和“新一代信息通信技術(shù)”的深度融合，為實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化提供了現(xiàn)實(shí)路徑。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物等的全面互聯(lián)，構(gòu)建起全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈、全面連接的新型工業(yè)生產(chǎn)制造和服務(wù)體系。

2017年11月27日，國務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，形成規(guī)范和指導(dǎo)我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的綱領(lǐng)性文件。2018年6月7日，工信部印發(fā)《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行動(dòng)計(jì)劃(2018-2020年)》。目前，已完成網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全三大體系的政策布局。

上海、廣東、浙江、江蘇、四川等近30個(gè)省、自治區(qū)、直轄市已出臺(tái)或即將出臺(tái)本地區(qū)的發(fā)展政策，各地結(jié)合自身產(chǎn)業(yè)實(shí)踐，疊加優(yōu)勢(shì)企業(yè)資源，探索形成特色發(fā)展路徑，集群化發(fā)展效應(yīng)也在逐步顯現(xiàn)。央地協(xié)同，上下聯(lián)動(dòng)，“全國一盤棋”的發(fā)展格局已形成。

經(jīng)過三年起步期的發(fā)展，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)步入實(shí)踐深耕階段。產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境持續(xù)優(yōu)化、基礎(chǔ)設(shè)施加速推進(jìn)、融合應(yīng)用走深向?qū)崳a(chǎn)業(yè)規(guī)模持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展的帶動(dòng)效應(yīng)顯著增強(qiáng)，形成戰(zhàn)略引領(lǐng)、規(guī)劃指導(dǎo)、政策支持、技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)推進(jìn)良性互動(dòng)的局面。

在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，高質(zhì)量外網(wǎng)已覆蓋全國374個(gè)地級(jí)行政區(qū)，接入企業(yè)超12萬家，覆蓋率達(dá)89.7%。在平臺(tái)體系方面，我國初步構(gòu)建起涵蓋研發(fā)創(chuàng)新、生產(chǎn)制造、運(yùn)維管理、產(chǎn)業(yè)資源整合等的多層次平臺(tái)發(fā)展體系。在安全建設(shè)方面，國家級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全態(tài)勢(shì)感知平臺(tái)覆蓋面積不斷擴(kuò)大，對(duì)接21個(gè)省級(jí)平臺(tái)，覆蓋9萬家工業(yè)企業(yè)。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0里，網(wǎng)絡(luò)功能是基礎(chǔ)?；谛畔⒛Ｐ偷幕ネɑゲ僮鞒蔀橹味嘣串悩?gòu)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)集成的核心;多方式、多QoS、智能化的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)是實(shí)現(xiàn)融合泛在互聯(lián)的關(guān)鍵;“標(biāo)識(shí)-解析-數(shù)據(jù)-應(yīng)用”構(gòu)成標(biāo)識(shí)功能分層，實(shí)現(xiàn)“跨企業(yè)-跨行業(yè)-跨國家”標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)管理和共享。

段世惠認(rèn)為，“在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)2.0的實(shí)施階段，可以分為產(chǎn)業(yè)層、企業(yè)層、邊緣層。”在邊緣層，以工業(yè)以太網(wǎng)為主，TSN等新網(wǎng)絡(luò)打破眾多協(xié)議制式間的技術(shù)壁壘;在企業(yè)層，采用高速以太網(wǎng)及TCP/IP，IT網(wǎng)絡(luò)與OT網(wǎng)絡(luò)逐步融合;在產(chǎn)業(yè)層，工業(yè)外網(wǎng)絡(luò)目前仍基于普通互聯(lián)網(wǎng)與高質(zhì)量專線部署為主。

(二)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r及問題

三級(jí)兩層的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在諸多問題，包括：IT、OT技術(shù)異構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)隔離，生產(chǎn)信息截止在車間級(jí)，工廠IT系統(tǒng)無法充分獲取工廠OT系統(tǒng)數(shù)據(jù)和信息;OT系統(tǒng)采用預(yù)先組態(tài)的方式，且主要采用固定網(wǎng)絡(luò)連接，靈活性不足;OT系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)層級(jí)復(fù)雜，技術(shù)不開放;

傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)要么不能相互兼容，要么不能與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備集成，很難滿足工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)確定性要求;傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)缺乏時(shí)鐘同步機(jī)制、帶寬預(yù)留等管理機(jī)制，數(shù)據(jù)分組優(yōu)先級(jí)等過濾機(jī)制，從而無法為應(yīng)用提供時(shí)延和抖動(dòng)的服務(wù)質(zhì)量(QoS)保障，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)只能將端到端的時(shí)延減少到幾十毫秒。

工業(yè)4.0時(shí)代，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的需求主要有：

• OT網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)/IP化：用統(tǒng)一的技術(shù)體系實(shí)現(xiàn)IT到OT的融合和信息系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息采集;
• 無線技術(shù)在工廠內(nèi)的廣泛應(yīng)用：利用無線技術(shù)實(shí)現(xiàn)廠內(nèi)的泛在連接，消除工廠內(nèi)的“信息死角”;
• 工廠的扁平化組網(wǎng)：減少網(wǎng)絡(luò)層級(jí)，減少不同網(wǎng)絡(luò)層次間的“信息損失”，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與決策的快速反饋;
• 工廠的靈活組網(wǎng)：打破生產(chǎn)過程剛性組織的局限，實(shí)現(xiàn)基于定制需求的柔性生產(chǎn)和資源組織。

段世惠表示，“未來的工廠網(wǎng)絡(luò)可能會(huì)越來越少，甚至有可能會(huì)集中在一張網(wǎng)上。如果用一張網(wǎng)的技術(shù)，能夠承載不同業(yè)務(wù)需求的業(yè)務(wù)網(wǎng)?，F(xiàn)在，大家公認(rèn)的底層網(wǎng)絡(luò)就用TSN，它可能是未來十年一統(tǒng)江湖的技術(shù)。”

TSN(時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò))是IEEE 802.1工作組正在研究制定的一系列標(biāo)準(zhǔn)。作為統(tǒng)一工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，TSN成為業(yè)界共識(shí)的工控通信網(wǎng)絡(luò)向1G接口演進(jìn)的解決方案;有IEC制定多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，轉(zhuǎn)變?yōu)橛蒊EEE802制定唯一標(biāo)準(zhǔn);IETF、IEC等多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織基于TSN制定統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系。

同時(shí)，TSN改變了原有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用支撐能力差的弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)+控制”向“網(wǎng)絡(luò)+控制/應(yīng)用”的轉(zhuǎn)變。但是，TSN也存在著許多應(yīng)用難題。在國內(nèi)，CNC/CUC未產(chǎn)品化，還是手工作業(yè)，大規(guī)模組網(wǎng)暫時(shí)不可能;現(xiàn)有存量工業(yè)以太網(wǎng)種類繁多，TSN暫時(shí)不可能一統(tǒng)天下;雖然業(yè)界對(duì)TSN的熱情很高，但是實(shí)際應(yīng)用很少;現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)改造不可能一蹴而就。

(三)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)發(fā)展?fàn)顩r及問題

企業(yè)通過IT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)融合、OT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)融合、服務(wù)與互聯(lián)網(wǎng)融合、企業(yè)專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合四個(gè)模式上云。企業(yè)信息化典型場(chǎng)景對(duì)于工廠外網(wǎng)的技術(shù)需求，包含工業(yè)實(shí)體的互聯(lián)網(wǎng)接入需求，跨區(qū)域之間的互聯(lián)與隔離需求，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與混合云互聯(lián)的需求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)廣域承載網(wǎng)絡(luò)的差異化需求(QoS、安全/保護(hù)等)。

為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)多租戶及用戶資源定制能力，基礎(chǔ)設(shè)施/設(shè)備需要支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)，從設(shè)備層面實(shí)現(xiàn)資源虛擬化;網(wǎng)絡(luò)層面需要通過SDN技術(shù)理念，實(shí)現(xiàn)控制和承載分離;網(wǎng)絡(luò)控制與編排層面需要支持通過API向用戶開放網(wǎng)絡(luò)能力。為支持海量設(shè)備接入(多為無線方式)，需要5G和IPv6的部署。目前看來，5G+基于SDN/NFV的骨干網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向。

隨著智能工廠的發(fā)展，各機(jī)器之間通過交換彼此的信息，或者使用超級(jí)控制器來描繪網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及各種狀態(tài)信息。工廠內(nèi)網(wǎng)需要建立在IP網(wǎng)絡(luò)之上，并且滿足確定性時(shí)延和抖動(dòng)，以及遠(yuǎn)程控制的要求。

目前的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)主要局限在局域網(wǎng)的范圍，不能滿足跨局域網(wǎng)、多實(shí)時(shí)邊緣網(wǎng)絡(luò)互連的確定性業(yè)務(wù)傳輸需求，而傳統(tǒng)的MPLS VPN專線與基于OTN的光網(wǎng)專線僅僅能夠滿足一般性的業(yè)務(wù)需求。IETE的DetNet工作組目前正在解決這個(gè)問題。

DetNet(確定性網(wǎng)絡(luò))目標(biāo)是在第二層橋接和第三層路由段上，實(shí)現(xiàn)確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時(shí)延、丟失分組和抖動(dòng)的最壞情況界限，以此提供確定的時(shí)延。與TSN相比，DetNet的工作范圍更加廣泛，通過MPLS/IP技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)三層的確定性傳輸。

(四)5G與TSN融合

2018年底，中央經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議指出，“加快5G商用步伐，加速人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。”2020年2月21日，中央政治局會(huì)議強(qiáng)調(diào)，要推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等加快發(fā)展;2020年3月4日，中央政治局常委會(huì)作出加快新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)度的重要部署;2020年政府工作報(bào)告提出，拓展5G應(yīng)用，發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”政策體系不斷優(yōu)化完善。截至目前，近20個(gè)省市明確對(duì)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”方向的政策支持，并充分利用現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、單項(xiàng)冠軍、首臺(tái)(套)重大技術(shù)裝備、技術(shù)改造、智能制造等資金政策進(jìn)行支持。

近兩年來，工業(yè)無線保持30%的高速增長(zhǎng)，占據(jù)6%的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)新增市場(chǎng)。從全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)整體發(fā)展情況看，目前工業(yè)無線的占比正在爬升，將領(lǐng)跑下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的爆發(fā)式增長(zhǎng)。

5G技術(shù)低時(shí)延、高可靠、大連接的特性，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)無線技術(shù)可靠性、連接范圍的不足，將使無線技術(shù)由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)偶爾的補(bǔ)充，成長(zhǎng)為工廠內(nèi)網(wǎng)重要的組成部分，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展注入新活力。

新中國成立70周年，工業(yè)通信業(yè)發(fā)展情況發(fā)布會(huì)上，工信部苗圩部長(zhǎng)指出：5G真正的應(yīng)用場(chǎng)景，80%應(yīng)該是用在物與物的通信，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、遠(yuǎn)程醫(yī)療等領(lǐng)域。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應(yīng)用從輔助環(huán)節(jié)向核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)滲透，應(yīng)用類型從大帶寬主導(dǎo)向多類型方向發(fā)展。典型的十大應(yīng)用場(chǎng)景有：工業(yè)設(shè)計(jì)、輔助裝配、設(shè)備協(xié)同、精準(zhǔn)操控、視覺檢測(cè)、數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程維護(hù)、智能物流、無人巡檢、安全監(jiān)控。

5G與TSN融合部署，正在成為產(chǎn)業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)。二者的融合模式有三種：無縫銜接(TSN over 5G)，端到端TSN化的5G、承載網(wǎng)融合(5G over TSN)。其中，端到端TSN化的5G是大家公認(rèn)的模式。

然而，5G與TSN融合部署也面臨著重重挑戰(zhàn)。時(shí)間同步問題，二者同步機(jī)制不一樣，精度存在差異;工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署環(huán)境，TSN規(guī)模商業(yè)尚需時(shí)日;低延時(shí)、低抖動(dòng)，無線側(cè)是實(shí)現(xiàn)端到端確定性的關(guān)鍵;終端-終端直接通信，存在場(chǎng)內(nèi)設(shè)備之間的直接通信。

5G TSN的低時(shí)延低抖動(dòng)實(shí)現(xiàn)(5G自有技術(shù))：采用延時(shí)關(guān)鍵可保障比特速率(Delay Critical GBR)、切片、用戶面功能(UPF)下沉分流等技術(shù)來降低傳輸?shù)臅r(shí)延，然后再結(jié)合時(shí)延敏感通信輔助信息(TSCAI)、保持和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制等消除抖動(dòng)。

5G與TSN系統(tǒng)的時(shí)鐘同步機(jī)制協(xié)同。在5G時(shí)鐘域中，gNB從5G GM獲取時(shí)鐘后，可以將時(shí)鐘傳遞給UE和UPF，實(shí)現(xiàn)5G系統(tǒng)內(nèi)的高精度時(shí)鐘同步。

其中，UE可通過與gNB之間的Uu口的RRC消息實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，UPF通?？刹捎肐EEE 1588規(guī)范實(shí)現(xiàn)與gNB之間的時(shí)間同步;在TSN時(shí)鐘域中，TSN時(shí)鐘域內(nèi)網(wǎng)元同步于TSN GM，并基于IEEE 802.1AS規(guī)范來實(shí)現(xiàn)域內(nèi)的時(shí)間同步。

5G LAN技術(shù)首次在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中引入終端組管理的概念，支持組內(nèi)終端直接通信。在TSN-5G融合的R17研究報(bào)告中，提出在同一VN group的UE間通過相同的UPF直接通信，因此可重用5G LAN的機(jī)制。當(dāng)前，滿足如下條件的DS-TT/UE可以直接進(jìn)行5G TSN的通信。

(五)發(fā)展建議

2020年12月22日，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》。新型基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)一步完善，覆蓋各地區(qū)、各行業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施初步建成，在10個(gè)重點(diǎn)行業(yè)打造30個(gè)5G全連接工廠。

推進(jìn)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)升級(jí)，支持工業(yè)企業(yè)運(yùn)用新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)改造建設(shè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，探索在既有系統(tǒng)上疊加部署新網(wǎng)絡(luò)、新系統(tǒng)，推動(dòng)信息技術(shù)(IT)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)控制(OT)網(wǎng)絡(luò)融合。

開展企業(yè)外網(wǎng)建設(shè)，推動(dòng)基礎(chǔ)電信企業(yè)提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。探索云網(wǎng)融合、確定性網(wǎng)絡(luò)、IPv6分段路由(SRv6)等新技術(shù)部署。

深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”。支持工業(yè)企業(yè)建設(shè)5G全連接工廠，推動(dòng)5G應(yīng)用從外圍輔助環(huán)節(jié)向核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)滲透，加快典型場(chǎng)景推廣，探索5G專網(wǎng)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)模式，規(guī)劃5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專用頻率，開展工業(yè)5G專網(wǎng)試點(diǎn)。