從“制造”到“智造”，工業互聯網要走多遠

在2021年北京地區學術成果報告會（自動化及人工智能領域）上，北京科技大學教授王健全以“工業互聯網體系架構及關鍵技術”為主題，深入淺出地講述了工業互聯網的歷史、現狀與未來，工業互聯網作為工業和互聯網的集成融合創新，形成了一種全新的生態，從工業3.0到工業4.0的轉型是一條從自動化走向智能化的路徑。打破傳統金字塔架構，借助5G技術和TSN（時間敏感型網絡）的融合實現工業現場網絡異構互通，解決各種技術難題，需要傳感、通信、控制、人工智能多個學科的融合。

走向智能化的工業互聯網

第一次工業革命的蒸汽已經逐漸消散在百余年漫長的時光里，歷史則不斷證明著“落后就要挨打”的真理。工業革命經歷了機械化、電子化、自動化3個階段，目前正處于向自動化和智能化的嬗變中。當時代的浪潮滾滾向前，任何國家都是逆水行舟，不進則退。因而各國都在加緊推動工業革命的升級改造，2012年美國率先提出了先進的制造業國家戰略計劃，2013年德國政府將“德國工業4.0”納入到“高科技戰略”的框架之下，英國提出“英國工業2050戰略”，將提振制造業作為經濟復蘇的核心，中國也在2015年提出了“中國制造2025”戰略，以應對新一輪的科技革命和產業變革。

在這場沒有硝煙的占據新產業變革制高點的激烈競爭之中，信息技術尤為重要。工業互聯網作為信息推動工業變革的典型代表，體現了工業和ICT信息通信技術能力的集成融合和創新，它的主要特征包括3個層面：數字化、網絡化、智能化，分別對應了狀態的全面改制，網絡的全面動態和可靠連接，以及數據的高效流轉，它以數字化和網絡化為基礎，最終達成智能化的目標。

觀照近年全球各國實施的戰略政策不難發現，作為推進工業4.0升級改造的重要一環，推動工業互聯網深入發展已經成為國際共識。自2018年起，德國、日韓、歐盟陸續推出了工業互聯網和5G方面的國家戰略。2021年5月，我國將5G和工業互聯網列為新基建，在“十四五”開篇之年又把工業互聯網列為了數字經濟重點行業，國家的各部委出臺各自相應政策來推動工業互聯網的加速落地。2020年12月22日印發的《工業互聯網創新發展行動計劃（2021—2023年）》，在基礎設施建設、深化融合應用、強化技術創新、重大產業生態、提升安全水平等方面都提出了系統全面的部署和落地化的要求，助力中國工業互聯網從培育期轉向快速發展 期。

工業4.0的前身自然是工業3.0，即仍屬于金字塔架構的傳統自動化階段，它使機器完全擺脫了人的控制，但在向智能化轉變的過程中，由于無法實現跨層、跨系統之間交互和全局的動態管控，數據的高效流轉被限制，這種不適應約束了工業互聯網的發展。“因為現在工業自動化的架構沒有去打開，所以現在我國‘5G+工業互聯網’基本應用停留在工業制造環節。”王健全說道。

工業互聯網發展賦能智能制造

“天下大勢，浩浩湯湯，順之者昌，逆之者亡。”工業互聯網已是不可逆轉的趨勢，也是我們國家進一步崛起的必由之路，但真正賦能智能制造任重道遠。王健全教授提出，其一要與行業對接，補齊相關標準;其二需要將感知層跟網絡結合達到高速的數據流轉;其三要用網絡基礎設施構建統一的標準以實現互通。此外，深化5G能力、提升決策智能化水平、促進工業知識模型進步同樣刻不容緩。工業4.0最終必然要建立網絡構造云邊端架構來打破傳統的金字塔模型。

推陳出新、革故鼎新從來不是說說那么容易，實現上述突破需要完成許多具有挑戰性的工作：工業控制的虛擬化，把PLC（可編程邏輯控制器）上移，進而通過云化可編程邏輯控制器，解決工業互聯、數據互通難題;云端帶來的距離問題和傳輸可靠性問題要求一張端到端、低時延、高可靠、確定性的網絡;連接的統一要與應用層消息標準的統一相互配合，控制網絡要一體化管控……

一旦實現了架構的變化，就能實現數據的橫向和縱向互通，同時增加了數據維度，控制資源、網絡資源的數據也將作為被控因素和決策因素，將具體的AI和工業應用的機理知識結合，由預測性維護走向了智能化決策。最重要的是，當結構不再是傳統金字塔架構，從封閉走向開放，相當于我們打破了國外傳統的壟斷架構，這就要求我們必須構建設備網絡數據應用等端到端的縱深安全體系，必須基于自主可控的技術來進行構 造。

總的來說，工業互聯網的體系架構和關鍵技術呈現統一融合、分離耦合、自主安全的特點。“我們分離和結耦是為了更好地統一融合，更好地統一融合是為了更好地智能化，而自主是為了安全，安全是智能化的一個保證。”王健全在演講中如是說。

路漫漫其修遠兮，吾將上下而求索

攻克工業互聯網網絡的關鍵技術，可以說是“正入萬山圈子里，一山放過一山攔”。目前網絡私有標準林立，需要構建統一的連接滿足確定性、可靠性的要求，通過5G-TSN構建一個端到端、可靠、低時延的骨干網架構。但5G和TSN來自不同標準，持不同的描述方式和管控方式，為此國家設立了國家重點研發計劃，研究5G-TSN的協同傳輸關鍵技術。這個計劃的推進本身也是不斷攻堅克難的過程，技術人員需要克服無線信道識別和終端移動端的不確定因素來實現端到端的可確定性，需要研究如何統一端到端的管控和跨越，如何實現資源的聯動和優化，需要實現時鐘同步，確定性機制，進行研制作為應用示范，等等。

王健全教授總結了圍繞5G-TSN構建的一個骨干網絡在4個層面上的創新點：第一個層面是要有一個融合統一的管控的架構，實現不同網絡的協議互通、資源描述互通;第二個層面是5G本身需要從可靠性、低延時上進行提升;第三個層面是實現端到端聯合的優化，保持3GPP和TSN的時鐘統一;第四個層面是從網絡側、終端側實現設備的互通。

然而，在構建融合網絡架構上，5G-TSN協同架構并非終點，而只是一個開始。大量的存量設備如何連接，如何在存量和增量上用同一張網絡來實現，這些是更重要的問題，需要跟工業現場網絡連接，這涉及多域、異構網絡的整體管控和協同，還需要解決異構網絡的統一組網模式、互通機制、資源調度，計算網絡，控制的融合技術，多元協同多目標優化技術，現場網絡的管控配置技術等難題。

王健全教授說：“數據的高效流轉、安全可控、網絡的泛在統一、資源統一調配和管控、運行決策的多維智能化是工業互聯網體系架構的主要特征。（工業互聯網）不是一個學科干的事情，而要多學科相互融合來解決問題。”

當美國高調呼吁制造業崗位回流，當英國認識到制造業在國家經濟韌性方面的重要性，當金融泡沫破裂、經濟發展持續走虛，工業互聯網作為智能制造的基礎平臺，其重要意義不言而喻。誠然，工業互聯網愿景的實現不會一帆風順，作為一門新興的交叉學科，種種技術難題都尚待解決，但“道路是曲折的，前途是光明的”，將工業互聯網與控制層面相結合，逐步改變傳統金字塔結構，每一小步都是從工業3.0邁向工業4.0的實質性的一大步。