論綜合試驗平臺的發展趨勢和作用

張 維 陳興平

網絡通信與安全紫金山實驗室

0 引言

工信部《“十四五”信息通信行業發展規劃》指出信息通信行業要承擔攻克相關領域技術難題、促進全球信息通信領域緊密聯動的歷史使命，并列出了6 大類共20 個量化目標，聚焦新基建。但當前以工業互聯網為融合紐帶的5G、邊緣計算、云計算等方向的技術創新與突破卻面臨著試驗平臺大多不具備端到端能力、專業單一、剛性不可定制等困難和挑戰。本文以紫金山實驗室綜合試驗平臺為例，探討了未來面向通信信息新技術創新與突破的綜合試驗平臺的發展趨勢和作用。

1 宏觀背景

1.1 新基建

新基建內涵上“新”表達了“基于新一代信息技術演化生成的基礎設施”，分別是通信網絡基礎設施、新技術基礎設施、算力基礎設施，具體又涵蓋了5G、工業互聯網、云計算、數據中心等，如圖1 所示。

圖1 信息基礎設施組成

外延上向融合基礎設施和創新基礎設施兩個方向延伸。融合基礎設施面向新技術應用，傳統基建轉型升級；創新基礎設施面向產學研結合，支撐科學研究、技術開發和產品研制，綜合試驗平臺屬于這類延伸。隨著“十四五”開啟，新基建將是驅動行業發展和社會經濟運行的主要力量。

1.2 “十四五”信息通信行業發展規劃

2021 年11 月1 日工信部發布了《“十四五”信息通信行業發展規劃》，重點提出以下幾個方面的發展：（1）通信網絡基礎設施保持國際先進水平。涉及5G 廣度上全面覆蓋、重點應用場景深度覆蓋，顯著提升骨干網資源調度智能化水平，整體性能保持國際一流水平等。（2）數據與算力設施服務能力顯著增強。這一方面含義較多，包括了數網協同、數云協同、云邊協同、綠色智能要求，規劃期末要實現算力水平大幅提升，人工智能、區塊鏈等設施服務能力顯著增強。（3）融合基礎設施建設實現重點突破。融合的重點是“5G+工業互聯網”和蜂窩車聯網“C-V2X”兩個方向，涉及覆蓋面、標桿應用、標識解析體系、平臺建設等方面。（4）數字化應用水平大幅提升。規劃提出工業互聯網創新應用范圍向生產制造核心環節持續延伸，上云、上平臺企業數量大幅提升。（5）網絡和數據安全保障能力有效提升。規劃提出新型數字基礎設施融合安全保障能力顯著增強。這五個方面與“新基建”相呼應，規劃體系化梳理了行業發展定量目標，提出的20 個量化目標中“新基建”相關指標占比較高。

2 “十四五”期間的挑戰

新基建包含七大方向，其中工業互聯網被普遍認為是重點方向，將為新一代信息技術的集群性突破、協同創新與融合創新應用帶來新的發展機遇。

工業互聯網的基礎是5G、邊緣計算、云計算、工業大數據、新型網絡技術、工業軟件等，這些領域與工業互聯網產業發展相輔相成。在此基礎之上，將人工智能技術應用于復雜的工業生產場景，如數字孿生之于研發設計和生產管理、工業相機之于產品質檢、智能機器人之于生產巡檢、智能駕駛之于物流配送等。

可見工業互聯網是新基建七大領域的融合紐帶，開展工業互聯網研究將帶動包括5G/6G、人工智能、網絡技術等一大批新一代信息技術的研究創新。工業互聯網與5G、人工智能、數字孿生、云計算等結合可實現“5G+工業互聯網”，與特高壓、新能源充電樁結合可成為智能電網的重要應用，與城際軌道交通結合可成為智能軌道交通體系。如圖2 所示。

圖2 工業互聯網在新基建中的紐帶作用

相比于傳統的工業運營技術和信息化技術，工業互聯網平臺的復雜程度更高，部署和運營難度更大，研發基礎薄弱，應用場景多樣，面臨諸多困難和挑戰，需要不斷研究、探索、試錯，而當前試驗環境存在以下挑戰：

（1）缺乏具備端到端能力的試驗環境

網絡體系是工業互聯網的基礎，工業互聯網網絡體系將連接對象延伸到工業全系統、全產業鏈、全價值鏈，可實現人、物品、機器、車間、企業等全要素，以及設計、研發、生產、管理、服務等各環節的泛在深度互聯，網絡體系包括網絡與聯接、標識解析、邊緣計算等關鍵技術。這使得工業互聯網研究前所未有的依賴端到端、全程全網、云邊端融合的網絡保障，希望在一個試驗平臺內模擬5G 網絡、企業內網、企業外網、云平臺、高算力、區塊鏈、網絡安全防護等環境，但當前國內甚至放眼全球都缺乏這樣的試驗環境。

（2）特定行業的平臺落地缺少方法論和端到端解決方案

我國采用國外開源架構的PaaS 平臺的企業占到50%，缺乏工業機理模型和殺手級工業應用，數據分級、流轉交易等標準規范不健全，工業信息化安全防護手段和機制不完善，大部分企業僅能實現局部改造，尚不能進行系統性的平臺解決方案落地實施。

（3）試驗環境剛性強、定制化能力有不足

工業互聯網應用種類繁多、形式多樣，需調用的資源涉及網絡、云、算力等中的一部分或全部，然而一般情況下試驗環境都是為實現特定研究目標而搭建，功能指向性強、設備種類少、拓撲固化，因而泛用性弱，往往只能滿足工業互聯網中的一類應用、一個或多個環節，當需求變化時往往需要另起爐灶，新建環境。

（4）試驗環境易用性、可靠性不高

工業互聯網業務對業務的時效性、網絡的可靠性要求較高，且由于參與的企業工程師的職業環境使得他們對系統易用性要求也高于科研人員。國內部分對外開放的試驗環境具有業務系統，但更多試驗設施不具備。在具備業務系統的開放試驗環境中，相當一部分也僅具備業務申請功能，業務開通和配置仍然依賴人工，因此效率相對較低。另一方面由于試驗設施的科研屬性，對網絡故障敏感度不高，設施架構上沒有網絡級保護或冗余，因此可靠性較低。

3 綜合試驗平臺的發展趨勢和作用展望

為應對上述挑戰、抓住發展機遇，亟需建成一批兼具融合基礎設施和創新基礎設施特性的綜合試驗平臺，以支撐新網絡技術的科學研究、新的生產技術開發、工業互聯網產品研制。

紫金山實驗室在工業互聯網相關的科研實踐中也同樣遭遇的上述挑戰。為應對挑戰，實驗室在頂層規劃中提出了建設綜合試驗平臺。綜合試驗平臺通過建設“自主創新、開放、可編程”的資源層，構建了包含5G/6G、新型骨干網、擬態設備的綜合實驗設施，解決了相關研究對端到端環境的要求；通過建設“統一融合、可管可控”的管控層，為科研和示范應用提供“柔性、智能、安全、可定制的服務”；通過建設新型運營系統和一體化安全體系，提高了試驗環境的易用性和可靠性。

紫金山實驗室建設的綜合試驗平臺具有一定的代表性，其頂層架構規劃、演進路線、服務能力可為國內類似試驗平臺的規劃建設提供借鑒。如圖3 所示。

圖3 綜合試驗平臺頂層規劃

3.1 綜合試驗平臺向大規模、一站式、端到端全綜合方向發展

一個平臺包含確定性服務定制網絡、5G/6G 試驗環境、網絡安全試驗場、新型云試驗設施、AI 算力、數據倉庫等能力。可進行網絡先進技術的研發與創新，及可滿足系統級芯片、未來移動網絡、天地一體化網絡、軟件定義網絡、內生安全體系架構、工業互聯網、車聯網等大量基礎技術和重大試驗驗證需求，從多層次多維度探索和研究新的基礎理論、新思路和新技術或方法，服務新技術和產業應用的實驗與驗證。如圖4 所示。

圖4 綜合試驗平臺基礎設施組成

3.2 提供端到端、智能、柔性、安全、可定制的工業互聯網應用環境

作為融合基礎設施，面向全國工業企業，提供智能、柔性、可定制的應用示范環境。各工業企業可采用自定義、自服務的形式，一鍵端到端開通應用環境切片，滿足企業各類生產對具備內生安全高可靠、低時延、確定性、大帶寬等不同能力的應用環境的需要。如圖5 所示。

圖5 綜合試驗平臺工業互聯網應用環境

3.3 開放、領先，可開展國際領先的科研攻關任務和公共測試認證

作為創新基礎設施，面向全國高校、科研院所，構建端到端開放、深度可編程的試驗環境，打造細粒度可見、可驗證、閉環控制的綜合試驗床，開展公共測試認證，以支撐豐富的科學研究與驗證，以定制化形式滿足運營商、電力、專用場景等國家體制產業對網絡、云資源等的特殊需求。如圖6所示。

圖6 綜合試驗平臺科研創新環境

3.4 如圖書館般便捷易用、穩定可靠

為科學研究、技術創新提供全生命周期服務，研究人員跳離環境搭建和維護、業務開通和配置等繁瑣事務，只需專注于試驗流程和測量數據的結果。綜合試驗平臺可類比智慧圖書館，具備以下能力。如圖7 所示。

（1）業務可定義：設計靈活，網絡定制，試驗設施建設和業務配置如新書購入般按需而定。

（2）運營智能化：基于人工智能，實現運營智能化、少人化，業務編排敏捷、一鍵開通，如圖書借閱般便捷。

圖7 綜合試驗平臺創新服務模式

（3）安全可保障：7×24 小時監控，確保安全、可靠、高質量運營，運維保障人員無感存在。

（4）管理全可視：實時洞察與感知資源全貌，可像查詢圖書一般方便快捷一覽平臺能力、資源。

4 結束語

為了解決國家重大需求、突破核心關鍵技術、引領行業產業變革，需要大力發展具備大規模、端到端、開放包容、安全可靠的綜合試驗平臺，為構建我國自主安全可控網絡基礎設施提供支撐，服務信息領域先進技術的驗證以及促進創新資源共享，開展核心技術在工業互聯網、軍民融合等場景的系列示范應用，加快行業企業整體的數字轉型步伐。紫金山實驗室綜合試驗平臺的建設經驗、演進目標具有一定的代表性和借鑒價值。