工業互聯網網絡關鍵技術與發展研究

王峰，于青民,2，黃穎,2，段世惠,2

（1. 中國信息通信研究院，北京 100191； 2. 互聯網與工業融合創新工業和信息化部重點實驗室，北京 100191）

0 引言

工業互聯網的目標是通過新一代信息通信技術與工業深度融合，廣泛連接相關的人、機、物、企業，構建覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，成為數字化、智能化時代的新型基礎設施、應用模式和工業生態[1]。工業互聯網網絡連接涉及多要素、多主體間的不同技術領域，向著融合、開放、靈活的方向發展[2]。

從工業互聯網的發展愿景和目標來看，工業互聯網網絡的內涵外延更豐富，它是對信息技術（information technology，IT）、運營技術（operation technology，OT）、通信技術（communication technology，CT）的綜合集成。三者雖然同源，但沿著不同的路徑發展。IT是以計算機技術為基礎的軟件技術/互聯網技術，追求靈活的部署、強大的處理能力、人性化的顯示操作。OT是以計算機技術為輔助的自動化技術/運營技術，追求高可靠、高安全、低功耗。CT是以計算機技術為依托的通信技術，追求大帶寬、高速率、廣覆蓋的連接和傳輸。過去，盡管IT、CT、OT有交叉，但不屬于同一領域，各自在幾十年的演進中形成了龐大、復雜的體系。工業互聯網期望實現生產制造層面、企業管理層面、供應鏈產業鏈層面各類要素之間必要的連接，要求IT、CT、OT充分結合，形成一個完整的體系，實現網絡互聯、數據互通和系統互操作。

連接工廠內各種設備、儀器，保障生產制造的工廠內網，是工業互聯網落地的關鍵，也是IT、CT、OT融合的關鍵點。本文所研究的工業互聯網網絡，特指工廠內網。本文基于工業互聯網網絡發展特點，分析在IT、CT和OT融合趨勢下的工業互聯網發展的關鍵技術，并提出下一步工業互聯網網絡實施建議。

1 工業互聯網網絡內涵

1.1 工業互聯網網絡技術視圖

IT、OT、CT融合視角下的工業互聯網網絡關鍵技術視圖如圖1所示。OT網絡采用工業以太網、現場總線、工業無線等技術互聯并承載生產控制應用。OT網絡承載的典型系統主要包括可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）、分散控制系統（2istribute2 control system，DCS）、數據采集與監控系統（supervisory control an22ata acquisition，SCADA）、安全儀表系統（safety instrumente2 system，SIS）和工業網關等。

圖1 IT、OT、CT融合視角下的工業互聯網網絡關鍵技術視圖

IT網絡利用局域網、廣域網、互聯網連接各類軟件信息系統。IT網絡承載的典型系統主要包括企業資源計劃（enterprise resource planning，ERP）、制造執行系統（manufacturing execution system，MES）、企業資產管理（enterprise asset management，EAM）系統、倉庫管理系統（warehouse management system，WMS）等。

CT網絡特指公共通信網絡在工廠中的應用部分，技術包括蜂窩通信技術、WLAN、低功耗廣域網等。CT網絡的部分技術構成了OT網絡、IT網絡的關鍵部分，對促進IT/OT網絡融合意義重大。例如，5G技術憑借低時延特性實現OT網絡的終端設備接入和信息傳送，同時借助網絡切片技術實現IT網絡中的辦公等各類應用，可實現生產辦公“一張網”。

工廠內OT-IT-CT網絡加快互聯互通，新型技術和組織方式不斷助力數據匯聚，語義層面的交流促進了系統間的交互，最終支撐了工業互聯網的應用。此外，隨著產業鏈上下游之間的工業互聯網外網迅速發展，在一定條件下與工廠內網實現聯通，進一步擴大了工業互聯網網絡的連接范圍。

1.2 工業互聯網網絡組成部分

工業互聯網網絡包括網絡互聯、數據互通、系統互操作三大功能，工業互聯網網絡技術協議視圖如圖2所示。其中，網絡互聯主要完成設備網絡接入、網絡層轉發和傳輸層傳送，對應傳輸控制協議/網際協議（transmission control protocol/Internet protocol，TCP/IP）模型的鏈路層、網絡層和傳輸層。數據互通主要實現跨系統的數據交換和信息互通，包括應用層通信、信息模型等功能，對應TCP/IP模型的應用層。系統互操作主要指系統間能夠交換信息并將信息用到自身的功能中，與其他系統進行協作[3]。

圖2 工業互聯網網絡技術協議視圖

1.3 工業互聯網網絡發展趨勢

（1）OT網絡不斷開放

隨著接入設備越來越豐富、設備與系統間的交互越來越頻繁，對信息和數據關聯分析的需求越來越強烈，OT網絡需要進一步開放以支撐數據交互，PLC、DCS與上位機、現場設備之間的異構系統的網絡協同能力日益提升，具備邊緣復雜計算能力的PLC、云化PLC等新的OT終端形態不斷豐富。

（2）IT網絡不斷下沉

軟件定義技術、網絡功能虛擬化技術的發展，加速了硬件資源的數字化、虛擬化和靈活化，利用通用系統實現專用設備功能的趨勢愈加明顯。云計算理念和架構加速與工業現場的適配，更進一步提升了通過軟件提供硬件系統功能的能力。

（3）CT物聯屬性增強

隨著5G、Wi-Fi 6、邊緣計算等技術發展，通用CT技術進一步增強了設備控制的相關屬性，在越來越多的方面已經具備了工業現場級應用的低時延、確定性等技術指標，同時也具備了差異化的服務供給能力，以滿足眾多工業設備之間通信、控制的特殊需求。

2 工業互聯網網絡發展的關鍵技術

2.1 網絡互聯

當前主流的工業互聯網網絡通信技術主要分為3類：現場總線技術、工業以太網技術和工業無線網絡技術。現場總線是連接智能現場設備和自動化系統的數字式、雙向傳輸、多分支結構的通信網絡，主要包括Mo2bus、CAN、Profibus等[4]。工業以太網是基于載波監聽多路訪問/沖突檢測技術機制的廣播型網絡，主要應用于工業系統的控制層及以上[5]，主要包括Ethernet/IP、PROFINET、Mo2bus TCP、Power link、Ether CAT等。基于以太網技術演進的時間敏感網絡（time sensitive networking，TSN）是當前的探索熱點。工業無線技術主要用于在工廠內移動的設備，以及線纜連接實現困難的場合，主要包括WLAN、藍牙、無線HART、WIA-PA/FA等，5G技術的發展為工業無線通信場景帶來了更多解決方案。

2.1.1 時間敏感網絡

TSN定義了以太網數據傳輸的時間敏感機制，在時間同步、流管理、流控制和高可靠等方面進行了統一擴展，為時間敏感型業務提供了低時延、低抖動、高可靠的傳輸服務，并支持多業務流在同一網絡內的高質量共網傳輸[6-9]。TSN可實現異構性網絡的實時性數據交換，能夠在標準以太網絡上建立分布式、可同步化的硬實時（har2 real-time）系統[10]。TSN技術遵循標準的以太網協議，具有更好的互聯互通優勢，可以在提供確定性時延、帶寬保證等能力的同時，實現標準的、開放的二層轉發和流量調度，具有統一的時間同步機制和靈活的網絡管控能力，使更多企業可以在其架構上實現OT與IT的融合[11]。

2.1.2 5G技術

5G技術具備高速率、大容量、高可靠性、低時延等特性。5G增強型移動寬帶（enhance2 mobile broa2ban2，eMBB）業務要求大帶寬和高數據傳輸速率，對資源占用率高，主要應用在以超高清圖片、視頻傳輸為載體的場景下，是目前5G工業應用中最常見的業務場景。5G超可靠低時延通信（ultra-reliable an2 low-latency communication，URLLC）主要應用在現場級OT網絡，面向實時場景[12]，通過冗余傳輸機制和服務質量（quality of service，QoS）監控機制提高無線傳輸過程的確定性[13]。5G大連接物聯網（massive machine-type communication，mMTC）的技術目標是實現中高速大連接物聯網，根據3GPP的指標要求，5G支持每平方千米百萬級別的連接數密度，同時要實現終端的超低功耗和超低成本，目前該場景仍在探索應用中。

2.2 數據互通

數據互通需要重點突破IT與OT融合下的多源異構數據共享傳輸與信息指令交換。當下實現數據互通的技術主要有：基于現有協議的協議轉換技術、基于語義的工業互聯網信息模型技術。

2.2.1 協議轉換技術

為了實現不同通信協議間的網絡通信，學術界針對協議轉換開展了多年的研究。例如，李娜等[14]針對工業現場PROFIBUS和MODBUS之間的數據通信問題，運用數據鏈路層互聯技術，在不同網絡之間增加一個協議轉換網關，實現網絡間的互聯，在未改變網絡體系結構情況下解決了通信問題。彭博等[15]設計硬件電路及應用程序，開發嵌入式智能轉換網關，實現了CAN總線與工業以太網異構網絡的互聯與數據通信。陳曉芳等[16]提出通過多協議網關實現不同廠商的PLC互聯的方法，為采用不同協議的PLC之間進行數據通信提供了參考。協議轉換技術在實際生產中應用較為成熟且在工業現場中應用廣泛，通常在工業網關中實現協議轉換。

2.2.2 信息模型技術

信息模型通過定義統一的框架及描述形式，為異構信息之間的交互提供解決方案。目前，主流的信息模型主要來源于工業垂直領域，與現有的工業系統相似，不同領域不同廠商的信息模型互通性和適用范圍存在局限性[17]。基于自動化標記語言（automation machine language，Automation ML）的信息模型主要用于實現工廠內生產系統間工程信息的標準化，解決工程過程中信息交換和集成問題[18]，應用場景主要是產線上的機器人、機械臂等相關對象間的信息互通，無法做到產業鏈上下游工廠間的信息交互。基于模型描述語言（instrument machine language，Instrument ML）的信息模型[19]主要用于實現儀表信息的標準化，包括儀表身份標識信息和儀表應用屬性信息，用于描述儀表的基本特性。基于包裝機械語言（pack machine language，Pack ML）的信息模型主要用于包裝過程的描述[20]，處于信息化應用層，可以實現機器狀態與操作模式的信息標準化。OPC統一架構體系（OLE for process controlunifie2 architecture，OPC UA）[21-22]是垂直方向設備互操作規范，需要支持通用信息模型和行業信息模型以實現互操作，現階段OPC UA信息模型層主要支撐機器人信息模型、機床信息模型、機器視覺信息模型和塑料加工機械信息模型，同時，為了實現更多實體的互操作，需要制定通用的信息模型和行業信息模型。工業互聯網需要實現跨領域、多層級信息的互聯、互通、互操作，對信息模型提出了更高要求，我國工業互聯網產業聯盟聯合產業界不斷探索工業互聯網信息模型的關鍵技術，推動產業發展[23]。

2.3 系統互操作

系統互操作常應用在分布式平臺上，需要進行應用處理、開展協同工作的場景。互操作能力的實現主要依賴于兩種方式[3]：一是自下向上，即基于數據格式、交互接口、傳輸協議的標準化以及軟、硬件的模塊化，支撐形成信息交互、軟件復用、硬件互換等能力，如基于工業互聯網標識解析體系數據共享機制[24]開展的相關應用；二是自上而下，即基于支持互操作的開放式系統架構、系統參考模型等，能夠在軟件平臺上支撐形成系統柔性升級、行為協調和功能集成等能力，如面向邊緣計算的融合網絡架構。

2.3.1 標識解析技術

工業互聯網標識是指能夠識別機器、產品、算法、工序等制造業物理資源和虛擬資源的身份符號。工業互聯網標識解析是指能夠根據標識編碼查詢目標對象網絡位置或者相關信息的系統裝置，按照功能分為標識數據采集、標簽管理、標識注冊、標識解析、數據處理和標識數據建模等部分。其中，標識數據建模構建特定領域應用的標識數據服務模型，基于統一標識建立對象在不同信息系統之間的關聯關系，提供對象信息服務[25]。工業互聯網標識解析體系，通過目標對象“身份標識”，基于數據共享機制將目標對象相關數據進行關聯和管理，支撐工業數據源全生命周期追溯和管理，同時可實現對海量工業數據的分析及智能化應用。

2.3.2 邊緣計算技術

邊緣計算是指在網絡邊緣執行計算的一種計算模式，將原有云計算中心的部分或全部計算任務遷移到數據源的附近執行[26]，將云計算的能力擴展到網絡的邊緣，解決了基于云計算方式處理海量工業數據會產生時延等部分場景下的缺點，實現實時應用程序網絡的邊緣和分布式控制[27]。預處理邊緣側數據，在網絡傳輸時避免大量無效數據占用網絡資源，可對用戶數據進行高速分發，縮短響應時間[28]。云邊協同的邊緣計算架構如圖3所示，終端系統與邊緣系統互操作性包括兩方面內容：一是服務功能互操作，即終端任務可分割為一個或若干個可在邊緣設備執行的子任務；二是數據互操作，數據需要在終端及邊緣設備具備兼容性，邊緣設備具備處理終端數據能力[29]。

圖3 云邊協同的邊緣計算架構

3 工業互聯網網絡實施建議

（1）加強工業互聯網異構網絡融通

在現階段網絡互通的基礎上，加強異構網絡融合，通過數據的高速采集、大容量傳輸、傳算融合、數據挖掘、異構資源協同使用，支撐上層工業互聯網應用。在原有控制網絡上疊加新型網絡部署生產控制網絡時，注重現有工業設備和網絡設備的優化升級[30]，探索應用5G網絡等融合組網模式，構建網絡扁平化架構。

（2）加快工業互聯網網絡標準化制定

促進IT、OT、CT融合的新型工業互聯網網絡技術標準須加快制定，具體可以以行業特征為基點，按行業協同開展工業互聯網、“5G+工業互聯網”等融合應用標準制定。需要進一步加強工業互聯網關鍵技術、產品標準攻關，完善工業互聯網相關軟、硬件產品，推進工業互聯網網絡標準制定與技術突破迭代互動發展。

（3）拓展CT技術在網絡體系中的應用

CT技術具有更廣泛的連接和適應性，對推動工業互聯網網絡體系發展意義重大。需要進一步提升CT技術性能指標，不斷滿足工業互聯網的高安全、超可靠、低時延、大連接等嚴格要求。發揮工業無線網絡自組織、快速部署、靈活和處理智能等優勢，實現產品和服務的個性化、適應性，促進生產鏈和供應鏈流程的柔性。針對現代制造業環節的關鍵問題，積極探索5G、6G等新技術與工業互聯網的結合。

4 結束語

工業互聯網網絡體系中OT、IT、CT技術正在加速融合，OT技術朝著開放統一的方向發展，IT技術不斷下沉，CT物聯屬性不斷增強。發揮互聯作用的現場總線、工業以太網、工業無線技術將在未來很長一段時間內共存。有線網絡仍將占據主要部分，其中實時工業以太網適合作為通信主干網，現場總線技術在設備級通信中發揮重要作用，5G等新技術使無線網絡由補充技術向主要組成加速演進。在數據互通層面，信息模型技術加速發展，促進IT與OT融合下的多源異構數據共享傳輸與信息指令交換。建議具體實踐中，相關企業立足工業實際需求，適度超前建設工業互聯網網絡設施，加速工業互聯網網絡關鍵技術試驗驗證，在實踐中完善工業互聯網網絡體系。