淺析工業(yè)互聯(lián)網推動工廠網絡與互聯(lián)網融合發(fā)展論文
1 工業(yè)制造領域的網絡發(fā)展現(xiàn)狀
當前，工業(yè)生產過程的控制已經實現(xiàn)了從模擬信號到數(shù)字信號的飛躍，以微處理器為核心的智能生產控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。伴隨著生產過程控制的自動化和數(shù)字化，數(shù)字通信網絡已經延伸到工業(yè)控制領域。隨著企業(yè)信息化的發(fā)展，連接信息終端與IT 系統(tǒng)的信息網絡也成為工廠網絡的重要組成部分。
總體來看，工廠網絡呈現(xiàn)“兩層三級”的結構�！皟蓪印笔侵复嬖凇癐T 網絡”和“OT 網絡”兩層技術異構的網絡;“三級”是指根據(jù)目前工廠管理層級的劃分，網絡也被分為“現(xiàn)場級”、“車間級”、“工廠級/企業(yè)級”3 個層次，每層之間的網絡配置和管理策略相互獨立。工業(yè)控制網絡，或稱為操作技術(OT)網絡，主要用于連接生產現(xiàn)場的控制器，如可編程控制器(PLC)、過程控制系統(tǒng)(DCS)、分散控制系統(tǒng)(FCS)等，以及傳感器、伺服器、監(jiān)控設備等部件。工業(yè)控制過程對網絡的主要需求是網絡的確定性(包括對時延、時延抖動的嚴格要求，以及時間同步要求等)和可靠性(網絡的丟包率與可用性)。工業(yè)控制網絡的主要實現(xiàn)技術分為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網兩大類。工廠信息網絡，或稱為信息技術(IT)網絡，主要由IP 網絡構成，并通過網關設備實現(xiàn)與互聯(lián)網和現(xiàn)場網絡的互聯(lián)和安全隔離。
1.2 OT 網絡的技術與產業(yè)現(xiàn)狀
OT 網絡技術主要包括現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網兩類�，F(xiàn)場總線技術出現(xiàn)于20 世紀80 年代初，目前在工業(yè)控制領域占有60%以上的市場份額。雖然經歷了30 多年的標準化努力，現(xiàn)場總線技術標準仍呈現(xiàn)“諸侯割據(jù)，各自封閉”的狀況，許多國際制造業(yè)的巨頭形成并把控了各自不同的現(xiàn)場總線技術標準，并應用在不同的工業(yè)領域，如西門子的PROFIBUS、施耐德的Modbus、博世的CAN 總線等。在現(xiàn)場總線國際標準IEC61158 的第4 版中，包括了20 種不同的現(xiàn)場總線技術，也體現(xiàn)了目前工業(yè)控制領域各自為戰(zhàn)的局面。
隨著工業(yè)生產過程中信息化水平的不斷提高，現(xiàn)場總線正在向能夠兼容互聯(lián)網通信技術的工業(yè)以太網演進。工業(yè)以太網使基于IP 技術的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)控能力一直延伸到工業(yè)生產現(xiàn)場。目前工業(yè)以太網雖然都是基于標準的以太網(IEEE802.3)技術，但其技術體系也呈現(xiàn)“各自獨立”的局面，主要有西門子的PROFINET、羅克韋爾/思科的Ethernet/IP、倍福(Beckhoff)的EtherCAT 等標準�？傮w上看，在工業(yè)控制領域中工業(yè)以太網的市場份額(2015 年為34%)仍然低于現(xiàn)場總線，但近年來一直呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，預計到2017 年其市場份額將達到38%。
中國在工業(yè)控制領域一直處于比較弱勢的地位，雖然由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所等提出的面向工廠自動化的以太網(EPA)技術已經在2005年被列入IEC61158 標準，但在產業(yè)中實際市場份額較低。
2 工廠網絡存在的問題
目前工廠網絡中這種技術體系和網絡結構相互隔離的狀況使IT 系統(tǒng)與生產現(xiàn)場之間的通信存在很多障礙，難以滿足智能制造的需要，主要體現(xiàn)在以下3 點：
(1)工業(yè)控制網絡與企業(yè)信息化系統(tǒng)網絡技術體系各異，難以融合互通。智能化生產需要企業(yè)信息化系統(tǒng)充分收集生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)智能化的決策反饋。但目前工業(yè)企業(yè)內部在網絡結構上呈現(xiàn)“工業(yè)控制網絡”和“企業(yè)信息網絡”的兩級網絡劃分，工業(yè)控制網絡以工業(yè)總線、工業(yè)以太網等技術為基礎，企業(yè)信息網絡則以IP/以太網為基礎。兩級網絡之間由于技術體系的差異難以實現(xiàn)充分的信息交互，而且由于目前工業(yè)控制網絡技術呈現(xiàn)“七國八制，諸侯割據(jù)”的狀態(tài)，采用不同標準的系統(tǒng)之間的互通也存在極大障礙。因此，亟需在保障生產環(huán)節(jié)安全的前提下，打通企業(yè)信息網絡與工業(yè)控制網絡，實現(xiàn)生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效采集和流動。
(2)工業(yè)生產全流程存在大量“信息死角”，亟需實現(xiàn)網絡全覆蓋。智能制造是設計、生產、銷售、維護全流程的信息化、網絡化，但目前從機器設備、控制系統(tǒng)，到產供銷各流程還有大量沒有實現(xiàn)網絡化，或“智能化使能”的環(huán)節(jié)。在工業(yè)企業(yè)內部，由于沒有充分的網絡覆蓋，大量與生產、管理相關的數(shù)據(jù)無法生成和采集，使企業(yè)信息化系統(tǒng)變成是信息死海中的一個個“孤島”，難以發(fā)揮其作用。
(3)工業(yè)制造過程與互聯(lián)網的融合不足，難以催生新模式，新業(yè)態(tài)。無論是個性化定制還是網絡化協(xié)同，以及制造業(yè)的服務化轉型，互聯(lián)網都在其中發(fā)揮了連接產業(yè)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的重要作用。目前，中國的工業(yè)企業(yè)對互聯(lián)網的融合利用還很不足，對互聯(lián)網的應用大多數(shù)僅限于信息發(fā)布等簡單形式，“互聯(lián)網+制造”所引發(fā)的新模式、新業(yè)態(tài)還遠未得到開發(fā)。
3 工廠網絡與互聯(lián)網的融合發(fā)展
3.1 工業(yè)互聯(lián)網帶動工廠網絡與互聯(lián)網的融合
工業(yè)互聯(lián)網對現(xiàn)有生產過程的改造一方面體現(xiàn)在覆蓋工業(yè)生產生命周期的信息采集與分析，另一方面體現(xiàn)在利用互聯(lián)網實現(xiàn)工業(yè)生產的資源配置、協(xié)同合作和延伸服務。這些愿景需要工廠網絡與互聯(lián)網實現(xiàn)充分的融合。工廠網絡與互聯(lián)網的融合使工業(yè)互聯(lián)網呈現(xiàn)以3 類企業(yè)主體，7 類互聯(lián)主體，9 種互聯(lián)類型為特點的互聯(lián)體系。
3 類企業(yè)主體包括工業(yè)制造企業(yè)、工業(yè)服務企業(yè)和互聯(lián)網企業(yè)。工業(yè)制造企業(yè)提供基本的產品設計、生產、維護能力;工業(yè)服務企業(yè)利用對智能產品的數(shù)據(jù)采集、建模、分析形成創(chuàng)新的用戶服務模式與業(yè)態(tài);互聯(lián)網企業(yè)利用其平臺資源優(yōu)勢實現(xiàn)工業(yè)生產全生命周期的資源優(yōu)化配置。在工業(yè)互聯(lián)網體系中，這3 類企業(yè)的角色是不斷滲透、不斷轉換的。
7 類互聯(lián)主體包括在制品、智能機器、工廠控制系統(tǒng)、工廠信息系統(tǒng)、智能產品、協(xié)作企業(yè)和用戶。在目前的工業(yè)生產模式中，機器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等主體已經具備了一定的互聯(lián)能力，工業(yè)互聯(lián)網將互聯(lián)主體進一步擴展至在制產品、智能產品、用戶等工業(yè)生產生命周期各環(huán)節(jié)、各層面的主體之中，這也需要新型傳感設備、物聯(lián)網等使能技術的支撐。
9 種互聯(lián)類型包括了7 類互聯(lián)主體之間復雜多樣的互聯(lián)關系，目前已梳理出的互聯(lián)類型可能還不能完全體現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網中互聯(lián)關系的復雜性。這些互聯(lián)關系體現(xiàn)出工業(yè)生產過程中的網絡互聯(lián)已經遠遠超出了傳統(tǒng)OT 系統(tǒng)或IT 系統(tǒng)互聯(lián)的范疇，成為連接生產能力、設計能力、商業(yè)能力以及用戶服務的復雜網絡系統(tǒng)，其支撐技術也涵蓋了已有的工業(yè)控制網絡、互聯(lián)網、物聯(lián)網等技術。
3.2 工廠內部網絡與互聯(lián)網技術的融合
面向工業(yè)互聯(lián)網的需求，工廠內部網絡正逐步與互聯(lián)網技術實現(xiàn)融合，呈現(xiàn)“三化(IP 化、扁平化、無線化)+靈活組網”的發(fā)展趨勢。IP 化是指OT 網絡的IP 化，以實現(xiàn)從機器設備到IT 系統(tǒng)的端到端IP 互聯(lián)，進而實現(xiàn)整個制造系統(tǒng)更大范圍、更深層次的數(shù)據(jù)交互與協(xié)同。IP 網絡是目前互聯(lián)網和企業(yè)信息系統(tǒng)普遍采用的網絡技術，通過“IP 到底”實現(xiàn)工業(yè)生產全過程信息采集是合理的技術選擇。目前以PROFINET、Ethernet/IP 等為代表的工業(yè)以太網協(xié)議已經支持為現(xiàn)場設備分配IP 地址，并實現(xiàn)IP 流量與控制信息的共線傳送。
扁平化是減少工廠內數(shù)據(jù)傳送的層級，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)在生產現(xiàn)場和IT 系統(tǒng)間的快速流通，并支持實時或準實時的數(shù)據(jù)分析與決策反饋，從而實現(xiàn)智能化生產。扁平化有兩層含義：一是OT 層面的扁平化，將傳統(tǒng)上現(xiàn)場級、車間級、控制級等復雜分層的OT 網絡統(tǒng)一為扁平化的二層網絡;二是IT、OT 的融合化，通過業(yè)務網關類設備實現(xiàn)IT 層和OT 層的數(shù)據(jù)融合互通。
無線化是利用各種無線技術支持工廠內更加廣泛的信息采集與傳送，消除工廠內的“信息死角”。目前傳統(tǒng)的2G/3G/LTE、WiFi 及zigbee 等無線技術已經逐步在工業(yè)互聯(lián)中獲得一定規(guī)模的應用;同時針對于工業(yè)場景的工業(yè)無線技術也開始出現(xiàn)，如WIA‐PA、WirelessHART 及ISA100.11a 等。但工業(yè)無線的應用總體還處于初期階段，實際應用部署較少，且主要在流程工業(yè)領域。隨著工業(yè)互聯(lián)網的發(fā)展，工業(yè)無線技術將逐步成為有線網絡的重要補充，但還需要解決電磁信道干擾、低功耗、可靠性等關鍵問題。5G 技術在場景設計中已經考慮到低功耗、大連接、高可靠的物聯(lián)網應用場景，未來可能在工業(yè)無線領域發(fā)揮更大作用。靈活組網是面向柔性生產的需要，通過網絡資源的動態(tài)調整，實現(xiàn)生產過程的靈活組織及生產設備的“即插即用”。目前的工業(yè)生產(主要指離散工業(yè))基本上都是“剛性生產”模式，其互聯(lián)網絡也是“剛性網絡”，制造環(huán)節(jié)中機器、設備、輔助工具等需要按照預先的設定進行互聯(lián)。未來工業(yè)生產大規(guī)模定制化的特點需要資源組織更加靈活，更加智能，以軟件定義網絡(SDN)為基礎的新型網絡技術可實現(xiàn)網絡資源的動態(tài)調整，打破工廠內部網絡剛性組織的局限，適應智能機器自組織和生產線敏捷部署的要求。
3.3 工業(yè)生產與互聯(lián)網業(yè)務模式的融合
目前工業(yè)生產生命周期與互聯(lián)網的結合主要是商業(yè)銷售環(huán)節(jié)的結合，并催生出“淘工廠”等新業(yè)態(tài)。隨著網絡和信息技術、服務模式的發(fā)展，原來局限在工廠內的工業(yè)生產過程逐步走向外部網絡，體現(xiàn)為工廠內系統(tǒng)、網絡與工廠外網絡(互聯(lián)網)逐步實現(xiàn)融合，以實現(xiàn)更為靈活的生產組織、更加優(yōu)化的產業(yè)分工、更加便捷的產業(yè)鏈協(xié)作，或形成以往無法實現(xiàn)的新的服務業(yè)態(tài)。
工業(yè)生產與互聯(lián)網業(yè)務模式的融合體現(xiàn)為四大類：IT 系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、OT 系統(tǒng)與互聯(lián)網的融合、企業(yè)專網與互聯(lián)網的融合、產品服務與互聯(lián)網的融合。IT 系統(tǒng)與互聯(lián)網融合從網絡層面來看是工廠內部IT 網絡向外網的延伸。企業(yè)將其IT 系統(tǒng)(如企業(yè)資源計劃(ERP)、客戶關系管理系統(tǒng)(CRM)等)托管在互聯(lián)網的云服務平臺中，或利用軟件即服務(SaaS)服務商提供的企業(yè)IT 軟件服務。目前美國的Autodesk、法國的達索，以及中國的數(shù)碼大方等企業(yè)已經開始面向中小企業(yè)提供這類云服務。
OT 系統(tǒng)與互聯(lián)網融合從網絡層面看是OT 系統(tǒng)網絡向外網的延伸。在一些人力較難達到，且又需要實現(xiàn)生產過程調整和維護的場景下，需要通過可靠的互聯(lián)網連接，實現(xiàn)遠程的OT 系統(tǒng)控制。目前沈陽機床廠的`“i5”平臺可以初步實現(xiàn)對不同地理位置機床的遠程監(jiān)控，就是這類服務的雛形，但不同的OT 業(yè)務流對網絡要求不同。目前互聯(lián)網的質量對于時延、抖動、可靠性有極高要求的實時控制和同步實時控制還很難承載。企業(yè)專網與互聯(lián)網融合是將在公眾網絡中為企業(yè)生成獨立的網絡平面，并可對帶寬、服務質量等進行定制。這類業(yè)務場景不僅需要為企業(yè)提供獨立的鏈路資源(VPN)，還需要提供獨立的網絡資源控制能力，開放的網絡可編程能力，以及定制化的網絡資源(如帶寬、服務質量等)。目前的互聯(lián)網尚不支持此類業(yè)務場景，需要網絡虛擬化及軟件定義技術的進一步發(fā)展與部署。產品服務與互聯(lián)網融合將通過智能工業(yè)產品的信息采集和聯(lián)網能力為工業(yè)企業(yè)提供新的產品服務模式。目前IBM、微軟、GE 等公司紛紛推出各自的工業(yè)互聯(lián)網數(shù)據(jù)分析平臺，工業(yè)企業(yè)基于這些平臺可以為用戶提供產品監(jiān)測、預測性維護等延伸服務，從而延長了工業(yè)生產的價值鏈。這類業(yè)務的基礎是對海量產品的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，需要通過無線等技術實現(xiàn)工業(yè)產品的泛在接入。
3.4 工廠網絡與互聯(lián)網融合發(fā)展的技術需求
基于我們目前的研究，工廠網絡與互聯(lián)網的融合仍將基于目前以IP 技術為基礎的互聯(lián)網技術體系。另外由于工業(yè)互聯(lián)網需要連接大量的無處不在的企業(yè)、用戶、智能產品(如汽車、工程機械)等，需要依托公眾網絡，因此從網絡建設部署的角度看，工業(yè)互聯(lián)網應和公眾網絡融合在一起，部分環(huán)節(jié)有可能采用專網或虛擬專網。
雖然工業(yè)互聯(lián)網引發(fā)的工廠網絡與互聯(lián)網融合尚在發(fā)展初期，但一些關鍵技術需求或方向已經顯現(xiàn)，包括以下6 個方面：(1)支持控制信息與數(shù)據(jù)信息共線傳送的高可靠工業(yè)以太網技術;(2)面向工業(yè)生產的無線解決方案;(3)支持生產現(xiàn)場控制網絡靈活組網的SDN 技術;(4)包括NB‐IoT、5G 在內的面向海量產品泛在接入的無線網絡技術;(5)生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)向云端集成的信息傳送技術;(6)支持骨干網絡多租戶隔離的網絡虛擬化和軟件定義網絡技術。
4 加快中國工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的建議
(1)利用科研專項等方式加快中國自主知識產權的工業(yè)控制網絡技術研發(fā)及標準化，并以產業(yè)聯(lián)盟的形式集中工業(yè)企業(yè)、IT 企業(yè)、互聯(lián)網企業(yè)以及研究機構的力量，盡快實現(xiàn)規(guī)模應用，形成產業(yè)生態(tài)。
(2)利用中國ICT、互聯(lián)網產業(yè)技術方面的比較優(yōu)勢，加強ICT 新技術與工業(yè)領域融合技術的研究，在一些新興技術領域形成我們自己的突破點，占據(jù)國際技術研究的前沿。
(3)鼓勵中國企業(yè)、科研機構等積極參與國際工業(yè)互聯(lián)網相關產業(yè)、標準組織活動，緊跟國際工業(yè)互聯(lián)網技術進展的步伐，并爭取對其發(fā)展方向產生影響。(4)建立國家級工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新平臺，圍繞工業(yè)互聯(lián)網整體技術架構、網絡技術、標識解析、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)云平臺、安全防護等領域的技術、標準、產品驗證，構建工業(yè)互聯(lián)網技術和產業(yè)創(chuàng)新服務體系，開展產業(yè)轉化與推廣，引領和支撐中國工業(yè)互聯(lián)網技術與產業(yè)的發(fā)展。
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