工业互联网及其体系架构

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工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势，从大数据应用等软服务切入，注重App、网络、大数据、安全，促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

为满足工业智能化发展需求，工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施，5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展，聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域，积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

国际上，“5G产业自动化联盟”（5G-ACIA：The 5G Alliance for Connected Industries and Automation）于2018年中在德国电气和电子制造商协会（ZVEI）基础上正式成立，该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等，又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

两大联接场景：工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式，包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线（实现分支机构或者上下游企业及用户互联）、上云专线（实现工厂与工业云平台互联）、上网连接（实现工厂和互联网连接）等。

三大业务闭环：面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

四大应用模式：智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等；网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等；个性化定制包括C2B定制、B2B定制等；服务化延伸包括智能服务等。



根据5G-ACIA白皮书《5G for Connected Industries and Automation》，5G应用场景贯穿了工业制造的全过程，覆盖了供应链管理、AGV、柔性制造、生产过程控制、机器协作、库存管理、产品交付管理等各个环节。5G将成为未来工厂的中枢神经，为工业生产带来颠覆性的变化。


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5G由浅入深赋能工业互联网



未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段，积极探索工业企业数字化深化应用，实现工业企业各项活动全过程数字化集成；2025年进入全面互联阶段，实现企业全生命周期互联；2030年进入自主智能阶段，实现工况自感知、工艺自学习、装备自实行、系统自组织。

工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此，工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。



中国5G于2019年正式商用，通信每一代标准大约有十年黄金发展周期，5G恰好将助力工业互联网实现从工业数字化转型阶段到全面互联阶段，再到自主智能阶段的不断跨越。具体5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网。

1. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络，占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响，很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比，存在协议众多，标准缺失，难以互联互通等弊端。

传统工业无线网络包括如下四类：Wifi网络，用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等，但是很明显Wifi覆盖范围小，性能不稳定，尤其是存在非常高的安全隐患；蓝牙、Zigbee、超宽频(UWB)、RFID射频技术等，用于资产管理和定位、传感器数据采集等，但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板；工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准，ISA国际自动化协会（原美国仪器仪表协会）发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准，均工作在2.4GHz，但是该类技术的产业链相对较窄，价格昂贵；蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT，用于车辆远程监控等场景，但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性，令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%，但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年，工业通信连接中无线连接占比将达58%，其中5G将发挥重要作用。

工业企业的OT（Operation Technology）和IT（Information Technology）系统采取分级架构。其中OT系统从下往上包括Level 0级外部仪器、传感器、实行器等；Level 1级控制系统PLC，DCS等；Level 2级监督控制和数据采集SCADA。IT系统从下往上包括Level 3级生产管理系统MES、PMS；Level 4级商业和物流系统管理ERP、MRP、CRM等；Level 5级云计算、数据分析和AI等。5G的无线接入技术和网络技术对OT和IT系统的支撑，将从架构底层向上层逐步延伸。

另外，现有的OT和IT系统分层架构，数据难以跨层交互，存在明显弊端。未来5G网络技术，尤其是网络切片、边缘计算、TSN等的使用，将加速工业企业OT和IT系统深度融合，从传统的分级架构过渡到基于微服务的新型网状交互架构。



2. 从辅助功能向生产过程控制逐步延伸

当前进行的5G工业应用，大多聚焦在辅助功能上，比如基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等。

远程监控：例如钢铁生产工厂，生产环境复杂，移动设备多，数据回传设备线路铺设难度大、成本高。另一方面，生产设备监控系统需要根据生产任务，配合产线频繁地进行调整，因此采用有线组网的方式极为复杂，且工期长。可以将生产视频监控数据和设备运行状态数据通过5G网络进行回传。



AR装配辅助：例如飞机制造工厂，装配工艺复杂，工人需要经过严格培训认证。而AR眼镜及其后台技术，可实现基于空间定位和物体识别的数模全息显示，应用在飞机装配的辅助装配、线缆端接、支架拆装、虚拟测试等各个环节。如可以做到自动识别线缆，然后直观地在连接器上指示这根线缆对应的孔位，工人根据指示直接插入即可。利用该解决方案，原来需要同时工作的3个工人将会缩减为1个，装配时间大幅缩短，而装配准确性也会进一步提高，同时整个装配过程会通过视频自动记录在云端，方便后续查验。



AR运维和巡检辅助：例如电站运维远程协作和水利项目巡检，在传统的售后模式下，存在检测数据信息相对孤立，对问题判断准确率及解决问题效率不高等问题。借助AR远程协助系统，可由经验丰富的技术专家，协助一线运维人员进行“面对面”的远程引导服务。不仅可以帮助工作人员进行设备巡检、故障排查和维修，减少专业人员昂贵差旅费用，还可以节省时间，大幅提升工作效率。同时，还可以对测试输出结果进行主动判别，并逐步扩展到智能专家系统。



基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等都是起到辅助作用，而并非取代生产过程控制。比如生产过程中经常碰到的机器间控制场景，要实现多控制器/多台独立机器间协助完成一个功能，那么高效率、零停机、低时延和高稳定可靠是刚需，因此目前工厂里基本采用有线网络，而还没有采用5G。未来，随着5G网络部署的完善，将从辅助功能向生产过程控制逐步延伸。

3. 从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸

典型的工业应用场景契合了5G三大场景（eMBB、mMTC、uRLLC），5G其他性能如移动性、QoS、安全性等也促进了5G在工业应用场景中的应用。

大带宽：5G将支撑下行速率达20Gb/s和上行速率达10Gb/s；广连接：每平方公里100万连接；低时延可靠性：可以实现0.5~1ms的时延以及超过99.999%的可靠性；移动性：对于AGV、机器人等在内的移动设备和非固定式产线，5G提供了极强的灵活性；QoS：5G提供了灵活的QoS框架支撑在同一网络内的数据流通；安全性：5G具备较高的端到端安全性，支撑终端和网络之间的互相认证。

基于eMBB和移动性场景包括基于视觉的照相检测、AGV、云化机器人等。基于mMTC场景包括海量连接和室内定位等。基于uRLLC场景包括工业机械远程控制、柔性机械臂等。

基于视觉的照相检测：例如发动机质量检测，传统的生产过程质量检测依赖人工和经验，标准化程度低，人力成本高，且易受主观因素影响，整体效率低，准确度不高。通过产线部署内置5G通信模组的工业相机和边缘计算网关，可以进行移动测量和道边检测。

AGV：例如在智能仓库中，基于单机智能进行视觉导航的AGV单台成本高，不利于大规模应用。而除视觉导航以外的其他方式均需对AGV工作环境进行改造，灵活性较差，部署和改造困难。另外，Wifi信号容易被干扰，且带宽不足以支撑视觉导航，而激光导航在高密度运行时互相存在干扰。而将5G技术应用于AGV，将彻底解决Wifi方案引起的接入受限、切换失败、小车停驶等难题，提升仓库的整体运营效率和稳定性。

云化机器人：例如物流仓储领域，采用无线网络将摆脱线缆束缚，机器人可以装上轮子（或其它装置）随心所欲地自由移动，工厂可以实现迅速且低成本地在不同种类的产品生产线之间转换生产。云化机器人通过5G连接到云端控制中心，通过大数据和人工智能对生产制造过程进行实时运算控制，由自组织和协同机器人来满足柔性生产的需求。



海量连接：例如汽车生产线，每台发动机都刻上编号和条码，每个工序都通过传感器进行数据检验，并对产品从上线到包装各个环节的所有信息进行记录。通过纳入5G R16标准的NB-IOT技术，可以减少人工干预、及时采集生产数据，合理编排生产计划，生产线人员将大幅减少，作业自动化率和自动纠错防错能力将大幅提升，人均产出效率也将显著提升。

室内定位：室内定位是工业领域的普遍需求，目前室内定位基本是蓝牙、激光、UWB三分天下。从算法上看主要有两类，一类TOF/TDOA算法，通过光速乘时间来测距；一类AOA算法，通过智能天线判断信源方向，基于场强角度定位，两种算法的精度差不多，都是分米级别。5G使用新型编码调制、大规模天线阵列等带来的大带宽特性，有利于参数估计，为高精度距离测量提供支撑；大规模天线技术，5G基站可实现128个天线阵子，为高精度角度测量提供支撑；另外，5G将实现超密集组网（UDN），用户信号可被多个基站同时接收，将有利于多基站协作实现高精度定位。通过部署大量5G低功耗定位标签将挑战蓝牙、激光、UWB室内定位地位。



工程机械远程控制：例如针对工程机械，在偏远、有毒、有害等特殊场景作业时人员成本高、危险性高等问题，利用5G SA（Stand Alone）网络大带宽、高可靠、低时延等特性，通过“工程机械驾驶室远程控制台”和“真实工程机械现场实景屏幕”来对远端工程机械进行远程驾驶和操控。

柔性机械臂：通过5G实现对工厂内自动化装备的实时控制，替代有线网络， 节省线缆及布线工作量，节省生产线调整时间，支撑工厂越来越柔性化。控制系统部分功能上移至边缘计算设备（MEC）进行控制，降低单体本身及后续维护升级成本。



5G 3GPP R15版本中制定了基于NSA和SA的eMBB标准，后续版本中才会继续制定mMTC和uRLLC标准。从5G在工业互联网领域业务应用来看，将从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸。未来5G将有可能去争取工业标准话语权，颠覆工控及部分装备产品形态，如无线机械臂。

4. 从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、TSN等逐步延伸

5G涉及的核心技术，主要包括无线连接技术和网络技术两大类。无线连接技术方面，主要包括Massive MIMO，超密集组网（UDN），D2D，灵活双工/全双工，新型多址技术，新型编码调制，高频段通信等。网络技术方面，主要包括网络切片（Network Slicing），移动边缘计算（MEC），SDN/NFV，C-RAN架构、TSN（Time Sensitive Networking）等。

在工业互联网应用中，将从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算、网络切片、TSN等逐步延伸。

移动边缘计算（MEC）：利用MEC可将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器，其涉及到网络、计算、存储和安全四大方面核心技术。

以机械制造行业为例，数据开放性差且工业协议标准不统一，存在罗克韦尔自动化的EtherNet/IP、西门子的Profinet、德国倍福的EtherCAT、贝加莱的PowerLink、以及施耐德的ModBus-TCP等多种工业协议标准，各个自动化设备生产商和集成商还会自己开发各种私有工业协议，各种协议标准不统一、互不兼容，导致协议适配、协议解析和数据互联互通困难；另外一方面，工业数据采集实时性要求难以得到保证，传统数据采集技术对于高精度、低时延的工业场景难以保证重要的信息实时采集和上传，无法满足生产过程的实时监控需求。

利用MEC，解决多设备接入和协议转换问题。同时，MEC根据典型行业数据接入特点，基于流式数据分析对数据即来即处理，快速响应事件和不断变化的业务条件与需求。



网络切片（Network Slicing）：网络切片是SDN/NFV技术应用于5G网络的关键服务，一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，涵盖所有网段，包括无线网络、有线网络、传输网、核心网、业务应用，按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。

对于工业企业而言，网络切片主要体现三大功能。资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立；功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本方式得到满足；质量保障则意味着工业互联网在工厂内部的应用将高可靠。



TSN（Time Sensitive Networking）：时间敏感网络作为一组位于数据链路层的协议簇，从底层网络架构中改变了普通以太网数据传输的不确定性，将它转变为确定性网络，同时为不同协议网络之间的互操作提供了可能性。将能够快速打通工业通信协议和现场总线，成为OT和IT融合的基础。

显然现有的工业以太网协议EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、PowerLink、ModBus-TCP等不会立即消失，可喜的是几乎所有工业以太网组织都提供了与TSN设备结合的模型。其中包括罗克韦尔自动化、西门子、ABB、CISCO、施耐德、NI、三菱电机等自动化与IT厂商。

在5G网络上融合TSN服务，关键的问题就是5G网络与TSN的互通。在3GPP R16规划中，3GPP已经开始对5G NR支撑工业互联网进行新的研究规划。根据需求规范，对于时间敏感的工业应用场景，可能需要达到0.5 ms的延迟和99.9999%的可靠性。时间敏感网络TSN over 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求，以更好地集成5G和TSN。



微信公众号“5G行业应用”的《5G发展的五大动力和四大挑战》一文分析了5G发展面临的主要挑战。5G工业互联网发展也同样存在商业模式不清晰、应用场景碎片化、工业企业和ICT企业跨界融合壁垒高等诸多挑战。通过从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸将有助于5G赋能工业互联网良性发展。

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