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工业互联网内外网的技术与应用分析

  【IT168评论】3月17日,首届“2021算网融合产业发展论坛”在北京如期召开,中国信息通信研究院标准所教授级高工段世惠发表了题为《关于工业互联网内外网应用技术的考虑》的主题演讲。

  ▲中国信息通信研究院标准所教授级高工 段世惠

  (一)工业互联网发展概述

  在经历了机械化、电气化、自动化的转型发展之后,全球的工业制造正在经历新一轮的变革——数字化、网络化、智能化。段世惠表示,“我国错过了第一、第二次工业革命,赶上了第三次工业革命的末尾,成为了工业经济大国,但还不是强国。”

  工业互联网是第四次工业革命的重要基石,提倡“现代工业”和“新一代信息通信技术”的深度融合,为实现数字化、网络化、智能化提供了现实路径。工业互联网通过实现人、机、物等的全面互联,构建起全要素、全产业链、全价值链、全面连接的新型工业生产制造和服务体系。

  2017年11月27日,国务院发布了《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》,形成规范和指导我国工业互联网发展的纲领性文件。2018年6月7日,工信部印发《工业互联网行动计划(2018-2020年)》。目前,已完成网络、平台、安全三大体系的政策布局。

  上海、广东、浙江、江苏、四川等近30个省、自治区、直辖市已出台或即将出台本地区的发展政策,各地结合自身产业实践,叠加优势企业资源,探索形成特色发展路径,集群化发展效应也在逐步显现。央地协同,上下联动,“全国一盘棋”的发展格局已形成。

  经过三年起步期的发展,我国工业互联网步入实践深耕阶段。产业发展环境持续优化、基础设施加速推进、融合应用走深向实,产业规模持续增长,对经济社会的发展的带动效应显著增强,形成战略引领、规划指导、政策支持、技术创新、产业推进良性互动的局面。

  在网络建设方面,高质量外网已覆盖全国374个地级行政区,接入企业超12万家,覆盖率达89.7%。在平台体系方面,我国初步构建起涵盖研发创新、生产制造、运维管理、产业资源整合等的多层次平台发展体系。在安全建设方面,国家级工业互联网安全态势感知平台覆盖面积不断扩大,对接21个省级平台,覆盖9万家工业企业。

  在工业互联网体系架构2.0里,网络功能是基础。基于信息模型的互通互操作成为支撑多源异构数据流转集成的核心;多方式、多QoS、智能化的网络互联是实现融合泛在互联的关键;“标识-解析-数据-应用”构成标识功能分层,实现“跨企业-跨行业-跨国家”标识数据管理和共享。

  段世惠认为,“在工业互联网体系架构2.0的实施阶段,可以分为产业层、企业层、边缘层。”在边缘层,以工业以太网为主,TSN等新网络打破众多协议制式间的技术壁垒;在企业层,采用高速以太网及TCP/IP,IT网络与OT网络逐步融合;在产业层,工业外网络目前仍基于普通互联网与高质量专线部署为主。

  (二)工业互联网内网发展状况及问题

  三级两层的网络架构存在诸多问题,包括:IT、OT技术异构、网络隔离,生产信息截止在车间级,工厂IT系统无法充分获取工厂OT系统数据和信息;OT系统采用预先组态的方式,且主要采用固定网络连接,灵活性不足;OT系统本身结构复杂,网络层级复杂,技术不开放;

  传统工业网络要么不能相互兼容,要么不能与标准以太网设备集成,很难满足工业控制系统的实时确定性要求;传统工业以太网缺乏时钟同步机制、带宽预留等管理机制,数据分组优先级等过滤机制,从而无法为应用提供时延和抖动的服务质量(QoS)保障,传统的网络只能将端到端的时延减少到几十毫秒。

  工业4.0时代,工厂内网络的需求主要有:

  ◆OT网络的以太网/IP化:用统一的技术体系实现IT到OT的融合和信息系统对生产现场的信息采集;

  ◆无线技术在工厂内的广泛应用:利用无线技术实现厂内的泛在连接,消除工厂内的“信息死角”;

  ◆工厂的扁平化组网:减少网络层级,减少不同网络层次间的“信息损失”,实现数据分析与决策的快速反馈;

  ◆工厂的灵活组网:打破生产过程刚性组织的局限,实现基于定制需求的柔性生产和资源组织。

  段世惠表示,“未来的工厂网络可能会越来越少,甚至有可能会集中在一张网上。如果用一张网的技术,能够承载不同业务需求的业务网。现在,大家公认的底层网络就用TSN,它可能是未来十年一统江湖的技术。”

  TSN(时间敏感网络)是IEEE 802.1工作组正在研究制定的一系列标准。作为统一工业以太网标准,TSN成为业界共识的工控通信网络向1G接口演进的解决方案;有IEC制定多个工业以太网标准,转变为由IEEE802制定唯一标准;IETF、IEC等多个标准组织基于TSN制定统一标准体系。

  同时,TSN改变了原有工业控制网络应用支撑能力差的弱点,实现“网络+控制”向“网络+控制/应用”的转变。但是,TSN也存在着许多应用难题。在国内,CNC/CUC未产品化,还是手工作业,大规模组网暂时不可能;现有存量工业以太网种类繁多,TSN暂时不可能一统天下;虽然业界对TSN的热情很高,但是实际应用很少;现有网络改造不可能一蹴而就。

  (三)工业互联网外网发展状况及问题

  企业通过IT系统与互联网融合、OT系统与互联网融合、服务与互联网融合、企业专网与互联网融合四个模式上云。企业信息化典型场景对于工厂外网的技术需求,包含工业实体的互联网接入需求,跨区域之间的互联与隔离需求,工业网络与混合云互联的需求,工业互联网对广域承载网络的差异化需求(QoS、安全/保护等)。

  为实现网络多租户及用户资源定制能力,基础设施/设备需要支持网络功能虚拟化(NFV),从设备层面实现资源虚拟化;网络层面需要通过SDN技术理念,实现控制和承载分离;网络控制与编排层面需要支持通过API向用户开放网络能力。为支持海量设备接入(多为无线方式),需要5G和IPv6的部署。目前看来,5G+基于SDN/NFV的骨干网络是工业互联网的发展方向。

  随着智能工厂的发展,各机器之间通过交换彼此的信息,或者使用超级控制器来描绘网络拓扑结构以及各种状态信息。工厂内网需要建立在IP网络之上,并且满足确定性时延和抖动,以及远程控制的要求。

  目前的工业控制网络主要局限在局域网的范围,不能满足跨局域网、多实时边缘网络互连的确定性业务传输需求,而传统的MPLS VPN专线与基于OTN的光网专线仅仅能够满足一般性的业务需求。IETE的DetNet工作组目前正在解决这个问题。

  DetNet(确定性网络)目标是在第二层桥接和第三层路由段上,实现确定传输路径,这些路径可以提供时延、丢失分组和抖动的最坏情况界限,以此提供确定的时延。与TSN相比,DetNet的工作范围更加广泛,通过MPLS/IP技术,以期实现三层的确定性传输。

  (四)5G与TSN融合

  2018年底,中央经济工作会议指出,“加快5G商用步伐,加速人工智能、工业互联网、物联网等新型基础设施建设。”2020年2月21日,中央政治局会议强调,要推动5G网络、工业互联网等加快发展;2020年3月4日,中央政治局常委会作出加快新型基础设施建设进度的重要部署;2020年政府工作报告提出,拓展5G应用,发展工业互联网。

  2020年11月20日,习近平总书记在向“2020中国5G+工业互联网大会”贺信中指出,当前,全球新一轮科技革命和产业变革深入推进,信息技术日新月异。5G与工业互联网的融合将加速数字中国、智慧社会建设,加速中国新型工业化进程,为中国经济发展注入新动能,为疫情阴霾笼罩下的世界经济创造新的发展机遇。

  “5G+工业互联网”政策体系不断优化完善。截至目前,近20个省市明确对“5G+工业互联网”方向的政策支持,并充分利用现有工业互联网、单项冠军、首台(套)重大技术装备、技术改造、智能制造等资金政策进行支持。

  近两年来,工业无线保持30%的高速增长,占据6%的工业网络新增市场。从全球工业网络市场整体发展情况看,目前工业无线的占比正在爬升,将领跑下一代工业网络的爆发式增长。

  5G技术低时延、高可靠、大连接的特性,弥补了传统无线技术可靠性、连接范围的不足,将使无线技术由工业网络偶尔的补充,成长为工厂内网重要的组成部分,为工业互联网发展注入新活力。

  新中国成立70周年,工业通信业发展情况发布会上,工信部苗圩部长指出:5G真正的应用场景,80%应该是用在物与物的通信,如工业互联网、车联网、远程医疗等领域。

  “5G+工业互联网”融合应用从辅助环节向核心生产环节渗透,应用类型从大带宽主导向多类型方向发展。典型的十大应用场景有:工业设计、辅助装配、设备协同、精准操控、视觉检测、数据采集、远程维护、智能物流、无人巡检、安全监控。

  5G与TSN融合部署,正在成为产业界关注的焦点。二者的融合模式有三种:无缝衔接(TSN over 5G),端到端TSN化的5G、承载网融合(5G over TSN)。其中,端到端TSN化的5G是大家公认的模式。

  然而,5G与TSN融合部署也面临着重重挑战。时间同步问题,二者同步机制不一样,精度存在差异;工业现场部署环境,TSN规模商业尚需时日;低延时、低抖动,无线侧是实现端到端确定性的关键;终端-终端直接通信,存在场内设备之间的直接通信。

  5G TSN的低时延低抖动实现(5G自有技术):采用延时关键可保障比特速率(Delay Critical GBR)、切片、用户面功能(UPF)下沉分流等技术来降低传输的时延,然后再结合时延敏感通信辅助信息(TSCAI)、保持和转发机制等消除抖动。

  5G与TSN系统的时钟同步机制协同。在5G时钟域中,gNB从5G GM获取时钟后,可以将时钟传递给UE和UPF,实现5G系统内的高精度时钟同步。

  其中,UE可通过与gNB之间的Uu口的RRC消息实现时钟同步,UPF通常可采用IEEE 1588规范实现与gNB之间的时间同步;在TSN时钟域中,TSN时钟域内网元同步于TSN GM,并基于IEEE 802.1AS规范来实现域内的时间同步。

  5G LAN技术首次在移动网络中引入终端组管理的概念,支持组内终端直接通信。在TSN-5G融合的R17研究报告中,提出在同一VN group的UE间通过相同的UPF直接通信,因此可重用5G LAN的机制。当前,满足如下条件的DS-TT/UE可以直接进行5G TSN的通信。

  (五)发展建议

  2020年12月22日,工业和信息化部发布了《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》。新型基础设施进一步完善,覆盖各地区、各行业的工业互联网网络基础设施初步建成,在10个重点行业打造30个5G全连接工厂。

  推进企业内网升级,支持工业企业运用新型网络技术和先进适用技术改造建设企业内网,探索在既有系统上叠加部署新网络、新系统,推动信息技术(IT)网络与生产控制(OT)网络融合。

  开展企业外网建设,推动基础电信企业提供高性能、高可靠、高灵活、高安全的网络服务。探索云网融合、确定性网络、IPv6分段路由(SRv6)等新技术部署。

  深化“5G+工业互联网”。支持工业企业建设5G全连接工厂,推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透,加快典型场景推广,探索5G专网建设及运营模式,规划5G工业互联网专用频率,开展工业5G专网试点。

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