淺談工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的思考

葉友仁 吳宇慶

湖北郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司 湖北 武漢 430022

引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 實(shí)現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全面連接，肩負(fù)著我國(guó)高端技術(shù)突破和工業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)的歷史使命。過(guò)去二十年我國(guó)的工業(yè)企業(yè)發(fā)展主要著力于組織規(guī)?；?、生產(chǎn)自動(dòng)化和管理信息化上[1]。目前在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)熱潮的推動(dòng)下，企業(yè)尤其是一些技術(shù)敏感型企業(yè)開(kāi)始向生產(chǎn)智能化的方向努力，期望通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)與管理的數(shù)字閉環(huán)，從而形成了端到端的全生命周期的數(shù)字化管理。智能化的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的流通又離不開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系的建設(shè)到底需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)支撐呢？

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)目標(biāo)及企業(yè)現(xiàn)狀

本節(jié)將從網(wǎng)絡(luò)視角給工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)下個(gè)定義。

首先，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、機(jī)、物、料、法、環(huán)全面連接的基礎(chǔ)設(shè)施，包括三部分：一是工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)模組、交換機(jī)、光纖傳送設(shè)備等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，二是工業(yè)專(zhuān)線等網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，三是標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)。

從另外一個(gè)維度來(lái)看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是由內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)構(gòu)成：內(nèi)網(wǎng)是指實(shí)體企業(yè)內(nèi)的局域性覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，外網(wǎng)就是實(shí)體企業(yè)外廣域性覆蓋的網(wǎng)絡(luò)。通常企業(yè)內(nèi)的許多生產(chǎn)要素并沒(méi)有用網(wǎng)絡(luò)全部連接起來(lái)，企業(yè)與企業(yè)之間、企業(yè)與第三方平臺(tái)應(yīng)用也沒(méi)有真正地做到互聯(lián)互通，所以從網(wǎng)絡(luò)連接的角度來(lái)看，不能把這些叫作工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要求做到企業(yè)內(nèi)的全連接，企業(yè)外的互聯(lián)互通。所以當(dāng)前我們工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的目標(biāo)就是要把尚未連接起來(lái)的生產(chǎn)要素進(jìn)行連接，既有連接的網(wǎng)絡(luò)要升級(jí)改造，我們的目標(biāo)是要整合不同的網(wǎng)絡(luò)。

企業(yè)內(nèi)網(wǎng)主要是由支撐自動(dòng)化的有線的工業(yè)總線網(wǎng)絡(luò)、辦公與管理的有線以太網(wǎng)或WIFI網(wǎng)；企業(yè)的外網(wǎng)主要由專(zhuān)線做點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，或者在廣域連接的場(chǎng)景使用“互聯(lián)網(wǎng)+VPN”的安全防護(hù)。除去生產(chǎn)自動(dòng)化的工業(yè)總線和管理信息化的以太網(wǎng)，還有3G/4G匯合了企業(yè)內(nèi)企業(yè)外的通訊和物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集和通信需求[2]。

2 關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)的思考

首先從自動(dòng)化的角度來(lái)看，是以工業(yè)總線的穩(wěn)定性、低時(shí)延、高可靠性為主要的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)需要增強(qiáng)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中缺乏的連接距離、提高上傳的速率、保證下傳時(shí)延，所以自動(dòng)化工業(yè)總線的發(fā)展方向?yàn)閷拵o(wú)線工業(yè)總線。

從信息化的角度來(lái)看，那么我們就要以現(xiàn)有的以太網(wǎng)和WIFI的帶寬、開(kāi)放性、無(wú)線連接為基準(zhǔn)，能夠擴(kuò)大移動(dòng)范圍、加強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院退俾?、可以連接更多的終端設(shè)備、同時(shí)能夠做到云計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)的融合，局域?qū)＞W(wǎng)的需求就要有選擇地與公網(wǎng)進(jìn)行對(duì)接，不是一個(gè)完全封閉的局域?qū)＞W(wǎng)。

那么對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的改造與整合又有哪些內(nèi)容呢？

首先，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的主要連接對(duì)象是全生產(chǎn)要素，在企業(yè)內(nèi)工廠內(nèi)車(chē)間內(nèi)的人、機(jī)、物、料、法、環(huán)，我們把它稱(chēng)為全生產(chǎn)要素，那么今天如果說(shuō)這些生產(chǎn)要素尚未用網(wǎng)絡(luò)全部連接的話，我們改造與整合的目的就是要將這些生產(chǎn)要素進(jìn)行全連接。

企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的改造與整合內(nèi)容是網(wǎng)絡(luò)的融合，今天以工業(yè)總線為代表的生產(chǎn)自動(dòng)化、以太網(wǎng)和WIFI為代表的管理信息化，以及通訊互聯(lián)網(wǎng)背后的3G/4G的網(wǎng)絡(luò)，那么我們要做內(nèi)網(wǎng)的改造與整合的話，就要將這些網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整合，便于數(shù)據(jù)的流通與共享，理想的目標(biāo)網(wǎng)就是一張無(wú)線化的移動(dòng)化的5G專(zhuān)網(wǎng)。

鑒于內(nèi)網(wǎng)對(duì)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)的要求，通過(guò)實(shí)踐我們認(rèn)為5G+光纖環(huán)網(wǎng)是高質(zhì)量?jī)?nèi)網(wǎng)的最佳選擇，之所以這樣說(shuō)，第一，5G+光纖環(huán)網(wǎng)的一張網(wǎng)，可以同時(shí)承載多類(lèi)的業(yè)務(wù)：自動(dòng)化控制的業(yè)務(wù)、管理信息化的業(yè)務(wù)、互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)、通訊的業(yè)務(wù)等等；兼顧了自動(dòng)化的低時(shí)延、信息化的大帶寬、物聯(lián)網(wǎng)的海量連接，同時(shí)又提供了無(wú)線接入和移動(dòng)通訊，可以做到兩化三化四化的融合[3]。

同時(shí)我們也面臨著許多的挑戰(zhàn)，針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化所需要的確定性和高可靠性的挑戰(zhàn)，5G標(biāo)準(zhǔn)的R16版本2020年9月凍結(jié)，它定義了絕大部分的工業(yè)場(chǎng)景，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，R16版本引入的新技術(shù)，除了運(yùn)動(dòng)控制時(shí)延達(dá)到納秒級(jí)等個(gè)別指標(biāo)還達(dá)不到要求外，可以支持1μs的同步精度、0.5ms-1ms的空口時(shí)延、6個(gè)9的高可靠性、靈活的終端組管理、最快可實(shí)現(xiàn)5ms以?xún)?nèi)的端到端時(shí)延，具有更高的可靠性，而這些新的標(biāo)準(zhǔn)恰恰可以有效地滿足如工業(yè)AR、工業(yè)VR、工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)、工業(yè)云端機(jī)器人等場(chǎng)景的連接需求。2-3年后隨著產(chǎn)業(yè)鏈成熟，R16版本5G網(wǎng)絡(luò)性能將能夠滿足絕大多數(shù)的場(chǎng)景，這也意味著工業(yè)5G時(shí)代將在2023年前后到來(lái)。

3 關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)外網(wǎng)建設(shè)的思考

對(duì)于企業(yè)外網(wǎng)或企業(yè)間的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，建設(shè)需求主要來(lái)自于集團(tuán)型企業(yè)，它們需要連接分布在各地的各生產(chǎn)基地和分支機(jī)構(gòu)；同時(shí)他們需要從企業(yè)外部去尋求智能化的應(yīng)用，要與私有云、公有云、行業(yè)云等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行對(duì)接；另一項(xiàng)外網(wǎng)的需求就是產(chǎn)業(yè)鏈上下游的企業(yè)。我們所能采用的高質(zhì)量企業(yè)外網(wǎng)的選擇主要來(lái)自于專(zhuān)網(wǎng)骨干承載網(wǎng)、SDN化可切片的廣域網(wǎng)。高質(zhì)量外網(wǎng)又有哪些要求？

互聯(lián)網(wǎng)化的要求，要以通過(guò)3G/4G已經(jīng)熟悉的消費(fèi)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)為參考基準(zhǔn)，能夠一點(diǎn)接入、全球聯(lián)通，不再受點(diǎn)對(duì)點(diǎn)專(zhuān)線連接的限制，一點(diǎn)的接入使我們可以享受到互聯(lián)網(wǎng)世界豐富多彩、各取所需的平臺(tái)應(yīng)用[5]。

企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)的要求，因?yàn)閷?duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，不能使用互聯(lián)網(wǎng)這種開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸自己敏感的數(shù)據(jù)，所以它的標(biāo)準(zhǔn)是以企業(yè)廣域?qū)＞W(wǎng)為標(biāo)準(zhǔn)做到安全隔離，保證連接的數(shù)據(jù)安全和網(wǎng)絡(luò)性能等，同時(shí)又可以便捷地、實(shí)時(shí)地按需配置資源管理，可以由企業(yè)自己來(lái)負(fù)責(zé)。

和網(wǎng)絡(luò)地址及尋址體系有密切的關(guān)系，因?yàn)榻裉斓幕ヂ?lián)網(wǎng)是基于IP地址，基于DNS尋址體系，在今天這種國(guó)際關(guān)系，如中美貿(mào)易戰(zhàn)和科技戰(zhàn)當(dāng)中而產(chǎn)生的各種矛盾，安全可控成為了一個(gè)重要的要求，要求做到網(wǎng)絡(luò)地址的管理和群主體系，要求做到安全可控。

5G+光纖環(huán)網(wǎng)作為最佳的高質(zhì)量?jī)?nèi)網(wǎng)的選擇，那么針對(duì)高質(zhì)量外網(wǎng)的選擇又是如何呢？高質(zhì)量外網(wǎng)主要取決于運(yùn)營(yíng)商各自的解決方案，這里我們也提供三種典型的選擇。

骨干專(zhuān)網(wǎng)，也就是說(shuō)運(yùn)營(yíng)商提供的解決方案具備打造一張物理隔離的全國(guó)性的骨干承載網(wǎng)，專(zhuān)供工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)客戶使用，可以保證數(shù)據(jù)的安全和網(wǎng)絡(luò)的性能。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），它的目的主要是聚焦在對(duì)用戶開(kāi)放資源管理，過(guò)去網(wǎng)絡(luò)資源管理都只掌握在運(yùn)營(yíng)商的手里，那么今天在互聯(lián)網(wǎng)的整個(gè)大環(huán)境下，通過(guò)SDN化，網(wǎng)絡(luò)資源的管理權(quán)限可以開(kāi)放給最終用戶，使得網(wǎng)絡(luò)資源的訂購(gòu)、變更等管理如同網(wǎng)上購(gòu)物一樣的便捷。

就是云網(wǎng)融合。我們知道5G來(lái)了之后，將帶來(lái)數(shù)據(jù)量劇增，這個(gè)時(shí)候5G網(wǎng)絡(luò)與算力的融合將十分的重要，這時(shí)候我們的網(wǎng)絡(luò)要與私有云、公有云、混合云、第三方工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)及企業(yè)內(nèi)部的邊緣計(jì)算云平臺(tái)等互聯(lián)互通，整個(gè)企業(yè)外網(wǎng)要做到可以事先植入這些云端的資源，同時(shí)向用戶提供多云的管理服務(wù)，使得工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)用戶一點(diǎn)接入可享受全網(wǎng)的資源與應(yīng)用[6]。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)工信部數(shù)據(jù)測(cè)算，2019年我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)存量規(guī)模在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模中占比僅為12.1%[4]，但建設(shè)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)作為基礎(chǔ)設(shè)施底座，助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的重要性是毋庸置疑的，特別是隨著5G技術(shù)的逐漸成熟，以“5G+光纖”為主的新技術(shù)將更多地應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)網(wǎng)改造。