面向智能制造的工業(yè)連接現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

李潔，張東，常潔，楊震

（1. 中國(guó)電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 中國(guó)電信集團(tuán)公司政企客戶(hù)事業(yè)部，北京 100010）

面向智能制造的工業(yè)連接現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)分析

李潔1，張東2，常潔1，楊震1

（1. 中國(guó)電信股份有限公司上海研究院，上海 200122；2. 中國(guó)電信集團(tuán)公司政企客戶(hù)事業(yè)部，北京 100010）

隨著美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國(guó)工業(yè)4.0以及中國(guó)制造2025的提出，互聯(lián)網(wǎng)、信息化與工業(yè)融合已成為實(shí)現(xiàn)智能制造的大趨勢(shì)，而工業(yè)連接是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)能力?；诖耍紫冉榻B了工業(yè)領(lǐng)域OT與IT網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)的現(xiàn)狀，然后結(jié)合中國(guó)制造2025，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的八大場(chǎng)景需求進(jìn)行分析總結(jié)，并對(duì)工業(yè)連接的數(shù)據(jù)采集、IP網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、標(biāo)識(shí)解析以及網(wǎng)絡(luò)安全等方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，最后結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀，對(duì)工業(yè)連接的未來(lái)趨勢(shì)進(jìn)行展望。

智能制造；工業(yè)連接；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；中國(guó)制造2025

1 引言

隨著美國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與德國(guó)工業(yè) 4.0計(jì)劃的提出，我國(guó)也于2015年提出了“中國(guó)制造2025”，并將其定位于國(guó)家戰(zhàn)略高度。2015年，國(guó)務(wù)院先后出臺(tái)了《中國(guó)制造2025》《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》《工業(yè)和信息化部關(guān)于貫徹落實(shí)〈國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)〉的行動(dòng)計(jì)劃（2015?2018年）》等一系列文件。目的在于互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合進(jìn)一步深化，制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平顯著提高。

工業(yè)化與信息化及互聯(lián)網(wǎng)的融合是實(shí)現(xiàn)智能制造的基礎(chǔ)，隨之也帶來(lái)了對(duì)工業(yè)連接需求的進(jìn)一步提升。通過(guò)工業(yè)連接可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域全系統(tǒng)、全設(shè)備、全產(chǎn)業(yè)鏈的互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成，從而為工業(yè)智能應(yīng)用與新型商業(yè)模式的創(chuàng)新建立基礎(chǔ)。到2017年，全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)新增節(jié)點(diǎn)數(shù)將達(dá)到1.4億個(gè)，年增長(zhǎng)率超過(guò)7%（根據(jù)埃士信咨詢(xún)公司（HIS）估計(jì)）。近年來(lái)，我國(guó)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)增長(zhǎng)迅速，預(yù)計(jì)將從2012年的每年1 800萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)增長(zhǎng)至2017年的近4 000萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)，累計(jì)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)總量超過(guò)2億個(gè)，年增速超過(guò) 25%。以工業(yè)連接為基礎(chǔ)的各種應(yīng)用也發(fā)展迅速，根據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，我國(guó)預(yù)測(cè)性維護(hù)市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到300億元，前景非常廣闊。工業(yè)產(chǎn)品的智能化、網(wǎng)絡(luò)化需求也在反向驅(qū)動(dòng)整體工業(yè)連接的演進(jìn)。

2 工業(yè)領(lǐng)域連接技術(shù)現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域的連接技術(shù)分為兩個(gè)層次：操作技術(shù)（OT）網(wǎng)絡(luò)與信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)領(lǐng)域連接架構(gòu)如圖1所示。

OT網(wǎng)絡(luò)主要位于工廠內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)及車(chē)間級(jí)，對(duì)應(yīng)ISA-95架構(gòu)中的0～2層?，F(xiàn)場(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要指底層I/O、可編程邏輯控制器（PLC）等控制單元，工業(yè)級(jí)計(jì)算機(jī)（IPC）等上位機(jī)的互聯(lián)，此類(lèi)連接需要在保障可靠性、時(shí)延/抖動(dòng)性能的同時(shí)大幅提升帶寬和規(guī)模，確保不同協(xié)議間數(shù)據(jù)互通和物理互通。其主流技術(shù)為現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)及工業(yè)無(wú)線技術(shù)。車(chē)間網(wǎng)絡(luò)主要指車(chē)間級(jí)別內(nèi)的實(shí)時(shí)運(yùn)行監(jiān)控與控制，包括人機(jī)界面接口（HMI）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）等。此類(lèi)連接需要確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑫r(shí)隨著采集數(shù)據(jù)的劇增，對(duì)帶寬要求較高。此外，由于采集接口與協(xié)議的多樣性，需要適配多種采集接口協(xié)議。

圖1 工業(yè)領(lǐng)域連接架構(gòu)

OT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)由于其歷史原因，形成了各個(gè)制造業(yè)巨頭間相互獨(dú)立的多個(gè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)2014年5月發(fā)布的最新版的IEC 61158，共采納了 19種主要類(lèi)型的現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)/實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)。工業(yè)總線技術(shù)從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，在工業(yè)控制領(lǐng)域占有絕大部分市場(chǎng)份額，主要技術(shù)包括西門(mén)子Profibus、博世CAN、FF基金會(huì)的FF、DeviceNet等。隨著工業(yè)信息技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線正在向著兼容以太網(wǎng)通信技術(shù)的方向發(fā)展，工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。工業(yè)以太網(wǎng)使得IP技術(shù)得以延伸至工業(yè)控制層面，使得OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)的融合成為可能。但由于工業(yè)控制對(duì)時(shí)延及抖動(dòng)要求較高，導(dǎo)致各廠商對(duì)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)中的數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了私有化的重新定義，各標(biāo)準(zhǔn)間差異依然較大，形成了以西門(mén)子 Profinet、羅克韋爾/施耐德Ethernet/IP、PowerLink、EtherCAT等多種標(biāo)準(zhǔn)體系。工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，可以有效延伸工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的控制范圍，并提供了極高的靈活性，主要技術(shù)包括WirelessHart、ISA100.11a以及由沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所提出的、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的WIA-PA/FA等。

IT網(wǎng)絡(luò)主要位于工廠級(jí)及工廠間網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，對(duì)應(yīng)ISA-95架構(gòu)中的3～4層。工廠級(jí)網(wǎng)絡(luò)主要指OT網(wǎng)絡(luò)與信息系統(tǒng)（ERP、MES、SCM和CRM等系統(tǒng)）的互聯(lián)。隨著底層數(shù)據(jù)量的指數(shù)型增長(zhǎng)、視頻等高帶寬應(yīng)用向工業(yè)領(lǐng)域的滲透，對(duì)工廠內(nèi)部的IT網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延及抖動(dòng)的性能提出了更高的要求。工廠間網(wǎng)絡(luò)主要指企業(yè)與工業(yè)云端應(yīng)用的連接網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)實(shí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵，此類(lèi)連接主要采用專(zhuān)線等技術(shù)。企業(yè)與云端應(yīng)用的連接則需要在可靠性、帶寬、時(shí)延性能、業(yè)務(wù)形態(tài)等方面進(jìn)行切合工業(yè)領(lǐng)域特點(diǎn)的創(chuàng)新嘗試。

由于傳統(tǒng)OT網(wǎng)絡(luò)采用的通信技術(shù)相對(duì)封閉，且標(biāo)準(zhǔn)多樣，使得現(xiàn)有的OT網(wǎng)絡(luò)和IT網(wǎng)絡(luò)相對(duì)隔離，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與交互，因此工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)成為打通OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵。

3 工業(yè)連接場(chǎng)景及需求

工業(yè)連接涵蓋了工業(yè)生產(chǎn)流程中機(jī)器終端及控制系統(tǒng)、原料、信息系統(tǒng)、在制品、產(chǎn)品以及人之間的互聯(lián)，涵蓋各類(lèi)連接形態(tài)。隨著信息通信技術(shù)向工業(yè)領(lǐng)域的加速滲透，工業(yè)連接的性能不斷提升，類(lèi)型不斷豐富，極大地拓展了傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)涵和外延，為智能制造的發(fā)展奠定了良好基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)工業(yè)領(lǐng)域各類(lèi)連接的梳理，工業(yè)連接可以包含兩類(lèi)連接、四大場(chǎng)景、八項(xiàng)需求，具體如下。

兩類(lèi)連接包括企業(yè)內(nèi)部連接和企業(yè)外部連接。其中，企業(yè)內(nèi)部連接包括機(jī)器設(shè)備、控制設(shè)備、企業(yè)云平臺(tái)、企業(yè)內(nèi)人員間的互聯(lián)關(guān)系；而企業(yè)外部連接包括不同企業(yè)間（如上下游企業(yè)間）、企業(yè)與外部公有云平臺(tái)間、企業(yè)和售出產(chǎn)品、企業(yè)與客戶(hù)間的互聯(lián)關(guān)系。

四大場(chǎng)景分別為促進(jìn)智能化生產(chǎn)的智能生產(chǎn)場(chǎng)景，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同場(chǎng)景，促進(jìn)個(gè)性化定制的用戶(hù)定制場(chǎng)景，促進(jìn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的服務(wù)化場(chǎng)景。

結(jié)合以上描述的兩類(lèi)連接與四大場(chǎng)景，本文將引申出工業(yè)連接的八項(xiàng)需求，具體描述如下。

需求一：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與工廠控制系統(tǒng)的連接。此類(lèi)連接主要指底層I/O、PLC等控制單元、IPC等上位機(jī)的互聯(lián)。需要在保障可靠性、時(shí)延性能的同時(shí)大幅提升帶寬和規(guī)模，確保不同協(xié)議間的數(shù)據(jù)互通和物理互通。

需求二：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與私有云平臺(tái)的連接需求。此類(lèi)連接主要指現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與運(yùn)行在私有云上的MES等IT系統(tǒng)的直接連接?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可通過(guò)以太網(wǎng)或者光網(wǎng)絡(luò)，跨越上位機(jī)“e網(wǎng)到底”，實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行在私有云上的IT系統(tǒng)的直接連接，需要通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和各類(lèi)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)通信協(xié)議的高效互通。

需求三：工業(yè)控制系統(tǒng)與私有云平臺(tái)的連接需求。此類(lèi)連接主要指控制系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的互聯(lián)。特別是隨著視頻等高帶寬應(yīng)用在工業(yè)領(lǐng)域的使用不斷普及，此類(lèi)連接需要大幅提升工業(yè)以太網(wǎng)和通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的互通性能。

需求四：私有云平臺(tái)與人的連接需求。此類(lèi)連接主要指人通過(guò)HMI、移動(dòng)設(shè)備等方式與工業(yè)IT系統(tǒng)的交互，需要提升 HMI、SCADA、遠(yuǎn)程操控、移動(dòng)設(shè)備操控等不同的軟硬件人機(jī)界面的性能，提升管理的敏捷性和效率。

需求五：企業(yè)與工業(yè)公有云的連接需求。企業(yè)與公有云的連接需要在可靠性、帶寬、時(shí)延性能、業(yè)務(wù)形態(tài)等方面進(jìn)行切合工業(yè)領(lǐng)域特點(diǎn)的創(chuàng)新嘗試。隨著新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)商業(yè)模式的出現(xiàn)，工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程已不僅僅局限在工廠內(nèi)，開(kāi)始逐步通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)，使得工業(yè)生產(chǎn)與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)模式實(shí)現(xiàn)深度融合，主要體現(xiàn)在IT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、OT系統(tǒng)與IT系統(tǒng)的融合、企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合等。

需求六：企業(yè)和企業(yè)的連接需求。此類(lèi)連接可以具化為不同企業(yè)信息系統(tǒng)互通需求，分為兩個(gè)層次，一是CRM、ERP等非核心系統(tǒng)的互通，二是MES等核心系統(tǒng)的互通。這兩類(lèi)互通需求都對(duì)遠(yuǎn)程互聯(lián)的可靠性、時(shí)延性能、安全性提出了新的要求。

需求七：企業(yè)和用戶(hù)的連接需求。用戶(hù)需求與工業(yè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)互通是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制的基礎(chǔ)，這需要工業(yè)云平臺(tái)對(duì)用戶(hù)定制應(yīng)用的良好支撐以及對(duì)制造、物料、物流的高效協(xié)同。

需求八：企業(yè)和智能產(chǎn)品的連接需求。產(chǎn)品和工廠的泛在連接將是預(yù)測(cè)性維護(hù)、遠(yuǎn)程維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，也是企業(yè)實(shí)現(xiàn)服務(wù)化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。此類(lèi)連接需要重點(diǎn)解決廣域大連接的問(wèn)題，需要物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的深度應(yīng)用。

4 工業(yè)連接關(guān)鍵技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)工業(yè)連接中不同場(chǎng)景下的各種需求，其基礎(chǔ)就是要實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合、海量異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成與交換以及網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)在工業(yè)領(lǐng)域的安全保障。因此，工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IP化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化、標(biāo)識(shí)解析技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)連接的關(guān)鍵。

4.1 工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)

數(shù)據(jù)是智能制造的核心，通過(guò)工業(yè)數(shù)據(jù)全周期的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)機(jī)器彈性生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)管理優(yōu)化、生產(chǎn)協(xié)同組織與商業(yè)模式創(chuàng)新，推動(dòng)工業(yè)智能化發(fā)展。而如何實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集上傳則成為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵。工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)構(gòu)示意如圖2所示。

現(xiàn)有的工業(yè)數(shù)據(jù)采集主要有以下兩種方式。

方式一：由數(shù)據(jù)采集平臺(tái)集成各種工業(yè)協(xié)議驅(qū)動(dòng)，直接與底層設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并進(jìn)行解析。該方式可連接設(shè)備種類(lèi)多，但對(duì)于非以太網(wǎng)接口支持較為困難，因此需要將現(xiàn)存的RS232、RS485、控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）等物理接口轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)接口。

圖2 工業(yè)數(shù)據(jù)采集技術(shù)結(jié)構(gòu)示意

方式二：由工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)集成各種工業(yè)協(xié)議驅(qū)動(dòng)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備種類(lèi)繁多，通信接口多樣化，工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)作為不同接口及通信協(xié)議的設(shè)備之間通信的橋梁，可以在不同的工業(yè)接口與通信協(xié)議之間做轉(zhuǎn)換，是對(duì)不同設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的有效手段。工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)通過(guò)工業(yè)PC或?qū)I(yè)芯片，集成各種主流的工業(yè)協(xié)議，適配不同廠商設(shè)備的接口，并將各種工業(yè)協(xié)議轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的OPC UA、Modbus TCP、MQTT、HTTP RESTful等通用協(xié)議，連接至數(shù)據(jù)采集平臺(tái)。該方式可以減少數(shù)據(jù)采集平臺(tái)支持的協(xié)議種類(lèi)，同時(shí)工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)可以支持邊緣計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分布式計(jì)算分析，

形成本地的實(shí)時(shí)優(yōu)化決策。

以上兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)施過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合使用：通過(guò)工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)適配各種工業(yè)協(xié)議，同時(shí)對(duì)于工業(yè)通信網(wǎng)關(guān)尚未支持的工業(yè)協(xié)議，通過(guò)方式一的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)進(jìn)行支持，實(shí)現(xiàn)各種工業(yè)數(shù)據(jù)采集的無(wú)縫集成。

4.2 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)IP化

為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程全流程的數(shù)據(jù)采集、流動(dòng)及智能化生產(chǎn)，IP化與無(wú)線化已成為工廠內(nèi)部傳輸網(wǎng)絡(luò)發(fā)展共識(shí)，IP化基于以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)從機(jī)器到IT系統(tǒng)的端到端IP互聯(lián)，無(wú)線化是各種無(wú)線技術(shù)（在第4.3節(jié)中描述）在工廠內(nèi)部的廣泛應(yīng)用。

工業(yè)以太網(wǎng)由于以太網(wǎng)應(yīng)用的廣泛性和技術(shù)的先進(jìn)性，已逐漸成為企業(yè)商用計(jì)算機(jī)通信領(lǐng)域和過(guò)程控制領(lǐng)域中上層信息管理與通信的主流技術(shù)，并且將逐步替代現(xiàn)場(chǎng)總線，完成“e網(wǎng)到底”的目標(biāo)，如圖3所示，從而實(shí)現(xiàn)OT網(wǎng)絡(luò)與IT網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫互通和融合。

工業(yè)以太網(wǎng)經(jīng)歷了多年的快速發(fā)展，其產(chǎn)品已非常成熟，EMC、高低溫等工業(yè)特性已能夠滿足工廠對(duì)于不同環(huán)境的需求，并已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域得到了非常廣泛的應(yīng)用，其協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化已完成，不同廠商產(chǎn)品互通性好。思科提出的全廠融合以太網(wǎng)（CPwE）架構(gòu)將工業(yè)網(wǎng)絡(luò)分為2個(gè)區(qū)域（6個(gè)層級(jí)），包括企業(yè)區(qū)（第4～5級(jí)）、制造區(qū)（第0～3級(jí)），實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)在工廠IT與OT域的全覆蓋打通，同時(shí)在CPwE架構(gòu)中集成了先進(jìn)的無(wú)線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在工廠復(fù)雜惡劣環(huán)境中應(yīng)用。

圖3 工業(yè)以太網(wǎng)“e網(wǎng)到底”目標(biāo)

由于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)對(duì)于時(shí)延、抖動(dòng)的要求較高，因此時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）應(yīng)運(yùn)而生。相較于傳統(tǒng)以太網(wǎng)技術(shù)，TSN具有時(shí)間敏感數(shù)據(jù)處理、時(shí)鐘同步、幀搶占/穿插傳輸?shù)裙δ?，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定實(shí)時(shí)性，可以滿足智能制造實(shí)時(shí)監(jiān)控或?qū)崟r(shí)反饋的需求。同時(shí)，TSN可以解決現(xiàn)有各工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議自成體系、無(wú)法互通的問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)“e網(wǎng)到底”目標(biāo)的重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

工業(yè)以太網(wǎng)雖然技術(shù)成熟，但也面臨著以下問(wèn)題：僅支持點(diǎn)到點(diǎn)直連組網(wǎng)，組網(wǎng)存在局限性；中間傳輸需多級(jí)匯聚交換機(jī)，需要預(yù)留機(jī)房建設(shè)用地以提供電力、空調(diào)等；銅纜內(nèi)弱電信號(hào)易受電磁干擾和雷電影響；業(yè)務(wù)支撐能力不足，網(wǎng)絡(luò)維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。

因此，隨著無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（PON）技術(shù)在電信、電力行業(yè)的廣泛應(yīng)用，工業(yè)PON技術(shù)已成為除了以太網(wǎng)技術(shù)外車(chē)間通信網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的一種全新的方案。相對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，工業(yè)PON技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：PON通過(guò)無(wú)源器件組網(wǎng)，不受電磁干擾和雷電影響；采用自愈環(huán)型網(wǎng)絡(luò)支持并聯(lián)型，切換時(shí)間短、抵抗失效能力強(qiáng)；點(diǎn)到多點(diǎn)傳輸架構(gòu)，終端并行接入，部署靈活；僅需單根光纖傳輸，最遠(yuǎn)覆蓋20 km范圍；多業(yè)務(wù)承載，支持?jǐn)?shù)據(jù)、視頻、語(yǔ)音、時(shí)間同步等多種業(yè)務(wù)；安全性高，PON設(shè)置ONU安全注冊(cè)機(jī)制，下行數(shù)據(jù)傳送天然加密，上行數(shù)據(jù)傳送時(shí)分機(jī)制隔離。

4.3 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線化

無(wú)線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，成為有線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的重要補(bǔ)充。隨著工業(yè)無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，其應(yīng)用已不單單局限在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域以及作為工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，正逐漸向生產(chǎn)控制及全網(wǎng)方向發(fā)展。

工業(yè)領(lǐng)域使用的無(wú)線技術(shù)主要包括短距離通信技術(shù) RFID、Zigbee、Wi-Fi等，用于車(chē)間內(nèi)的傳感數(shù)據(jù)讀取、物品及資產(chǎn)管理、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車(chē)（AGV）等無(wú)線設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接；專(zhuān)用工業(yè)無(wú)線通信技術(shù) WIA-PA/FA、ISA100.11a、WirelessHART等，應(yīng)用于對(duì)工廠應(yīng)用有一定實(shí)時(shí)性要求、高可靠和高安全的無(wú)線通信場(chǎng)景。

蜂窩無(wú)線通信技術(shù)2G/3G/LTE、NB-IoT等也開(kāi)始應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，用于智能產(chǎn)品、大型遠(yuǎn)距離移動(dòng)設(shè)備或車(chē)輛、手持終端等的網(wǎng)絡(luò)連接。隨著3GPP 5G標(biāo)準(zhǔn)的推進(jìn)以及商用化的臨近，5G將在工業(yè)領(lǐng)域得到大量應(yīng)用。3GPP的5G技術(shù)面向物聯(lián)網(wǎng)定義了 3類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景：大容量物聯(lián)網(wǎng)（massive IoT）、低時(shí)延高可靠通信（critical communication）和增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）。其中，massive IoT主要針對(duì)海量機(jī)器類(lèi)通信，如各類(lèi)表的遠(yuǎn)程激活、消耗流量的實(shí)時(shí)跟蹤、無(wú)線視頻監(jiān)控的遠(yuǎn)程激活，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)并上報(bào)環(huán)境參數(shù)和控制機(jī)械的數(shù)據(jù)，一個(gè)用戶(hù)具有多個(gè)終端和一個(gè)終端被多個(gè)用戶(hù)使用等多種場(chǎng)景，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景下有相同的需求；低時(shí)延高可靠通信要求極低的時(shí)延和更高的可用性，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中主要應(yīng)用在工廠內(nèi)部的現(xiàn)場(chǎng)控制等應(yīng)用場(chǎng)景。需要重點(diǎn)關(guān)注對(duì)于各種現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的承載支持，并綜合利用網(wǎng)絡(luò)切片和移動(dòng)邊緣計(jì)算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景的支持；而eMBB場(chǎng)景則分為廣域覆蓋和熱點(diǎn)覆蓋，對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸興起的大流量業(yè)務(wù)能夠更好地支撐，如虛擬工廠和高清視頻遠(yuǎn)程維護(hù)等。

4.4 標(biāo)識(shí)解析技術(shù)

互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)的融合帶來(lái)工業(yè)連接需求的快速提升，為實(shí)現(xiàn)各個(gè)層面的互聯(lián)互通，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)打通需要從生產(chǎn)到企業(yè)運(yùn)營(yíng)的全流程環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)包括智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化轉(zhuǎn)型的四大場(chǎng)景。這就需要實(shí)現(xiàn)企業(yè)與企業(yè)、企業(yè)與用戶(hù)、企業(yè)與產(chǎn)品的連接及異構(gòu)數(shù)據(jù)互聯(lián)。

隨著工業(yè)設(shè)備的接入數(shù)量越來(lái)越多，使得數(shù)據(jù)呈幾何式遞增，面對(duì)如此龐大的數(shù)據(jù)，首先需要解決的是如何對(duì)工業(yè)領(lǐng)域?qū)ο筮M(jìn)行標(biāo)識(shí)的問(wèn)題。通過(guò)建設(shè)統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)體系，可以為數(shù)量龐大的終端賦予唯一的標(biāo)識(shí)，從而實(shí)現(xiàn)在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)對(duì)終端的定位與尋址，滿足海量異構(gòu)數(shù)據(jù)在不同對(duì)象間、不同領(lǐng)域間以及不同區(qū)域間互聯(lián)互通的應(yīng)用需求。

通過(guò)標(biāo)識(shí)解析體系可以貫穿工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整個(gè)流程，給予目標(biāo)對(duì)象在整個(gè)生命周期中一個(gè)統(tǒng)一不變的“身份標(biāo)識(shí)”?；诮y(tǒng)一的“身份標(biāo)識(shí)”實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對(duì)象所有數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)與統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)異構(gòu)、異主、異地?cái)?shù)據(jù)安全可控的開(kāi)放及訪問(wèn)。

對(duì)象標(biāo)識(shí)解析技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)在國(guó)際上主要有四大體系，包括DONA定義的Handle解析服務(wù)體系、EPCglobal定義的對(duì)象名稱(chēng)服務(wù)（ONS）體系、ITU和 ISO聯(lián)合制定的面向?qū)ο髽?biāo)識(shí)符（OID）的對(duì)象標(biāo)識(shí)符解析系統(tǒng)（ORS）體系、日本泛在識(shí)別中心的uCode解析服務(wù)體系。

通過(guò)構(gòu)建統(tǒng)一的工業(yè)數(shù)據(jù)解析系統(tǒng)，可以對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)源進(jìn)行可靠的追溯，從而避免了在浩瀚的數(shù)據(jù)海洋中查找源頭的問(wèn)題。同時(shí)，由于數(shù)據(jù)來(lái)源于上下游產(chǎn)業(yè)鏈的不同參與者中，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具有數(shù)量巨大且異構(gòu)的特點(diǎn)。因此需要把所有可用信息轉(zhuǎn)變?yōu)榻y(tǒng)一格式，從而能夠有效節(jié)約資源，實(shí)現(xiàn)對(duì)海量工業(yè)數(shù)據(jù)的分析及智能化應(yīng)用。

4.5 網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

隨著工業(yè)連接的創(chuàng)新發(fā)展，現(xiàn)有相對(duì)封閉的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系將更加開(kāi)放，隨之也將面臨更多的安全問(wèn)題和挑戰(zhàn)，因此需要通過(guò)綜合性的安全防護(hù)措施，保證網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)的安全。

工業(yè)企業(yè)各互聯(lián)設(shè)備及系統(tǒng)之間應(yīng)該進(jìn)行有效可靠的安全隔離和控制。包括：OT系統(tǒng)與 IT系統(tǒng)之間，應(yīng)部署防火墻；工廠外部對(duì)工廠內(nèi)部云平臺(tái)的訪問(wèn)應(yīng)經(jīng)過(guò)防火墻，并提供DDoS防御等功能，同時(shí)部署網(wǎng)絡(luò)入侵防護(hù)系統(tǒng)，可對(duì)主流的應(yīng)用層協(xié)議及內(nèi)容進(jìn)行識(shí)別，自動(dòng)檢測(cè)和定位各種業(yè)務(wù)層的攻擊和威脅；所有接入工廠內(nèi)部云平臺(tái)、工廠信息系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)備，都必須進(jìn)行接入認(rèn)證和訪問(wèn)授權(quán)；通過(guò)外部網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，應(yīng)采用IPSec VPN、SSL VPN等隧道傳輸機(jī)制或MPLS VPN等專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)，防止數(shù)據(jù)泄露或被篡改。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著“中國(guó)制造2025”計(jì)劃的逐步推進(jìn)，工業(yè)連接作為支撐智能制造的基礎(chǔ)能力，在未來(lái)應(yīng)逐步完善網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)技術(shù)、標(biāo)識(shí)解析技術(shù)以及應(yīng)用支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在企業(yè)內(nèi)部的各生產(chǎn)系統(tǒng)間、生產(chǎn)系統(tǒng)與商業(yè)系統(tǒng)間、商業(yè)系統(tǒng)與制成品間以及企業(yè)外部各企業(yè)間、企業(yè)與云平臺(tái)間的無(wú)縫傳輸，構(gòu)建新型的基于有線與無(wú)線通信技術(shù)安全可靠的機(jī)器連接方式，從而支撐實(shí)時(shí)感知、協(xié)同交互的智能生產(chǎn)模式。

[1] 高巍. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)工廠網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展[J]. 中興通訊技術(shù), 2016, 22(5): 21-25.GAO W. Industrial internet promotes the integration of plant network and internet[J]. ZTE Technology Journal, 2016, 22(5):21-25.

[2] 中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)[S]. 2016.Industrial Internet Industry Alliance. Industrial internet architecture[S]. 2016.

[3] 中國(guó)電信集團(tuán)公司, 中國(guó)通信通信研究院. 工業(yè)連接計(jì)劃白皮書(shū)[R]. 2016.China Telecom Corporation, China Academy of Information and Communication Technology. Industrial connectivity planning white paper[R]. 2016.

[4] 楊思維. 升級(jí)版德國(guó)“工業(yè)4. 0平臺(tái)”經(jīng)驗(yàn)對(duì)我國(guó)制造業(yè)的影響[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(1): 108-111.YANG S W. Impact of the upgraded version of German “industrial 4 platform” on China’s manufacturing industry[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(1): 108-111.

[5] 杜娟, 王峰. 互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵、服務(wù)體系及對(duì)制造業(yè)的作用路徑[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(1): 98-104.DU J, WANG F. Connotation, service system of internet and its integrating path to manufacture[J]. Telecommunications Science,2016, 32(1): 98-104.

[6] 董振江, 董昊, 韋薇, 等. 5G 環(huán)境下的新業(yè)務(wù)應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(6): 58-64.DONG Z J, DONG H, WEI W, et al. New services and development trend in 5G environment[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(6): 58-64.

Situation description and critical technology analysis for industrial connection of intelligent manufacturing

LI Jie1, ZHANG Dong2, CHANG Jie1, YANG Zhen1
1. Shanghai Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Shanghai 200122, China 2. Government and Enterprise Customer Department of China Telecom Corporation, Beijing 100010, China

With the formally issue of the industrial internet in USA, the industry 4.0 in German and made in China 2025, the integration of the IT, Internet and industrialization has became the trend of intelligent manufacturing. Industrial connection is the basic ability for intelligent manufacturing. Firstly, the technology situation of OT and IT industrial connection was described. And then combined with made in China 2025, the eight demands for industrial internet scenarios and industrial connectivity key technology were analyzed, including data acquisition, IP network,wireless network, identifier resolution and network security, Finally, according to the domestic situation, the future trend of industrial connection was prospected.

intelligent manufacturing, industrial connection, industrial internet, made in China 2025

F49

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2017295

2017?09?30；

2017?11?10

李潔（1980?），男，中國(guó)電信股份有限公司上海研究院工程師，主要從事車(chē)聯(lián)網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、技術(shù)研究工作。

常潔（1984?），女，博士，現(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司上海研究院，主要研究方向?yàn)楣I(yè)網(wǎng)絡(luò)、5G等。

張東（1972?），男，中國(guó)電信集團(tuán)公司政企客戶(hù)事業(yè)部產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展中心主任、高級(jí)工程師，主要從事產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（互聯(lián)網(wǎng)+）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智慧城市方向的研究工作。

楊震（1972?），男，博士，中國(guó)電信股份有限公司上海研究院教授級(jí)高級(jí)工程師、物聯(lián)網(wǎng)部智能產(chǎn)品室主任，主要研究方向?yàn)槿斯ぶ悄?、自然語(yǔ)言處理、搜索引擎、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)