從“制造”到“智造”，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要走多遠(yuǎn)

在2021年北京地區(qū)學(xué)術(shù)成果報(bào)告會(huì)（自動(dòng)化及人工智能領(lǐng)域）上，北京科技大學(xué)教授王健全以“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)”為主題，深入淺出地講述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的歷史、現(xiàn)狀與未來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)的集成融合創(chuàng)新，形成了一種全新的生態(tài)，從工業(yè)3.0到工業(yè)4.0的轉(zhuǎn)型是一條從自動(dòng)化走向智能化的路徑。打破傳統(tǒng)金字塔架構(gòu)，借助5G技術(shù)和TSN（時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)）的融合實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)互通，解決各種技術(shù)難題，需要傳感、通信、控制、人工智能多個(gè)學(xué)科的融合。

走向智能化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

第一次工業(yè)革命的蒸汽已經(jīng)逐漸消散在百余年漫長的時(shí)光里，歷史則不斷證明著“落后就要挨打”的真理。工業(yè)革命經(jīng)歷了機(jī)械化、電子化、自動(dòng)化3個(gè)階段，目前正處于向自動(dòng)化和智能化的嬗變中。當(dāng)時(shí)代的浪潮滾滾向前，任何國家都是逆水行舟，不進(jìn)則退。因而各國都在加緊推動(dòng)工業(yè)革命的升級改造，2012年美國率先提出了先進(jìn)的制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃，2013年德國政府將“德國工業(yè)4.0”納入到“高科技戰(zhàn)略”的框架之下，英國提出“英國工業(yè)2050戰(zhàn)略”，將提振制造業(yè)作為經(jīng)濟(jì)復(fù)蘇的核心，中國也在2015年提出了“中國制造2025”戰(zhàn)略，以應(yīng)對新一輪的科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。

在這場沒有硝煙的占據(jù)新產(chǎn)業(yè)變革制高點(diǎn)的激烈競爭之中，信息技術(shù)尤為重要。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為信息推動(dòng)工業(yè)變革的典型代表，體現(xiàn)了工業(yè)和ICT信息通信技術(shù)能力的集成融合和創(chuàng)新，它的主要特征包括3個(gè)層面：數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化，分別對應(yīng)了狀態(tài)的全面改制，網(wǎng)絡(luò)的全面動(dòng)態(tài)和可靠連接，以及數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)，它以數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化為基礎(chǔ)，最終達(dá)成智能化的目標(biāo)。

觀照近年全球各國實(shí)施的戰(zhàn)略政策不難發(fā)現(xiàn)，作為推進(jìn)工業(yè)4.0升級改造的重要一環(huán)，推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深入發(fā)展已經(jīng)成為國際共識。自2018年起，德國、日韓、歐盟陸續(xù)推出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G方面的國家戰(zhàn)略。2021年5月，我國將5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)列為新基建，在“十四五”開篇之年又把工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)列為了數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)行業(yè)，國家的各部委出臺各自相應(yīng)政策來推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的加速落地。2020年12月22日印發(fā)的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2021—2023年）》，在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、深化融合應(yīng)用、強(qiáng)化技術(shù)創(chuàng)新、重大產(chǎn)業(yè)生態(tài)、提升安全水平等方面都提出了系統(tǒng)全面的部署和落地化的要求，助力中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從培育期轉(zhuǎn)向快速發(fā)展 期。

工業(yè)4.0的前身自然是工業(yè)3.0，即仍屬于金字塔架構(gòu)的傳統(tǒng)自動(dòng)化階段，它使機(jī)器完全擺脫了人的控制，但在向智能化轉(zhuǎn)變的過程中，由于無法實(shí)現(xiàn)跨層、跨系統(tǒng)之間交互和全局的動(dòng)態(tài)管控，數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)被限制，這種不適應(yīng)約束了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展?！耙?yàn)楝F(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的架構(gòu)沒有去打開，所以現(xiàn)在我國‘5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)’基本應(yīng)用停留在工業(yè)制造環(huán)節(jié)。”王健全說道。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展賦能智能制造

“天下大勢，浩浩湯湯，順之者昌，逆之者亡?！惫I(yè)互聯(lián)網(wǎng)已是不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，也是我們國家進(jìn)一步崛起的必由之路，但真正賦能智能制造任重道遠(yuǎn)。王健全教授提出，其一要與行業(yè)對接，補(bǔ)齊相關(guān)標(biāo)準(zhǔn);其二需要將感知層跟網(wǎng)絡(luò)結(jié)合達(dá)到高速的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn);其三要用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)建統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)以實(shí)現(xiàn)互通。此外，深化5G能力、提升決策智能化水平、促進(jìn)工業(yè)知識模型進(jìn)步同樣刻不容緩。工業(yè)4.0最終必然要建立網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造云邊端架構(gòu)來打破傳統(tǒng)的金字塔模型。

推陳出新、革故鼎新從來不是說說那么容易，實(shí)現(xiàn)上述突破需要完成許多具有挑戰(zhàn)性的工作：工業(yè)控制的虛擬化，把PLC（可編程邏輯控制器）上移，進(jìn)而通過云化可編程邏輯控制器，解決工業(yè)互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通難題;云端帶來的距離問題和傳輸可靠性問題要求一張端到端、低時(shí)延、高可靠、確定性的網(wǎng)絡(luò);連接的統(tǒng)一要與應(yīng)用層消息標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一相互配合，控制網(wǎng)絡(luò)要一體化管控……

一旦實(shí)現(xiàn)了架構(gòu)的變化，就能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的橫向和縱向互通，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)維度，控制資源、網(wǎng)絡(luò)資源的數(shù)據(jù)也將作為被控因素和決策因素，將具體的AI和工業(yè)應(yīng)用的機(jī)理知識結(jié)合，由預(yù)測性維護(hù)走向了智能化決策。最重要的是，當(dāng)結(jié)構(gòu)不再是傳統(tǒng)金字塔架構(gòu)，從封閉走向開放，相當(dāng)于我們打破了國外傳統(tǒng)的壟斷架構(gòu)，這就要求我們必須構(gòu)建設(shè)備網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)應(yīng)用等端到端的縱深安全體系，必須基于自主可控的技術(shù)來進(jìn)行構(gòu) 造。

總的來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)呈現(xiàn)統(tǒng)一融合、分離耦合、自主安全的特點(diǎn)?！拔覀兎蛛x和結(jié)耦是為了更好地統(tǒng)一融合，更好地統(tǒng)一融合是為了更好地智能化，而自主是為了安全，安全是智能化的一個(gè)保證?！蓖踅∪谘葜v中如是說。

路漫漫其修遠(yuǎn)兮，吾將上下而求索

攻克工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，可以說是“正入萬山圈子里，一山放過一山攔”。目前網(wǎng)絡(luò)私有標(biāo)準(zhǔn)林立，需要構(gòu)建統(tǒng)一的連接滿足確定性、可靠性的要求，通過5G-TSN構(gòu)建一個(gè)端到端、可靠、低時(shí)延的骨干網(wǎng)架構(gòu)。但5G和TSN來自不同標(biāo)準(zhǔn)，持不同的描述方式和管控方式，為此國家設(shè)立了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，研究5G-TSN的協(xié)同傳輸關(guān)鍵技術(shù)。這個(gè)計(jì)劃的推進(jìn)本身也是不斷攻堅(jiān)克難的過程，技術(shù)人員需要克服無線信道識別和終端移動(dòng)端的不確定因素來實(shí)現(xiàn)端到端的可確定性，需要研究如何統(tǒng)一端到端的管控和跨越，如何實(shí)現(xiàn)資源的聯(lián)動(dòng)和優(yōu)化，需要實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步，確定性機(jī)制，進(jìn)行研制作為應(yīng)用示范，等等。

王健全教授總結(jié)了圍繞5G-TSN構(gòu)建的一個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)在4個(gè)層面上的創(chuàng)新點(diǎn)：第一個(gè)層面是要有一個(gè)融合統(tǒng)一的管控的架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)不同網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議互通、資源描述互通;第二個(gè)層面是5G本身需要從可靠性、低延時(shí)上進(jìn)行提升;第三個(gè)層面是實(shí)現(xiàn)端到端聯(lián)合的優(yōu)化，保持3GPP和TSN的時(shí)鐘統(tǒng)一;第四個(gè)層面是從網(wǎng)絡(luò)側(cè)、終端側(cè)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的互通。

然而，在構(gòu)建融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上，5G-TSN協(xié)同架構(gòu)并非終點(diǎn)，而只是一個(gè)開始。大量的存量設(shè)備如何連接，如何在存量和增量上用同一張網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)，這些是更重要的問題，需要跟工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)連接，這涉及多域、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的整體管控和協(xié)同，還需要解決異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一組網(wǎng)模式、互通機(jī)制、資源調(diào)度，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)，控制的融合技術(shù)，多元協(xié)同多目標(biāo)優(yōu)化技術(shù)，現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的管控配置技術(shù)等難題。

王健全教授說：“數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)、安全可控、網(wǎng)絡(luò)的泛在統(tǒng)一、資源統(tǒng)一調(diào)配和管控、運(yùn)行決策的多維智能化是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的主要特征。（工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)）不是一個(gè)學(xué)科干的事情，而要多學(xué)科相互融合來解決問題?！?/p>

當(dāng)美國高調(diào)呼吁制造業(yè)崗位回流，當(dāng)英國認(rèn)識到制造業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)韌性方面的重要性，當(dāng)金融泡沫破裂、經(jīng)濟(jì)發(fā)展持續(xù)走虛，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為智能制造的基礎(chǔ)平臺，其重要意義不言而喻。誠然，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)愿景的實(shí)現(xiàn)不會(huì)一帆風(fēng)順，作為一門新興的交叉學(xué)科，種種技術(shù)難題都尚待解決，但“道路是曲折的，前途是光明的”，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與控制層面相結(jié)合，逐步改變傳統(tǒng)金字塔結(jié)構(gòu)，每一小步都是從工業(yè)3.0邁向工業(yè)4.0的實(shí)質(zhì)性的一大步。