工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展

高巍

摘要：從目前工廠網(wǎng)絡面對智能制造需求存在的問題出發(fā)，分析工廠內部網(wǎng)絡 “三化（IP化、扁平化、無線化）+靈活組網(wǎng)”的發(fā)展趨勢，指出工業(yè)生產與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式的融合體現(xiàn)為四大類：信息技術（IT）系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、操作技術（OT）系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、企業(yè)專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、產品服務與互聯(lián)網(wǎng)的融合，并認為工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合仍將基于目前以IP技術為基礎的互聯(lián)網(wǎng)技術體系。

關鍵詞： 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；智能制造；互聯(lián)網(wǎng)；IT；OT

Abstract：In this paper， considering the existing problems of plant network faced by intelligent manufacturing， we analyze the development trend of plant network： IP networking， flat networking， wireless networking， and flexible networking. We also summarize the integration of the industrial manufacturing and the internet service model， including the convergence of information technology （IT） system， operation technology （OT） system， enterprise network， and product service with the Internet. It is believed that the integration of the plant network and the Internet will be based on the IP technology.

Key words： industrial Internet； intelligent manufacturing； Internet； IT； OT

2015年發(fā)布的《中國制造2025》是中國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領?！爸悄苤圃臁笔恰吨袊圃?025》中的重要關鍵詞，可以總結為以“智能化生產”為主要制造形態(tài)，以“個性化定制”為主要生產方式，以“網(wǎng)絡化協(xié)同”為主要的組織機制，以“服務化轉型”為主要的發(fā)展方向的新型工業(yè)發(fā)展模式。

信息化與工業(yè)化的深度融合是實現(xiàn)智能制造的前提條件，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)“智能制造”的重要基礎設施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是工業(yè)制造業(yè)與信息通信技術（ICT）產業(yè)的交叉領域，綜合了工業(yè)制造、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)的技術創(chuàng)新。預計在未來幾十年內，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域將出現(xiàn)應用、技術、網(wǎng)絡的大規(guī)模集中創(chuàng)新，可能引領網(wǎng)絡技術與架構的發(fā)展，并引發(fā)工業(yè)制造模式的變革。

1 工業(yè)制造領域的網(wǎng)絡發(fā)展

現(xiàn)狀

當前，工業(yè)生產過程的控制已經(jīng)實現(xiàn)了從模擬信號到數(shù)字信號的飛躍，以微處理器為核心的智能生產控制系統(tǒng)得到了廣泛的應用。伴隨著生產過程控制的自動化和數(shù)字化，數(shù)字通信網(wǎng)絡已經(jīng)延伸到工業(yè)控制領域。隨著企業(yè)信息化的發(fā)展，連接信息終端與IT系統(tǒng)的信息網(wǎng)絡也成為工廠網(wǎng)絡的重要組成部分。

1.1 工廠網(wǎng)絡架構

目前工廠網(wǎng)絡的一般架構如圖1所示。

總體來看，工廠網(wǎng)絡呈現(xiàn)“兩層三級”的結構?！皟蓪印笔侵复嬖凇靶畔⒓夹g（IT）網(wǎng)絡”和“操作技術（OT）網(wǎng)絡”兩層技術異構的網(wǎng)絡；“三級”是指根據(jù)目前工廠管理層級的劃分，網(wǎng)絡也被分為“現(xiàn)場級”、“車間級”、“工廠級/企業(yè)級”3個層次，每層之間的網(wǎng)絡配置和管理策略相互獨立。

工業(yè)控制網(wǎng)絡，或稱為OT網(wǎng)絡，主要用于連接生產現(xiàn)場的控制器，如可編程控制器（PLC）、過程控制系統(tǒng)（DCS）、分散控制系統(tǒng)（FCS）等，以及傳感器、伺服器、監(jiān)測控制設備等部件。工業(yè)控制過程對網(wǎng)絡的主要需求是網(wǎng)絡的確定性（包括對時延、時延抖動的嚴格要求，以及時間同步要求等）和可靠性（網(wǎng)絡的丟包率與可用性）。工業(yè)控制網(wǎng)絡的主要實現(xiàn)技術可分為現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)兩大類。

工廠信息網(wǎng)絡，或稱為IT網(wǎng)絡，主要由IP網(wǎng)絡構成，并通過網(wǎng)關設備實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場網(wǎng)絡的互聯(lián)和安全隔離。

1.2 OT網(wǎng)絡的技術與產業(yè)現(xiàn)狀

OT網(wǎng)絡技術主要包括現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)兩類。

現(xiàn)場總線技術出現(xiàn)于20世紀80年代初，目前在工業(yè)控制領域占有60%以上的市場份額。雖然經(jīng)歷了30多年的標準化努力，現(xiàn)場總線技術標準仍呈現(xiàn)“諸侯割據(jù)，各自封閉”的狀況，許多國際制造業(yè)的巨頭形成并把控了各自不同的現(xiàn)場總線技術標準，并應用在不同的工業(yè)領域，如西門子的PROFIBUS、施耐德的Modbus、博世的CAN總線等。在現(xiàn)場總線國際標準IEC61158的第4版中，包括了20種不同的現(xiàn)場總線技術，也體現(xiàn)了目前工業(yè)控制領域各自為戰(zhàn)的局面。

隨著工業(yè)生產過程中信息化水平的不斷提高，現(xiàn)場總線正在向能夠兼容互聯(lián)網(wǎng)通信技術的工業(yè)以太網(wǎng)演進。工業(yè)以太網(wǎng)使基于IP技術的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測控制能力一直延伸到工業(yè)生產現(xiàn)場。目前工業(yè)以太網(wǎng)雖然都是基于標準的以太網(wǎng)（IEEE802.3）技術，但其技術體系也呈現(xiàn)“各自獨立”的局面，主要有西門子的PROFINET、羅克韋爾/思科的Ethernet/IP、倍福（Beckhoff）的EtherCAT等標準?？傮w上看，在工業(yè)控制領域中工業(yè)以太網(wǎng)的市場份額（2015年為34%）仍然低于現(xiàn)場總線，但近年來一直呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢，預計到2017年其市場份額將達到38%。

中國在工業(yè)控制領域一直處于比較弱勢的地位，雖然由浙江大學、浙江中控技術有限公司、中國科學院沈陽自動化研究所等提出的面向工廠自動化的以太網(wǎng)（EPA）技術已經(jīng)在2005年被列入IEC61158標準，但在產業(yè)中實際市場份額較低[1-2]。

2 工廠網(wǎng)絡存在的問題

目前工廠網(wǎng)絡中這種技術體系和網(wǎng)絡結構相互隔離的狀況使IT系統(tǒng)與生產現(xiàn)場之間的通信存在很多障礙，難以滿足智能制造的需要，主要體現(xiàn)在以下3點：

（1）工業(yè)控制網(wǎng)絡與企業(yè)信息化系統(tǒng)網(wǎng)絡技術體系各異，難以融合互通。智能化生產需要企業(yè)信息化系統(tǒng)充分收集生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，以實現(xiàn)智能化的決策反饋。但目前工業(yè)企業(yè)內部在網(wǎng)絡結構上呈現(xiàn)“工業(yè)控制網(wǎng)絡”和“企業(yè)信息網(wǎng)絡”的兩級網(wǎng)絡劃分，工業(yè)控制網(wǎng)絡以工業(yè)總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術為基礎，企業(yè)信息網(wǎng)絡則以IP/以太網(wǎng)為基礎。兩級網(wǎng)絡之間由于技術體系的差異難以實現(xiàn)充分的信息交互，而且由于目前工業(yè)控制網(wǎng)絡技術呈現(xiàn)“七國八制，諸侯割據(jù)”的狀態(tài)，采用不同標準的系統(tǒng)之間的互通也存在極大障礙。因此，亟需在保障生產環(huán)節(jié)安全的前提下，打通企業(yè)信息網(wǎng)絡與工業(yè)控制網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)的有效采集和流動。

（2）工業(yè)生產全流程存在大量“信息死角”，亟需實現(xiàn)網(wǎng)絡全覆蓋。智能制造是設計、生產、銷售、維護全流程的信息化、網(wǎng)絡化，但目前從機器設備、控制系統(tǒng)，到產供銷各流程還有大量沒有實現(xiàn)網(wǎng)絡化，或“智能化使能”的環(huán)節(jié)。在工業(yè)企業(yè)內部，由于沒有充分的網(wǎng)絡覆蓋，大量與生產、管理相關的數(shù)據(jù)無法生成和采集，這會使得企業(yè)信息化系統(tǒng)變成是信息死海中的一個個“孤島”，難以發(fā)揮其作用。

（3）工業(yè)制造過程與互聯(lián)網(wǎng)的融合不足，難以催生新模式、新業(yè)態(tài)。無論是個性化定制還是網(wǎng)絡化協(xié)同，以及制造業(yè)的服務化轉型，互聯(lián)網(wǎng)都在其中發(fā)揮了連接產業(yè)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)資源優(yōu)化配置的重要作用。目前，中國的工業(yè)企業(yè)對互聯(lián)網(wǎng)的融合利用還很不足，對互聯(lián)網(wǎng)的應用大多數(shù)僅限于信息發(fā)布等簡單形式，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”所引發(fā)的新模式、新業(yè)態(tài)還遠未得到開發(fā)。

3 工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合

發(fā)展

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶動工廠網(wǎng)絡與

互聯(lián)網(wǎng)的融合

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對現(xiàn)有生產過程的改造一方面體現(xiàn)在覆蓋工業(yè)生產生命周期的信息采集與分析，另一方面體現(xiàn)在利用互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)工業(yè)生產的資源配置、協(xié)同合作和延伸服務。這些愿景需要工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)充分的融合。

工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)呈現(xiàn)以3類企業(yè)主體、7類互聯(lián)主體、9種互聯(lián)類型為特點的互聯(lián)體系，如圖2所示。

3類企業(yè)主體包括工業(yè)制造企業(yè)、工業(yè)服務企業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)。工業(yè)制造企業(yè)提供基本的產品設計、生產、維護能力；工業(yè)服務企業(yè)利用對智能產品的數(shù)據(jù)采集、建模、分析形成創(chuàng)新的用戶服務模式與業(yè)態(tài)；互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)利用其平臺資源優(yōu)勢實現(xiàn)工業(yè)生產全生命周期的資源優(yōu)化配置。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系中，這3類企業(yè)的角色是不斷滲透，并且不斷進行轉換的。

7類互聯(lián)主體包括在制品、智能機器、工廠控制系統(tǒng)、工廠信息系統(tǒng)、智能產品、協(xié)作企業(yè)和用戶。在目前的工業(yè)生產模式中，機器、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)等主體已經(jīng)具備了一定的互聯(lián)能力，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將互聯(lián)主體進一步擴展至在制產品、智能產品、用戶等工業(yè)生產生命周期各環(huán)節(jié)、各層面的主體之中，這也需要新型傳感設備、物聯(lián)網(wǎng)等使能技術的支撐。

9種互聯(lián)類型包括了7類互聯(lián)主體之間復雜多樣的互聯(lián)關系，目前已梳理出的互聯(lián)類型可能還不能完全體現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中互聯(lián)關系的復雜性。這些互聯(lián)關系體現(xiàn)出工業(yè)生產過程中的網(wǎng)絡互聯(lián)已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)OT系統(tǒng)或IT系統(tǒng)互聯(lián)的范疇，成為連接生產能力、設計能力、商業(yè)能力以及用戶服務的復雜網(wǎng)絡系統(tǒng)，其支撐技術也涵蓋了已有的工業(yè)控制網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等技術。

3.2 工廠內部網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)技術的

融合

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求，工廠內部網(wǎng)絡正逐步與互聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)融合，呈現(xiàn)“三化（IP化、扁平化、無線化）+靈活組網(wǎng)”的發(fā)展趨勢。

IP化是指OT網(wǎng)絡的IP化，以實現(xiàn)從機器設備到IT系統(tǒng)的端到端IP互聯(lián)，進而實現(xiàn)整個制造系統(tǒng)更大范圍、更深層次的數(shù)據(jù)交互與協(xié)同。IP網(wǎng)絡是目前互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)信息系統(tǒng)普遍采用的網(wǎng)絡技術，通過“IP到底”實現(xiàn)工業(yè)生產全過程信息采集是合理的技術選擇。目前以PROFINET、Ethernet/IP等為代表的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)支持為現(xiàn)場設備分配IP地址，并可以實現(xiàn)IP流量與控制信息的共線傳送。

扁平化是減少工廠內數(shù)據(jù)傳送的層級，實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)在生產現(xiàn)場和IT系統(tǒng)間的快速流通，并支持實時或準實時的數(shù)據(jù)分析與決策反饋，從而實現(xiàn)智能化生產。扁平化有兩層含義：一是OT層面的扁平化，將傳統(tǒng)上現(xiàn)場級、車間級、控制級等復雜分層的OT網(wǎng)絡統(tǒng)一為扁平化的二層網(wǎng)絡；二是IT、OT的融合化，通過業(yè)務網(wǎng)關類設備實現(xiàn)IT層和OT層的數(shù)據(jù)融合互通。

無線化是利用各種無線技術支持工廠內更加廣泛的信息采集與傳送，消除工廠內的“信息死角”。目前傳統(tǒng)的2G/3G/LTE、WiFi及zigbee等無線技術已經(jīng)逐步在工業(yè)互聯(lián)中獲得一定規(guī)模的應用；同時針對于工業(yè)場景的工業(yè)無線技術也開始出現(xiàn)，如WIA-PA、WirelessHART及ISA100.11a等。但工業(yè)無線的應用總體還處于初期階段，實際應用部署較少，且主要在流程工業(yè)領域。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，工業(yè)無線技術將逐步成為有線網(wǎng)絡的重要補充，但還需要解決電磁信道干擾、低功耗、可靠性等關鍵問題。

5G技術在場景設計中已經(jīng)考慮到低功耗、大連接、高可靠的物聯(lián)網(wǎng)應用場景，未來可能在工業(yè)無線領域發(fā)揮更大作用。

靈活組網(wǎng)是面向柔性生產的需要，通過網(wǎng)絡資源的動態(tài)調整，實現(xiàn)生產過程的靈活組織及生產設備的“即插即用”。目前的工業(yè)生產（主要指離散工業(yè)）基本上都是“剛性生產”模式，其互聯(lián)網(wǎng)絡也是“剛性網(wǎng)絡”，制造環(huán)節(jié)中機器、設備、輔助工具等需要按照預先的設定進行互聯(lián)。未來工業(yè)生產大規(guī)模定制化的特點需要資源組織更加靈活，更加智能，以軟件定義網(wǎng)絡（SDN）為基礎的新型網(wǎng)絡技術可實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的動態(tài)調整，打破工廠內部網(wǎng)絡剛性組織的局限，適應智能機器自組織和生產線敏捷部署的要求[3]。

3.3 工業(yè)生產與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式的

融合

目前工業(yè)生產生命周期與互聯(lián)網(wǎng)的結合主要是商業(yè)銷售環(huán)節(jié)的結合，并催生出“淘工廠”等新業(yè)態(tài)。隨著網(wǎng)絡和信息技術、服務模式的發(fā)展，原來局限在工廠內的工業(yè)生產過程逐步走向外部網(wǎng)絡，體現(xiàn)為工廠內系統(tǒng)、網(wǎng)絡與工廠外網(wǎng)絡（互聯(lián)網(wǎng)）逐步實現(xiàn)融合，以實現(xiàn)更為靈活的生產組織、更加優(yōu)化的產業(yè)分工、更加便捷的產業(yè)鏈協(xié)作，或形成以往無法實現(xiàn)的新的服務業(yè)態(tài)[4]。

工業(yè)生產與互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務模式的融合體現(xiàn)為四大類：IT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、OT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、企業(yè)專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的融合、產品服務與互聯(lián)網(wǎng)的融合。

IT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)融合從網(wǎng)絡層面來看是工廠內部IT網(wǎng)絡向外網(wǎng)的延伸。企業(yè)將其IT系統(tǒng)（如企業(yè)資源計劃（ERP）、客戶關系管理系統(tǒng)（CRM）等）托管在互聯(lián)網(wǎng)的云服務平臺中，或利用軟件即服務（SaaS）服務商提供的企業(yè)IT軟件服務。目前美國的Autodesk、法國的達索，以及中國的數(shù)碼大方等企業(yè)已經(jīng)開始面向中小企業(yè)提供這類云服務。

OT系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)融合從網(wǎng)絡層面看是OT系統(tǒng)網(wǎng)絡向外網(wǎng)的延伸。在一些人力較難達到，且又需要實現(xiàn)生產過程調整和維護的場景下，需要通過可靠的互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)遠程的OT系統(tǒng)控制。目前沈陽機床廠的“i5”平臺可以初步實現(xiàn)對不同地理位置機床的遠程監(jiān)測控制，就是這類服務的雛形，但不同的OT業(yè)務流對網(wǎng)絡要求不同。目前互聯(lián)網(wǎng)的質量對于時延、抖動、可靠性等有著極高要求的實時控制和同步實時控制還很難承載。

企業(yè)專網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)融合是將在公眾網(wǎng)絡中為企業(yè)生成獨立的網(wǎng)絡平面，并可對帶寬、服務質量等進行定制。這類業(yè)務場景不僅需要為企業(yè)提供獨立的鏈路資源，還需要提供獨立的網(wǎng)絡資源控制能力，開放的網(wǎng)絡可編程能力，以及定制化的網(wǎng)絡資源（如帶寬、服務質量等）。目前的互聯(lián)網(wǎng)尚不支持此類業(yè)務場景，需要網(wǎng)絡虛擬化及軟件定義技術的進一步發(fā)展與部署。

產品服務與互聯(lián)網(wǎng)融合將通過智能工業(yè)產品的信息采集和聯(lián)網(wǎng)能力為工業(yè)企業(yè)提供新的產品服務模式。目前IBM、微軟、GE等公司紛紛推出各自的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)分析平臺，工業(yè)企業(yè)基于這些平臺可以為用戶提供產品監(jiān)測、預測性維護等延伸服務，從而延長了工業(yè)生產的價值鏈。這類業(yè)務的基礎是對海量產品的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測，需要通過無線等技術實現(xiàn)工業(yè)產品的泛在接入。

3.4 工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的

技術需求

基于我們目前的研究，工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合仍將基于目前以IP技術為基礎的互聯(lián)網(wǎng)技術體系。另外由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要連接大量的無處不在的企業(yè)、用戶、智能產品（如汽車、工程機械）等，需要依托公眾網(wǎng)絡，因此從網(wǎng)絡建設部署的角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應和公眾網(wǎng)絡融合在一起，部分環(huán)節(jié)有可能采用專網(wǎng)或虛擬專網(wǎng)[5]。

雖然工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)的工廠網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)融合尚在發(fā)展初期，但一些關鍵技術需求或方向已經(jīng)顯現(xiàn)，包括以下6個方面：（1）支持控制信息與數(shù)據(jù)信息共線傳送的高可靠工業(yè)以太網(wǎng)技術；（2）面向工業(yè)生產的無線解決方案；（3）支持生產現(xiàn)場控制網(wǎng)絡靈活組網(wǎng)的SDN技術；（4）包括NB-IoT、5G在內的面向海量產品泛在接入的無線網(wǎng)絡技術；（5）生產現(xiàn)場數(shù)據(jù)向云端集成的信息傳送技術；（6）支持骨干網(wǎng)絡多租戶隔離的網(wǎng)絡虛擬化和軟件定義網(wǎng)絡技術。

4 中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的

建議

（1）利用科研專項等方式加快中國自主知識產權的工業(yè)控制網(wǎng)絡技術研發(fā)及標準化，并以產業(yè)聯(lián)盟的形式集中工業(yè)企業(yè)、IT企業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)以及研究機構的力量，盡快實現(xiàn)規(guī)模應用，形成產業(yè)生態(tài)。

（2）利用中國ICT、互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)技術方面的比較優(yōu)勢，加強ICT新技術與工業(yè)領域融合技術的研究，在一些新興技術領域形成我們自己的突破點，占據(jù)國際技術研究的前沿。

（3）鼓勵中國企業(yè)、科研機構等積極參與國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關產業(yè)、標準組織活動，緊跟國際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術進展的步伐，并爭取對其發(fā)展方向產生影響。

（4）建立國家級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新平臺，圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體技術架構、網(wǎng)絡技術、標識解析、工業(yè)大數(shù)據(jù)、工業(yè)云平臺、安全防護等領域的技術、標準、產品驗證，構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術和產業(yè)創(chuàng)新服務體系，開展產業(yè)轉化與推廣，引領和支撐中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術與產業(yè)的發(fā)展。

參考文獻

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