淺析工業互聯網推動工廠網絡與互聯網融合發展論文
1 工業制造領域的網絡發展現狀
當前，工業生產過程的控制已經實現了從模擬信號到數字信號的飛躍，以微處理器為核心的智能生產控制系統得到了廣泛的應用。伴隨著生產過程控制的自動化和數字化，數字通信網絡已經延伸到工業控制領域。隨著企業信息化的發展，連接信息終端與IT 系統的信息網絡也成為工廠網絡的重要組成部分。
總體來看，工廠網絡呈現“兩層三級”的結構。“兩層”是指存在“IT 網絡”和“OT 網絡”兩層技術異構的網絡;“三級”是指根據目前工廠管理層級的劃分，網絡也被分為“現場級”、“車間級”、“工廠級/企業級”3 個層次，每層之間的網絡配置和管理策略相互獨立。工業控制網絡，或稱為操作技術(OT)網絡，主要用于連接生產現場的控制器，如可編程控制器(PLC)、過程控制系統(DCS)、分散控制系統(FCS)等，以及傳感器、伺服器、監控設備等部件。工業控制過程對網絡的主要需求是網絡的確定性(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(網絡的丟包率與可用性)。工業控制網絡的主要實現技術分為現場總線和工業以太網兩大類。工廠信息網絡，或稱為信息技術(IT)網絡，主要由IP 網絡構成，并通過網關設備實現與互聯網和現場網絡的互聯和安全隔離。
1.2 OT 網絡的技術與產業現狀
OT 網絡技術主要包括現場總線和工業以太網兩類�，F場總線技術出現于20 世紀80 年代初，目前在工業控制領域占有60%以上的市場份額。雖然經歷了30 多年的標準化努力，現場總線技術標準仍呈現“諸侯割據，各自封閉”的狀況，許多國際制造業的巨頭形成并把控了各自不同的現場總線技術標準，并應用在不同的工業領域，如西門子的PROFIBUS、施耐德的Modbus、博世的CAN 總線等。在現場總線國際標準IEC61158 的第4 版中，包括了20 種不同的現場總線技術，也體現了目前工業控制領域各自為戰的局面。
隨著工業生產過程中信息化水平的不斷提高，現場總線正在向能夠兼容互聯網通信技術的工業以太網演進。工業以太網使基于IP 技術的數據采集、監控能力一直延伸到工業生產現場。目前工業以太網雖然都是基于標準的以太網(IEEE802.3)技術，但其技術體系也呈現“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，在工業控制領域中工業以太網的市場份額(2015 年為34%)仍然低于現場總線，但近年來一直呈現緩慢上升的趨勢，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(EPA)技術已經在2005年被列入IEC61158 標準，但在產業中實際市場份額較低。
2 工廠網絡存在的問題
目前工廠網絡中這種技術體系和網絡結構相互隔離的狀況使IT 系統與生產現場之間的通信存在很多障礙，難以滿足智能制造的需要，主要體現在以下3 點：
(1)工業控制網絡與企業信息化系統網絡技術體系各異，難以融合互通。智能化生產需要企業信息化系統充分收集生產現場的數據信息，以實現智能化的決策反饋。但目前工業企業內部在網絡結構上呈現“工業控制網絡”和“企業信息網絡”的兩級網絡劃分，工業控制網絡以工業總線、工業以太網等技術為基礎，企業信息網絡則以IP/以太網為基礎。兩級網絡之間由于技術體系的差異難以實現充分的信息交互，而且由于目前工業控制網絡技術呈現“七國八制，諸侯割據”的狀態，采用不同標準的系統之間的互通也存在極大障礙。因此，亟需在保障生產環節安全的前提下，打通企業信息網絡與工業控制網絡，實現生產現場數據的有效采集和流動。
(2)工業生產全流程存在大量“信息死角”，亟需實現網絡全覆蓋。智能制造是設計、生產、銷售、維護全流程的信息化、網絡化，但目前從機器設備、控制系統，到產供銷各流程還有大量沒有實現網絡化，或“智能化使能”的環節。在工業企業內部，由于沒有充分的網絡覆蓋，大量與生產、管理相關的數據無法生成和采集，使企業信息化系統變成是信息死海中的一個個“孤島”，難以發揮其作用。
(3)工業制造過程與互聯網的融合不足，難以催生新模式，新業態。無論是個性化定制還是網絡化協同，以及制造業的服務化轉型，互聯網都在其中發揮了連接產業環節，實現資源優化配置的重要作用。目前，中國的工業企業對互聯網的融合利用還很不足，對互聯網的應用大多數僅限于信息發布等簡單形式，“互聯網+制造”所引發的新模式、新業態還遠未得到開發。
3 工廠網絡與互聯網的融合發展
3.1 工業互聯網帶動工廠網絡與互聯網的融合
工業互聯網對現有生產過程的改造一方面體現在覆蓋工業生產生命周期的信息采集與分析，另一方面體現在利用互聯網實現工業生產的資源配置、協同合作和延伸服務。這些愿景需要工廠網絡與互聯網實現充分的融合。工廠網絡與互聯網的融合使工業互聯網呈現以3 類企業主體，7 類互聯主體，9 種互聯類型為特點的互聯體系。
3 類企業主體包括工業制造企業、工業服務企業和互聯網企業。工業制造企業提供基本的產品設計、生產、維護能力;工業服務企業利用對智能產品的數據采集、建模、分析形成創新的用戶服務模式與業態;互聯網企業利用其平臺資源優勢實現工業生產全生命周期的資源優化配置。在工業互聯網體系中，這3 類企業的角色是不斷滲透、不斷轉換的。
7 類互聯主體包括在制品、智能機器、工廠控制系統、工廠信息系統、智能產品、協作企業和用戶。在目前的工業生產模式中，機器、控制系統、信息系統等主體已經具備了一定的互聯能力，工業互聯網將互聯主體進一步擴展至在制產品、智能產品、用戶等工業生產生命周期各環節、各層面的主體之中，這也需要新型傳感設備、物聯網等使能技術的支撐。
9 種互聯類型包括了7 類互聯主體之間復雜多樣的互聯關系，目前已梳理出的互聯類型可能還不能完全體現工業互聯網中互聯關系的復雜性。這些互聯關系體現出工業生產過程中的網絡互聯已經遠遠超出了傳統OT 系統或IT 系統互聯的范疇，成為連接生產能力、設計能力、商業能力以及用戶服務的復雜網絡系統，其支撐技術也涵蓋了已有的工業控制網絡、互聯網、物聯網等技術。
3.2 工廠內部網絡與互聯網技術的融合
面向工業互聯網的需求，工廠內部網絡正逐步與互聯網技術實現融合，呈現“三化(IP 化、扁平化、無線化)+靈活組網”的發展趨勢。IP 化是指OT 網絡的IP 化，以實現從機器設備到IT 系統的端到端IP 互聯，進而實現整個制造系統更大范圍、更深層次的數據交互與協同。IP 網絡是目前互聯網和企業信息系統普遍采用的網絡技術，通過“IP 到底”實現工業生產全過程信息采集是合理的技術選擇。目前以PROFINET、Ethernet/IP 等為代表的工業以太網協議已經支持為現場設備分配IP 地址，并實現IP 流量與控制信息的共線傳送。
扁平化是減少工廠內數據傳送的層級，實現工業數據在生產現場和IT 系統間的快速流通，并支持實時或準實時的數據分析與決策反饋，從而實現智能化生產。扁平化有兩層含義：一是OT 層面的扁平化，將傳統上現場級、車間級、控制級等復雜分層的OT 網絡統一為扁平化的二層網絡;二是IT、OT 的融合化，通過業務網關類設備實現IT 層和OT 層的數據融合互通。
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”。目前傳統的2G/3G/LTE、WiFi 及zigbee 等無線技術已經逐步在工業互聯中獲得一定規模的應用;同時針對于工業場景的工業無線技術也開始出現，如WIA‐PA、WirelessHART 及ISA100.11a 等。但工業無線的應用總體還處于初期階段，實際應用部署較少，且主要在流程工業領域。隨著工業互聯網的發展，工業無線技術將逐步成為有線網絡的重要補充，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考慮到低功耗、大連接、高可靠的物聯網應用場景，未來可能在工業無線領域發揮更大作用。靈活組網是面向柔性生產的需要，通過網絡資源的動態調整，實現生產過程的靈活組織及生產設備的“即插即用”。目前的工業生產(主要指離散工業)基本上都是“剛性生產”模式，其互聯網絡也是“剛性網絡”，制造環節中機器、設備、輔助工具等需要按照預先的設定進行互聯。未來工業生產大規模定制化的特點需要資源組織更加靈活，更加智能，以軟件定義網絡(SDN)為基礎的新型網絡技術可實現網絡資源的動態調整，打破工廠內部網絡剛性組織的局限，適應智能機器自組織和生產線敏捷部署的要求。
3.3 工業生產與互聯網業務模式的融合
目前工業生產生命周期與互聯網的結合主要是商業銷售環節的結合，并催生出“淘工廠”等新業態。隨著網絡和信息技術、服務模式的發展，原來局限在工廠內的工業生產過程逐步走向外部網絡，體現為工廠內系統、網絡與工廠外網絡(互聯網)逐步實現融合，以實現更為靈活的生產組織、更加優化的產業分工、更加便捷的產業鏈協作，或形成以往無法實現的新的服務業態。
工業生產與互聯網業務模式的融合體現為四大類：IT 系統與互聯網的融合、OT 系統與互聯網的融合、企業專網與互聯網的融合、產品服務與互聯網的融合。IT 系統與互聯網融合從網絡層面來看是工廠內部IT 網絡向外網的延伸。企業將其IT 系統(如企業資源計劃(ERP)、客戶關系管理系統(CRM)等)托管在互聯網的云服務平臺中，或利用軟件即服務(SaaS)服務商提供的企業IT 軟件服務。目前美國的Autodesk、法國的達索，以及中國的數碼大方等企業已經開始面向中小企業提供這類云服務。
OT 系統與互聯網融合從網絡層面看是OT 系統網絡向外網的延伸。在一些人力較難達到，且又需要實現生產過程調整和維護的場景下，需要通過可靠的互聯網連接，實現遠程的OT 系統控制。目前沈陽機床廠的`“i5”平臺可以初步實現對不同地理位置機床的遠程監控，就是這類服務的雛形，但不同的OT 業務流對網絡要求不同。目前互聯網的質量對于時延、抖動、可靠性有極高要求的實時控制和同步實時控制還很難承載。企業專網與互聯網融合是將在公眾網絡中為企業生成獨立的網絡平面，并可對帶寬、服務質量等進行定制。這類業務場景不僅需要為企業提供獨立的鏈路資源(VPN)，還需要提供獨立的網絡資源控制能力，開放的網絡可編程能力，以及定制化的網絡資源(如帶寬、服務質量等)。目前的互聯網尚不支持此類業務場景，需要網絡虛擬化及軟件定義技術的進一步發展與部署。產品服務與互聯網融合將通過智能工業產品的信息采集和聯網能力為工業企業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互聯網數據分析平臺，工業企業基于這些平臺可以為用戶提供產品監測、預測性維護等延伸服務，從而延長了工業生產的價值鏈。這類業務的基礎是對海量產品的數據采集與監測，需要通過無線等技術實現工業產品的泛在接入。
3.4 工廠網絡與互聯網融合發展的技術需求
基于我們目前的研究，工廠網絡與互聯網的融合仍將基于目前以IP 技術為基礎的互聯網技術體系。另外由于工業互聯網需要連接大量的無處不在的企業、用戶、智能產品(如汽車、工程機械)等，需要依托公眾網絡，因此從網絡建設部署的角度看，工業互聯網應和公眾網絡融合在一起，部分環節有可能采用專網或虛擬專網。
雖然工業互聯網引發的工廠網絡與互聯網融合尚在發展初期，但一些關鍵技術需求或方向已經顯現，包括以下6 個方面：(1)支持控制信息與數據信息共線傳送的高可靠工業以太網技術;(2)面向工業生產的無線解決方案;(3)支持生產現場控制網絡靈活組網的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絡技術;(5)生產現場數據向云端集成的信息傳送技術;(6)支持骨干網絡多租戶隔離的網絡虛擬化和軟件定義網絡技術。
4 加快中國工業互聯網發展的建議
(1)利用科研專項等方式加快中國自主知識產權的工業控制網絡技術研發及標準化，并以產業聯盟的形式集中工業企業、IT 企業、互聯網企業以及研究機構的力量，盡快實現規模應用，形成產業生態。
(2)利用中國ICT、互聯網產業技術方面的比較優勢，加強ICT 新技術與工業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，占據國際技術研究的前沿。
(3)鼓勵中國企業、科研機構等積極參與國際工業互聯網相關產業、標準組織活動，緊跟國際工業互聯網技術進展的步伐，并爭取對其發展方向產生影響。(4)建立國家級工業互聯網創新平臺，圍繞工業互聯網整體技術架構、網絡技術、標識解析、工業大數據、工業云平臺、安全防護等領域的技術、標準、產品驗證，構建工業互聯網技術和產業創新服務體系，開展產業轉化與推廣，引領和支撐中國工業互聯網技術與產業的發展。
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