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5G：搭建比馬達還快的機器連接

2012年，國際制造業(yè)巨頭—美國通用電氣公司(GE)首次提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念，認為未來將通過設備、互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)相結合，促進更先進的設備和更完善的服務產生，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將是繼工業(yè)革命和互聯(lián)網(wǎng)革命之后的下一次全球商業(yè)浪潮。

隨后，德國、中國等國際大國相繼將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)擺著重要戰(zhàn)略地位，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)之戰(zhàn)一觸即發(fā)。

5G是如何助燃工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)?據(jù)悉，要想節(jié)省工廠效率，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就需要完成工業(yè)自動化的工業(yè)控制，而這需要端到端毫秒級的超低時延和接近100%的高可靠性通信做保障。

5G網(wǎng)絡切片技術能夠為工業(yè)應用分配專屬的低時延高可靠切片，并通過切片內部參數(shù)監(jiān)控，實現(xiàn)可根據(jù)業(yè)務需求變化自動優(yōu)化網(wǎng)絡參數(shù)，并可針對不同企業(yè)的多樣產品需求進行更細粒度切片, 從而可以較低成本滿足垂直行業(yè)需求。

盡管5G還未走進現(xiàn)實，華為、中興、愛立信、諾基亞等國際主流設備商在加緊研發(fā)5G技術的同時，都在積極與垂直行業(yè)合作，利用其端到端無線網(wǎng)絡試水工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

　 此外，愛立信也將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為5G的殺手級應用，并在MWC2018上和中國移動聯(lián)合展示了智能工廠，該應用是利用5G網(wǎng)絡切片能力，支撐產線產品的定制化組裝能力，對產線上的配件信息實時采集，借助云端人工智能進行識別和匹配，并根據(jù)識別結果，驅動機械臂完成產品組裝。

同時，諾基亞也與中國移動共同展示了5G網(wǎng)絡切片在工業(yè)自動化領域的應用場景，通過移動網(wǎng)絡實現(xiàn)了液壓自動化高精度控制和作業(yè)場地實時監(jiān)控的業(yè)務演示， 展示了5G網(wǎng)絡切片技術在工業(yè)自動化領域的應用實踐。

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邊緣計算：海量工業(yè)應用的計算基石

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)離不開邊緣計算(MEC)。

IDC統(tǒng)計，截至2020年將有超過500億終端與設備聯(lián)網(wǎng)，未來超過50%的數(shù)據(jù)需要在網(wǎng)絡邊緣側分析、處理與儲存。邊緣計算能在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡邊緣側就近提供邊緣智能服務，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷聯(lián)接、實時業(yè)務、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。

通過邊緣計算的資源和能力，可將虛擬空間和物理實體緊密融合在一起。

在工業(yè)制造領域，要實現(xiàn)數(shù)字化制造、網(wǎng)絡化協(xié)同、智能化轉型，離不開物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和云計算，更離不開邊緣計算。

換言之，邊緣計算接近于工業(yè)上分布式自律的概念，在基于互聯(lián)網(wǎng)的異構分布式計算環(huán)境下，集中與分散相結合，既有效利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，又保證了用戶系統(tǒng)的自律性、安全性和健壯性。

眾所周知，“工業(yè)4.0”的核心是CPS，而融合了網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力的邊緣計算，顯然是CPS的核心。因此，邊緣計算被看作“工業(yè)4.0”核心之核心。

在目前普遍采用的基于PLC、DCS、工控機和工業(yè)網(wǎng)絡的控制系統(tǒng)中，位于底層、嵌于設備中的計算資源許多都是邊緣計算的資源。

作為邊緣計算的具體表現(xiàn)形式，工業(yè)CPS在底層通過工業(yè)服務適配器，將現(xiàn)場設備封裝成web服務;在基礎設施層，通過工業(yè)無線和工業(yè)SDN網(wǎng)絡將現(xiàn)場設備以扁平互聯(lián)的方式聯(lián)接到工業(yè)數(shù)據(jù)平臺中;在數(shù)據(jù)平臺中，根據(jù)產線的工藝和工序模型，通過服務組合對現(xiàn)場設備進行動態(tài)管理和組合，并與MES等系統(tǒng)對接。工業(yè)CPS系統(tǒng)能夠支撐生產計劃靈活適應產線資源的變化，舊的制造設備快速替換與新設備上線。

以冶金行業(yè)為例，目前規(guī)模以上冶金企業(yè)信息化已頗具成效，但缺少的恰恰是末端智能。冶金方面的數(shù)據(jù)經常出現(xiàn)完整性和一致性的問題，解決不好會給能源管理和智能管理環(huán)節(jié)造成困難。

此外，冶金的物流跟蹤是典型的CPS，其間，物理與化學形態(tài)經常發(fā)生改變，控制過程有一定難度。邊緣計算能在其中發(fā)揮著重要作用，幫助實物聯(lián)網(wǎng)，成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的有效補充。

顯而易見，通過引入邊緣計算，能夠為制造業(yè)提供：設備靈活替換;生產計劃靈活調整;新工藝/新型號快速部署。進一步推動智能制造的實現(xiàn)。

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SDN：工廠靈活組網(wǎng)的

物聯(lián)網(wǎng)時代將至，與所有網(wǎng)絡一樣，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在沿著IP化、扁平化、無線化、靈活組網(wǎng)的方向演進。

在這一背景下，能為傳統(tǒng)網(wǎng)絡僵化架構帶來新活力的SDN與NFV將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡技術發(fā)展的重要方向。

因此，基于SDN的工業(yè)融合互聯(lián)網(wǎng)架構憑借既能夠實現(xiàn)扁平化，又能將IT與OT完美融合成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的。

未來工業(yè)SDN融合網(wǎng)絡架構將包含三大特征：

首先是融合接入，工業(yè)以太網(wǎng)的專有協(xié)議和標準以太網(wǎng)的通用協(xié)議都都可通過這個網(wǎng)絡進行統(tǒng)一接入。

第二是融合互聯(lián)，因為目前仍然存在大量現(xiàn)有工業(yè)控制網(wǎng)絡系統(tǒng)，而原有系統(tǒng)和原有生態(tài)里的專有網(wǎng)絡協(xié)議仍會占有相當大市場份額和空間。因此融合互聯(lián)將能夠支持標準以太網(wǎng)協(xié)議相互之間的互聯(lián)，也支持工業(yè)以太網(wǎng)專有之間的互聯(lián)。

第三是融合管理，未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)顯然將要求在一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡里進行統(tǒng)一拓撲管理、設備管理、策略管理、業(yè)務管理等功能。

未來，所有用于工業(yè)生產的IT和OT設備全都能接入這樣的網(wǎng)絡中來，并利用SDN的北向接口跟工業(yè)控制系統(tǒng)相關聯(lián)，系統(tǒng)會產生什么樣的通訊的需求，有多大的通信量，有什么樣的實時和可靠性的要求，都可以通過北向接口送到控制器，然后由控制器掌握所有調度和管理，生成策略下發(fā)到扁平化的交換機中。通過這樣的架構，能極大的提高網(wǎng)絡擴展性和靈活性，又能保證現(xiàn)有的ITOT業(yè)務的需求。

針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)海量連接、安全可靠等新需求，加快5G、軟件定義網(wǎng)絡(SDN)、網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)等技術創(chuàng)新與應用，不斷提升網(wǎng)絡寬帶接入和傳輸速率，加大力度促進標識解析系統(tǒng)建設，構建支撐跨工廠、跨企業(yè)全面信息互聯(lián)的關鍵基礎設施。

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NB-IoT：特定場景的連接利器

作為物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領域的重要應用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)有密不可分的關系。

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以說是物聯(lián)網(wǎng)的一部分，但是大多數(shù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，要求網(wǎng)絡達到毫秒級的端到端時延和100%高可靠性。這意味著，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具備物聯(lián)網(wǎng)的普遍特征，但卻在時延和可靠性等特性上有高于一般物聯(lián)網(wǎng)的要求?！?/span>

與此同時，具備超高可靠、超低時延特性的窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)也將作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重要連接技術。

據(jù)媒體披露，從2018年開始，我國將在推動工業(yè)企業(yè)內網(wǎng)改造升級的基礎上，在工業(yè)領域逐步部署窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)等先進技術，并以此形成成熟的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用和生產體系。

那么，NB-IoT如何助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)?

眾所周知，NB-IoT作為一個空中接口標準，主要是在終端與基站eNB之間的約定，包括物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的一些設計規(guī)定，除了能做到低時延和高可靠之外，其主要優(yōu)勢就是終端功耗低、待機時間長、成本低、覆蓋深度更強、連接數(shù)量大。

所以對于低功耗、廣覆蓋、大連接等工業(yè)信息采集和控制場景，NB-IoT將成為適合的連接技術。

正因為NB-IoT的巨大利好，我國也在政策層面推動NB-IoT建設。去年6月，工信部在文件中提出到2017年末，要完結NB-IoT網(wǎng)絡掩蓋直轄市、省會城市等首要城市，基站規(guī)劃到達40萬個;到2020年，NB-IoT網(wǎng)絡完結全國遍及掩蓋，面向室內、交通路網(wǎng)、地下管網(wǎng)等使用場景完結深度掩蓋，基站規(guī)劃到達150萬個。

與此同時，在NB-IoT核心標準凍結之后，三大運營商均大力推動NB-IoT網(wǎng)絡部署。

據(jù)悉，中國聯(lián)通在去年完成了NB-IoT核心網(wǎng)建設，計劃將在今年5月份建設30萬個NB-IoT基站個，基本實現(xiàn)全國覆蓋。中國移動也表示將在全國346個主要城市城區(qū)實現(xiàn)NB-IoT連續(xù)覆蓋。

顯然，隨著NB-IoT商用步伐的加快，將助推工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地。

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TSN：智能工廠的“中央樞紐”

網(wǎng)絡在智能工廠中扮演舉足輕重的角色，各種傳感器和設備機臺都需要通過工業(yè)網(wǎng)絡互相鏈接，才能實現(xiàn)智慧工廠的愿景。

在工業(yè)企業(yè)內網(wǎng)方面，傳統(tǒng)工業(yè)現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等網(wǎng)絡技術、標準和產品主要集中于少數(shù)發(fā)達國家。近年來，我國提出了工廠自動化以太網(wǎng)(EPA)、工業(yè)過程/工廠自動化無線網(wǎng)絡(WIA-PA/FA)等技術，但產業(yè)化和商用水平低。

目前，時間敏感網(wǎng)絡(TSN)、工業(yè)軟件定義網(wǎng)絡(SDN)等新技術研究和產業(yè)化成為國際產業(yè)界關注的新熱點。“既有的工業(yè)以太網(wǎng)絡對現(xiàn)有工業(yè)設備已綽綽有余，但若是要實現(xiàn)未來工業(yè)4.0，以云端服務器控管全球工業(yè)系統(tǒng)的愿景，則需倚靠TSN?！蹦彻I(yè)企業(yè)人士表示。

TSN是Time Sensitive Networking(時間敏感性網(wǎng)絡)的縮寫，是一個IEEE的工作組的項目，其核心技術包括網(wǎng)絡帶寬預留、時鐘同步與流量整形，保證了網(wǎng)絡低時延、高可靠性的需求等。

作為底層的通用架構，TSN實現(xiàn)異構性網(wǎng)絡的實時性數(shù)據(jù)交換，TSN通過一條以太網(wǎng)支持實時控制和同步，例如在運動應用和機器人之間，TSN可以同時支持其他在制造業(yè)應用中常見的數(shù)據(jù)通信。

TSN使得更多企業(yè)可以在此架構上實現(xiàn)OT和IT的融合。使得過去人們對于IT與OT連接的各種障礙得以獲得一個清晰而可行的解決之道，終實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)，在這個基礎上，大數(shù)據(jù)應用、人工智能分析等才能被實現(xiàn)。

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工業(yè)PON：連接每一個生產單元

作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，工業(yè)無源光網(wǎng)絡(PON)受到了業(yè)界的廣泛關注。

所謂的工業(yè)PON是應用工業(yè)環(huán)境的全光PON網(wǎng)絡系統(tǒng)，由一個光線路終端OLT、至少一個光配線網(wǎng)ODN、至少一個光網(wǎng)絡單元ONU組成。

工業(yè)PON系統(tǒng)能夠滿足企業(yè)的生產控制、工序工藝數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測、視頻監(jiān)控等各種應用場景?；赑ON技術的工業(yè)網(wǎng)絡平臺將產品設計研發(fā)、制造生產、銷售、物流、售后各工業(yè)化環(huán)節(jié)融合集成，終實現(xiàn)企業(yè)CRM、MES、ERP、SCM、SCADA等系統(tǒng)信息孤島的統(tǒng)一控制和管理。

正是由于工業(yè)PON在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的核心地位，才促使國家從政策層面鼓勵企業(yè)開發(fā)和運用工業(yè)PON。國務院印發(fā)的《國務院關于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》明確指出，支持工業(yè)企業(yè)以IPv6、工業(yè)無源光網(wǎng)絡(PON)、工業(yè)無線等技術改造工業(yè)企業(yè)內網(wǎng)，以IPv6、軟件定義網(wǎng)絡(SDN)以及新型蜂窩移動通信技術對工業(yè)企業(yè)外網(wǎng)進行升級改造。

在國家這一政策的有力支撐下，中國電信、中興等產業(yè)鏈企業(yè)均從各自的優(yōu)勢出發(fā)，推出了一系列工業(yè)PON產品和解決方案。

其中，中國電信通過合資企業(yè)浙江省公眾信息產業(yè)有限公司開發(fā)了工業(yè)PON網(wǎng)絡系統(tǒng)。而中興與合作伙伴一起推出了工業(yè)無源光網(wǎng)絡(PON)2.0解決方案。

據(jù)了解，中國電信的工業(yè)PON網(wǎng)絡系統(tǒng)是該企業(yè)立足于構筑新一代智能通信網(wǎng)，在對傳統(tǒng)工業(yè)交換機系統(tǒng)研究基礎之上，結合尖端的無源光網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，創(chuàng)新出的一套安全、可靠、融合、先進的綜合解決方案。目前，中國電信已在江蘇、云南等省份的制造企業(yè)成功運用了上述方案。

而中興的工業(yè)PON2.0解決方案，是在成熟應用工業(yè)PON1.0解決方案基礎上技術升級，實現(xiàn)了標準工業(yè)協(xié)議兼容、協(xié)議容器、多種協(xié)議轉換、數(shù)據(jù)采集、遠程數(shù)據(jù)接入、安全訪問等功能，IT、CT、OT三網(wǎng)互聯(lián)形成一個互通的內網(wǎng)，幫助制造企業(yè)快速構建工業(yè)4.0扁平化的工廠內神經網(wǎng)絡。除了上述較成熟的解決方案之外，還有更多產業(yè)鏈企業(yè)有意進軍工業(yè)PON領域。

比如，中國聯(lián)通就計劃在固網(wǎng)方面，通過工業(yè)PON切入到園區(qū)內網(wǎng)的解決方案。

國家千人計劃專家、中國聯(lián)通大數(shù)據(jù)首席科學家范濟安博士表示，相比于傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，工業(yè)PON的連接距離長，抗干擾防污染性強，性能和安全性高等特點，使其在內網(wǎng)的解決方案中具有更強的能力，是智能車間、智能工廠、智能園區(qū)必不可少的基礎設施?，F(xiàn)在聯(lián)通主要針對新建園區(qū)、廠房，原有廠房的更新?lián)Q代等為工業(yè)企業(yè)提供內網(wǎng)解決方案。

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標識解析體系：工互的關鍵“神經系統(tǒng)”

“如同DNS在互聯(lián)網(wǎng)中的作用一樣，標識解析體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關鍵神經系統(tǒng)?！币晃簧钪O工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域多年的專家向記者表示。

標識解析體系，作為用于識別和管理物品信息、機器的資源，是整個網(wǎng)絡實現(xiàn)互聯(lián)互通的關鍵基礎設施。

目前，國內外存在多種標識編碼及標識解析方案。由于標識編碼尚未統(tǒng)一，中小型企業(yè)內部大量使用自定義的私有標識，而涉及流通環(huán)節(jié)的供應鏈管理、產品溯源等應用模式正在逐步嘗試跨企業(yè)的公有標識。

《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構1.0》(以下簡稱“白皮書”)指出，標識解析體系可分為兩大發(fā)展路徑，改良路徑和變革路徑。

改良路徑仍基于互聯(lián)網(wǎng)DNS系統(tǒng)，并適當改進，其中以美國GS1/EPCglobal組織針對EPC編碼提出的ONS解析系統(tǒng)相對成熟。國際上主要的標識解析體系在中國都授權設立了分支機構，如電子標準化院組建的OID注冊中心，物品編碼中心負責國內的EPC編碼分配。

同時，我國也在基于DNS系統(tǒng)積極探索其他改良方案，如中科院計算機網(wǎng)絡信息中心的物聯(lián)網(wǎng)異構標識解析NIOT方案，中國信息通信研究院CID編碼體系。

變革路徑采用區(qū)別于DNS的標識解析技術，目前主要是DONA基金會提出的Handle方案。其采用平行根技術，實現(xiàn)各國共同管理和維護根區(qū)文件，現(xiàn)已在ITU、美、德及我國設置了4個根服務器。

不過，白皮書指出，現(xiàn)有的標識解析體系尚難以滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。這是因為，和互聯(lián)網(wǎng)相比，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主題對象來源更為復雜，數(shù)據(jù)更多，而且敏感信息占得比例也居多。

鑒于這些挑戰(zhàn)，標識解析體系將是一個長期研究的課題。從目前來看，多種標識解析體系將在一定時期內共存?；诟牧悸窂降姆桨负突谧兏锫窂降姆桨冈趪鴥韧饩褑硬⑿纬梢欢ㄒ?guī)模布局，短期內難以實現(xiàn)標識解析的統(tǒng)一。

白皮書指出，公平對等是標識解析體系的重要發(fā)展方向。這是因為，在互聯(lián)網(wǎng)時代，DNS的管理權掌握在少數(shù)國家手中，這種集中化的單邊管理機制既容易受到黑客攻擊，又存在控制權爭議問題。國內外已經提出并開始布局多種新型標識解析體系方案。

　 從頂層設計開始，研究制定標識解析體系的整體架構，確立發(fā)展路線圖和時間表，強化統(tǒng)籌領導機制，設立國家管理機構。在系統(tǒng)建設方面，完善根節(jié)點，建設國家節(jié)點+配套支撐系統(tǒng)，建設各級子解析節(jié)點+公共遞歸解析節(jié)點。

為加強話語權，我國應該積極參與標識解析體系的國際規(guī)則和技術標準制定，此外，從生態(tài)層面來說，推動標識解析系統(tǒng)集成創(chuàng)新應用。

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IPv6：承載百億機器接入

IPv6是用于替代現(xiàn)行版本互聯(lián)網(wǎng)IP協(xié)議(IPv4)的下一代IP協(xié)議。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等應用融合發(fā)展，全球對IP地址的需求將持續(xù)增長。據(jù)預測，2020年全球互聯(lián)設備數(shù)將超300億，而中國IP地址需求可能超過100億。但IPv4僅能提供大約40億左右的網(wǎng)絡地址，難以滿足需求。

除具備龐大的地址空間，IPv6支持終端即插即用，更匹配物聯(lián)網(wǎng)終端應用需求;同時，IPv6可實現(xiàn)更高的安全性，是下一代互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎。隨著我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)的繁榮，IPv6發(fā)展將是巨大市場需求帶來的必然結果。

但是，IPv6從1998年由CERNET首次引進中國，至今已滿20年，而目前國內IPv6的用戶數(shù)量大約只有2000萬。在“2016全球網(wǎng)絡技術大會(GNTC)”上，中國工程院院士、清華大學教授吳建平曾表示，我國的IPv6發(fā)展“起了個大早，趕了個晚集?！?/span>

在這一背景下，2017年底中辦、國務院印發(fā)《推進互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第六版(IPv6)規(guī)模部署行動計劃》，提出到2018年末，IPv6活躍用戶數(shù)達到2億;到2020年末新增網(wǎng)絡地址不再使用私有IPv4地址，IPv6活躍用戶數(shù)超過5億;到2025年末，全面完成向下一代互聯(lián)網(wǎng)的平滑演進升級。同時構筑IPv6環(huán)境下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領域網(wǎng)絡安全保障能力。

可以預見，大力發(fā)展基于IPv6的下一代互聯(lián)網(wǎng)，有助于提升我國網(wǎng)絡信息技術自主創(chuàng)新能力和產業(yè)高端發(fā)展水平，高效支撐移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興領域快速發(fā)展，不斷催生新技術新業(yè)態(tài)，促進網(wǎng)絡應用進一步繁榮，打造先進開放的下一代互聯(lián)網(wǎng)技術產業(yè)生態(tài)。

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