工業(yè)信息技術(shù)在工業(yè)網(wǎng)絡中的應用

1金融科技戰(zhàn)略推動智能制造成為國家戰(zhàn)略焦點

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為笫四次輕工業(yè)革命的重要基礎，其發(fā)展受到國內(nèi)外有關(guān)各方的高度重視和

積極推動。自國務院2017年發(fā)布《關(guān)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》以來，一系列如《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計戈1(2018—2020年)》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡

建設和推廣指南》《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設與推廣指南》《關(guān)于印發(fā)加強工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全工

作的指導意見的通知》等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策不斷出臺，全國31個省(自治區(qū)、直轄市)也陸

續(xù)出臺政策，因地制宜推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)，積極培育本地特色產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是行業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一部分，包含了工業(yè)制造行業(yè)、能源行業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)行業(yè)等諸多

典型行業(yè)。近年來，我國政策不斷加速推動工業(yè)制造的改革進程，智能制造更是成為國家

戰(zhàn)略焦點。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是智能制造最關(guān)鍵的承載基礎，作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度

融合的產(chǎn)物，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展空間巨大，在推動工業(yè)改造升級、培育新動能方面，將發(fā)揮

更大的作用，并不斷催生新模式、新業(yè)態(tài)和新產(chǎn)業(yè)。

2工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡與連接技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上是機器、原材料、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)、產(chǎn)品以及人的全面互聯(lián)，是網(wǎng)

絡、平臺、安全的有機融合，最終實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡化協(xié)同、個性化定制和服務化轉(zhuǎn)

型的目標。工業(yè)和信息化部、國家標準化管理委員會組織制定的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合標準化

體系建設指南》中指出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡與連接技術(shù)主要包括工廠外網(wǎng)、內(nèi)網(wǎng)等網(wǎng)絡互

聯(lián)技術(shù)以及異構(gòu)協(xié)議數(shù)據(jù)間互通技術(shù)。其中，工廠外網(wǎng)包含生產(chǎn)資源、商業(yè)資源以及用戶、

產(chǎn)品的互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)及虛擬專用網(wǎng)等公共網(wǎng)絡，包括基于多協(xié)議標簽交換、光傳送網(wǎng)和軟

件定義網(wǎng)絡(SoftwareDefinedNetwork,SDN)等技術(shù)的虛擬專用網(wǎng)，以及基于蜂窩技術(shù)

的窄帶物聯(lián)網(wǎng)等無線網(wǎng)絡，

工廠內(nèi)網(wǎng)即工業(yè)設備、控制系統(tǒng)、信息系統(tǒng)之間的內(nèi)部網(wǎng)絡，包括工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無源

光網(wǎng)絡、時間敏感網(wǎng)絡(TimeSensitiveNetwork,TSN)、確定性網(wǎng)絡、SDN、工業(yè)無線網(wǎng)

絡、低功耗無線網(wǎng)絡，以及5G工業(yè)應用等關(guān)鍵網(wǎng)絡。

目前，我國在工廠外網(wǎng)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)基礎較好，而在工廠內(nèi)網(wǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)及技術(shù)方面的

基礎相對薄弱，工廠內(nèi)網(wǎng)的基礎建設以及技術(shù)積累尚處于起步階段。

35g需要實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

在傳統(tǒng)的理解中，5G主要為智能手機、平板電腦等消費設備提供了更快的網(wǎng)速，而實際上

工業(yè)才是發(fā)揮其最核心價值的領域。5G的三個關(guān)鍵性能指標分別是增強型移動寬帶、大規(guī)

模機器通信和高可靠低時延通信(UltraReliable&LowLatencyCommunication,

uRLLC)。要想提高工廠效率，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就需要完成工業(yè)自動化控制，而這需要端

到端亳秒級的低時延和接近100%的高可靠性通信做保障。因此，uRLLC場景的應用是5G

能在工業(yè)領域發(fā)揮重要作用的助推器。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的使命，歸結(jié)起來是工廠的無線網(wǎng)絡化與智能化。以工業(yè)4.0為代表的全球第

四次工業(yè)革命愈演愈烈，機器設備、人和產(chǎn)品等制造元素不再是獨立的個體。從過去的人

與物相連，逐步過渡到物與物緊密聯(lián)系在一起，從而實現(xiàn)協(xié)調(diào)、高效和智能化的制造系統(tǒng)。

5G拓寬工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示意圖如圖1所示。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，5G技術(shù)拓寬了互聯(lián)網(wǎng)的影響范圍，貫穿工業(yè)制造應用場景的全過程，覆

蓋供應鏈管理、自動導引車(AutomaticGuidedVehicleAGV),生產(chǎn)過程控制、機器協(xié)

作、庫存管理和產(chǎn)品分發(fā)管理等各個環(huán)節(jié)。5G貫穿工業(yè)制造各環(huán)節(jié)示意圖如圖2所示。

4tsn是工業(yè)聯(lián)網(wǎng)的一種實時表現(xiàn)

一直以來，自動化在某種程度上始終是工廠實現(xiàn)良性運行的保障。發(fā)展至今，許多工業(yè)自

動化應用需要實時傳輸數(shù)據(jù)，對時延和可靠性的要求非常嚴格。但是，現(xiàn)有的大部分自動

化控制解決方案都是基于傳統(tǒng)以太網(wǎng)實現(xiàn)的，而且各大廠商還研發(fā)了?些附加的技術(shù)機制,

形成不同廠家間的技術(shù)壁壘，從而導致各大廠商的協(xié)議互不兼容。傳統(tǒng)以太網(wǎng)的解決方案

巾場嚴重分散，無法支持未來工業(yè)網(wǎng)絡的發(fā)展。隨著工業(yè)4.0的提出，TSN受到越來越多

的設計師、工程師和最終用戶的關(guān)注。因為TSN迎合了工業(yè)以太網(wǎng)的需求，代表了可靠和

標準化工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展方向，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一底層通信標準打下了基礎。

TSN是一種基于IEEE802.1的實時以太網(wǎng)標準。顧名思義，TSN專注于時間，它可以確保

信息在固定且可預測的時間內(nèi)從一個點移動到另一點

55g數(shù)據(jù)傳輸

5G在uRLLC場景下，擁有極短的網(wǎng)絡時延。5G與TSN融合，能充分發(fā)揮5G的靈活性和

TSN的低時延特性，從而解決工業(yè)生產(chǎn)中的主要需求。例如，有效減少工廠內(nèi)的電纜鋪設、

實現(xiàn)廠房內(nèi)移動設備的廣泛應用等。而TSN的核心思路是在數(shù)據(jù)流發(fā)送前，由一個中央網(wǎng)

絡控制器負責規(guī)劃數(shù)據(jù)流的路由路徑，確認沿途各交換機需要的資源配置以及數(shù)據(jù)流的時

延。類似火車、地鐵運營的時刻管理，各數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)分組通過網(wǎng)絡各節(jié)點的時間提前規(guī)

劃，避免擁塞和減少緩存，從而給予數(shù)據(jù)流與傳統(tǒng)以太網(wǎng)不相同的“確定性”。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中將傳感器、作業(yè)設備和車輛等工業(yè)設備以無線方式通過5G網(wǎng)絡連接到工

業(yè)控制器，為了支持端到端的服務質(zhì)量(QualityofService,QoS),無線網(wǎng)絡與TSN進

行強有力的互聯(lián)，提供一種端到端的TS\數(shù)據(jù)流。而5G幾乎是目前乃至將來一段時期內(nèi)

的最優(yōu)方案，端到端的TSN流示意圖如圖3所示。

與4G網(wǎng)絡相比，5G接入網(wǎng)具有高可靠低時延特性，可實現(xiàn)工廠內(nèi)機器不受電纜安裝限制

就能接入工廠內(nèi)TSN,同時又能像有線連接一樣滿足工業(yè)端到端控制所需的無縫連接和高

穩(wěn)定性。例如，通過為工廠內(nèi)的機器臂、裝配線和作業(yè)車等部署支持5G接入的傳感器,

接入與TSN設備互聯(lián)的控制器，即可實現(xiàn)幾乎時間同步的遠程控制

隨著各大廠家關(guān)注TSN,新興的TSN標準逐步被整合到5G網(wǎng)絡中，進一步發(fā)展了工業(yè)互聯(lián)

網(wǎng)。TSN與5G融合技術(shù)通過5G支持時效性網(wǎng)絡服務，使得傳感器、執(zhí)行器等工業(yè)設備，

可以與可編程邏輯控制器進行無線的、確定性的通信。這符合智能工業(yè)的要求，還可降低

成本，催生新的商業(yè)模式，并簡化工廠運營流程。融合技術(shù)包括基于5G系統(tǒng)的TSN同步、

支持TSN的以太網(wǎng)、5G的uRLLC傳輸技術(shù)（尤其針對低時延循環(huán)數(shù)據(jù)流）和5G點對點的

QoS管理及智能調(diào)度程序算法。

6工業(yè)控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用與發(fā)展，通信網(wǎng)絡和實體系統(tǒng)將緊密聯(lián)系在一起，也就是工廠網(wǎng)絡

將生產(chǎn)現(xiàn)場的處理器和傳感器連接起來，使得工業(yè)生產(chǎn)設備之間可以進行通信，從而實現(xiàn)

互相溝通，形成智能工廠,智能工廠是5G和TSN等工廠內(nèi)網(wǎng)技術(shù)的重要應用場景之一。

6.1u3000tsn和5g協(xié)同性測試

2019年11月，博世和高通在德國紐倫堡的智能生產(chǎn)解決方案交易會上，展示了通過實時

5G網(wǎng)絡使用TSN的工業(yè)設備完成兩種工業(yè)設備協(xié)同工作。雙方聯(lián)合展示了兩個工業(yè)終端通

過無線連接，并以時間同步的方式運行，表明了TSN和5G的結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)精確同步，無

需有線連接

該演示使用了5G工業(yè)測試終端使兩個博世的核心控制器在5G測試網(wǎng)絡下實現(xiàn)實時通信。

用戶可以通過無線連接，查看以時間同步運行的兩個工業(yè)設備（博世電機和工業(yè)閃光燈）。

其中TSN核心控件還可指定3.7?3.8GHz頻段，通過5G實現(xiàn)實時交互。這一頻段目前已

被德國指定用于工業(yè)企業(yè)作為5G專網(wǎng)使用。這為5G+TSN實現(xiàn)專網(wǎng)互聯(lián)打下基礎。

6.2基于tsn的生產(chǎn)測試

英特爾聯(lián)合博世建立了TSN與5G融合技術(shù)早期概念驗證項目。該項目以英特爾的5G原型

解決方案為基礎，用以滿足智能工廠的遠程控制、生產(chǎn)、實時監(jiān)控需求。這一概念驗證了

包括支持5G通信的用戶設備、5G接入網(wǎng)及5G核心網(wǎng)，三者可直接與博世的TSN可編程邏

輯控制器配合，驗證技術(shù)可行性。英特爾TSN與5G融合技術(shù)驗證項目如圖5所示。

在這一項目中，通過工廠的有線基礎設施進行支持，兩套TSN可編程邏輯控制器采用開放

平臺通信的統(tǒng)一架構(gòu)協(xié)議標準進行5G通信，實現(xiàn)對工業(yè)設備移動角度的控制和高速轉(zhuǎn)輪

速度同步。就具體性能而言，該項目展示的基于5G系統(tǒng)的TSN同步，定時誤差遠低于

IPs,時間關(guān)鍵動作控制指令的單向時延最長只有4ms,同時專用的5G工業(yè)頻段下更可

進行4K超高清視頻流直播。

該項目是首批展示TSN與5G融合技術(shù)功能的項目之一，實現(xiàn)了5G系統(tǒng)下的基于802.las

的同步和基于802.Iqbv的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包的時間感知送達，以及支持5G的uRLLC場景下，設

備到設備的QoS調(diào)度程序可以滿足時間的“確定性”關(guān)鍵數(shù)據(jù)包送達的要求。此外，項目

還展示了微秒級的時間同步、亳秒級的最差時延和99.999%的可靠性。工廠系統(tǒng)整體通過

5G網(wǎng)絡進行工業(yè)時間同步，可以使網(wǎng)絡設備在多個工廠站點之間完美地統(tǒng)一運行，這是靈

活自動化生產(chǎn)的關(guān)鍵要求，

7g+tsn聯(lián)動助推工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐下的智能工廠將大幅改善勞動條件，減少生產(chǎn)線人工干預，提高生產(chǎn)過程

可控性。最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個流程，實現(xiàn)從設計生產(chǎn)到銷售各個

環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎上實現(xiàn)資源的整合優(yōu)化。要實現(xiàn)這些目標，以此為基礎的工

業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要不斷更新技術(shù)，以滿足帶寬、互聯(lián)互通和時延方面更高的要求。5G+TSN的融

合為這些需求提供了一種可行性的方向，但目前兩