▲中國信息通信研究院標準所教授級高工 段世惠

(一)工業互聯網發展概述

在經歷了機械化、電氣化、自動化的轉型發展之后，全球的工業制造正在經歷新一輪的變革——數字化、網絡化、智能化。段世惠表示，“我國錯過了第一、第二次工業革命，趕上了第三次工業革命的末尾，成為了工業經濟大國，但還不是強國。”

工業互聯網是第四次工業革命的重要基石，提倡“現代工業”和“新一代信息通信技術”的深度融合，為實現數字化、網絡化、智能化提供了現實路徑。工業互聯網通過實現人、機、物等的全面互聯，構建起全要素、全產業鏈、全價值鏈、全面連接的新型工業生產制造和服務體系。

2017年11月27日，國務院發布了《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，形成規范和指導我國工業互聯網發展的綱領性文件。2018年6月7日，工信部印發《工業互聯網行動計劃(2018-2020年)》。目前，已完成網絡、平臺、安全三大體系的政策布局。

上海、廣東、浙江、江蘇、四川等近30個省、自治區、直轄市已出臺或即將出臺本地區的發展政策，各地結合自身產業實踐，疊加優勢企業資源，探索形成特色發展路徑，集群化發展效應也在逐步顯現。央地協同，上下聯動，“全國一盤棋”的發展格局已形成。

經過三年起步期的發展，我國工業互聯網步入實踐深耕階段。產業發展環境持續優化、基礎設施加速推進、融合應用走深向實，產業規模持續增長，對經濟社會的發展的帶動效應顯著增強，形成戰略引領、規劃指導、政策支持、技術創新、產業推進良性互動的局面。

在網絡建設方面，高質量外網已覆蓋全國374個地級行政區，接入企業超12萬家，覆蓋率達89.7%。在平臺體系方面，我國初步構建起涵蓋研發創新、生產制造、運維管理、產業資源整合等的多層次平臺發展體系。在安全建設方面，國家級工業互聯網安全態勢感知平臺覆蓋面積不斷擴大，對接21個省級平臺，覆蓋9萬家工業企業。

在工業互聯網體系架構2.0里，網絡功能是基礎。基于信息模型的互通互操作成為支撐多源異構數據流轉集成的核心;多方式、多QoS、智能化的網絡互聯是實現融合泛在互聯的關鍵;“標識-解析-數據-應用”構成標識功能分層，實現“跨企業-跨行業-跨國家”標識數據管理和共享。

段世惠認為，“在工業互聯網體系架構2.0的實施階段，可以分為產業層、企業層、邊緣層。”在邊緣層，以工業以太網為主，TSN等新網絡打破眾多協議制式間的技術壁壘;在企業層，采用高速以太網及TCP/IP，IT網絡與OT網絡逐步融合;在產業層，工業外網絡目前仍基于普通互聯網與高質量專線部署為主。

(二)工業互聯網內網發展狀況及問題

三級兩層的網絡架構存在諸多問題，包括：IT、OT技術異構、網絡隔離，生產信息截止在車間級，工廠IT系統無法充分獲取工廠OT系統數據和信息;OT系統采用預先組態的方式，且主要采用固定網絡連接，靈活性不足;OT系統本身結構復雜，網絡層級復雜，技術不開放;

傳統工業網絡要么不能相互兼容，要么不能與標準以太網設備集成，很難滿足工業控制系統的實時確定性要求;傳統工業以太網缺乏時鐘同步機制、帶寬預留等管理機制，數據分組優先級等過濾機制，從而無法為應用提供時延和抖動的服務質量(QoS)保障，傳統的網絡只能將端到端的時延減少到幾十毫秒。

工業4.0時代，工廠內網絡的需求主要有：

• OT網絡的以太網/IP化：用統一的技術體系實現IT到OT的融合和信息系統對生產現場的信息采集;
• 無線技術在工廠內的廣泛應用：利用無線技術實現廠內的泛在連接，消除工廠內的“信息死角”;
• 工廠的扁平化組網：減少網絡層級，減少不同網絡層次間的“信息損失”，實現數據分析與決策的快速反饋;
• 工廠的靈活組網：打破生產過程剛性組織的局限，實現基于定制需求的柔性生產和資源組織。

段世惠表示，“未來的工廠網絡可能會越來越少，甚至有可能會集中在一張網上。如果用一張網的技術，能夠承載不同業務需求的業務網。現在，大家公認的底層網絡就用TSN，它可能是未來十年一統江湖的技術。”

TSN(時間敏感網絡)是IEEE 802.1工作組正在研究制定的一系列標準。作為統一工業以太網標準，TSN成為業界共識的工控通信網絡向1G接口演進的解決方案;有IEC制定多個工業以太網標準，轉變為由IEEE802制定唯一標準;IETF、IEC等多個標準組織基于TSN制定統一標準體系。

同時，TSN改變了原有工業控制網絡應用支撐能力差的弱點，實現“網絡+控制”向“網絡+控制/應用”的轉變。但是，TSN也存在著許多應用難題。在國內，CNC/CUC未產品化，還是手工作業，大規模組網暫時不可能;現有存量工業以太網種類繁多，TSN暫時不可能一統天下;雖然業界對TSN的熱情很高，但是實際應用很少;現有網絡改造不可能一蹴而就。

(三)工業互聯網外網發展狀況及問題

企業通過IT系統與互聯網融合、OT系統與互聯網融合、服務與互聯網融合、企業專網與互聯網融合四個模式上云。企業信息化典型場景對于工廠外網的技術需求，包含工業實體的互聯網接入需求，跨區域之間的互聯與隔離需求，工業網絡與混合云互聯的需求，工業互聯網對廣域承載網絡的差異化需求(QoS、安全/保護等)。

為實現網絡多租戶及用戶資源定制能力，基礎設施/設備需要支持網絡功能虛擬化(NFV)，從設備層面實現資源虛擬化;網絡層面需要通過SDN技術理念，實現控制和承載分離;網絡控制與編排層面需要支持通過API向用戶開放網絡能力。為支持海量設備接入(多為無線方式)，需要5G和IPv6的部署。目前看來，5G+基于SDN/NFV的骨干網絡是工業互聯網的發展方向。

隨著智能工廠的發展，各機器之間通過交換彼此的信息，或者使用超級控制器來描繪網絡拓撲結構以及各種狀態信息。工廠內網需要建立在IP網絡之上，并且滿足確定性時延和抖動，以及遠程控制的要求。

目前的工業控制網絡主要局限在局域網的范圍，不能滿足跨局域網、多實時邊緣網絡互連的確定性業務傳輸需求，而傳統的MPLS VPN專線與基于OTN的光網專線僅僅能夠滿足一般性的業務需求。IETE的DetNet工作組目前正在解決這個問題。

DetNet(確定性網絡)目標是在第二層橋接和第三層路由段上，實現確定傳輸路徑，這些路徑可以提供時延、丟失分組和抖動的最壞情況界限，以此提供確定的時延。與TSN相比，DetNet的工作范圍更加廣泛，通過MPLS/IP技術，以期實現三層的確定性傳輸。

(四)5G與TSN融合

2018年底，中央經濟工作會議指出，“加快5G商用步伐，加速人工智能、工業互聯網、物聯網等新型基礎設施建設。”2020年2月21日，中央政治局會議強調，要推動5G網絡、工業互聯網等加快發展;2020年3月4日，中央政治局常委會作出加快新型基礎設施建設進度的重要部署;2020年政府工作報告提出，拓展5G應用，發展工業互聯網。

“5G+工業互聯網”政策體系不斷優化完善。截至目前，近20個省市明確對“5G+工業互聯網”方向的政策支持，并充分利用現有工業互聯網、單項冠軍、首臺(套)重大技術裝備、技術改造、智能制造等資金政策進行支持。

近兩年來，工業無線保持30%的高速增長，占據6%的工業網絡新增市場。從全球工業網絡市場整體發展情況看，目前工業無線的占比正在爬升，將領跑下一代工業網絡的爆發式增長。

5G技術低時延、高可靠、大連接的特性，彌補了傳統無線技術可靠性、連接范圍的不足，將使無線技術由工業網絡偶爾的補充，成長為工廠內網重要的組成部分，為工業互聯網發展注入新活力。

新中國成立70周年，工業通信業發展情況發布會上，工信部苗圩部長指出：5G真正的應用場景，80%應該是用在物與物的通信，如工業互聯網、車聯網、遠程醫療等領域。

“5G+工業互聯網”融合應用從輔助環節向核心生產環節滲透，應用類型從大帶寬主導向多類型方向發展。典型的十大應用場景有：工業設計、輔助裝配、設備協同、精準操控、視覺檢測、數據采集、遠程維護、智能物流、無人巡檢、安全監控。

5G與TSN融合部署，正在成為產業界關注的焦點。二者的融合模式有三種：無縫銜接(TSN over 5G)，端到端TSN化的5G、承載網融合(5G over TSN)。其中，端到端TSN化的5G是大家公認的模式。

然而，5G與TSN融合部署也面臨著重重挑戰。時間同步問題，二者同步機制不一樣，精度存在差異;工業現場部署環境，TSN規模商業尚需時日;低延時、低抖動，無線側是實現端到端確定性的關鍵;終端-終端直接通信，存在場內設備之間的直接通信。

5G TSN的低時延低抖動實現(5G自有技術)：采用延時關鍵可保障比特速率(Delay Critical GBR)、切片、用戶面功能(UPF)下沉分流等技術來降低傳輸的時延，然后再結合時延敏感通信輔助信息(TSCAI)、保持和轉發機制等消除抖動。

5G與TSN系統的時鐘同步機制協同。在5G時鐘域中，gNB從5G GM獲取時鐘后，可以將時鐘傳遞給UE和UPF，實現5G系統內的高精度時鐘同步。

其中，UE可通過與gNB之間的Uu口的RRC消息實現時鐘同步，UPF通常可采用IEEE 1588規范實現與gNB之間的時間同步;在TSN時鐘域中，TSN時鐘域內網元同步于TSN GM，并基于IEEE 802.1AS規范來實現域內的時間同步。

5G LAN技術首次在移動網絡中引入終端組管理的概念，支持組內終端直接通信。在TSN-5G融合的R17研究報告中，提出在同一VN group的UE間通過相同的UPF直接通信，因此可重用5G LAN的機制。當前，滿足如下條件的DS-TT/UE可以直接進行5G TSN的通信。

(五)發展建議

2020年12月22日，工業和信息化部發布了《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》。新型基礎設施進一步完善，覆蓋各地區、各行業的工業互聯網網絡基礎設施初步建成，在10個重點行業打造30個5G全連接工廠。

推進企業內網升級，支持工業企業運用新型網絡技術和先進適用技術改造建設企業內網，探索在既有系統上疊加部署新網絡、新系統，推動信息技術(IT)網絡與生產控制(OT)網絡融合。

開展企業外網建設，推動基礎電信企業提供高性能、高可靠、高靈活、高安全的網絡服務。探索云網融合、確定性網絡、IPv6分段路由(SRv6)等新技術部署。

深化“5G+工業互聯網”。支持工業企業建設5G全連接工廠，推動5G應用從外圍輔助環節向核心生產環節滲透，加快典型場景推廣，探索5G專網建設及運營模式，規劃5G工業互聯網專用頻率，開展工業5G專網試點。