工業互聯網網絡連接架構和發展趨勢

余曉暉，張恒升，彭炎，李棟

（1. 中國信息通信研究院，北京 100191；2. 華為技術有限公司，上海 201206；3. 中國科學院沈陽自動化研究所，沈陽 110016）

一、前言

工業互聯網網絡作為工業互聯網三大功能體系之一，為工業全要素的全面互聯提供基礎設施，促進各種工業數據的充分流動和無縫集成，是工業互聯網的基礎。2017年11月，國務院在《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中，將“夯實網絡基礎”作為主要任務之一，提出大力推動工業企業內外網建設。

工業互聯網網絡連接，涉及了工廠內外的多要素、多主體間的不同技術領域，影響范圍大，可選技術多。目前，工業領域內已廣泛存在各種網絡和連接技術，這些技術分別針對工業領域的特定場景進行設計，并在特定場景下發揮了巨大作用和性能優勢，但在數據的互操作和無縫集成方面，往往不能滿足工業互聯網新業務、新模式日益發展的需求。因此，工業互聯網網絡連接將向著進一步促進系統間的互連互通方向發展，從孤立的系統/網絡中解放數據，使得數據為行業內及跨行業的應用發揮更大價值。

二、工業網絡現狀

當前，工業網絡主要在各個工業企業內部，總體來說，工廠內網絡呈現“兩層三級”的結構，如圖1所示?！皟蓪印笔侵复嬖凇肮S信息（IT）網絡”和“工廠控制（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”三個層次，每層之間的網絡配置和管理策略相互獨立。

在現場級，工業現場總線被大量用于連接現場檢測傳感器、執行器與工業控制器，通信速率在數kbps到數十Mbps。近年來，已有部分支持工業以太網通信接口的現場設備進行部署，但仍有現場設備采用電氣硬接線直連控制器的方式連接。在現場級，無線通信只在部分特殊場合使用，存量很低。這種現狀造成工業系統在設計、集成和運維的各個階段的效率，都受到極大制約，進而阻礙著精細化控制和高等級工藝流程管理的實現。

圖1 當前典型的工廠內網絡示意圖

車間級網絡主要是完成控制器之間、控制器與本地或遠程監控系統之間，以及控制器與運營級之間通信連接，制造執行系統（MES）也通過在車間級部署實現生產執行控制。車間級網絡多采用工業以太網技術實現，也有部分廠家采用普通以太網、工業總線或自有通信協議進行控制器和系統間的通信。當前已有的工業以太網，往往是在通用的以太網基礎上進行修改和擴展而來，不同工業以太網協議間的互通性和兼容性較差，限制了大規模網絡互聯。

在工廠級，企業IT網絡通常采用高速以太網以及傳輸控制協議/互聯網協議（TCP/IP）進行網絡互聯。隨著智能工廠的建設，企業IT管理運營系統對現場實時工藝過程數據和設備狀態數據有著強烈需求，高效便捷部署現場設備的通信互聯，利用先進的網絡技術實現現場與管理級系統間高實時性、高可靠性數據通信，解決OT網絡與IT網絡的融合互通，是目前工廠內網絡系統技術領域面臨的焦點問題。

在企業外，由于工業不同行業和領域信息化發展水平不一，對工業化數據信息開發利用的廣度、深度不盡相同，因此企業對于工廠外網絡的建設和發展不均衡，部分工業企業僅申請了普通的互聯網接入，部分工業企業的不同區域之間仍存在信息孤島現象，限制了跨地區、跨行業、跨企業的網絡協同、遠程服務等新業務、新模式發展。

三、網絡連接發展趨勢

（一）工廠內網絡

隨著工業領域工藝技術的日臻完善，當前工藝突破帶來工業生產效率提升的可能性變得越來越小。利用工業互聯網技術來提升工業用戶從設計、生產和運維等全生命周期的精細化管理，降低整體的人力成本、資源消耗，全面提升生產和運營效率等越來越受到重視。

工業互聯網業務發展對網絡基礎設施提出了更高的要求和需求，工廠內網絡呈現出融合、開放、靈活三大發展趨勢。

工廠內網絡架構的融合趨勢。一是網絡結構的扁平化。傳統的“兩層三級”網絡架構嚴重影響著信息互通的效率，隨著大數據分析和邊緣計算業務對現場級實時數據的采集需求，OT網絡中的車間級和現場級將逐步融合（尤其在流程行業），同時MES等信息系統向車間和現場延伸的需求，推動了IT網絡與OT網絡的融合趨勢。二是控制信息與過程數據共網傳輸。傳統工業網絡基本是依附于控制系統，主要實現控制閉環的信息傳輸，而新業務對工業生產全流程數據的采集需求，促使工廠內網絡將控制信息和過程數據的傳輸并重。三是有線與無線的協同。工業互聯網業務對于生產全流程、無死角的網絡覆蓋需求，使得無線網絡的部署成為必然，無線網絡的應用也將逐步從信息采集到生產控制，從流程行業到離散行業，而多種無線技術的應用也推動了工廠內定位技術的發展。

工廠內網絡的開放趨勢。一是技術的開放。工業互聯網工廠內網絡技術體系將打破傳統工業網絡眾多制式間的技術壁壘，實現網絡各層協議間的解耦合，控制系統、應用系統將不再與某項具體網絡技術強綁定；電氣和電子工程師協會（IEEE）、互聯網工程任務組（IETF）等國際標準組織加入到技術標準研制，IP/IPv6在工廠內的深入部署，都將進一步推動工廠內網絡技術的開放。二是數據的開放。工業互聯網業務對數據的強烈需求，促使傳統工業控制閉環中沉沒或消失的數據開放出來，而生產全流程的數據將由更標準化的語法和數據模型開放給上層應用使用。三是產業的開放。網絡技術的開放正在打破傳統工業網絡“煙囪式”的發展模式，打破少數巨頭對全產業鏈的控制，新的芯片廠商、設備廠商、網絡提供商加入進來，推動產業開放[1]。

工廠內網絡的靈活友好趨勢。一是網絡形態的靈活。未來工廠內網絡將能夠根據智能化生產、個性化定制等業務靈活調整形態，快速構建出生產環境。二是網絡管理的友好。隨著工業網絡化的深入發展，工廠內的網絡管理都將變得復雜，新的數據互通和軟件定義技術應用將提供網絡系統的可呈現度，網絡管理界面將更為友好。

（二）工廠外網絡

隨著工業網絡化、智能化的發展，工廠內的系統與應用逐步向外擴展，工業互聯網工廠外網絡的服務呈現普遍化、精細化、靈活化趨勢。

工廠外網絡服務普遍化。傳統工廠外網絡主要提供商業信息的溝通，企業的信息系統也都部署在工廠內網絡上，工廠外網絡連接對象少，服務單一。隨著云平臺技術的發展，一些企業信息系統，如企業資源計劃（ERP）、客戶關系管理（CRM）等正在外網化，越來越多IT軟件也都基于互聯網上云提供服務。隨著工業產品和裝備的遠程服務業務的發展，未來海量設備的遠程監控、維修、管理、優化等業務都將基于工廠外網絡開展。

工廠外網絡服務精細化。工業互聯網工廠外網絡將實現全產業鏈、價值鏈的泛在互聯，復雜多樣的連接場景促進了服務的精細化發展。一方面，海量設備的連接需求，推動了工廠外移動網絡的建設和廣覆蓋服務的快速發展；另一方面，企業上網需求向上云需求的轉變，促使專線服務精細化，新的企業專線技術將針對企業上網、業務系統上云、公有云與私有云互通等不同場景提供細分服務。

工廠外網絡服務靈活化。網絡虛擬化、軟件化的發展，提高網絡服務的靈活性，使得工廠外網絡將能夠根據企業要求快速開通服務，快速調整業務；大量移動通信網絡技術的應用，提高了網絡接入的便捷程度和部署速度，為企業實現廣泛互聯提供更靈活的選擇方式。

（三）數據互通

據不完全統計，目前國際上現存的總線/工業以太網協議數量高達40余種。還存在一些自動化控制企業，直接采用私有協議實現全系列工業設備的信息交互。在這樣的產業生態下，形成了一個個豎井型的業務系統，同一個系統內的數據可以一定程度互通，但跨系統的數據互通非常困難。

為了解決數據互通的問題，很多行業企業紛紛在自己的業務范圍內，為用戶提供一攬子解決方案，可以實現數據互通。但這種方式仍然只是將一個個小的豎井系統變成了稍大型豎井系統，并沒有從根本上解決數據互通的問題。而且，用戶的所有業務系統，也很難全部依賴于一兩家供應商的產品來完成。

隨著工業互聯網的發展，企業對數據互通的需求越來越強烈，呈現以下趨勢。

首先是實現信息的標準化。在傳統的工業控制系統中，為了滿足最基本的工藝管理需求，數據被固化在明確的因果關系內。例如可編程邏輯控制器（PLC）控制過程，有明確固定的處理對象，數據信息只會在固定的設備間流動。而工業互聯網對數據處理的主體更廣泛，例如采用大數據分析進行設備故障診斷，需要跨系統對數據進行理解和集成，這就要求數據的存儲與傳輸更加通用化與標準化。

其次是加強與云的連接。借助云平臺，不僅可以利用專家經驗共享、智能決策庫，提高運維領域的裝備管理水平，降低運營成本，還可以通過數據集的切分和規律查找，幫助實現人員投入及控制過程的節能提效。不僅可以利用大數據分析結果使制造企業提供針對性營銷、定向研發、智能維保等服務，還可以預測設備未來可能出現故障的時間，提供避免風險的解決方案，消除設備故障停機給客戶帶來的損失。

最后是強調與現場級設備的互通。在傳統的工業生產過程中，設備與設備往往獨立操作。而工業互聯網智能工廠的核心，就是要打通現場設備層，將智能裝備通過通信技術有機連接起來，實現企業內資源的垂直整合。設備與設備之間的溝通與互聯已成大勢，未來設備與設備之間或者物與物之間的互通互聯的數量將遠遠超過人之間的互聯。

因此，為了滿足數據互通的需求，業界進行了一系列建立統一數據互通方式的努力，希望能使用一整套接口、屬性和方法的標準集，提供工業互聯網工廠系統中各系統、各單元數據的無縫集成。面向工業現場設備的OPC統一架構（OPC UA）、數據分發服務（DDS）和面向廣泛數據采集的oneM2M等技術正成為業內關注的焦點，逐步在為工業企業接納和采用。

四、工業互聯網網絡連接架構

（一）網絡連接框架

工業互聯網網絡連接框架，包括網絡互聯和數據互通兩個層次，如圖2所示。

網絡互聯，包括工廠內網絡和工廠外網絡。工廠內網絡，用于連接工廠內的各種要素，如人員（如生產人員、設計人員、外部人員）、機器（如裝備、辦公設備）、材料（如原材料、在制品、制成品）、環境（如儀表、監測設備）等，都通過工廠內網絡，與企業數據中心及應用系統互聯，支撐工廠內的業務應用。工廠外網絡，用于連接智能工廠、分支機構、上下游協作企業、工業云數據中心、智能產品與用戶等主體。智能工廠內的數據中心和應用系統，通過工廠外網絡，與工廠外的工業云數據中心互聯。分支機構/協作企業、用戶、智能產品，也根據配置，通過工廠外網絡，連接到工業云數據中心或者企業數據中心。

工業互聯網中的數據互通，實現數據和信息在各要素間、各系統間的無縫傳遞，使得異構系統在數據層面能相互“理解”，從而進行數據互操作與信息集成。工業互聯網，要求打破信息孤島，實現數據的跨系統互通，融合分析。因此數據互通的連接層，一方面支撐各種工廠要素、出廠產品等產生的底層數據，向數據中心的匯聚；另一方面，為上層應用提供對多源異構系統數據的訪問接口，支撐工業應用的快速開發與部署。

圖2 工業互聯網網絡連接框架

（二）網絡架構實現

1. 工廠內網絡

在工業互聯網工廠內，一方面，工廠的數字化網絡化演進，要求很多已有業務流程的數字化由相應的網絡來承載；另一方面，大量新的聯網設備被引入，如自動導引運輸車（AGV）、機器人、移動手持設備等；大量新的業務流程被引入，如資產性能管理、預測性維護、人員/物料定位等，新的設備和業務流程的引入，對網絡產生新的需求。從而，工廠內傳統的生產網絡和辦公網絡需要相應發生變化。

由于工廠內網絡所連接的工廠要素的多樣化，邊緣接入網絡呈現為類型多樣化，根據業務需求，可以是工業控制網絡、辦公網絡、監控網絡、定位網絡等；根據實時性需求，可以是實時網絡、非實時網絡；根據傳輸介質，可以是有線網絡、無線網絡；根據采用的通信技術，可以是現場總線、工業以太網、通用以太網、無線局域網、蜂窩網絡等；網絡的范圍，也可能是一個車間、一棟辦公樓、一個倉庫等。工業企業可以綜合考慮業務需求及成本，選擇合適的技術部署相應的邊緣接入網絡。

車間、辦公樓、倉庫與工廠內云平臺/數據中心等之間通過高帶寬、高速率的三層網絡進行互聯，根據企業規模的大小，可以是路由器集群，也可能僅需要一兩臺骨干路由器。

2. 工廠外網絡

從工業企業發展不同業務的需求角度，主要可以分為三種專線和一種上網連接，專線實現有服務質量保障的聯網服務，上網連接實現普遍上網服務。

上網專線：實現智能工廠連接到互聯網。還可以接受用戶或者出廠產品通過互聯網對智能工廠的訪問，這是工業企業基本的專線需求。

互連專線：實現智能工廠與分支機構/上下游企業間安全可靠的互連。對于大中型企業，這是常見的專線需求。

上云專線：實現智能工廠與位于公有云的工業云平臺的互連。通常是企業到公有云服務提供商的專線，此類專線需求近年來發展迅速，尤其是隨著國家推進“百萬企業上云”工程，工業企業對此類專線的需求將尤為強烈。

上網連接：實現出廠產品到互聯網的連接，進而與智能工廠或者工業云平臺互連，這是工業企業實現制造服務化的基礎。

五、結語

工業互聯網作為新一代信息通信技術與工業系統深度融合所形成的關鍵網絡基礎設施，已經成為工業創新轉型的關鍵依托，對于推動工業數字化、網絡化、智能化發展意義重大。建設具有低時延、高可靠、廣覆蓋的工業互聯網網絡基礎設施，是發展新一代信息通信技術與先進制造業深度融合所形成的新業態、新模式的重要基礎。因此，需要工業企業提高對構建適合自身業務發展網絡架構的認識，加大網絡改造對基礎性建設的投入，讓網絡成為實現智能化生產、網絡化協同、個性化定制、服務化轉型等新模式的重要支撐。