工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)洞察
2021-7-9新聞
5G、時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、邊緣計算、工業(yè)智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等技術(shù)正在與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加速融合應(yīng)用，不斷拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力內(nèi)涵和作用邊界。這些技術(shù)已經(jīng)成為影響工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后續(xù)發(fā)展的核心技術(shù)，為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展提供關(guān)鍵支撐。
作者簡介：
沈彬，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究部副主任、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟副秘書長；主要研究領(lǐng)域為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，負責(zé)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟工作；先后參與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略重大課題、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架、5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等研究工作。
李?；?，中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所副所長、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟總體組主席、中國儀器儀表學(xué)會理事、中國儀器儀表學(xué)會智能制造推進工作委員會委員；主要從事與信息通信相關(guān)的政府支撐、戰(zhàn)略咨詢、新技術(shù)跟蹤研究、標(biāo)準(zhǔn)研制工作，目前聚焦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及標(biāo)識解析體系相關(guān)研究與推動工作。
高騰，中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師；主要研究領(lǐng)域為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，主要從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)化、新技術(shù)等研究工作。
作為新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和新型應(yīng)用模式，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過人、機、物的全面互聯(lián)，實現(xiàn)了全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的連接[1]，正在全球范圍內(nèi)不斷顛覆傳統(tǒng)制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)。這將推動全新工業(yè)生產(chǎn)制造和服務(wù)體系的形成，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要途徑。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（簡稱“聯(lián)盟”）自2016年起，快速推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，并在每季度召開的工作組全會上，深入探討工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最新發(fā)展情況。通過聯(lián)盟2020年第3季度工作組全會，我們觀察到，5G、時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、邊緣計算、人工智能、數(shù)字孿生、區(qū)塊鏈、虛擬現(xiàn)實（VR）/增強現(xiàn)實（AR）等新型技術(shù)，已成為大家廣泛探討的焦點。這些新技術(shù)正在與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)加速融合，不斷拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的能力內(nèi)涵和作用邊界。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)體系由制造技術(shù)、信息技術(shù)以及由這兩大技術(shù)交織形成的融合性技術(shù)組成。其中，制造技術(shù)構(gòu)建了專業(yè)領(lǐng)域技術(shù)和知識基礎(chǔ)體系，是工業(yè)數(shù)字化應(yīng)用優(yōu)化閉環(huán)的起點和終點。制造技術(shù)貫穿于設(shè)備、邊緣、企業(yè)等各層工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實施落地。以5G、TSN、邊緣計算為代表的信息技術(shù)，可直接作用于工業(yè)領(lǐng)域，支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通信、計算、安全基礎(chǔ)設(shè)施。以人工智能、數(shù)據(jù)孿生、區(qū)塊鏈、VR/AR等為代表的融合性技術(shù)，構(gòu)建符合工業(yè)特點的數(shù)據(jù)采集、處理、分析體系，并重新定義工業(yè)知識積累和使用方式，以提升制造技術(shù)優(yōu)化發(fā)展的效率和效能，同時推動信息技術(shù)不斷向工業(yè)核心環(huán)節(jié)滲透。
2.1 5G技術(shù)
5G技術(shù)作為移動通信技術(shù)的典型代表，具有大帶寬、低延時、高可靠的特性。5G技術(shù)彌補了通用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)難以完全滿足工業(yè)生產(chǎn)要求的技術(shù)短板，并通過靈活部署，幫助工業(yè)企業(yè)加快工廠生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化改造[2]。
5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展，已拓展至航空、礦業(yè)、港口、醫(yī)療、冶金、汽車、家電、能源、電子、交通等10余個重點行業(yè)，已初步形成5G+超高清視頻、5G+AR、5G+VR、5G+無人機、5G+云端機器人、5G+遠程控制、5G+機器視覺以及5G+云化自動導(dǎo)引車（AGV）等8大典型應(yīng)用場景。與此同時，這些應(yīng)用場景對5G網(wǎng)絡(luò)也提出了新的需求。其中，5G與超高清視頻的融合應(yīng)用已進入應(yīng)用成熟期，成為第一批典型應(yīng)用場景；5G+AR、5G+VR以及5G+機器視覺等應(yīng)用已進入高速發(fā)展期，所產(chǎn)生的經(jīng)濟價值正在逐漸顯現(xiàn)，在未來1-2年內(nèi)將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主流應(yīng)用場景；5G+云化AGV、5G+無人機等應(yīng)用受限于與設(shè)備深度融合的需求，需要等待相關(guān)產(chǎn)品發(fā)展成熟，在未來2-3年內(nèi)將有較快發(fā)展；5G+遠程控制和5G+云端機器人等應(yīng)用由于涉及工業(yè)核心控制環(huán)節(jié)，目前還處于探索期，有待進一步的測試驗證。
聯(lián)盟工業(yè)無線特設(shè)組正在開展工業(yè)5G的相關(guān)研究，具體包括：網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量指標(biāo)體系現(xiàn)狀、典型的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景分析、終端對5G網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評價方法、5G無線網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量評價指標(biāo)、工廠內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋配置標(biāo)準(zhǔn)參考等。
2.2 TSN技術(shù)
TSN技術(shù)用以太網(wǎng)物理接口實現(xiàn)工業(yè)有線連接，并基于電氣和電子工程師協(xié)會協(xié)議（IEEE 802.1）實現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層傳輸[3]。TSN技術(shù)遵循標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議體系要求，打破原有封閉協(xié)議模式，提高了工業(yè)設(shè)備的連接性和通用性，具有良好的互聯(lián)互通能力。在提供確定性時延、帶寬保證等能力的同時，TSN技術(shù)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)、開放的二層轉(zhuǎn)發(fā)，提升了互操作性，為傳統(tǒng)運營技術(shù)（OT）與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)向融合扁平化的架構(gòu)演進提供了技術(shù)支撐。由于TSN的互操作架構(gòu)是基于SDN體系架構(gòu)的，因此TSN技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)的靈活配置、監(jiān)控、管理及按需調(diào)優(yōu)。TSN技術(shù)的時間片調(diào)度、搶占、流監(jiān)控以及過濾等一系列網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度特性，有效支撐二層網(wǎng)絡(luò)，為不同等級的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流提供了差異化的承載服務(wù)，有助于工業(yè)數(shù)據(jù)在工業(yè)設(shè)備和工業(yè)云之間的傳輸和流轉(zhuǎn)能力的提升。
聯(lián)盟網(wǎng)絡(luò)組正在進行TSN產(chǎn)業(yè)測試，以加速推動TSN芯片、模組、操作系統(tǒng)等產(chǎn)品的應(yīng)用。同時，聯(lián)盟已經(jīng)啟動TSN產(chǎn)業(yè)鏈名錄創(chuàng)建計劃，以更好地推動TSN的產(chǎn)業(yè)落地，加速產(chǎn)業(yè)鏈的成熟發(fā)展。
2.3 邊緣計算技術(shù)
邊緣計算技術(shù)是指，通過靠近物或數(shù)據(jù)源頭，實現(xiàn)計算、網(wǎng)絡(luò)、存儲等多維度資源的統(tǒng)一協(xié)同調(diào)度及全局優(yōu)化[4]。通過云計算、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同聯(lián)動，邊緣計算技術(shù)打通云、邊、網(wǎng)、端等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的縱向集成，可滿足工業(yè)在敏捷連接、實時業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)聚合、應(yīng)用智能等方面的關(guān)鍵需求。作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的第一入口，邊緣計算基礎(chǔ)設(shè)施是各類工業(yè)應(yīng)用的重要載體。
當(dāng)前，由于在工業(yè)現(xiàn)場存在40多種工業(yè)總線技術(shù)，工業(yè)設(shè)備之間的連接需要邊緣計算提供“現(xiàn)場級”的計算能力，以實現(xiàn)各種制式的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議相互轉(zhuǎn)換、互聯(lián)互通，同時又能夠應(yīng)對異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)部署與配置、網(wǎng)絡(luò)管理與維護等方面的挑戰(zhàn)。邊緣計算技術(shù)可提高工業(yè)數(shù)據(jù)計算的實時性和可靠性。在工業(yè)控制的部分場景中，計算處理的時延要求在10ms以內(nèi)。如果數(shù)據(jù)分析和控制邏輯全部在云端實現(xiàn)，則難以滿足業(yè)務(wù)的實時性要求。同時，工業(yè)生產(chǎn)要求計算能力具備不受網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬和負載影響的“本地存活”能力，以避免斷網(wǎng)、時延過大等意外因素對實時性生產(chǎn)造成影響。
目前，邊緣計算技術(shù)已應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集與處理、基于邊緣視頻技術(shù)的缺陷檢測系統(tǒng)、馬達類震動器本地管理系統(tǒng)、智慧物流運輸管理、智慧安監(jiān)等典型場景。聯(lián)盟邊緣計算特設(shè)組已經(jīng)于2020年上半年啟動“邊緣計算標(biāo)準(zhǔn)件計劃”，以解決邊緣計算在實際部署應(yīng)用過程中存在的突出問題，比如產(chǎn)業(yè)碎片化、供給側(cè)研發(fā)方向分散、需求側(cè)建設(shè)選型困難、設(shè)備及平臺標(biāo)準(zhǔn)缺失、可信開放測試機制不完善等。
2.4 工業(yè)智能技術(shù)
工業(yè)智能（亦稱工業(yè)人工智能）技術(shù)是人工智能技術(shù)與工業(yè)融合發(fā)展形成的，貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等工業(yè)領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了模仿甚至超越人類感知、分析、決策等能力的技術(shù)、方法、產(chǎn)品及應(yīng)用系統(tǒng)[5]。工業(yè)智能技術(shù)包括專家系統(tǒng)、機器學(xué)習(xí)、知識圖譜、深度學(xué)習(xí)等，已在工業(yè)系統(tǒng)各層級、各環(huán)節(jié)廣泛應(yīng)用，并且其細分應(yīng)用場景已達到數(shù)十種。
在工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，對于庫存管理、生產(chǎn)成本管理等流程清晰、機理明確、計算復(fù)雜度較低的問題，可通過專家系統(tǒng)沉淀大量專業(yè)知識與經(jīng)驗，進行推理和判斷，使問題得到有效解決。對于設(shè)備運行優(yōu)化、制造工藝優(yōu)化、質(zhì)量檢測等場景，這類問題的工業(yè)機理相對復(fù)雜，但不需要大量的數(shù)據(jù)和復(fù)雜計算，可以通過機器學(xué)習(xí)進行處理，就能夠提升預(yù)測準(zhǔn)確率，降低成本，并減少故障率。產(chǎn)品需求分析、風(fēng)險預(yù)測等場景，需要依靠大量數(shù)據(jù)的推理作為決策支持。盡管這類場景計算復(fù)雜度相對較高，但其問題原理或?qū)ο箝g的關(guān)系相對清晰；因此可利用知識圖譜技術(shù)來解決。復(fù)雜產(chǎn)品質(zhì)量檢測、設(shè)備復(fù)雜控制、生產(chǎn)安全等場景，則需要通過深度學(xué)習(xí)技術(shù)對以圖像、視頻類為主的數(shù)據(jù)，進行深度分析挖掘，從而解決工業(yè)領(lǐng)域的“疑難雜癥”。而產(chǎn)品智能研發(fā)、無人操作設(shè)備等更為復(fù)雜的問題，通常需要多種方法組合進行求解。
通過聯(lián)盟工業(yè)智能特設(shè)組，我們了解到，目前基于視覺識別與分析類的工業(yè)智能技術(shù)最為成熟。聯(lián)盟對基于數(shù)據(jù)分析的智能類應(yīng)用在設(shè)備制造等環(huán)節(jié)中進行了初步探索，認(rèn)為基于數(shù)據(jù)分析算法類應(yīng)用的必要性和有效性有待進一步研判。
2.5 數(shù)字孿生技術(shù)
數(shù)字孿生技術(shù)是指通過數(shù)字空間實時構(gòu)建物理對象（包括資產(chǎn)、行為、過程等）的精準(zhǔn)數(shù)字化映射，基于分析預(yù)測以形成最佳綜合決策，進而實現(xiàn)工業(yè)全業(yè)務(wù)流程的閉環(huán)優(yōu)化。數(shù)字孿生技術(shù)以數(shù)據(jù)與模型的集成融合為核心，是由制造技術(shù)、信息技術(shù)及融合性技術(shù)交織形成的新產(chǎn)物、新模式，覆蓋產(chǎn)品全生命周期及生產(chǎn)的全過程。在產(chǎn)品的設(shè)計階段，使用數(shù)字孿生可以提高設(shè)計的準(zhǔn)確性，并可以驗證產(chǎn)品在真實環(huán)境中的性能；在產(chǎn)品的生產(chǎn)制造階段，使用數(shù)字孿生可以縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，提高設(shè)計質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本；在產(chǎn)品服務(wù)階段，使用數(shù)字孿生可以提高設(shè)備遠程維護的效率，減少宕機時間，降低整體的維護成本。建設(shè)面向產(chǎn)品與生產(chǎn)線感知、仿真分析、運行決策和執(zhí)行優(yōu)化等過程的物理實體模型層、虛擬空間模型層，有助于構(gòu)建虛實相互關(guān)聯(lián)和映射的數(shù)字孿生對象模型。通過各種開放工控協(xié)議和規(guī)范與現(xiàn)場自動化集成，可實現(xiàn)產(chǎn)品與生產(chǎn)線的孿生對象數(shù)據(jù)同步和交換，以實現(xiàn)面向產(chǎn)品全生命周期的產(chǎn)品設(shè)計與仿真、數(shù)字化工藝設(shè)計與仿真、生產(chǎn)線建模與仿真、生產(chǎn)過程建模與控制和設(shè)備故障診斷與遠程運維的應(yīng)用。
目前，數(shù)字孿生技術(shù)尚處于發(fā)展初期。聯(lián)盟中已有部分成員單位進行相關(guān)應(yīng)用探索，例如組織開展中國技術(shù)供應(yīng)商征集工作、不斷完善正在編制的《工業(yè)數(shù)字孿生白皮書》等，以加快推動數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用探索。在未來，數(shù)字孿生技術(shù)的成熟發(fā)展，能夠驅(qū)動生產(chǎn)方式和制造模式的變革。
2.6 區(qū)塊鏈技術(shù)
區(qū)塊鏈?zhǔn)怯啥喾N技術(shù)集成創(chuàng)新而成的分布式網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)管理技術(shù)[6]。該技術(shù)利用密碼學(xué)技術(shù)和分布式共識協(xié)議，保證了網(wǎng)絡(luò)傳輸與訪問安全，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)多方維護、交叉驗證、全網(wǎng)一致和不易篡改。區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中能夠解決高價值制造數(shù)據(jù)的追溯問題，充分發(fā)揮促進數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運營成本、提升協(xié)同效率、建設(shè)可信體系等方面的作用，有助于打通數(shù)據(jù)孤島，加速工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的生產(chǎn)流程管理和設(shè)備安全互聯(lián)。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)還能夠輔助制造業(yè)在不同主體間進行高效協(xié)同，例如，在工業(yè)企業(yè)之間實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，在工業(yè)企業(yè)和金融機構(gòu)之間構(gòu)筑可信互聯(lián)的新型產(chǎn)融協(xié)同生態(tài)。
目前，工業(yè)區(qū)塊鏈技術(shù)也處于發(fā)展初期。為此，聯(lián)盟成立了工業(yè)區(qū)塊鏈特設(shè)組，以加緊區(qū)塊鏈技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的研究。此外，聯(lián)盟還發(fā)布了《工業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用白皮書》，開展了典型應(yīng)用案例征集活動。這對加快推動工業(yè)區(qū)塊鏈基礎(chǔ)核心技術(shù)研究和行業(yè)應(yīng)用落地具有重要意義。
2.7 VR/AR技術(shù)
VR技術(shù)是指以計算機、電子、信息和仿真技術(shù)為核心，利用各種現(xiàn)代科技手段來生成包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺在內(nèi)的一體化的虛擬環(huán)境。VR可為用戶提供沉浸式、無邊界的虛擬體驗，并具備自主性、構(gòu)想性和多感知性等多種能力。AR技術(shù)是將真實世界和虛擬世界的信息綜合在一起，為用戶提供特定感官體驗的人機接口的技術(shù)。AR技術(shù)的本質(zhì)是用計算機和信息處理技術(shù)，將原本現(xiàn)實世界中不存在的目標(biāo)進行模擬仿真處理，并將這些虛擬信息疊加在真實世界當(dāng)中被用戶感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的特殊體驗效果。其中，VR技術(shù)發(fā)展較早，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈最為成熟。隨著5G和邊緣計算的發(fā)展，AR技術(shù)逐漸從概念走向成熟，大大加速了終端輕量化的進程。目前，AR在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用已有趕超VR的趨勢。
VR/AR技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中有諸多應(yīng)用場景。例如，工程師和設(shè)計師可以使用VR/AR技術(shù)，以新的動態(tài)方式協(xié)作、審查3D模型和數(shù)字原型。此外，AR技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品可視化，增強顯示產(chǎn)品操作說明，改善現(xiàn)場機械和產(chǎn)品的操作水平等。VR/AR技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)、物流、培訓(xùn)、產(chǎn)品體驗等多個環(huán)節(jié)均可進行部署應(yīng)用，其可視化和增強功能指示將會對工業(yè)生產(chǎn)帶來較大的影響。
目前，聯(lián)盟VR/AR特設(shè)組聯(lián)合有關(guān)單位，開展了工業(yè)VR/AR的技術(shù)研究，并征集到了一批應(yīng)用案例。通過研究分析，聯(lián)盟發(fā)布了《工業(yè)VR/AR白皮書》。在未來，聯(lián)盟擬開展虛實融合實驗室建設(shè)和新一代虛擬現(xiàn)實終端設(shè)計，以加快推動工業(yè)VR/AR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵動能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)形成的技術(shù)體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)落地實施的重要支撐。由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)超出了單一學(xué)科和工程的范圍，因此需要將各個獨立的技術(shù)聯(lián)系起來，以構(gòu)建一個相互關(guān)聯(lián)、各有側(cè)重的新技術(shù)體系。該體系的核心在于推動重點技術(shù)率先嵌入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實施系統(tǒng)中，進而發(fā)揮整體技術(shù)體系的賦能作用。
