工業互聯網技術發展分析及算網融合的趨勢思考
發布時間：2023-08-01 10:16:56
工業互聯網自首次提出以來發展已有10年，當前已經經過概念普及的階段，形成了以網絡、平臺和安全為核心的技術體系，進入到技術應用部署的沉淀期。邊緣計算在工業互聯網的應用落地中起到了關鍵作用，促進算力的現場化部署，一定程度上也改變了網絡的流量模型。算力網絡作為網絡和計算融合發展的全新方向，將進一步促進技術和產業融合，為工業互聯網提供新型融合基礎設施的支撐。
1 引言
“工業互聯網（Industrial Internet）”一詞最早由美國通用電氣GE于2012年提出，指的是基于數據的采集和分析實現設備的預測性維護，其智能化生產、網絡化協同、人工智能改造等理念順應了重塑和發展制造業的需求。德國于2013年在漢諾威工業博覽會上正式推出“工業4.0（Industry 4.0）”的概念，是繼“工業1.0”蒸汽機時代、“工業2.0”電氣化時代、“工業3.0”信息化時代后，基于信息物理融合系統（CPS）配合智能化工業設備來提高新型工業核心競爭力。2015年5月，我國印發《中國制造2025》，旨在促進產業轉型升級，培育有中國特色的制造文化，實現制造業由大變強的歷史跨越。同年，“中國制造2025”和德國“工業4.0”進行了戰略對接。
過去的幾年里，全球工業互聯網的發展已經充分地凝聚了產業共識，度過了概念普及的階段，進入到技術和應用沉淀的過程。《2021中國制造強國發展指數報告》顯示，2015—2020年，中國制造強國發展指數由105.78增長到116.02，中國制造業總體趨勢穩中向好。2022年，我國在規模以上工業企業關鍵工序數控化率已經達到了55.3%，數字化研發工具的普及率達到了74.7%，“5G+工業互聯網”在建項目全國已經超過4000多個。同時，工業互聯網的發展仍然存在升級改造的節奏慢、廣域網一網連多云、核心設備和器件卡脖子等技術和產業問題，需要進一步推進發展。
當前，工業互聯網泛指將互聯網等信息技術以及其靈活開放的理念融入工業智能化發展的新型融合技術體系，它以網絡化為基礎，以平臺化為核心，以安全為保障。其中，以5G和云計算為代表的網絡和平臺技術分別作為兩大推動力，促進了新型的工業互聯網網絡接入和企業云平臺的構建。安全技術挪到句首當前還未規模化暴露問題，需要隨著新技術的更廣泛應用不斷加強，嵌入在各個環節以及升級改造的過程中。
本文結合工業互聯網的產業和技術發展現狀，以邊緣計算和算力網絡為代表，分析了網絡和計算融合對進一步推動工業互聯網技術創新和應用的重要作用。
2 工業互聯網的技術發展現狀
工業互聯網的技術發展以架構為牽引，以網絡、平臺、安全等為主要的技術發展方向。架構方面，工業互聯網產業聯盟（AII）先后發布了《工業互聯網體系架構》1.0版本和2.0版本。架構1.0版本定義了工業互聯網的整體框架，技術方向包括網絡、平臺、數據、安全，在2.0版本中將數據并入了平臺技術，形成了目前以網絡、平臺、安全為三大主要的技術發展方向的體系。
網絡技術是工業互聯網的根基，包括互通互聯、確定性傳輸、標識解析等。在互聯互通方面，互聯網技術如IPv4/IPv6的發展開啟了信息化時代的篇章，建設了全球信息數據互通的主干道；移動網絡如4G/5G使得網絡連接更加普遍，延伸至每個用戶以及設備。這兩種技術當前都呈現出向工業網絡連接的趨勢。在確定性傳輸方面，由現場總線發展到工業以太網，再到目前的時間敏感網絡TSN，保證了工業局域系統中的低時延、確定性時延傳輸的要求。當前，面向多工廠互聯的需求，廣域確定性網絡技術也被提出并應用在遠程工業控制等場景中。在標識解析方面，通過條形碼、二維碼、無線射頻識別標簽RFID等方式賦予物品唯一身份，如同網絡中的唯一地址，確保工業部件和產品的可追溯性。當前，我國“5+2”國家頂級節點已經全面建成。以之為基礎，當前的工業互聯網網絡技術正向著全要素的互聯發展，包括工業外網和內網中各工業系統和部件的互聯，多種標識解析體系的互通，以及研發、生產、物流等要素全生命周期管理的連接技術，打造工業互聯網價值鏈、供應鏈、產業鏈的一體化發展。
平臺技術是工業互聯網的核心，包括數據采集和預處理、平臺研發建設、模型應用分析以及迭代等。在數據采集和預處理方面，主要是指數據的采集方式、數據清洗、數據的訓練以及后續的分析。在平臺研發建設方面，主要包括工業控制和管理系統的研發和維護，表現形式為基于虛擬化和容器技術的云平臺、邊緣云平臺以及輕量級工業數據處理和控制平臺。在模型應用分析和迭代方面，主要是指引入智能化建模技術，面向具體的場景應用的產品和工具建模。平臺化的改造是大多數工業企業的首要抓手，也是企業面向工業互聯網升級邁出的第一步，基于數據的處理，通過平臺化實現工控系統的智能化升級是工業互聯網的目標。近年來，邊緣計算的興起大大促進了工業互聯網平臺的建設，相比于公有云，邊緣云可以基于更加異構的計算資源，提供低時延、定制化的服務。
安全技術是工業互聯網的保障，包括物理安全、數據安全、網絡安全、平臺安全等多方面。在物理安全方面，包括設備以及環境的具體溫度、濕度、電磁等要求，確保設備在合適的環境中運行。在數據安全方面，包括數據的脫敏、匿名以及加密技術，確保敏感數據不被竊取。在網絡安全方面，包括防止DDoS攻擊、訪問控制等，確保數據傳輸及通信的安全。在平臺安全方面，包括軟件運行的環境、系統的穩定性以及并發性的處理等方面，確保工控以及工業模型和應用的正常運行。安全是傳統工業系統以及面向智能化升級的新型工業所必須的條件，由工業互聯網所帶來的開放化、靈活化、融合化同時也帶來了更多的安全隱患，如不能保證安全，任何高效的技術都無法真正應用。當前階段由于工業互聯網還沒發展完全，安全問題還沒完全暴露，隨著新型技術的應用推廣，安全技術會呈現出更重要的作用。
3 網絡與計算融合將進一步促進工業互聯網技術創新
網絡和計算是當前數字經濟的兩大基礎設施，涵蓋了大部分工業互聯網發展所需的要素。網絡技術方面，5G和IPv6作為移動網和互聯網技術的兩大主線，極大地推進了工業互聯網的應用落地；計算技術方面，云計算和邊緣計算的結合將計算任務有效分解，滿足了算力需求的同時，也滿足了屬地化的安全隱私要求。算力網絡作為當前業界發展的熱點方向，將網絡和計算的融合發展推進至更高的層次。
3.1 邊緣計算促進工業互聯網更多的應用落地
邊緣計算更加符合工業互聯網起步階段對于平臺化建設的需求，解決了把計算放在哪里的問題。傳統的工業大多是煙囪式發展，不同的工業之間，甚至同種工業的不同企業之間的技術實現偏向私有化。工業互聯網倡導開放互聯的理念，對傳統的工業格局會造成一定影響，而邊緣計算恰巧是解決了開放與私有的平衡問題。一方面，邊緣計算把算力分布在了工業現場或所在區縣，在云計算虛擬化等模式的前提下，使得計算任務可以更快捷地在附近完成。另一方面，由于計算所在位置離現場較近或處于現場，也避免了云計算的網絡回路過長、平臺基礎設施共享等引發的安全隱私隱患。“5G+邊緣計算”的結合進一步集合了當前最先進的通信和計算技術，賦能產業應用快速落地。
邊緣計算影響的不僅僅是計算資源的部署和計算技術的應用，對網絡也會造成重大影響。APNIC亞太地區互聯網信息中心首席科學家Geoff Huston曾在多次演講中指出，CDN以及邊緣計算的發展已經把互聯網變為內容和服務分發平臺的最后一公里聚合器，互聯網的中間轉發節點所承擔的角色已經越來越弱。這說明，由于CDN以及邊緣計算把內容和算力等推向用戶邊緣，使得網絡的流量流向開始呈現出巨大轉變，更多的技術研究聚焦在了接入側的網絡優化。在此趨勢下，邊緣側的網絡和計算基礎設施會逐漸走向自我優化和完善，形成分布式的自治網絡和計算系統，向遠在國際的互聯網服務節點請求內容將會變得越來越少。對于工業互聯網來說，這類區域性的自治系統非常符合其發展的形態需要。
3.2 算力網絡將全面推動新型工業互聯網的基礎設施建設
算力網絡是隨著5G、邊緣計算的技術融合和分布式部署發展而來，是國內通信產業界首創的新型技術。算力網絡涵蓋了網、云、數、智、安、邊、端、鏈（ABCDNETS）等多個要素，通過推動網絡與計算兩大學科領域的深層次交叉融合，構建一體化服務的新型信息基礎設施，提供像水電一樣的隨取隨用的計算網絡服務。
在工業互聯網中，算力網絡的核心作用是對網絡和算力資源的統一納管以及靈活的調度。工業系統中存在多種形式的算力，在工業互聯網邊緣計算體系中，一般將邊緣節點分為邊緣控制器、邊緣網關以及邊緣云，這三種邊緣節點均可部署算力，完成相應的工業計算類業務。除此之外，包括工控機、數控機床等均可作為算力節點，在5G、TSN、工業SDN以及工業IPv6的新型網絡連接下，實現更加靈活的數據轉發和數據處理。不同于邊緣計算中的調度主要發生在多級邊緣計算節點之間，在算力網絡的模式下，也會普遍進行同級計算節點之間的調度，例如網關和網關之間，控制器與控制器之間等。這種靈活的調度模式可以確保工業的控制以及計算任務第一時間得以處理，在廣泛的算力節點分布下保持服務的一致性。同時，對于上一節提到的區域性的自治系統，由于算力網絡對網絡和計算資源進行統籌管理，也會全面地促進其發展和完善。
面向算力網絡的前沿技術算網一體作為新的融合技術方向也被提出。算網一體是計算和網絡兩大學科深度融合形成的新型技術簇，是融合貫通多要素的一體化服務，是實現算力網絡即取即用社會級服務愿景的重要途徑。算網一體的技術體系主要包括算網度量、算網感知、算力路由、算網數字孿生等，均是國內的原創技術。算網度量可以對不同的工業互聯網計算節點資源進行評估，幫助業務請求可以精準地找到最適合的計算節點；算網感知可以使工業互聯網的網絡和計算系統進行一體化的需求、資源、服務感知；算力路由可以基于工業SDN或者工業IPv6等IP技術，由路由系統進行業務請求的一體化調度；算網數字孿生可以對整個工業互聯網系統進行建模，通過孿生體和本體的交互映射，構建閉環的管控和升級優化周期，將在工業互聯網的后續發展中發揮重要作用。當前，這些技術方向已經有了初步的研究成果，部分也在國際標準化組織包括IETF、ITU等取得了一定的標準化進展。相信在數字經濟戰略以及新基建、東數西算等工程的驅動下，算力網絡可以充分發揮其新型基礎設施的作用，促進產業的智能化升級。
4 結束語
邊緣計算和算力網絡是國內近幾年產業發展的熱點方向。5G和邊緣計算的結合已經助力新技術應用于工業互聯網并取得良好成效，算力網絡作為國內原創技術方向，也將助力進入應用沉淀期的工業互聯網進一步發展。通過對一體化的管理和調度，算力網絡可以更加高效地實現工業互聯網的網絡數據轉發以及計算任務處理。目前，針對算力網絡已經初步形成產業共識，需要進一步形成合力，推進算網一體等新技術應用于工業互聯網。
參考文獻略。
