未来工业互联网发展的技术需求

　　摘要：工业互联网的发展是实现“中国制造2025”的重要支撑。首先扩大了研究范围，对未来互联网包括5G时代和5G后时代的发展趋势、前瞻应用、技术需求等方面进行了分析，提出未来互联网的总体架构和关键技术。随后聚焦了5G时代的工业互联网，分析了工业互联网架构、工业边缘云、确定性时延工业连接、工业互联网行业云平台、数字化转型、安全、标识与解析等核心技术需求。

　　关键词：工业互联网行业云平台;工业边缘云;全息传送;确定性时延传送;触觉互联网;可信网络安全;空地一体化互联网

　　1.引言

　　本文研究重点是未来5G时代工业互联网的技术需求。本文首先扩大了研究范围，分析了2020—2030年的5G时代、2030—2035年的网络以及网络5.0时代的未来互联网发展。现有互联网主要是消费互联网，连接对象是人，存有几十亿的连接空间;性能需求主要来自于人的感官敏感度，其发展高峰是移动消费互联网，俗称“互联网上半场”，新用户发展红利基本被挖掘。

　　行业互联网是互联网技术(主要是ICT(informationandcommunicationtechnology)技术)与传统行业运营(operationaltechnology，OT)技术融合运用，广泛部署传感器，连接对象从人扩展到实体物体、虚拟的如数字双生、内容、服务等，连接空间扩大到千亿甚至万亿，性能需求包括时延、抖动、带宽、并发数据流协同、可靠性、网络安全、数据隐私和地址标识等多个纬度,对应不同行业不同应用场景的技术需求差异巨大。

　　行业互联网被称为“互联网下半场”，未来发展空间广阔。工业互联网是行业互联网的一部分，包含工业制造行业、能源行业(采煤、电厂、新能源，电网，行业内铁路和港口)、车联网行业等诸多典型行业。未来工业互联网发展的技术需求及对应的网络架构和核心技术是本文聚焦研究的重点。

　　本文分析了未来工业互联网的架构设计、工业边缘云、确定性时延工业连接、工业互联网行业云平台、数字化转型、网络切片在内的技术需求及核心技术。其中，最引人注目是未来工业连接的超高性能要求，通过多层边缘计算的快速广泛部署以提升工业现场闭环控制性能，并与传统工业OT系统加速融合，同时行业工业云平台以基于大数据的人工智能算法来实现创新，以推动行业降本增效新动能并孵化行业新生态。此外，工业互联网连接空间巨大，创新工业连接标识系统、加强数据隐私保护、提升网络安全也是关键的技术需求。

　　2.未来互联网发展的技术需求

　　本文在未来的工业互联网发展的技术需求方面进行展望与深入探讨,获得的见解主要来自对工业制造、能源以及车联网3个行业的研究，这些行业在运用ICT技术方面均有着广泛的需求和深厚的基础。深入讨论了工业互联网的典型行业需求、信息网络架构、总体技术需求、工业云、工业边缘云、工业数据以及安全等各领域问题。对工业互联网的分析，从代际划分看，主要是针对5G时代技术提供行业互联网的方案，时间跨度主要为2020—2030年。

　　在进入对工业互联网的分析之前，为了建立从5G向更未来的互联网发展的展望，总结了5G后时代的“网络2030”和网络5.0的发展要点，目的是提高本文对未来工业互联网发展技术需求分析的前瞻性把握，时间跨度为2030-2035年。本文对未来网络的分析，即包含了5G时代(2020-2030年)，又包含了5G后时代(2030-2035年)。

　　2.1未来互联网应用

　　(2020-2035年)为了总体把握各代际的技术需求，本文沿用了如下代际划分：“现在”指基于4GLTE提供的消费及产业互联网的技术方案，“5G时代”(2020-2030年),“5G后时代”(2030-2035年);本章(即本文第2章)分析的未来网络时间跨度是2020年到2035年。尤其是“网络2030”定义的如下前瞻性的应用与需求主要有：迫近真实的个人通信、极高带宽的数据搬移、空地一体化未来互联网、基于可信技术实现的新网络安全、互联网自治和全息瞬传等。

　　(1)“迫近真实的个人通信”

　　人和人远程通信是从语音开始，随后发展到增加了视频的语音视频会议，目前演进到利用虚拟现实和增强现实技术加强个人通信体验，但异地通信中，双方还是有距离感。“迫近真实的个人通信”指未来个人异地通信将追求满足眼睛和耳朵两种感官，以及扩展到触觉、味觉、嗅觉信息的采集和并发协同传输，由此进一步降低双方的距离感。

　　(2)极高带宽的数据搬移

　　工业互联网需要感知未来世界，需要大量部署各类传感器，预测未来IoT的连接空间将会从目前对人的几十亿发展到未来千亿甚至万亿的连接空间，连接的端点类型会延展到包含人、实体物、虚拟的数据、服务、数字双生和内容。大量的传感器数据需要搬动到各级云中，经计算分析后产生控制反馈。

　　这样的数据搬动量是巨大的。未来车联网是一个典型海量移动数据搬动的应用。目前车联网自动驾驶是基于单车决策的;未来更多的自动驾驶控制以及基于自动驾驶能力的创新车联网应用，将把单车承担的决策移交给未来移动网络的边缘层，由智能网络边缘层承担邻近车辆驾驶的高层控制(行驶路由和平均速度的调整)以及底层控制(油门、刹车、方向盘)。

　　车辆将通过无线的V2N(vehicletonetwork)持续上传高数据量的数据地图(HD-Map)、高精度、确定性和低时延的车辆定位(车辆高速移动)，车辆与现有邻近车辆间通过V2V(vehicletovehicle)接收到的消息汇总，通过V2N转发到移动网络边缘。此过程需要搬动巨量数据，同时这些车辆需要保持最近的移动边缘MEC的计算处理，即保持边缘的智能分析并实时反馈控制的应用需求与位置强相关信息，这造成需要在移动边缘云间搬移大量数据。

　　(3)空地一体化的未来互联网

　　IETF的TCP/IP协议栈和互联网架构是从针对地面固定互联网开始设计的，之后，IMT-2020沿用了其设计成果，其中包含目前互联网的关键设计成果，如基于位置的IP地址标识、可达性拓扑路由广播与计算、由TCP/UDP第4层基于连接两侧端点协商的连接参数(通信网络3层及以下层对连接参数未感知)和被动式安全设计思路等。

　　“未来网络2030”考虑了包括航海航空、海上平台、偏远石油矿场、自然灾害、紧急通信、野外车辆等特定应用场景，其技术需求包括路由方式、标识方式、连接方式、物理分组丢失率等方面，是当前基于地面互联网的IETF的TCP/IP协议栈所不支持的。未来地面互联网和基于卫星的空间互联网融合是工业互联网的一个可能的技术需求。

　　(4)基于可信技术实现的网络新安全

　　当前网络安全风险包括对网络用户身份确认、信息内容防止篡改、数据安全和隐私保护、对网络各网元进行拒绝服务攻击、密钥窃取、路由攻击、域名解析攻击等。解决思路是针对每种风险设计各自独立的解决方案，如部署防火墙、NAT地址转换等。目前正在进一步地加强实现基于人工智能的网络安全方案，如利用机器学习算法具备的捕获复杂规律的能力、对预防性识别网络异常攻击模式进行建模等，但总体实现思路以及方案影响没有改变，比如安全方案带来不便、额外开销增加、性能降低等。未来网络的安全新方案包括：考虑内生型方案、整个网络是可信的、任何网络用户身份是唯一的、网络操作记账、信用记录保持以及区块链将被考虑作为某种支撑技术。

　　2.2未来互联网技术和架构

　　本文提出未来(含5G时代和5G后时代)互联网的架构设计，包含以下4层。包含了未来互联网的5层结构，包括数据面、分布式多层云结构、路由控制层、数字价值平面、未来网络管理平面以及未来互联网应用层。说明了未来互联网将越来越私有化，而互联网公网的作用将降低。

　　3.未来工业互联网发展的技术需求

　　3.1未来工业互联网发展的重点领域

　　上一节扩展了研究的范围，代际范围包含当前互联网和4G技术、5G时代(2020-2030年)和5G后时代(2030-2035年),行业范围包含了消费互联网和产业互联网(工业互联网是其子集)。本节将聚焦研究空间，对未来工业互联网发展以及技术需求进行深入分析。

　　工业互联网是“中国工业2025”的核心内容，在行业选择上，本节将重点分析未来制造业、未来能源行业以及未来车联网的行业发展，其中能源行业包含采矿、发电、电网、行业港口以及行业铁路。聚焦研究未来5年内(2020-2025年)工业互联网的技术需求、相应的新架构与新技术。首先分析了最具共性、最重要的技术需求：(1)确定性低时延、高可靠的工业连接;(2)多层次边缘云：边缘云部署位置临近于生产现场以及数据产生源头。边缘云配置的计算能力和智能分析能力越来越强。当前边缘云主要执行训练好的人工智能模型，未来边缘云还将承担针对现有人工智能算法模型的优化训练，不断实时提升本地闭环控制的性能;(3)边缘云部署更多采用私有云形式，边缘的工业网络更多采用企业专网形式;(4)网络边缘位置。随着未来ICT技术和OT深入融合，大量创新的位置将出现。IT界的虚拟化、软件化、云化技术将被运用到OT界。

　　本文观点经过对制造业生产线、煤炭矿区、车联网云控远程驾驶在内的3个工业应用场景的深入研究。其次，未来工业各行业需要新型的、基于大数据的人工智能建模分析能力。拥有大量高价值工业数据的不同行业的工业互联网云平台，可以被看成未来的行业操作系统OS。建设工业互联网云平台和支持工业/企业“上云”，是国家级战略规划。

　　高端设备企业(如美国通用汽车和德国西门子)、行业制造龙头(如海尔)、ICT企业(如阿里巴巴、腾讯、中国电信)以及工业软件龙头企业等，是承接国家工业云平台的主要参与方。工业互联网云平台从底向上包含IaaS、PaaS、SaaS，其中PaaS是核心，被称为未来的工业操作系统OS。

　　3.2工业/企业未来数字化转型

　　大量工业/企业，尤其是每个行业的头部企业，是其行业面向未来工业互联网转型的主力。这些企业具备一定规模的ICT水平。企业需要制定未来10年至20年的战略目标，并量化当前企业ICT和OT技术水平，对量化结果进行建模，并对标国际先进的企业水平，以明确其间差距。

　　同时提出企业数字化转型的主要需求：例如使用远程自动化控制替换地下矿掘进工作面的工人，以实现人员最大程度的安全;例如使用OT设备，如制造业当前基于硬件形态的PLC控制器被虚拟化、云化迁移上工业边缘云，以实现PLC设备更大程度的共享，从而达到“降本增效”的目的等。最后企业对提出的多条转型路径进行投入产出比分析，决定企业战略转型目标与路径。

　　3.3未来工业互联网架构

　　从地理分布上，工业互联网的架构包含了工厂内网络和工厂外网络两个部分。工厂内网络包括IT信息网络和OT生产运营网络。IT网络主要包括企业办公自动化OA系统、ERP系统、MES系统(制定生产计划)以及工业设计开发相关的软件;而OT网络包括3层，最低一层是通信性能要求最高的生产设备控制，中间一层是生产线控制，最高层是生产车间级控制，其中典型的生产型OT设备有PLC和SCADA系统。相应地，云计算也有3个部署位置，最低的、最接近生产现场的是边缘云(OT与IT融合位置)。

　　在工厂边界部署企业私有云或者混合云(IT上云位置)，工厂外部署行业云(产业链和生态环境)。工业互联网架构还包含工业连接、安全、标识和解析、工业智能等多个环节。

　　3.4若干关键技术需求

　　不同的工业网络应用位于网络的不同位置，需要不同的时延和抖动性能。本文总结了制造业核心应用的性能需求，尤其说明了哪些应用需要毫秒级的时延，而哪些应用需要微秒级的时延。

　　4.结束语

　　工业互联网将在未来5到10年蓬勃发展，新应用、新技术需求和新架构设计将不断涌现出。未来工业互联网的进步伴随着工业企业数字化转型，展现出计算资源广泛边缘化、信息技术与运营技术加速融合化、工业网络传送性能高精度确定化、网络高度弹性化/智能化/自动化/可编程化以及工业知识与工业智能的平台化/生态化。

　　未来将围绕工业边缘云、工业云平台产生大量丰富创新的应用，如制造生产线协同机器人、基于边缘云的PLC、基于边缘云的远程采矿控制、基于边缘云的自动驾驶车辆远程控制、基于工业云平台的大规模定制化生产以及基于工业云平台的“降本增效”方案等。高精度确定性工业连接、工业专网、切片技术、多层边缘云、工业云平台、可信网络安全以及工业网络标识与解析将会是未来工业互联网的创新研究重点。

　　参考文献:

　　[1]中国信息通信研究院.工业互联网体系架构(版本1.0)[R].2016.CAICT.Industrialinternetarchitecture(v1.0)[R].2016.

　　[2]李子姝,谢人超,孙礼,等.移动边缘计算综述[J].电信科学,2018,34(1):87-101.LIZS,XIERC,SUNL,etal.Asurveyofmobileedgecomputing[J].TelecommunicationsScience,2018,34(1):87-101.

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