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電子論文

未來工業互聯網發展的技術需求

時間:2019年08月15日 所屬分類:電子論文 點擊次數:

摘要:工業互聯網的發展是實現中國制造2025的重要支撐。首先擴大了研究范圍,對未來互聯網包括5G時代和5G后時代的發展趨勢、前瞻應用、技術需求等方面進行了分析,提出未來互聯網的總體架構和關鍵技術。隨后聚焦了5G時代的工業互聯網,分析了工業互聯網架構

  摘要:工業互聯網的發展是實現“中國制造2025”的重要支撐。首先擴大了研究范圍,對未來互聯網包括5G時代和5G后時代的發展趨勢、前瞻應用、技術需求等方面進行了分析,提出未來互聯網的總體架構和關鍵技術。隨后聚焦了5G時代的工業互聯網,分析了工業互聯網架構、工業邊緣云、確定性時延工業連接、工業互聯網行業云平臺、數字化轉型、安全、標識與解析等核心技術需求。

  關鍵詞:工業互聯網行業云平臺;工業邊緣云;全息傳送;確定性時延傳送;觸覺互聯網;可信網絡安全;空地一體化互聯網

電信科學

  1.引言

  本文研究重點是未來5G時代工業互聯網的技術需求。本文首先擴大了研究范圍,分析了2020—2030年的5G時代、2030—2035年的網絡以及網絡5.0時代的未來互聯網發展。現有互聯網主要是消費互聯網,連接對象是人,存有幾十億的連接空間;性能需求主要來自于人的感官敏感度,其發展高峰是移動消費互聯網,俗稱“互聯網上半場”,新用戶發展紅利基本被挖掘。

  行業互聯網是互聯網技術(主要是ICT(informationandcommunicationtechnology)技術)與傳統行業運營(operationaltechnology,OT)技術融合運用,廣泛部署傳感器,連接對象從人擴展到實體物體、虛擬的如數字雙生、內容、服務等,連接空間擴大到千億甚至萬億,性能需求包括時延、抖動、帶寬、并發數據流協同、可靠性、網絡安全、數據隱私和地址標識等多個緯度,對應不同行業不同應用場景的技術需求差異巨大。

  行業互聯網被稱為“互聯網下半場”,未來發展空間廣闊。工業互聯網是行業互聯網的一部分,包含工業制造行業、能源行業(采煤、電廠、新能源,電網,行業內鐵路和港口)、車聯網行業等諸多典型行業。未來工業互聯網發展的技術需求及對應的網絡架構和核心技術是本文聚焦研究的重點。

  本文分析了未來工業互聯網的架構設計、工業邊緣云、確定性時延工業連接、工業互聯網行業云平臺、數字化轉型、網絡切片在內的技術需求及核心技術。其中,最引人注目是未來工業連接的超高性能要求,通過多層邊緣計算的快速廣泛部署以提升工業現場閉環控制性能,并與傳統工業OT系統加速融合,同時行業工業云平臺以基于大數據的人工智能算法來實現創新,以推動行業降本增效新動能并孵化行業新生態。此外,工業互聯網連接空間巨大,創新工業連接標識系統、加強數據隱私保護、提升網絡安全也是關鍵的技術需求。

  2.未來互聯網發展的技術需求

  本文在未來的工業互聯網發展的技術需求方面進行展望與深入探討,獲得的見解主要來自對工業制造、能源以及車聯網3個行業的研究,這些行業在運用ICT技術方面均有著廣泛的需求和深厚的基礎。深入討論了工業互聯網的典型行業需求、信息網絡架構、總體技術需求、工業云、工業邊緣云、工業數據以及安全等各領域問題。對工業互聯網的分析,從代際劃分看,主要是針對5G時代技術提供行業互聯網的方案,時間跨度主要為2020—2030年。

  在進入對工業互聯網的分析之前,為了建立從5G向更未來的互聯網發展的展望,總結了5G后時代的“網絡2030”和網絡5.0的發展要點,目的是提高本文對未來工業互聯網發展技術需求分析的前瞻性把握,時間跨度為2030-2035年。本文對未來網絡的分析,即包含了5G時代(2020-2030年),又包含了5G后時代(2030-2035年)。

  2.1未來互聯網應用

  (2020-2035年)為了總體把握各代際的技術需求,本文沿用了如下代際劃分:“現在”指基于4GLTE提供的消費及產業互聯網的技術方案,“5G時代”(2020-2030年),“5G后時代”(2030-2035年);本章(即本文第2章)分析的未來網絡時間跨度是2020年到2035年。尤其是“網絡2030”定義的如下前瞻性的應用與需求主要有:迫近真實的個人通信、極高帶寬的數據搬移、空地一體化未來互聯網、基于可信技術實現的新網絡安全、互聯網自治和全息瞬傳等。

  (1)“迫近真實的個人通信”

  人和人遠程通信是從語音開始,隨后發展到增加了視頻的語音視頻會議,目前演進到利用虛擬現實和增強現實技術加強個人通信體驗,但異地通信中,雙方還是有距離感。“迫近真實的個人通信”指未來個人異地通信將追求滿足眼睛和耳朵兩種感官,以及擴展到觸覺、味覺、嗅覺信息的采集和并發協同傳輸,由此進一步降低雙方的距離感。

  (2)極高帶寬的數據搬移

  工業互聯網需要感知未來世界,需要大量部署各類傳感器,預測未來IoT的連接空間將會從目前對人的幾十億發展到未來千億甚至萬億的連接空間,連接的端點類型會延展到包含人、實體物、虛擬的數據、服務、數字雙生和內容。大量的傳感器數據需要搬動到各級云中,經計算分析后產生控制反饋。

  這樣的數據搬動量是巨大的。未來車聯網是一個典型海量移動數據搬動的應用。目前車聯網自動駕駛是基于單車決策的;未來更多的自動駕駛控制以及基于自動駕駛能力的創新車聯網應用,將把單車承擔的決策移交給未來移動網絡的邊緣層,由智能網絡邊緣層承擔鄰近車輛駕駛的高層控制(行駛路由和平均速度的調整)以及底層控制(油門、剎車、方向盤)。

  車輛將通過無線的V2N(vehicletonetwork)持續上傳高數據量的數據地圖(HD-Map)、高精度、確定性和低時延的車輛定位(車輛高速移動),車輛與現有鄰近車輛間通過V2V(vehicletovehicle)接收到的消息匯總,通過V2N轉發到移動網絡邊緣。此過程需要搬動巨量數據,同時這些車輛需要保持最近的移動邊緣MEC的計算處理,即保持邊緣的智能分析并實時反饋控制的應用需求與位置強相關信息,這造成需要在移動邊緣云間搬移大量數據。

  (3)空地一體化的未來互聯網

  IETF的TCP/IP協議棧和互聯網架構是從針對地面固定互聯網開始設計的,之后,IMT-2020沿用了其設計成果,其中包含目前互聯網的關鍵設計成果,如基于位置的IP地址標識、可達性拓撲路由廣播與計算、由TCP/UDP第4層基于連接兩側端點協商的連接參數(通信網絡3層及以下層對連接參數未感知)和被動式安全設計思路等。

  “未來網絡2030”考慮了包括航海航空、海上平臺、偏遠石油礦場、自然災害、緊急通信、野外車輛等特定應用場景,其技術需求包括路由方式、標識方式、連接方式、物理分組丟失率等方面,是當前基于地面互聯網的IETF的TCP/IP協議棧所不支持的。未來地面互聯網和基于衛星的空間互聯網融合是工業互聯網的一個可能的技術需求。

  (4)基于可信技術實現的網絡新安全

  當前網絡安全風險包括對網絡用戶身份確認、信息內容防止篡改、數據安全和隱私保護、對網絡各網元進行拒絕服務攻擊、密鑰竊取、路由攻擊、域名解析攻擊等。解決思路是針對每種風險設計各自獨立的解決方案,如部署防火墻、NAT地址轉換等。目前正在進一步地加強實現基于人工智能的網絡安全方案,如利用機器學習算法具備的捕獲復雜規律的能力、對預防性識別網絡異常攻擊模式進行建模等,但總體實現思路以及方案影響沒有改變,比如安全方案帶來不便、額外開銷增加、性能降低等。未來網絡的安全新方案包括:考慮內生型方案、整個網絡是可信的、任何網絡用戶身份是唯一的、網絡操作記賬、信用記錄保持以及區塊鏈將被考慮作為某種支撐技術。

  2.2未來互聯網技術和架構

  本文提出未來(含5G時代和5G后時代)互聯網的架構設計,包含以下4層。包含了未來互聯網的5層結構,包括數據面、分布式多層云結構、路由控制層、數字價值平面、未來網絡管理平面以及未來互聯網應用層。說明了未來互聯網將越來越私有化,而互聯網公網的作用將降低。

  3.未來工業互聯網發展的技術需求

  3.1未來工業互聯網發展的重點領域

  上一節擴展了研究的范圍,代際范圍包含當前互聯網和4G技術、5G時代(2020-2030年)和5G后時代(2030-2035年),行業范圍包含了消費互聯網和產業互聯網(工業互聯網是其子集)。本節將聚焦研究空間,對未來工業互聯網發展以及技術需求進行深入分析。

  工業互聯網是“中國工業2025”的核心內容,在行業選擇上,本節將重點分析未來制造業、未來能源行業以及未來車聯網的行業發展,其中能源行業包含采礦、發電、電網、行業港口以及行業鐵路。聚焦研究未來5年內(2020-2025年)工業互聯網的技術需求、相應的新架構與新技術。首先分析了最具共性、最重要的技術需求:(1)確定性低時延、高可靠的工業連接;(2)多層次邊緣云:邊緣云部署位置臨近于生產現場以及數據產生源頭。邊緣云配置的計算能力和智能分析能力越來越強。當前邊緣云主要執行訓練好的人工智能模型,未來邊緣云還將承擔針對現有人工智能算法模型的優化訓練,不斷實時提升本地閉環控制的性能;(3)邊緣云部署更多采用私有云形式,邊緣的工業網絡更多采用企業專網形式;(4)網絡邊緣位置。隨著未來ICT技術和OT深入融合,大量創新的位置將出現。IT界的虛擬化、軟件化、云化技術將被運用到OT界。

  本文觀點經過對制造業生產線、煤炭礦區、車聯網云控遠程駕駛在內的3個工業應用場景的深入研究。其次,未來工業各行業需要新型的、基于大數據的人工智能建模分析能力。擁有大量高價值工業數據的不同行業的工業互聯網云平臺,可以被看成未來的行業操作系統OS。建設工業互聯網云平臺和支持工業/企業“上云”,是國家級戰略規劃。

  高端設備企業(如美國通用汽車和德國西門子)、行業制造龍頭(如海爾)、ICT企業(如阿里巴巴、騰訊、中國電信)以及工業軟件龍頭企業等,是承接國家工業云平臺的主要參與方。工業互聯網云平臺從底向上包含IaaS、PaaS、SaaS,其中PaaS是核心,被稱為未來的工業操作系統OS。

  3.2工業/企業未來數字化轉型

  大量工業/企業,尤其是每個行業的頭部企業,是其行業面向未來工業互聯網轉型的主力。這些企業具備一定規模的ICT水平。企業需要制定未來10年至20年的戰略目標,并量化當前企業ICT和OT技術水平,對量化結果進行建模,并對標國際先進的企業水平,以明確其間差距。

  同時提出企業數字化轉型的主要需求:例如使用遠程自動化控制替換地下礦掘進工作面的工人,以實現人員最大程度的安全;例如使用OT設備,如制造業當前基于硬件形態的PLC控制器被虛擬化、云化遷移上工業邊緣云,以實現PLC設備更大程度的共享,從而達到“降本增效”的目的等。最后企業對提出的多條轉型路徑進行投入產出比分析,決定企業戰略轉型目標與路徑。

  3.3未來工業互聯網架構

  從地理分布上,工業互聯網的架構包含了工廠內網絡和工廠外網絡兩個部分。工廠內網絡包括IT信息網絡和OT生產運營網絡。IT網絡主要包括企業辦公自動化OA系統、ERP系統、MES系統(制定生產計劃)以及工業設計開發相關的軟件;而OT網絡包括3層,最低一層是通信性能要求最高的生產設備控制,中間一層是生產線控制,最高層是生產車間級控制,其中典型的生產型OT設備有PLC和SCADA系統。相應地,云計算也有3個部署位置,最低的、最接近生產現場的是邊緣云(OT與IT融合位置)。

  在工廠邊界部署企業私有云或者混合云(IT上云位置),工廠外部署行業云(產業鏈和生態環境)。工業互聯網架構還包含工業連接、安全、標識和解析、工業智能等多個環節。

  3.4若干關鍵技術需求

  不同的工業網絡應用位于網絡的不同位置,需要不同的時延和抖動性能。本文總結了制造業核心應用的性能需求,尤其說明了哪些應用需要毫秒級的時延,而哪些應用需要微秒級的時延。

  4.結束語

  工業互聯網將在未來5到10年蓬勃發展,新應用、新技術需求和新架構設計將不斷涌現出。未來工業互聯網的進步伴隨著工業企業數字化轉型,展現出計算資源廣泛邊緣化、信息技術與運營技術加速融合化、工業網絡傳送性能高精度確定化、網絡高度彈性化/智能化/自動化/可編程化以及工業知識與工業智能的平臺化/生態化。

  未來將圍繞工業邊緣云、工業云平臺產生大量豐富創新的應用,如制造生產線協同機器人、基于邊緣云的PLC、基于邊緣云的遠程采礦控制、基于邊緣云的自動駕駛車輛遠程控制、基于工業云平臺的大規模定制化生產以及基于工業云平臺的“降本增效”方案等。高精度確定性工業連接、工業專網、切片技術、多層邊緣云、工業云平臺、可信網絡安全以及工業網絡標識與解析將會是未來工業互聯網的創新研究重點。

  參考文獻:

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  [2]李子姝,謝人超,孫禮,等.移動邊緣計算綜述[J].電信科學,2018,34(1):87-101.LIZS,XIERC,SUNL,etal.Asurveyofmobileedgecomputing[J].TelecommunicationsScience,2018,34(1):87-101.

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