5G时代工业互联网边缘计算网络白皮

5G时代工业互联网边缘计算网络白皮书 PREFACE前言工业互联网是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物，是实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施，通过人、机、物的全面互联，全要素、全产业链、全价值链的全面连接，推动形成全新的生产制造和服务体系，是经济转型升级的关键依托、重要途径、全新生态。5G+边缘计算是支持工业互联网的关键技术，“5G+边缘计算”应用场景贯穿工业制造的全过程，覆盖AGV、生产过程控制、机器协作等各个环节。“5G+边缘计算”融合应用将显著降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，提升产品高端化、装备高端化和生产智能化水平，推动制造业实现质量效益提高、产业结构优化、发展方式转变、增长动力转换，为工业互联网提供有力保障。《5G时代工业互联网边缘计算网络白皮书》详细介绍了工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势，分析了工业互联网场景对5G+边缘计算的需求，并给出工业互联网的5G+边缘计算网络架构及解决方案实践案例。为行业客户、设备商、集成商和运营商在部署和应用时提供参考。本白皮书由中国科学院沈阳自动化研究所、中国信息通信研究院、中国移动通信集团有限公司、中国联合网络通信集团有限公司、中国电信集团有限公司、华为技术有限公司、重庆大学、北京易华录信息技术股份有限公司、贝加莱工业自动化（中国）有限公司、三菱电机自动化（中国）有限公司、徐州重型机械有限公司、联通（江苏）产业互联网有限公司、中讯邮电咨询设计院、青岛海尔工业智能研究院有限公司、大连金勺科技有限公司等单位共同完成。主要编写人包括 ：中国科学院沈阳自动化研究所曾鹏、李栋、俞雪婷、刘金娣中国联合网络通信集团有限公司曹畅、贾雪琴、何涛、肖羽、王跃重庆大学蔡岳平贝加莱工业自动化（中国）有限公司宋华振联通（江苏）产业互联网有限公司于谦中国移动通信集团有限公司刘鹏、王帅华为技术有限公司宋军，黄还青，孙建平，翁志强，高偲大连金勺科技有限公司曹欣徐州重型机械有限公司李忠福，张翔，杜兆龙青岛海尔工业智能研究院有限公司黄玉宝、胡明臣中国信息通信研究院张恒升、王哲中国电信集团有限公司雷波、解云鹏、赵倩颖、吕航北京易华录信息技术股份有限公司王凌、钟将三菱电机自动化（中国）有限公司高山青，朱超中讯邮电咨询设计院王帅 CONTENTS目录1.1 工业互联网发展现状及挑战011.2工业边缘计算发展现状及优势031.3工业互联网边缘计算网络内涵及利益共同体04工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势01012.1工业互联网的典型5G+ 边缘计算场景052.25G+边缘计算给工业互联网带来的价值082.3工业互联网场景对5G+ 边缘计算的网络需求09工业互联网场景对5G+边缘计算的网络需求分析02053.1 工业互联网边缘计算网络架构103.25G行业专网113.35G边缘计算在 OT 网络的应用模式143.4工业互联网的5G 边缘计算网络架构及网络规划17工业互联网的5G边缘计算网络架构03104.1大型装备制造行业解决方案实践224.23C行业解决方案实践264.3智慧工厂解决方案实践29工业互联网边缘计算网络解决方案实践04225.1工业互联网边缘计算网络未来展望315.2工业互联网边缘计算网络发展建议32工业互联网边缘计算网络发展趋势及建议0531 5G时代工业互联网边缘计算网络1工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势工业互联网是互联网和新一代信息技术与工业系统全方位深度融合所形成的产业和应用生态，是工业智能化发展的关键综合信息基础设施，其本质是以机器、原材料、控制系统、信息系统、产品以及人之间的网络互联为基础，通过对工业数据的全面深度感知、实时传输交换、快速计算处理和高级建模分析，实现智能控制、运营优化和生产组织方式变革。全球主要国家在工业互联网方面进行战略布局，由前期市场自发探索走向了政府市场的双轮驱动。国际方面，为了使工业重新焕发强大的竞争力，如美国、德国、日本等工业强国纷纷布局工业互联网，通过新一代信息技术促进生产关系和生产关系革新，抢占产业竞争制高点。政府加强工业互联网顶层设计，纷纷发布国家发展战略，政府通过投资项目、科研补贴、税收优惠等方式，支持科技基金、创新中心、研究机构等引领工业互联网发展，推动工业互联网从概念探讨迈入产业实践。国内方面，工业互联网已经得到了国家的高度认可与重视，“十三五”规划、中国制造2025、“互联网+”、“深化制造业与互联网融合发展”等等重大战略都明确提出发展工业互联网。2018年及2019年,我国又密集出台了《工业互联网发展行动计划(2018—2020年)》《工业互联网网络建设及推广指南》等一批政策文件,大力支持工业互联网的发展。2019年底，工信部印发《“5G+工业互联网”512工程推进方案》提出要推进5大类12项5G+工业互联网重大工程建设，以加速推进5G技术与工业互联网的融合应用落地，以加强5G、工业互联网、人工智能等新型基础设施建设。国际相关产业组织由各自推进走向了对接联合，企业间跨界融合平台化、生态化创新的发展模式。工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势01工业互联网发展现状及挑战1.1 5G时代工业互联网边缘计算网络2工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势行业组织围绕工业互联网通力合作。产业联盟汇聚成员单位的优势资源，推进产学研用协同创新，使成员之间的成果转化和对接更加高效。德国工业4.0平台由德国机械设备制造业联合会、德国电气和电子制造商协会等发起，协会负责技术和理念推广，研究机构负责技术开发、标准制定和人才培养，大众、西门子等大型制造企业提供技术与解决方案，中小企业则以联合方式参与创新研发并分享创新成果。美国工业互联网联盟由AT&T、思科、GE、IBM和英特尔5家企业联合发起，目前有210家成员单位，支持了边缘网关、工业互联网平台等26个测试床。我国在2016年2月成立了工业互联网产业联盟，2020年联盟成员数量超过1600家，先后从工业互联网顶层设计、技术研发、标准研制、测试床、产业实践、国际合作等多方面开展工作，发布了工业互联网白皮书、工业互联网平台、测试床、优秀应用案例等系列成果。企业积极投入研发与应用。企业是工业互联网发展的主力军，制造企业、自动化企业、IT企业都积极参与工业互联网建设与推广。老牌工业企业GE和西门子在巨大的数字化转型压力下，率先推动工业互联网发展，施耐德、ABB等紧随其后。微软、美国参数技术公司（PTC）等IT企业凭借在软件服务、平台建设等方面的优势也占据一席之地。同时，工业互联网领域也涌现出Ayla、Flutura、Maana、QiO等一批初创企业，他们借助在物联网、大数据、人工智能等新一代信息技术上的优势，通过投资并购、战略合作、成立联盟等方式增强竞争优势，推动工业互联网创新发展。国内也涌现一批工业互联网企业，包括新型工业互联网科技企业如树根互联，传统的电信运行商、设备商，如移动、联通、电信和华为、中兴等企业也纷纷投入主要力量，提出各自的工业互联网解决方案。国内工业企业在国际政策的推动下也在积极开展工业互联网的改造升级，进行工业互联网技术的应用落地。通过几年来的理论和实践探索，工业互联网网络已从概念形成普及进入到应用实践推广的新阶段，业界对工业互联网的发展方向已有高度的共识。在这一过程中，国内外均形成了大量的探索实践，工业互联网改造已经涵盖了工业的多个行业、大中小各类企业乃至实体经济的各个领域，为进一步创造新的生产力和发展动能奠定了基础。虽然工业互联网网络发展迅猛，但是仍然面临诸多挑战。工业设备基础比较薄弱。当前数据采集因为传感器实际数量设置偏少，各个装备的智能化水平较低，现场设备联网率偏低，故而因此产生了在现场数据的采集数量、类型、精度等各方面的低标准结果。IT网络与OT网络跨网互联困难，工业传统网络历史遗留下的分层隔离、多总线协议共存的局面导致工业互联网的网络化改造阻力较大，各自独立的系统导致数据孤岛，难以形成信息的有效流动和互通，因此难以对实时分析、智能优化和科学决策提供充足的条件。由于产业链条的变长，需要产品全生命周期的数据的集成，涉及多链条多角色的协作和整合，因此工业互联网对数据的理解、流动和全生命周期的管理提出更高要求。 5G时代工业互联网边缘计算网络3工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势边缘计算技术是计算技术发展的焦点，通过在靠近工业现场的网络边缘侧运行处理、分析等操作，就近提供边缘计算服务，能够更好满足制造业敏捷连接、实时优化、安全可靠等方面的关键需求，改变传统制造控制系统和数据分析系统的部署运行方式。目前，国内外产业界对边缘计算架构及模型已经能开展多方面的探索，2014年，欧洲ETSI成立移动边缘计算标准化工作组（MEC），将密集型移动计算任务迁移到附近的网络边缘服务器中，提出移动边缘计算模型；2015年，开放雾计算联盟（OFC）开展OpenFog架构及安全性、可扩展性、开放性等8个支柱模型研究 ；国内边缘计算产业联盟及工业互联网产业联盟联合发布《边缘计算参考架构3.0》白皮书和20多个边缘计算测试床。在标准制定方面，2020年，中国联通等单位在ITU-T SG20推动的“边缘计算需求和能力要求”（ITU-T Y.4208）的国际标准正式发布、“边缘计算网关”等国际标准正在稳步推进；CCSA在边缘云、云边协同、边缘网关、边缘计算在工业互联网、车联网等领域的应用也有相当数量的标准报批。2016年10月，由IEEE和ACM正式成立了IEEE/ACM Symposium on Edge Computing，组成了由学术界、产业界、政府（美国国家基金会）共同认可的学术论坛，对边缘计算的应用价值，研究方向开展了研究与讨论。2017年中国科学院沈阳自动化研究所牵头成立了中国自动化学会边缘计算专业委员会。2018年是边缘计算蓬勃发展的一年，在微软2018年度开发者大会上，微软公司发布“Azure IoT Edge”等边缘侧产品，将业务重心从哪Windows操作系统转移到智能边缘计算方面。几乎在同一时间，亚马逊公司发布“AWS Greengrass”边缘侧软件，将AWS云服务无缝扩展至设备。阿里云宣布2018年将战略投入边缘计算技术领域并推出边缘计算产品Link Edge。边缘计算的优势体现在三个方面 ：工业边缘计算发展现状及优势1.2提供IT与OT跨网互通的能力，边缘侧网关向现场设备提供多种接口、协议，可以解决现场设备信息联网和工业设备多协议之间与IT网络设备互通的问题，强化平台数据输入的能力，实现传感器控制系统、管理软件等不同来源的海量数据的集成与汇聚。边缘计算与云计算协同的能力，通过边缘侧在设备端就能够对业务数据进行实时处理，数据不必上传到云端，大大节省数据传输的时延和网络的带宽消耗，提高实时业务的确定性保障和数据的安全性。边缘计算在网络边缘侧的智能分布式架构与平台上，通过知识模型驱动智能化能力，建立统一的服务框架，面向系统运维人员、决策者、开发者等多角色多链条人员，实现协作。 5G时代工业互联网边缘计算网络4工业互联网发展面临的挑战及边缘计算的优势工业互联网边缘计算网络是工业互联网与边缘计算结合的新型网络。采用工业互联网网络基础架构，在此基础上加入边缘计算网关、边缘计算控制器和边缘云，通过边缘计算技术，降低工业现场的复杂性，提高工业数据计算的实时性和可靠性，形成更为先进和优化的工业互联网网络解决方案。通过边缘计算技术，可以对工业互联网形成有力的技术支持，解决工业互联网发展中遇到的问题。《工业互联网体系架构2.0》中指出“边缘计算技术的赋能作用主要体现在两个方面 ：一是降低工业现场的复杂性。目前在工业现场存在超过 40种工业总线技术，工业设备之间的连接需要边缘计算提供“现场级”的计算能力，实现各种制式的网络通信协议相互转换、互联互通，同时又能够应对异构网络部署与配置、网络管理与维护等方面的艰巨挑战。二是提高工业数据计算的实时性和可靠性。在工业控制的部分场景，计算处理的时延要求