2022年工业网络3.0白皮书

工业网络3.0白皮书 （2022年） 工业互联网产业联盟 2023年6月 声明 本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。 工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887 邮箱：aii@caict.ac.cn 前言 在全球第四次工业革命的浪潮下，人机物需要通过工业互联网彼此交互，相互协同，形成更为高效智能的运作系统。以5G、TSN、边缘计算、云计算、大数据、人工智能为代表的新一代信息通信技术将与工业自动化技术形成合力，实现工业企业在设计、采购、生产、仓储、物流、运营、销售各个环节的智能化运行。网络作为工业互联网基础，需要具备接入海量设备、异构系统互联互通、端到端确定性传输、网络资源智能调度等能力，新一代工业网络呼之欲出。 本白皮书由工业互联网产业联盟组织，中国信息通信研究院牵头行业内相关单位编写，通过对工业网络发展历程梳理，导引工业网络3.0概念及愿景，就其目标架构、关键技术及演进路线进行分析，旨在为工业网络的演进和发展方向进行抛砖引玉。 在本白皮书的编写过程中，得到了联盟成员及国内外众多企业、研究机构、高校的大力支持，为白皮书的观点形成与编写提供了有力支撑。后续我们将根据业界的实践情况和各界的反馈意见，在持续深入研究的基础上适时修订和发布的新版本。 编写组成员（排名不分先后）： 张恒升、朱瑾瑜、陈洁、李栋、杨冬、成剑、朱海龙、黄韬、林思雨、卢云龙、杨铮、任杰、张华宇、李庆、贺骁武、冯景斌、詹双平、黄震宁、魏彬、黄蓉、裴郁杉、金嘉亮、孙雷、王健全、赵艳领、公彦杰、李方健、王童童、包华杰、胡慧敏、乔雷、陈晓光、刘艳强、王晔彤、高娴 牵头编写单位： 中国信息通信研究院 参与编写单位： 中科院沈阳自动化研究所北京交通大学 北京邮电大学 网络通信与安全紫金山实验室清华大学 鹏城实验室 中国移动通信研究院 中国联合网络通信有限公司研究院中国电信股份有限公司研究院 北京科技大学 机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 华为技术有限公司北京航空航天大学 浪潮通信技术有限公司 工业互联网产业联盟公众号 目录 一、愿景1 （一）工业网络发展历程1 （二）工业网络技术演进2 （三）工业网络3.0的内涵3 （四）工业网络发展驱动力4 二、场景需求5 （一）应用场景5 （二）业务挑战11 （三）关键指标13 三、关键能力15 （一）目标架构15 （二）关键技术20 四、展望21 附录23 （一）转发技术23 （二）管控技术29 （三）融合技术31 一、愿景 （一）工业网络发展历程 人类大致经历了四个工业革命阶段，工业网络的演进与后三次工业革命相对应。 19世纪末20世纪初，随着以电力为动力的第二次工业革命的出现，以反馈系统理论为基础的自动控制方法及技术于20世纪40年代开始广泛应用于工业系统领域，工业系统中的通讯主要依赖于电路系统的模拟电子线路信号实现，可以视为工业网络的雏形或者前身。 20世纪下半叶，以计算机技术为代表的第三次工业革命出现，数字通信成为第三次工业革命新动能。从最初的模数混合起步，基于已有的模拟线路实现数字通信。20世纪80年代，现场总线技术在不同行业兴起，以全数字化、双向串行、多点连接通信技术实现了工业现场执行器、传感器以及变送器等多设备互联。90年代末，随着工业控制应用和管理应用对于承载需求的进一步提升，具有更高传输效率、更大带宽、更好兼容性的工业以太网逐步兴起，开始从工业现场测量控制网络发展向生产管理延伸。进入新世纪，工业无线引入工业应用场景，对工业有线网络形成有效补充。各类工业总线和工业以太等工业网络诞生于不同行业领域，形成了以IEC61158、IEC61784等为代表的工业网络系列标准。 21世纪开始，在美国、德国、中国等科技大国逐渐出现了工业互联网的概念，新的工业应用不断涌现，工业控制系统与信息系统信息交互模式出现变革。随着工业互联网的发展，工业智能化、一体化的趋势愈发明显，在人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实等新技术的推动下，工业网络正在进行全新的技术革命。 （二）工业网络技术演进 最初的工业网络基于工业控制系统发展而来，只包含工业控制网络。而随着工业企业网络化、信息化进程不断推进、升级，通过各种网络和信息系统将生产管控、物料管理、事务处理、现金流动、客户交易等业务流程加工成信息资源。工业网络逐步发展，涵盖了工业控制网络和工业信息网络两个层次。前者主要负责工业控制系统内部以及系统之间的互联互通，承载工业测量、控制信号及系统相关的监控、诊断、管理等相关业务；后者主要支撑原始数据转换为信息后，应用于业务分析系统、并实现控制反馈的数据互通，两个网络分别各自演进，形成了分层分域的网络架构。 在新技术的推动下，工业控制网络与工业信息网络逐渐呈现融合趋势，具备支持多业务、多协议、多厂商设备和数据的互联互通、共网承载以及高质量传输能力已经成为网络技术必然的演进方向。具备高实时、高可靠、广覆盖、高安全等特点的工业网络技术，例如时间敏感网络（TSN）、工业5G、OPCUA、工业光网、单对双绞线、卫星网络等，正在逐步成为工业网络热点技术，形成新一代工业网络。 图1工业网络技术发展图 总而言之，第二次工业革命时期，在生产系统中，面向基础自动控制设备，以模拟信号通信为主的自动控制网络，称之为工业网络1.0。在第三次工业革命时期，在车间中，面向数字化工业设备及信息化自控系统，以数据通信为主的工业总线和工业以太网，称之为工业网络2.0。随着第四次工业革命的来临，面向工业互联网生产要素全连接、生产过程高智能的目标，网络应用范围从局域扩展到广域，工业网络3.0应运而生。 （三）工业网络3.0的内涵 工业网络3.0是面向2030年及未来，以工业互联网应用为驱动，支撑 人、机、平台协同创新应用，技术高融合、部署高灵活、服务可度量、接口可编程的新型工业网络。工业网络3.0以先进网络技术为基础，以泛在互联、确定承载、智能极简、高效低碳为目标，全面支撑机器与平台、人与平台、人与机器的互联互通互操作。 泛在互联是基本要求。在新一轮科技革命的驱动下，新一代信息技术正深刻影响制造业发展，工业数据的横向与纵向集成正不断扩展延伸，工业网络3.0的范围不断扩展。一是传统的“聋”“哑”设备将被数字化网络化设备替代，人、机、料、法、环、测实现全面的无死角网络覆盖和连接，从生产现场到云端将通过网络互联和数据互通，构建一套可互操作、可移植的开放架构体系。二是泛在安全成为工业网络的内生属性，通过增 强主动防御、智能感知、协同处理等能力，实现网络设施和数据的稳定可靠、安全可信。 确定承载是核心诉求。采集、传输、转发数据是网络的基础能力，更 好的承载能力、确定的服务性能成为工业网络3.0的核心能力。一是通过各类新型网络化技术实现端到端融合承载，面向不同垂直行业，多种业务混合传输需求，按需提供确定性网络保障。二是实现多层级、广范围的确定性传输。车间级网络传输时延达到亚毫秒级，机械制造类的机台内部网 络端到端通信响应时间缩减到微秒级。园区级网络反馈控制类业务的端到端传输时延达到毫秒级。城域级网络达到TB级别的传输带宽，确定性端到端时延达到10毫秒级，承载接入和器规模达到百万级以上。 智能极简是内生需求。数字化节点的快速增加，灵活化生产的规模扩 大，工业网络体系复杂度日益增加，人工辅组甚至无人化的“建、运、管、维”成为工业网络3.0的必然要求。一是工业网络全生命周期智能化，通过在网络规划、部署、运维、优化各环节构建感知洞察能力、优化分析能 力、决策部署能力等，实现人员成本降低、操作失误减少、故障快速定位解决，大幅提升工业网络支撑能力。二是服务接口极简化，以数据为基础，以场景为导向、以算法为支撑，配合大数据处理和机器学习技术，免除繁 琐的应用安装、部署、维护过程，降低工业网络管理、运营、维护的难度和技术门槛，实现人对系统接口的简洁化。 高效低碳是更高追求。工业互联网数据流量的的爆发式增长将导致网 络能源消耗的大幅增加，工业网络3.0要实现效率与节能水平的同步提升。一是通过新型转发技术和管控技术，提高网络对各种工业应用的适配支撑能力，一网多用，减少重复建设；提高网络流量的负载水平，重复利用链路带宽，物尽其用。二是通过绿色节能技术降低网络设备能耗，实现设备级的高能效；通过设备间的协作平衡，实现网络级的高能效；利用可再生 能源为系统供能，实现系统级的高能效。 （四）工业网络发展驱动力 业务和技术是推动工业网络演进的主要驱动力。 在业务上，随着智能制造和工业互联网的发展，工业网络3.0将以业务服务质量为核心，为工业企业提供百万级接入能力、10Gbps连接速率、微秒级时延/抖动的确定性保证，异构网络资源协同，业务质量智能优化，同时为网络带来超百倍的能效提升及单比特成本降低。未来工业将与IT技 术更加深入地融合，智能工厂内建立有线+无线、实时+非实时、局域+广域的异质异构生产管理和控制网络，工业网络与消费网络进行互联互通，实现真正的“一网到底”，与此同时，必须解决“信息安全”的问题。 在技术上，从控制、采集等基础能力，向工业互联网人、机、平台全面互联场景演进。从解决产线内部连接单一传输的工业控制网络技术向业务驱动的全融合、智能化网络演进。工业网络3.0以数字化业务为中心构建全方位通信生态系统。工业网络3.0将通过无缝融合的方式，便捷地实现人与机器、机器与机器之间的智能互联，使数据及信息交互突破空间及距离的限制，完成现场数据到工业知识的华丽转变，为工业生产注入智能化的新活力。其中，高清机器视觉、大模型智能的大规模网联化推动机器人对高带宽和高时效性的需求，多机器人协作和高速运动车辆需要稳定的高带宽、低延迟低抖动无线通信技术。确定性网络通信技术将会在兼容现有网络的基础上提供高带宽、低延迟、高可靠的通信能力，将极大的减小使用网络的难度，降低部署和运维成本。泛在连接将推动工业网络3.0呈现消费互联网的大连接、大融合、大数据的新型业态。 网络技术与工业互联网深度融合，可以催生更多工业创新业务，有效提升工业生产效率及产品品质，降低劳动成本，工业网络提供广阔的前景。 二、场景需求 （一）应用场景 工业网络3.0应满足产线、车间、工厂、工业园区、户外作业场景等各类区域生产全要素接入和互联需求实现机器与平台、人与平台、人与机器的互联互通互操作。 1、机器与平台 机器与平台的连接是工业网络3.0的核心应用场景。工业网络3.0的确 定承载能力能够支撑未来工业生产中跨产线、跨车间，跨工厂乃至跨地域的生产协同、远程控制场景。无人化、少人化是未来智能工厂发展的重要特征之一，大量的AGV、机械臂、数控设备等工业智能化设备通过云平台或者边缘计算平台实现生产、配料、运输等场景中数据互联互通和协同管控。 基于工业网络3.0的协同管控系统需要通过统一的业务平台实现工厂 或某一特定区域内的机器人、车辆、设备、货物及人员的综合调度，通过实时数据采集和分析，做出最优决策，并通过网络实现控制/决策指令在设备间的可靠同步传输，保证多机器间、机器到平台之间运行的可操作性、精准性和灵活性，实现工厂内机器集群编队、多机器协同流水作业等应用。 图2机器与平台连接主要场景示意图 基于控制器到设备（C2D）通信模型是工业网络3.0的基础应用，主要包括逻辑控制（如：PLC到IO的控制）和运动控制（如机床内部主控到伺 服电机的控制）两大类业务。随着工业应用的不断升级发展，远程控制、智能控制等新型业务不断涌现。