工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接白皮書

1、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接白皮書目 錄 HYPERLINK l _bookmark0 一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接框架1 HYPERLINK l _bookmark1 （一）、網(wǎng)絡(luò)連接框架1 HYPERLINK l _bookmark2 （二）、實現(xiàn)視圖2 HYPERLINK l _bookmark3 （三）、協(xié)議視圖6 HYPERLINK l _bookmark4 二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)7 HYPERLINK l _bookmark5 （一）、工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)7 HYPERLINK l _bookmark6 現(xiàn)狀7 HYPERLINK l _bookmark7 發(fā)展趨勢10 HYPERLINK l _bookm

2、ark8 有線網(wǎng)絡(luò)12 HYPERLINK l _bookmark9 無線網(wǎng)絡(luò)23 HYPERLINK l _bookmark10 工廠內(nèi)定位29 HYPERLINK l _bookmark11 敏捷網(wǎng)絡(luò)/工廠 SDN34 HYPERLINK l _bookmark12 （二）、工廠外網(wǎng)絡(luò)36 HYPERLINK l _bookmark13 1.現(xiàn)狀36 HYPERLINK l _bookmark14 發(fā)展趨勢36 HYPERLINK l _bookmark15 企業(yè)專線38 HYPERLINK l _bookmark16 移動通信網(wǎng)絡(luò)41 HYPERLINK l _bookmark17 三、

3、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)互通46 HYPERLINK l _bookmark18 （一）、現(xiàn)狀與趨勢46 HYPERLINK l _bookmark19 （二）、面向工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的OPC UA47 HYPERLINK l _bookmark20 （三）、面向輕量級設(shè)備的LIGHTWEIGHTM2M50 HYPERLINK l _bookmark21 （四）、ONEM2M53 HYPERLINK l _bookmark22 四、適配邊緣計算架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)連接57 HYPERLINK l _bookmark23 （一）、邊緣計算在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的位置57 HYPERLINK l _bookmark24 （二）、邊緣

4、計算與網(wǎng)絡(luò)連接的關(guān)系58 I HYPERLINK l _bookmark25 垂直行業(yè)現(xiàn)場的邊緣計算58 HYPERLINK l _bookmark26 移動邊緣計算60 HYPERLINK l _bookmark27 五、部署與演進(jìn)61 HYPERLINK l _bookmark28 （一）、總體原則61 HYPERLINK l _bookmark29 （二）、工廠內(nèi)網(wǎng)62 HYPERLINK l _bookmark30 （三）、工廠外網(wǎng)63II 一、 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接框架在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，為人、機、物全面互聯(lián)提供基礎(chǔ)設(shè)施，促進(jìn)各種工業(yè)數(shù)據(jù)的充分流動和無縫集成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

5、網(wǎng)絡(luò)連接，涉及了工廠內(nèi)外的多要素、多主體 間的不同技術(shù)領(lǐng)域，影響范圍大，可選技術(shù)多。工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)已 廣泛存在各種網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，這些技術(shù)分別針對工業(yè)領(lǐng)域的特 定場景進(jìn)行設(shè)計，并在特定場景下發(fā)揮了巨大作用和性能優(yōu)勢， 但在數(shù)據(jù)的互操作和無縫集成方面，往往不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 日益發(fā)展的需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接的總體目標(biāo)，是促進(jìn)系 統(tǒng)間的互聯(lián)互通，從孤立的系統(tǒng)/網(wǎng)絡(luò)中解鎖數(shù)據(jù)，使得數(shù)據(jù)為 行業(yè)內(nèi)及跨行業(yè)的應(yīng)用發(fā)揮更大價值。（一）網(wǎng)絡(luò)連接框架圖 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接框架工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接框架（見圖 1），包括網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和數(shù)據(jù) 1 互通兩個層次。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，包括工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和工廠外網(wǎng)絡(luò)。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，用于連接工廠

6、內(nèi)的各種要素，包括人員（如 生產(chǎn)人員、設(shè)計人員、外部人員）、機器（如裝備、辦公設(shè)備）、材料（如原材料、在制品、制成品）、環(huán)境（如儀表、監(jiān)測設(shè)備） 等。通過工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，與企業(yè)數(shù)據(jù)中心及應(yīng)用服務(wù)器互聯(lián)，支 撐工廠內(nèi)的業(yè)務(wù)應(yīng)用。工廠外網(wǎng)絡(luò)，用于連接智能工廠、分支機構(gòu)、上下游協(xié)作 企業(yè)、工業(yè)云數(shù)據(jù)中心、智能產(chǎn)品與用戶等主體。智能工廠內(nèi) 的數(shù)據(jù)中心/應(yīng)用服務(wù)器，通過工廠外網(wǎng)絡(luò)與工廠外的工業(yè)云數(shù) 據(jù)中心互聯(lián)。分支機構(gòu)/協(xié)作企業(yè)、用戶、智能產(chǎn)品，也根據(jù)配 置，通過工廠外網(wǎng)絡(luò)連接到工業(yè)云數(shù)據(jù)中心或者企業(yè)數(shù)據(jù)中心。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)互通（本白皮書中也以“連接”指代）， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)和信息在各要素間、各系統(tǒng)間的無縫傳

7、遞，使得異構(gòu)系統(tǒng)在數(shù)據(jù)層面能相互“理解”，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)互操作與信息集成。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，要求打破信息孤島，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的跨系統(tǒng)互通， 融合分析。因此數(shù)據(jù)互通的連接層，一方面支撐各種工廠要素、出廠產(chǎn)品等產(chǎn)生的底層數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心的匯聚；另一方面為上 層應(yīng)用提供對多源異構(gòu)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的訪問接口，支撐工業(yè)應(yīng)用的 快速開發(fā)與部署。（二）實現(xiàn)視圖傳統(tǒng)的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，主要用于連接生產(chǎn)設(shè)備和辦公設(shè)備， 2 因此呈現(xiàn)為兩層三級的結(jié)構(gòu)：OT 網(wǎng)絡(luò)（又分為現(xiàn)場級和車間級） 和 IT 網(wǎng)絡(luò)，二者通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)互聯(lián)和安全隔離。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)，一方面，工廠的數(shù)字化要求很多已有業(yè)務(wù)流程的數(shù)字化由相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)來承載。另一方面，大量新的聯(lián)網(wǎng)設(shè)

8、備被引入，如 AGV、機器人、移動手持設(shè)備等；大量新的業(yè)務(wù)流程被引入，如資產(chǎn)性能管理、預(yù)測性維護(hù)、人員/物料定位等。新的設(shè)備和業(yè)務(wù)流程的引入，對網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生新的需求。從而，工廠內(nèi)傳統(tǒng)的兩張網(wǎng)（生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和辦公網(wǎng)絡(luò)），會變?yōu)槎鄰埦W(wǎng)，這會相應(yīng)引起工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化。企業(yè)為了打破信息孤島、提高運營效率，會將原來分散部署在各服務(wù)器的業(yè)務(wù)系統(tǒng)，如 MES、PLM、ERP、SCM、CRM 等， 集中部署到工廠內(nèi)數(shù)據(jù)中心/云平臺。各聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、業(yè)務(wù)流程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，都要能夠?qū)崟r匯聚到數(shù)據(jù)中心/云平臺，進(jìn)行聯(lián)合分析，快速決策。業(yè)務(wù)系統(tǒng)部署的變化，也會引起網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于柔性制造與個性化定制的需求，要求生

9、產(chǎn)域能夠根據(jù)需求進(jìn)行靈活重構(gòu)，智能機器可能在不同生產(chǎn)域間調(diào)整和遷移。這就要求工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，能夠適應(yīng)快速組網(wǎng)與靈活調(diào)整的需求。圖 2 是工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的一個實施參考。其中，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)可以分為骨干網(wǎng)絡(luò)和各種邊緣網(wǎng)絡(luò)兩大部分，二者可以通過工業(yè)PON 互聯(lián)，所有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由網(wǎng)絡(luò)控制器進(jìn)行統(tǒng)一管理。 3 圖 2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)實施參考由于所連接的工廠要素的多樣化，邊緣網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)為類型多樣化：根據(jù)業(yè)務(wù)需求，邊緣網(wǎng)絡(luò)可以是工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)、辦公網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、定位網(wǎng)絡(luò)等；根據(jù)實時性需求來，邊緣網(wǎng)絡(luò)可 以是實時網(wǎng)絡(luò)、非實時網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)傳輸介質(zhì)來，邊緣網(wǎng)絡(luò)可以 是有線網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)；根據(jù)采用的通信技術(shù)，邊緣網(wǎng)絡(luò)可

10、以 是現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、通用以太網(wǎng)、WLAN、蜂窩網(wǎng)絡(luò)等； 邊緣網(wǎng)絡(luò)的范圍，可能是一個車間、一棟辦公樓、一個倉庫等。工業(yè)企業(yè)可以綜合考慮業(yè)務(wù)需求及成本，選擇合適的技術(shù)部署 相應(yīng)的邊緣網(wǎng)絡(luò)。骨干網(wǎng)絡(luò)用于實現(xiàn)各邊緣網(wǎng)絡(luò)、工廠內(nèi)云平臺/數(shù)據(jù)中心等之間的互聯(lián)，要求高帶寬、高速率。根據(jù)企業(yè)的規(guī)模不同，骨干網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模也可大可小，可以是全互聯(lián)的路由器集群，也可能僅包一到兩臺骨干路由器。工業(yè)SDN，采用網(wǎng)絡(luò)控制器對工廠內(nèi)有線、無線網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn) 4 行統(tǒng)一管理，以保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)資源精細(xì)控制、靈活調(diào)整，提升運維效率；提供全面統(tǒng)一的安全認(rèn)證機制，增強對威脅的防護(hù)能力，保護(hù)企業(yè)的信息安全；對

11、網(wǎng)絡(luò)流量進(jìn)行全面可視化，提供全路徑故障檢測能力，降低網(wǎng)絡(luò)運維成本；基于統(tǒng)一的策略配置，保障合法用戶在不同邊緣網(wǎng)絡(luò)的無縫接入、一致體驗。工廠外網(wǎng)絡(luò)，從工業(yè)企業(yè)關(guān)注的角度看，主要包括智能工廠的三個專線，以及出廠產(chǎn)品的一個連接（見圖 3）。圖 3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠外網(wǎng)絡(luò)實施參考上網(wǎng)專線：實現(xiàn)智能工廠連接到互聯(lián)網(wǎng)。還可以接受用戶或者出廠產(chǎn)品通過互聯(lián)網(wǎng)對智能工廠的訪問，這是工業(yè)企業(yè)基本的專線需求；互聯(lián)專線：實現(xiàn)智能工廠與分支機構(gòu)/上下游企業(yè)間安 全可靠的互聯(lián)。對于大中型企業(yè)，這是常見的專線需求；上云專線：實現(xiàn)智能工廠與位于公有云的工業(yè)云平臺的互聯(lián)。通常是企業(yè)到公有云服務(wù)提供商的專線，此類專線需求近年來發(fā)展

12、迅速，尤其是隨著國家推進(jìn)“百萬企業(yè)上云”工程，工業(yè)企業(yè)對此類專線的需求將尤為強烈; 5 上網(wǎng)連接：實現(xiàn)出廠產(chǎn)品到互聯(lián)網(wǎng)的連接，進(jìn)而與智能工廠或者工業(yè)云平臺互聯(lián)，這是工業(yè)企業(yè)實現(xiàn)制造服務(wù)化的基礎(chǔ)。（三）協(xié)議視圖工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)連接框架，分為網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)與數(shù)據(jù)互通兩個層次（見圖 4）。網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)指實體間通過網(wǎng)絡(luò)通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞，對應(yīng)協(xié)議棧層次的物理層到網(wǎng)絡(luò)層；數(shù)據(jù)互通指建立數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和規(guī)范，使得傳遞的數(shù)據(jù)能被有效地理解和利用，對應(yīng)協(xié)議棧的 TCP/UDP 層到應(yīng)用層。圖 4 模型、協(xié)議對應(yīng)關(guān)系在 IEC 61804-1 標(biāo)準(zhǔn)中，定義了 6 個不同的互操作層次。在這些不同層次的互操作中，intercon

13、nectable 層次互操作可通過本白皮書中網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)實現(xiàn)，interworkable 層次互操作可以通過本白皮書中的數(shù)據(jù)互通實現(xiàn)。 6 二、 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)（一）工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀當(dāng)前，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)“兩層三級”的結(jié)構(gòu)，如圖 5 示例?！皟蓪印笔侵复嬖凇肮S IT 網(wǎng)絡(luò)”和“工廠 OT 網(wǎng)絡(luò)”兩層技術(shù)異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)；“三級”是指根據(jù)目前工廠管理層級的劃分，網(wǎng)絡(luò)也被分為“現(xiàn)場級”、“車間級”、“工廠級/企業(yè)級”三個層次，每層之間的網(wǎng)絡(luò)配置和管理策略相互獨立。圖 5 當(dāng)前典型的工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)示意在現(xiàn)場級，工業(yè)現(xiàn)場總線被大量用于連接現(xiàn)場檢測傳感器、 7 執(zhí)行器與工業(yè)控制器，通信速率在數(shù)k

14、bps 到數(shù)十 kbps。近年來， 雖然已有部分支持工業(yè)以太網(wǎng)通信接口的現(xiàn)場設(shè)備，但仍有大 量的現(xiàn)場設(shè)備依舊采用電氣硬接線直連控制器的方式連接。在 現(xiàn)場級，無線通信只是部分特殊場合被使用，存量很低。這種 現(xiàn)狀造成工業(yè)系統(tǒng)在設(shè)計、集成和運維的各個階段的效率，都 受到極大制約，進(jìn)而阻礙著精細(xì)化控制和高等級工藝流程管理 的實現(xiàn)。車間級網(wǎng)絡(luò)通信主要是完成控制器之間、控制器與本地或遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之間，以及控制器與運營級之間通信連接。這部分主流是采用工業(yè)以太網(wǎng)通信方式，也有部分廠家采用自有通信協(xié)議進(jìn)行本廠控制器和系統(tǒng)間的通信。當(dāng)前已有的工業(yè)以太網(wǎng)，往往是在通用的 802.3 百兆以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改和擴展

15、而來，不同工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議間的互聯(lián)性和兼容性限制大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。企業(yè) IT 網(wǎng)絡(luò)通常采用高速以太網(wǎng)以及 TCP/IP 進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能工廠中，企業(yè)級 IT 管理運營系統(tǒng)對現(xiàn)場實時工藝過程數(shù)據(jù)和設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)有著強烈需求。如何高效便捷部署現(xiàn)場設(shè)備的通信互聯(lián)，以及如何利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)現(xiàn)場與管理級系統(tǒng)間高實時性、高可靠性數(shù)據(jù)通信，是目前工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域普遍面臨的焦點問題。工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)常用協(xié)議目前工業(yè)控制領(lǐng)域常用的通信協(xié)議分為三類：現(xiàn)場總線協(xié) 8 議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議和工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?，F(xiàn)場總線協(xié)議主要提供現(xiàn)場傳感器件到控制器、控制器到 執(zhí)行器或控制器與各輸入輸出控制分站間進(jìn)行數(shù)據(jù)通

16、信的支持。目前市場常見的現(xiàn)場總線技術(shù)有幾十種之多， 主要包括PROFIBUS、Modbus、HART、CANopen、LonWorks、DeviceNet、ControlNet、CC-Link 等。相比起來，現(xiàn)場總線技術(shù)普遍存在通信能力低、距離短、抗干擾能力較差等問題。而且總線技術(shù)的 開放性和兼容性不夠，越來越影響了相關(guān)設(shè)備和系統(tǒng)之間的互 聯(lián)互通。工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)是隨著以太網(wǎng)技術(shù)的不斷成熟，將其優(yōu)化后被引入工業(yè)控制領(lǐng)域而產(chǎn)生的通信技術(shù)。目前眾多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)逐步進(jìn)入到各類工業(yè)控制系統(tǒng)中的控制通信應(yīng)用， 其低成本、高效通信能力以及良好的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活擴展能力， 為工業(yè)現(xiàn)場控制水平提升奠定了基礎(chǔ)。

17、當(dāng)前主流的工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)包括 Ethernet/IP、PROFINET、Modbus TCP、Powerlink、EtherCAT 等。各種工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的開放性和協(xié)議間的兼容性相較于現(xiàn)場總線有所提高，但由于其在鏈路層和應(yīng)用層所采用的技術(shù)不同，互聯(lián)互通性仍不盡人意，這在一定程度上也影響到工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議應(yīng)用向更廣泛的領(lǐng)域拓展。工業(yè)無線技術(shù)在工廠內(nèi)接移動的設(shè)備，以及線纜連接實現(xiàn) 困難或無法實現(xiàn)的場合，具備很大的必要性。目前用于工業(yè)場 景的主要的工業(yè)無線技術(shù)主要 WLAN、Bluetooth、WirelessHART、WIA-PA、WIA-FA 等。在工廠應(yīng)用中，由于信號傳輸?shù)目煽啃钥赡苁艿綄嶋H環(huán)境

18、因素的影響，這對無線通信的應(yīng)用產(chǎn)生較大的 9 阻力。工業(yè)無線技術(shù)主要的應(yīng)用領(lǐng)域還是在非關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用中， 例如物料搬運、庫存管理、巡檢維護(hù)等場合。同時，由于不同 國家和地區(qū)對于無線通信頻段的管制政策不同，這客觀上也限 制了工業(yè)無線技術(shù)的應(yīng)用規(guī)模，目前工業(yè)無線技術(shù)的成熟度和 發(fā)展速度都遠(yuǎn)不如有線通信技術(shù)。發(fā)展趨勢伴隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)/工業(yè) 4.0 的廣泛推進(jìn)，工業(yè)通信技術(shù)的更新?lián)Q代的節(jié)奏，可能會超過之前的任一階段。隨著工業(yè)領(lǐng)域工藝技術(shù)的日臻完善，當(dāng)前工藝突破帶來工業(yè)生產(chǎn)效率提升的可能性變得越來越小。利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來提升工業(yè)用戶從設(shè)計、生產(chǎn)和運維等全生命周期的精細(xì)化管理，降低整體的人力成本、資源消耗

19、，全面提升生產(chǎn)和運營效率等越來越受到重視。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)發(fā)展對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求和需求，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出融合、開放、靈活三大發(fā)展趨勢。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的融合趨勢。一是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的扁平化。傳統(tǒng)的“兩層三級”網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)嚴(yán)重影響著信息互通的效率，隨著大數(shù)據(jù)分析和邊緣計算業(yè)務(wù)的對現(xiàn)場級實時數(shù)據(jù)的采集需求， OT 網(wǎng)絡(luò)中的車間級和現(xiàn)場級將逐步融合（尤其在流程行業(yè)），同時 MES 等信息系統(tǒng)向車間和現(xiàn)場延伸的需求，推動了 IT 網(wǎng)絡(luò)與OT 網(wǎng)絡(luò)的融合趨勢。二是控制信息與過程數(shù)據(jù)共網(wǎng)傳輸。傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)基本是依附于控制系統(tǒng)，主要實現(xiàn)控制閉環(huán)的信息傳輸，而新業(yè)務(wù)對工業(yè)生產(chǎn)全流程數(shù)據(jù)的采集需求，促使工廠內(nèi) 1

20、0 網(wǎng)絡(luò)將控制信息和過程數(shù)據(jù)的傳輸并重。三是有線與無線的協(xié)同。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)對于生產(chǎn)全流程、無死角的網(wǎng)絡(luò)覆蓋需求， 使得無線網(wǎng)絡(luò)的部署成為必然，無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也將逐步從信息采集到生產(chǎn)控制，從流程行業(yè)到離散行業(yè)，而多種無線技術(shù)的應(yīng)用也推動了工廠內(nèi)定位技術(shù)的發(fā)展。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的開放趨勢。一是技術(shù)的開放。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系將打破傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)眾多制式間的技術(shù)壁壘， 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)議間的解耦合，控制系統(tǒng)、應(yīng)用系統(tǒng)將不再與 某項具體網(wǎng)絡(luò)技術(shù)強綁定；IEEE、IETF 等國際標(biāo)準(zhǔn)組織加入到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研制，IP/IPv6 在工廠內(nèi)的深入部署，都將進(jìn)一步推動工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放。二是數(shù)據(jù)的開放。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

21、業(yè)務(wù)對數(shù)據(jù)的強烈需求，促使傳統(tǒng)工業(yè)控制閉環(huán)中沉沒或消失的數(shù)據(jù)開放出來，而生產(chǎn)全流程的數(shù)據(jù)將由更標(biāo)準(zhǔn)化的語法和數(shù)據(jù)模型開放給上層應(yīng)用使用。三是產(chǎn)業(yè)的開放。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的開放正在打破傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)“煙囪式”的發(fā)展模式，打破少數(shù)巨頭對全產(chǎn)業(yè)鏈的控制，新的芯片廠商、設(shè)備廠商、網(wǎng)絡(luò)提供商加入進(jìn)來，推動產(chǎn)業(yè)開放。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的靈活友好趨勢。一是網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的靈活。未來工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)將能夠根據(jù)智能化生產(chǎn)、個性化定制等業(yè)務(wù)靈活調(diào)整形態(tài)，快速構(gòu)建出生產(chǎn)環(huán)境。二是網(wǎng)絡(luò)管理的友好。隨著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)化深入發(fā)展，工廠內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)管理都將變得復(fù)雜，新的數(shù)據(jù)互通和軟件定義技術(shù)應(yīng)用將提供網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可呈現(xiàn)度，網(wǎng)絡(luò)管理界面將更為友好。 11 有線網(wǎng)絡(luò)有

22、線網(wǎng)絡(luò)是在工廠內(nèi)最廣泛使用的網(wǎng)絡(luò)類型。近些年，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的日益劇增的需求，在不同的協(xié)議層，各種針對有線網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新技術(shù)迅速發(fā)展。按照協(xié)議層次劃分：在物理層，主要有單對雙絞線以太網(wǎng)和工業(yè) PON；在鏈路層，主要有時間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN；在網(wǎng)絡(luò)層， 主要有確定性網(wǎng)絡(luò) DetNet。這些工作在不同協(xié)議層的技術(shù)，可以單獨或者聯(lián)合使用，滿足不同場景下的特定需求。單對雙絞線以太網(wǎng)技術(shù)介紹一直以來，以太網(wǎng)技術(shù)朝著提供更高傳輸速度的方向演進(jìn)， 主要采用雙絞線網(wǎng)線（內(nèi)含四對雙絞線）、光纖作為傳輸介質(zhì)。 近些年，隨著物聯(lián)網(wǎng)廣泛應(yīng)用，采用單對雙絞線作為傳輸介質(zhì)， 為低速應(yīng)用提供更具成本效益，成為業(yè)界以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展方

23、向 之一。當(dāng)前業(yè)界的單對雙絞線以太網(wǎng)技術(shù)，有三個方向，具備不同技術(shù)特性，分別支持十兆、百兆和千兆速率（見表 1）。表 1 單對雙絞線以太網(wǎng)性能對比十兆百兆千兆縮寫10BASE-T1100BASE-T11000BASE-T1傳輸介質(zhì)無屏蔽單對雙絞線最大傳輸距離1000 米40 米數(shù)據(jù)線供電支持支持，與 802.3bu 標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合使用本安支持不支持國際標(biāo)準(zhǔn)名稱IEEE 802.3cgIEEE 802.3bwIEEE 802.3bp標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布時間預(yù)計 2019 年中2015 年 10 月2016 年 6 月 12 其中，10BASE-T1 技術(shù)由 ABB、Emerson、Endress+Hauser、H

24、irschmann、Pepperl+Fuchs、Rockwell、Schneider、Siemens 等諸多工業(yè)自動化廠商聯(lián)合推動和制定的。10BASE-T1 技術(shù)面向工業(yè)制造場景，使用無屏蔽單對雙絞線， 同時實現(xiàn) 10Mbps 傳輸速率以及供電，可支持最長 1000 米傳輸及本質(zhì)安全。1000 米傳輸距離，可以滿足工業(yè)現(xiàn)場當(dāng)前絕大部分總線使用場景的需求。相比總線技術(shù)，10BASE-T1 技術(shù)還具備高速率，高可靠性的優(yōu)勢，且不會受到傳輸距離增加的影響。此外，為滿足單對雙絞線提供更高速率的需求（典型的， 如車內(nèi)通信），IEEE 的 100BASE-T1 技術(shù)和 1000BASE-T1 技術(shù)，采用

25、無屏蔽單對雙絞線，分別提供 100Mbps 和1Gbps 傳輸速率。進(jìn)一步的，這兩項技術(shù)，還可以與IEEE 的PoDL 技術(shù)聯(lián)合使用， 支持無屏蔽單對雙絞線，在數(shù)據(jù)傳輸線上供電。主要特點和優(yōu)勢作為專用工業(yè)現(xiàn)場設(shè)計的以太網(wǎng)技術(shù)，十兆單對雙絞線以太網(wǎng) IEEE 802.3cg 技術(shù)具備諸多優(yōu)勢。最遠(yuǎn) 1000 米的有效傳輸距離。IEEE 802.3cg 引入物理層沖突檢測機制，在采用 10 個連接器的情況下，支持最大 1000 米傳輸距離。支持惡劣環(huán)境下（如工業(yè)現(xiàn)場及車內(nèi)）的高可靠性。IEEE 802.3cg 提供了兩種物理層模式：短距模式下，BER 可達(dá)到 10-10； 長距模式下，BER 可達(dá)

26、到 10-9。復(fù)用現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)的單對雙絞線，提供 10Mbps 數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)有工業(yè)現(xiàn)場，從 420 毫安硬接線到多種現(xiàn)場總線，無屏 13 蔽單對雙絞線作為傳輸物理介質(zhì)廣泛存在，但只能提供數(shù) kbps 到數(shù)十 kbps 的傳輸速率。IEEE 802.3cg 提供全雙工或半雙工的10Mbps 傳輸，可以滿足如預(yù)測性維護(hù)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新型應(yīng)用的需求。單對雙絞線支持本質(zhì)安全供電及數(shù)據(jù)傳輸。在現(xiàn)場設(shè)備中， 采用單對雙絞線，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和供電的需求廣泛存在。IEEE 802.3cg 對 IEEE 802.3bu 標(biāo)準(zhǔn)中定義的 10 個以太網(wǎng)設(shè)備 供電等級進(jìn)行了擴展，實際傳輸?shù)木€路電壓等級還可采用管理

27、接口配置，或者通信雙方自動協(xié)商，從而能滿足特定環(huán)境下（如防爆），本質(zhì)安全的要求。適用場景以太網(wǎng)具有技術(shù)成熟、高度標(biāo)準(zhǔn)化、高帶寬以及低成本等優(yōu)勢，當(dāng)前已獲得廣泛應(yīng)用。但在工廠內(nèi)，以太網(wǎng)當(dāng)前主要應(yīng)用于工業(yè)系統(tǒng)的控制層及以上（如 PLC 與 SCADA 之間）。單對雙絞線以太網(wǎng)技術(shù)，能夠滿足工業(yè)現(xiàn)場需求，以低成本提供高數(shù)據(jù)速率傳輸，將以太網(wǎng)連接擴展到海量現(xiàn)場設(shè)備。該技術(shù)廣泛適用于大量工業(yè)場景，包括短距（15 米）范圍的機器內(nèi)、車輛底盤、座艙內(nèi)的設(shè)備通信，以及中長距（最大 1000 米）范圍的建筑控制、電梯控制、過程控制等。在一些行業(yè)中，當(dāng)前通信使用的雙絞線是多年前布設(shè)的， 用于 420 毫安硬接線，

28、或者 Foundations Fieldbus、HART 和ProfiBus-PA 等現(xiàn)場總線，為了升級而更換線纜完全不現(xiàn)實。使用單對雙絞線以太網(wǎng)技術(shù)，可以復(fù)用已有通信線路，提供更高速率，這可以極大降低升級的成本和難度。 14 在過程自動化中，往往需要數(shù)百米，甚至上千米的傳輸距離，同時要求數(shù)據(jù)線供電。如果有傳輸速率傳輸提升需求（如1Mbps 以上），單對雙絞線以太網(wǎng)將是很好選擇。時間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN技術(shù)介紹時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time-Sensitive Network,簡稱 TSN）是面向工業(yè)智能化生產(chǎn)的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境提供了一種即支持高速率、大帶寬的數(shù)據(jù)采集，又兼顧高實時控制信息傳輸

29、的網(wǎng)絡(luò)。在傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，大量工業(yè)應(yīng)用（例如機器控制、流程控制、機器人控制等）對實時通信有著迫切需求，以保證高效和安全地生產(chǎn)流程。當(dāng)前滿足該要求的通常做法是，修改工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的以太網(wǎng)協(xié)議或者在關(guān)鍵生產(chǎn)流程部署獨立的專用以太網(wǎng)絡(luò)。然而，這類方式的互通性、擴展性和兼容性不夠的問題，在從傳統(tǒng)工廠控制網(wǎng)絡(luò)，升級到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過程中日益明顯。時間敏感網(wǎng)絡(luò)為解決這個難題提供了一個有效的解決方案。TSN 是一種具有有界傳輸時延、低傳輸抖動和極低數(shù)據(jù)丟失率的高質(zhì)量實時傳輸網(wǎng)絡(luò)。它基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，憑借時間同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、負(fù)載整形等多種優(yōu)化機制，來保證對時間敏感數(shù)據(jù) 的實時、高效、穩(wěn)定、安全傳輸。簡要地說，TS

30、N 通過一個全局時鐘和一個連接各網(wǎng)絡(luò)組件的傳輸調(diào)度器，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的確定 性實時通信。調(diào)度器依據(jù)相應(yīng)調(diào)度策略，控制時間敏感數(shù)據(jù)流 15 的實際傳輸時間和傳輸路徑，以避免鏈路爭搶所導(dǎo)致的傳輸性能下降和不可預(yù)測性，從而保證時間敏感應(yīng)用的點對點實時通信。當(dāng)前，IEEE 802.1 正在推進(jìn) TSN 系列標(biāo)準(zhǔn)的制定，核心內(nèi)容涵蓋時間同步、數(shù)據(jù)幀控制、數(shù)據(jù)流調(diào)度、傳輸可靠性保障等多個協(xié)議。我國也在同步推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) TSN 系列標(biāo)準(zhǔn)的研制。主要特點和優(yōu)勢TSN 技術(shù)讓改變工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)“七國八制”成為可能，未來各廠家將可以基于統(tǒng)一的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)“TSN+IPv6”進(jìn)行數(shù)據(jù)協(xié)議設(shè)計和應(yīng)用開發(fā)，改變現(xiàn)有“煙囪式”的

31、產(chǎn)業(yè)格局。TSN 技術(shù)面向 1000Mbps 接口設(shè)計，兼容現(xiàn)在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)廣泛使用的 100M 接口，是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)最被看好的向千兆以太網(wǎng)演進(jìn)的技術(shù)方案，現(xiàn)有的 PROFINET、EtherCAT、SERCOS III 等工業(yè)以太網(wǎng)均在研究與 TSN 技術(shù)的兼容、互通和演進(jìn)問題。作為數(shù)據(jù)鏈路層技術(shù)的 TSN 具備優(yōu)秀的上層支撐兼容能力。一是 TSN 改變了傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的“煙囪模式”，能夠更好 的支持 IP/IPv6、TCP/UDP 等協(xié)議，實現(xiàn) OT 與 IT 網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)的融合；二是 TSN 將構(gòu)建完善的 YANG 數(shù)據(jù)模型，能夠與上層的DetNet、SDN 等技術(shù)的 YANG 數(shù)據(jù)模型良好

32、的兼容互通，更好的 支撐各類上層應(yīng)用；三是 TSN 與 OPC-UA 配合，能夠解決工廠內(nèi)的數(shù)據(jù)互通問題，將 OPC-UA 的數(shù)據(jù)采集延伸到現(xiàn)場級，實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境全方位實時數(shù)據(jù)匯集。時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸延遲得到絕對保證，具有確定的時 16 延上限。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，通常通過分配帶寬的方式來大致實現(xiàn)時延的保障，具有不確定性和不可預(yù)測性；相反，時間敏感網(wǎng)絡(luò)能夠消除這種不確定性和不可預(yù)測性，使分配的網(wǎng)絡(luò)帶寬恰好滿足要求的時延，從而允許針對應(yīng)用的實際需求進(jìn)行帶寬分配，既提高了帶寬利用率，也保證了傳輸時延上限。支持時間敏感數(shù)據(jù)流和非時間敏感數(shù)據(jù)流在同一個網(wǎng)絡(luò)中混合傳輸，而不會存在相互干擾的風(fēng)險。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，

33、數(shù)據(jù)流以“Best-effort”的服務(wù)模式進(jìn)行傳輸。當(dāng)兩種類型的數(shù)據(jù)流混合在一起時，非時間敏感數(shù)據(jù)流的調(diào)度和傳輸行為會影響時間敏感數(shù)據(jù)流的調(diào)度和傳輸，從而無法保證時間敏感數(shù)據(jù)流的傳輸延遲。相反，在時間敏感網(wǎng)絡(luò)中，調(diào)度器優(yōu)先調(diào)度時間敏感數(shù)據(jù)，并通過搶占機制、流量整形機制等確保時間敏感數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定、實時傳輸，消除了數(shù)據(jù)流之間的相互干擾。時間敏感網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備通過流量整形機制對數(shù)據(jù)流進(jìn)行平滑轉(zhuǎn)發(fā)。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，不可避免的會有突發(fā)高峰負(fù)載。這種不穩(wěn)定的流量特征使得在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時無法有效預(yù)測傳輸時延，難以保證實時數(shù)據(jù)傳輸。在時間敏感網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，交換設(shè)備對接收到的負(fù)載進(jìn)行整形，特別是

34、對高峰流量進(jìn)行緩存，盡量平滑地將其轉(zhuǎn)發(fā)出去。這種機制保障了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可預(yù)測性，確保了時間敏感數(shù)據(jù)的端到端傳輸延遲。適用場景工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)存在大量對時間非常敏感的應(yīng)用，比如傳感器數(shù)據(jù)實時上報、音視頻文件傳輸、控制指令下發(fā)等。這些數(shù) 17 據(jù)需要在確定時限內(nèi)發(fā)送到目標(biāo)，以支持工控設(shè)備和應(yīng)用的正常運轉(zhuǎn)。時間敏感網(wǎng)絡(luò)將基于通用的以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)來建設(shè)，具備確定性網(wǎng)絡(luò)的屬性，能夠滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對于定時、安全和可靠性等方面的要求，現(xiàn)有的專有工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)可以通過網(wǎng)關(guān)來連接到時間敏感網(wǎng)絡(luò)，并實現(xiàn)互聯(lián)。工業(yè)無源光網(wǎng)絡(luò) PON技術(shù)介紹目前工業(yè) PON 技術(shù)，主流有 EPON 技術(shù)和 GPON 技術(shù)，分別由IEEE

35、和 ITU 制定技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。EPON 和 GPON 的主要對比可參見表2。表 2 EPON 和 GPON 對 比EPON10G-EPONGPONXG-PON國際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.3ahIEEE 802.3avITU-T G.984ITU-T G.987單 PON 口上行速率1Gbps1Gbps/ 10Gbps1.25Gbps2.5Gbps/ 10Gbps單 PON 口下行速率1Gbps10Gbps2.5Gbps10GbpsEPON 和 GPON 的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)均為物理點對多點，均采用 TDM（時分復(fù)用）方式實現(xiàn)邏輯上的點對點連接，其原理如圖 6 所示。 18 圖 6 工業(yè) PON 網(wǎng)絡(luò)連接示意工

36、業(yè) PON 網(wǎng)絡(luò)主要由位于中心站的光線路終端 OLT、位于邊緣的光網(wǎng)絡(luò)單元 ONU，以及二者之間光配線網(wǎng) ODN（包括光纖及無源分光器）組成，可以提供多種工業(yè)接口，適應(yīng)各種工業(yè)設(shè)備信息傳送及各種專用系統(tǒng)接入場景的要求。主要特點和優(yōu)勢工業(yè) PON 網(wǎng)絡(luò)具有以下優(yōu)點：高可靠性。PON 通過無源器件組網(wǎng)，ODN 網(wǎng)絡(luò)不受電磁干擾和雷電影響；支持冗余組網(wǎng)及多種保護(hù)倒換方式，切換時間短、抵抗失效能力強。部署簡單靈活。PON 技術(shù)采用點到多點傳輸架構(gòu)，終端并行接入，部署靈活；僅需單根光纖線傳輸，最遠(yuǎn)覆蓋 20 公里范圍。高容量，支持多種業(yè)務(wù)。PON 技術(shù)可提供 1Gbps10Gbps 的傳輸速率，適合多業(yè)

37、務(wù)承載，支持?jǐn)?shù)據(jù)、視頻、語音、時間同步等多種業(yè)務(wù)。高安全性。PON 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置 ONU 安全注冊機制，下行數(shù)據(jù)傳送 19 支持加密算法，上行數(shù)據(jù)傳送通過時分機制實現(xiàn)不同終端設(shè)備上行數(shù)據(jù)的隔離。適用場景參考工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分層架構(gòu)，工業(yè) PON 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中用于連接工廠內(nèi)的邊緣網(wǎng)絡(luò)與骨干網(wǎng)絡(luò)，通過 ONU 設(shè)備完成現(xiàn)場級設(shè)備與上層實體（如服務(wù)器、SCADA 系統(tǒng)等）的連接， 實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、生產(chǎn)指令下達(dá)、傳感數(shù)據(jù)采集、廠區(qū)視頻監(jiān)控等關(guān)鍵功能。同時，工業(yè) PON 網(wǎng)絡(luò)也適用于工廠辦公網(wǎng)絡(luò)的承載，可參考現(xiàn)有政企接入網(wǎng)的建設(shè)模式。通過工業(yè) PON 和企業(yè)骨干網(wǎng)絡(luò)，將企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)和辦公網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，從而實

38、現(xiàn)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)到工廠/企業(yè) IT 系統(tǒng)的可靠有效傳輸。工業(yè) PON 最常用的組網(wǎng)方式是基于 Type D 保護(hù)方式的手拉手保護(hù)鏈型組網(wǎng)和星型組網(wǎng)，實現(xiàn)全光路保護(hù)，提高了車間通 信網(wǎng)絡(luò)的可靠性，為制造企業(yè)的通信可靠性提供了堅實的保障。具體的組網(wǎng)方式可根據(jù)工廠實際情況進(jìn)行選擇。圖 7 是工廠內(nèi)應(yīng)用工業(yè) PON 技術(shù)的一個案例。 20 虛擬設(shè)計企業(yè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)交換機網(wǎng)管服務(wù)器EPON冗余網(wǎng)OLT光交換機分光器分光器ONUONU無器無源分光器加工中心#4加工中心#1工廠區(qū)域無源分光器無源分光器ONUONU加工中心#2PDM工藝管理WPMERP/MES質(zhì)量管理QMS能耗監(jiān)測環(huán)境監(jiān)測供應(yīng)鏈管理源分光加工中心#3

39、圖 7 工廠內(nèi)應(yīng)用工業(yè) PON 案例確定性網(wǎng)絡(luò) DetNet技術(shù)介紹確定性網(wǎng)絡(luò)（Deterministic Networking，簡稱 DetNet） 是 IETF 正在制定中的網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)，其通過提供有確定范圍的時延、丟包和時延抖動參數(shù)的數(shù)據(jù)路徑，為應(yīng)用提供一個可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。DetNet 主要采用了資源預(yù)留、確定路徑、無縫冗余三大技術(shù)，實現(xiàn)向用戶提供擁塞控制、確定路徑、確定性的延遲和抖 動、多路徑傳輸、分組編碼保護(hù)等主要服務(wù)。DetNet 網(wǎng)絡(luò)為DetNet 流在路由路徑的每個節(jié)點上預(yù)留足夠的緩存和帶寬資源， 保證DetNet 流不會因為緩存不夠而出現(xiàn)丟包。DetNet 對DetNet 流的

40、傳輸路徑計算采用相對固定的路由路徑技術(shù)，它一方面為 21 資源預(yù)留技術(shù)提供了基礎(chǔ)的保障，同時路徑的固定也為延遲的 精確計算提供了可能，是保證確定性延遲和抖動的基礎(chǔ)。同時， DetNet 通過無縫冗余技術(shù)，即多路徑傳輸?shù)姆绞?，保證在工作路徑發(fā)生故障時，依然有備份的數(shù)據(jù)流通過其他路徑正確、實 時地傳輸?shù)侥繕?biāo)節(jié)點。此外，DetNet 系列技術(shù)還包括排隊整形技術(shù)和流標(biāo)識技術(shù)。排隊整形技術(shù)用于解決排隊帶來的時延問題，通過排隊和傳輸 選擇算法，由中央控制器計算每個節(jié)點的時延，并計算它們對 每個新增 DetNet 流提供的緩存容量，從而更好的調(diào)度和控制節(jié)點和終端系統(tǒng)。流標(biāo)識技術(shù)用來區(qū)分網(wǎng)絡(luò)中的確定性流和非確

41、 定性流，以及帶有不同 QoS 標(biāo)準(zhǔn)的確定性流。主要特點和優(yōu)勢DetNet 技術(shù)的優(yōu)勢在于其在網(wǎng)絡(luò)的 L3 層來保證網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的確定性傳送。DetNet 重點針對多子網(wǎng)的 L3 實時互聯(lián)。它在 TSN 現(xiàn)有機制，如資源預(yù)留、冗余路徑、隊列整形等基礎(chǔ)上，針對L3 設(shè)備如路由器、防火墻、服務(wù)器等進(jìn)行接口調(diào)度融合或機制與算法的 L3 上移，以保障嚴(yán)格的跨域子網(wǎng)之間的確定性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。隨著智能工廠的發(fā)展，遠(yuǎn)程控制的需求將逐漸顯現(xiàn)，而目前的工作控制網(wǎng)絡(luò)主要局限在局域網(wǎng)的范圍，不能滿足跨局域網(wǎng)的確定性業(yè)務(wù)傳輸需求，而 DetNet 則可以很好地解決跨域的問題。適用場景DetNet 技術(shù)可以應(yīng)用在如工廠設(shè)備聯(lián)網(wǎng)

42、、廠房辦公樓的建 22 筑自動控制等較大范圍內(nèi)，多個實時邊緣網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的場景。在智能工廠中，各機器之間通過交換彼此的信息，或者使用一個超級控制器來描繪整個網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及網(wǎng)絡(luò)中的各種狀態(tài)信息。所以，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)需要建立在 IP 網(wǎng)絡(luò)之上，并且對于延時和丟包率有著確定性的要求，與此同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)還要求高可靠性和時間同步，例如在個性化定制的場景中，就要求現(xiàn)場設(shè)備與管理級系統(tǒng)間高實時性、高可靠性進(jìn)行通信，DetNet 技術(shù)能很好滿足此類場景的需求。DetNet 技術(shù)在建筑自動控制中的應(yīng)用，將有效提升建筑自動控制系統(tǒng)的效率。建筑自動控制系統(tǒng)通過管理整個建筑內(nèi)的 各種設(shè)備以及傳感器，來提高建筑

43、的環(huán)境條件、降低能量消耗， 及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障和處理緊急情況，例如控制一個車間的溫濕 度、空氣質(zhì)量，安防、門禁等。在工廠控制中通常有兩層網(wǎng)絡(luò)， 即上層管理網(wǎng)絡(luò)和下層現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)。目前，在管理網(wǎng)絡(luò)中，通常 使用基于 IP 的通信協(xié)議；而在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中，通信技術(shù)種類繁多， 甚至有企業(yè)私有的，導(dǎo)致互通難、集成難。使用 DetNet 技術(shù)， 可以有效支持采用不同技術(shù)的現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)與管理網(wǎng)絡(luò)實時互聯(lián)。無線網(wǎng)絡(luò)在工廠內(nèi)，采用無線網(wǎng)絡(luò)，可以消除線纜對車間內(nèi)人員羈 絆、糾纏等危險，使工廠內(nèi)環(huán)境更安全、整潔，且具有低成本、易部署、易使用、靈活調(diào)整等優(yōu)點。目前工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)，主要用于工廠內(nèi)部信息化、設(shè)備信息采集以及部分非實時控

44、制等目的，采用 Wi-Fi 、ZigBee 、 23 WirelessHART、WIA-PA 等技術(shù)。這些技術(shù)主要基于短距（如IEEE 802.11）或者近距（如 IEEE 802.15）標(biāo)準(zhǔn)，由于種種原因，尤其是在可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋距離、移動性等方面的不足，導(dǎo)致在工業(yè)領(lǐng)域未能廣泛應(yīng)用。未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，為滿足工廠要素全面互聯(lián)，生產(chǎn)靈活調(diào)配的需求，以及一些新的無人操作的訴求（如遠(yuǎn)程巡檢等），對于無線網(wǎng)絡(luò)有更迫切的需求。工廠內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，將更多采用創(chuàng)新技術(shù)，在工業(yè)領(lǐng)域逐步滲透，呈現(xiàn)從信息采集到生產(chǎn)控制， 從少量部署到廣泛應(yīng)用的發(fā)展趨勢。用于免授權(quán)頻段的蜂窩無線技術(shù) MulteFire技術(shù)介紹

45、2015 年 12 月，高通、 HYPERLINK /keyword/%C5%B5%BB%F9%D1%C7 諾基亞， HYPERLINK /keyword/%B0%AE%C1%A2%D0%C5 愛立信、 HYPERLINK /keyword/%D3%A2%CC%D8%B6%FB 英特爾等公司，聯(lián)合發(fā)起了 MulteFire 聯(lián)盟，旨在發(fā)展和推廣 4G LTE 技術(shù)在免授權(quán)頻段獨立應(yīng)用。2017 年底發(fā)布的 MulteFire 技術(shù) Release1.1 版本，增加了覆蓋增強特性和窄帶物聯(lián)特性，重點面向在行業(yè)領(lǐng)域的專網(wǎng)應(yīng)用。MulteFire 技術(shù)運行在免授權(quán)頻譜（如全球 5GHz、2.4G、S

46、ub-1G），實現(xiàn)將 LTE 的性能優(yōu)勢與 Wi-Fi 類似的簡單性相結(jié)合，提供比 Wi-Fi 更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋（減少網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)），更安全的認(rèn)證 機制以及更優(yōu)異的網(wǎng)絡(luò)性能，從而獲得更好的用戶體驗，匹配 各類工業(yè)無線互聯(lián)業(yè)務(wù)的核心訴求。MulteFire 網(wǎng)絡(luò)由終端 UE、基站 eNB 以及可選的核心網(wǎng) EPC 組成，承載業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)，如圖 8 所示。 24 圖 8 MulteFire 網(wǎng)絡(luò)連接示意工廠內(nèi)各種設(shè)備，通過集成 MulteFire 的模塊，或通過以太網(wǎng)網(wǎng)線連接到支持MulteFire 的 DAU 終端后，接入MulteFire 網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)通過無線接口傳遞給基站，進(jìn)而通過有線 IP 網(wǎng)絡(luò)匯

47、聚到核心網(wǎng)，最后轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)器，實現(xiàn)采集信息、監(jiān)測數(shù)據(jù)的上報。業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)生成的分析結(jié)果、控制命令等，通過反向數(shù)據(jù)流，傳遞到終端設(shè)備。簡化的 MulteFire 還支持免核心網(wǎng)配置，適用于小型區(qū)域， 不支持設(shè)備在基站間切換。主要特點和優(yōu)勢MulteFire 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，包括寬帶和窄帶兩個子集：寬帶方案 LTE-U 和窄帶物聯(lián)方案 IoT-U。MulteFire 寬帶方案，最多可使用 80MHz 大帶寬，具備高速率，低時延特性，在覆蓋、容量、移動性等方面具備諸多優(yōu)勢。覆蓋距離更遠(yuǎn)。同等發(fā)射功率下，MulteFire 寬帶方案覆蓋距離是 Wi-Fi 的 23 倍。移動性更好。MulteFire

48、 技術(shù)基于蜂窩通信系統(tǒng)設(shè)計，可支 25 持高達(dá) 160 公里/小時的移動速度。容量更大。MulteFire 單小區(qū)可以支持 50 個以上的并發(fā)終端，并且小區(qū)的整體性能不會隨著終端數(shù)增多而降低。安全性更高。支持終端和基站之間的雙向認(rèn)證，支持AES128/256 位空中接口數(shù)據(jù)加密，采用 IPsec 確?；九c應(yīng)用平臺間的安全。完善的通信服務(wù)質(zhì)量 QoS 保障機制。通過高級訪問控制，無線資源管理，傳輸資源管理等技術(shù)，提供了 9 級 QoS 等級， 確保多業(yè)務(wù)接入場景下的帶寬分配和可靠性需求。傳輸時延更低。傳輸時延最小 20ms，切換時延小于 50ms。MulteFire 窄帶物聯(lián)方案基于 3GPP

49、 NB-IoT 技術(shù)修訂，適配免授權(quán)頻譜法規(guī)約束，除了具備與 MulteFire 寬帶方案相同的安全性以外，更具備廣覆蓋（覆蓋半徑 0.51km）、低功耗（日上報 1 次，每次 200 字節(jié)，2400mAh 電池待機 10 年）、大連接（單站支持 5000 個設(shè)備接入）等優(yōu)勢。適用場景MulteFire 寬帶方案，可滿足工廠內(nèi)的寬帶數(shù)據(jù)傳輸需求， 或承載對時延敏感的控制類業(yè)務(wù)，例如使能視頻監(jiān)控、AGV 調(diào)度、連接掃碼槍、巡檢儀等手持設(shè)備。2017 年 12 月，全球最大的無人自動化碼頭開港運行，其自動化核心系統(tǒng)AGV（自動導(dǎo)引集裝箱運輸車）無人駕駛控制， 由 MulteFire 工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)承

50、載。MulteFire 窄帶物聯(lián)方案，更適合低速率、對時延不敏感, 對覆蓋、功耗有更高要求的業(yè)務(wù)，如設(shè)備能耗監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、 26 工廠環(huán)境監(jiān)控等應(yīng)用。（2）5G 高可靠低時延技術(shù) uRLLC技術(shù)介紹5G uRLLC 是 5G 技術(shù)方向之一，滿足高可靠低時延需求。2016 年初，國際移動通信標(biāo)準(zhǔn)組織 3GPP 啟動了 5G 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由的制定，計劃到 2019 年底，5G uRLLC 標(biāo)準(zhǔn)化完成。5G uRLLC 的特點是高可靠、低時延、極高的可用性，面向工業(yè)控制、工廠自動化、智能電網(wǎng)、設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)通訊、遠(yuǎn)程手術(shù)等場景。主要特點和優(yōu)勢5G uRLLC 在時延和可靠性方面，相比之前的蜂窩無線技術(shù)，

51、 有了極大提升。5G uRLLC 技術(shù)，實現(xiàn)了基站與終端間，上下行均為 0.5 毫秒的用戶面時延。該時延指成功傳送應(yīng)用層 IP 數(shù)據(jù)包/消息所花費的時間，具體是從發(fā)送方無線協(xié)議層入口點，經(jīng)由無線傳輸，到接收方無線協(xié)議層出口點的時間。時延包含上行鏈路和下行鏈路兩個方向，5G uRLLC 實現(xiàn)低時延的主要技術(shù)包括：引入更小的時間資源單位，如 mini-slot；上行接入采用免調(diào)度許可的機制，終端可直接接入信道；支持異步過程，以節(jié)省上行時間同步開銷；采用快速 HARQ 和快速動態(tài)調(diào)度等。5G uRLLC 當(dāng)前的可靠性指標(biāo)為：用戶面時延 1ms 內(nèi)，一次傳送 32 字節(jié)包的可靠性為 99.999%。在

52、 5G 標(biāo)準(zhǔn)最終制定完成時，該指標(biāo)有望進(jìn)一步提升。此外，如果時延允許，uRLLC 還可 27 以采用重傳機制，進(jìn)一步提高成功率。5G uRLLC 采用的提升可靠性技術(shù)包括：采用更魯棒的多天線發(fā)射分集機制；采用魯棒性強的編碼和調(diào)制階數(shù)（MCS 選擇），以降低誤碼率；采用超級魯棒性信道狀態(tài)估計。5G uRLLC 還支持基于 IEEE 1588v2 的同步技術(shù)。在運動控制場景下，5G uRLLC 可以在由 50100 個設(shè)備的通信組中，通過無線接口實現(xiàn)亞 us 級的高精度時間同步。適用場景5G 標(biāo)準(zhǔn)化伊始，西門子、博世等工業(yè)企業(yè)就積極參與，提出了從運動控制、控制設(shè)備互聯(lián)、移動的生產(chǎn)設(shè)備、增強現(xiàn)實等諸

53、多工廠內(nèi) 5G 技術(shù)的應(yīng)用場景及需求。傳統(tǒng)上，生產(chǎn)線是相對穩(wěn)定，長期不變的，因此工廠內(nèi)對無線的需求不強烈。但在未來工廠中，情況可能會發(fā)生重大變化。未來工廠所需要的靈活性、移動性和多用途適用性，只有無線連接才能提供。5G 使能工廠生產(chǎn)柔性化。在制造自動化控制系統(tǒng)中，典型的閉環(huán)控制過程周期低至毫秒級別，同時對可靠性也有極高的要求。未來工廠中，靜態(tài)的順序制造系統(tǒng)，越來越多的被新型的模塊化生產(chǎn)系統(tǒng)取代，從而提供更高的靈活性和多用途適應(yīng)性。5G uRLLC 技術(shù)在滿足高可靠低時延的基礎(chǔ)上，帶來生產(chǎn)設(shè)備無線連接的靈活性，使得工廠生產(chǎn)系統(tǒng)模塊化和柔性制造成為可能，極大降低生產(chǎn)線重組的時間開銷及成本?；?5

54、G 的工業(yè)增強現(xiàn)實及遠(yuǎn)程控制。采用增強現(xiàn)實技術(shù)， 對生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行分步指引，指導(dǎo)工廠工作人員現(xiàn)場手動裝配過 28 程,可以快速滿足新生產(chǎn)任務(wù)的需求。在惡劣環(huán)境下，基于增強現(xiàn)實應(yīng)用實現(xiàn)人機遠(yuǎn)程交互與控制，用工業(yè)機器人代替人的現(xiàn)場參與。5G 的低時延和高速率特性，使這些應(yīng)用成為現(xiàn)實。5G 支持生產(chǎn)設(shè)備、移動機器人、AGV 等之間的協(xié)作。在未來工廠中，移動機器人、AGV 起到日益重要的作用。在生產(chǎn)過程 中，要求這些智能設(shè)備間的密切協(xié)同和無碰撞作業(yè)，需要以無 線方式，低時延、高可靠的進(jìn)行實時數(shù)據(jù)交換。5G uRLLC 技術(shù)對于這些設(shè)備間的精密協(xié)作至關(guān)重要，可以大大提升制造效率。工廠內(nèi)定位工業(yè)生產(chǎn)中，智能

55、化面臨很多問題亟待解決，如資產(chǎn)定位 和統(tǒng)計困難，物料與產(chǎn)品的精細(xì)化管理，生產(chǎn)安防能力不足等。定位技術(shù)實時提供人員、物品的位置信息，是生產(chǎn)智能化的重 要使能技術(shù)之一。室外定位技術(shù)衛(wèi)星定位是廣泛應(yīng)用的室外定位技術(shù)，其利用多個衛(wèi)星的參考信號，確定接收機位置，實現(xiàn)全球范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確位置坐標(biāo)。由于衛(wèi)星定位信號功率低，因此通常只能適用于無遮擋的室外場景。北斗衛(wèi)星定位是我國自主研發(fā)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時為用戶提供高精度、高可靠 HYPERLINK /item/%E5%AE%9A%E4%BD%8D 定位、 HYPERLINK /item/%E5%AF%BC%E8%88%AA 導(dǎo)航、

56、HYPERLINK /item/%E6%8E%88%E6%97%B6 授時服務(wù)，同時提供短報文 HYPERLINK /item/%E9%80%9A%E4%BF%A1 通信能力， HYPERLINK /item/%E5%AE%9A%E4%BD%8D%E7%B2%BE%E5%BA%A6 定位精度 10 米，測速精度 0.2 米/秒。如果再采用地基增強技術(shù)，定位精度甚至可提高到厘米級。 29 衛(wèi)星定位適用于工業(yè)室外定位場景，特別是大型企業(yè)，如： 油田、港口、電廠、物流等，為企業(yè)實現(xiàn)車輛定位和導(dǎo)航，大 范圍作業(yè)管理、大型機械自動化控制等功能，有效提高大規(guī)模 廠區(qū)內(nèi)，人員、設(shè)備動態(tài)監(jiān)控和智能化管理能力。

57、室內(nèi)定位技術(shù)室內(nèi)定位是指在室內(nèi)環(huán)境下，實現(xiàn)人或者物體的位置定位技術(shù)。大量的工業(yè)生產(chǎn)主要集中在室內(nèi)，衛(wèi)星定位由于信號受建筑物阻擋大，定位精度低，無法滿足工業(yè)室內(nèi)應(yīng)用需求。室內(nèi)定位主要采用無線信號傳輸、非可見光傳輸、慣導(dǎo)定位等技術(shù)，實現(xiàn)室內(nèi)的位置監(jiān)控。Wi-Fi 定位技術(shù)Wi-Fi 定位是利用 WLAN 網(wǎng)絡(luò)無線信號，基于無線信號強弱 實現(xiàn)定位的技術(shù)。定位算法分：傳播模型法和信號強度指紋法。傳播模型法，可實現(xiàn) 5-10 米定位精度。信號強度指紋法，可實現(xiàn) 3-6 米定位精度，但需采集大量指紋特征，當(dāng)室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變時，指紋庫維護(hù)成本較高。Wi-Fi 定位可利用企業(yè)現(xiàn)有 WLAN 網(wǎng)絡(luò)，增加位置計算

58、服務(wù)器，完成人員和資產(chǎn)的定位。定位終端只需支持 Wi-Fi 功能， 因此，Wi-Fi 定位成本較低。Wi-Fi 定位支持網(wǎng)絡(luò)端被動定位， 向企業(yè)提供人、物品位置信息，提高企業(yè)智能化水平。另一方面，如果工廠 Wi-Fi 熱點密度不滿足定位要求，則定位精度會明顯下降。此外，Wi-Fi 終端定位器能耗較高。Wi-Fi 定位支持覆蓋半徑 90 米以內(nèi)的區(qū)域，適用于對定位 30 精度要求不高，并且已部署 WLAN 網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)場景。由于 WLAN 網(wǎng)絡(luò)支持無線數(shù)據(jù)傳輸，因此 Wi-Fi 定位可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信與無線定位的有效融合，大大節(jié)約企業(yè)成本。藍(lán)牙定位技術(shù)藍(lán)牙定位是利用藍(lán)牙無線傳輸，基于無線信號強弱實現(xiàn)

59、定位的技術(shù)。藍(lán)牙定位算法與 Wi-Fi 相似，不再贅述。藍(lán)牙定位終端支持藍(lán)牙 4.0 協(xié)議，成本低，體積小。如果工廠內(nèi)每 30-50 平方米部署一臺定位信標(biāo)，可實現(xiàn) 1-3 米的定位精度。藍(lán)牙定位支持覆蓋半徑 100 米以內(nèi)的區(qū)域，適用于主動定位場景，即：定位終端主動發(fā)起定位請求，實現(xiàn)終端定位，如： 工廠內(nèi)導(dǎo)航，員工考勤和監(jiān)控以及服務(wù)領(lǐng)域等。但是，藍(lán)牙定位無法實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端定位，不能由服務(wù)端主動發(fā)起終端定位。RFID 定位技術(shù)RFID 定位是采用射頻識別技術(shù)，通過 RFID 信號識別終端的定位技術(shù)。該定位由閱讀器獲取終端數(shù)據(jù)，采用 RSSI 或者 TDOA 計算方法，實現(xiàn)終端位置的計算。RFID

60、定位可識別距離小，支持覆蓋半徑 30 米以內(nèi)的區(qū)域。另一方面，RFID 定位精度高，可實現(xiàn)厘米級定位，終端標(biāo)簽成本低，能耗小。RFID 定位支持網(wǎng)絡(luò)端被動定位，適用于庫房物料管理，流水線加工對象識別以及操作監(jiān)控，滿足企業(yè)自動化生產(chǎn)、智能庫存管理等需求。 31 UWB 定位技術(shù)UWB 定位是采用超帶寬無線通信的定位技術(shù)。所謂超帶寬通信，是指通過發(fā)送和接收納秒或納秒級以下的極窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，從而具有 GHz 帶寬的無線通信技術(shù)。UWB 定位精度可達(dá) 5-10 厘米，具有精度高、功耗低、抗多徑、安全性高、復(fù)雜度低等優(yōu)點。另一方面，UWB 傳輸距離約10 米，穿透能力弱，無法穿透混凝土墻體。同時，為保