工业网络互联互通问题的探析
2023-08-14 来源：新工业网
工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态，通过对人、机、物、系统等的全面链接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了实现途径，是第四次工业革命的重要基石。全面的互联互通是工业互联网的关键内涵、本质要求和重要目标，能有效激发数据要素的流通和应用活力，从而带动研发设计更敏捷、生产制造更智能、决策管理更高效、资源配置更优化，进而推动生产力再次跃升。因此，互联互通的网络是工业互联网的基础。同时，海量、多样、复杂的工业设备系统背后，是全球技术、标准、产业的激烈竞争博弈，设备互联互通也成为工业互联网向更广范围、更深程度、更高水平迈进的难题。本文将重点研究分析我国工业网络互联互通面临的问题和挑战，提出发展建议。
1 互联互通难题是工业网络体系发展的历史结果
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。20世纪四十年代，在第二次工业革命期间，自动控制技术开始广泛应用于工业系统领域，而其中的通讯主要依赖于电路系统的模拟电子线路信号实现，这就是工业网络的雏形。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。现场总线技术在不同行业兴起，实现了工业现场执行器、传感器以及变送器等多设备互联，各类工业总线、工业以太网、工业无线等工业网络技术不断涌现，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，工业控制系统与信息系统信息交互模式出现变革，5G、TSN、APL等新型网络技术正逐步向工业领域渗透，工业网络体系也进入到全面升级的新阶段。
在200多年工业体系、80多年工业自动化、50多年工业信息化发展历程中，各个国家、各个领域工业厂商发展出千差万别、各自封闭的工业设备和系统，彼此间的互联互通难题已成为全球工业发展面临的“通病”。工业网络技术标准的“七国八制”是互联互通难题的直接原因。仅国际电工委员会（IEC）标准IEC61158规范的工业总线和工业以太网就达28种，再加上其他行业标准组织以及国际巨头自用的私有技术，目前全球常用的工业网络通信技术超百种，这些技术自成体系，难以形成有效的互联互通。（如图1所示）。
图1 工业网络技术发展图
2 互联互通难题是全球工业网络发展面临的共同问题
云计算、大数据、人工智能等为代表的新一代信息通信技术与工业自动化技术加速融合，推动工业企业在设计、采购、生产、仓储、物流、运营、销售等各个环节的智能化升级。平台化设计、智能化制造、网络化协同、个性化定制、服务化延伸、数字化管理等新业态新模式，对人、机、物之间的数据流转、彼此交互、相互协同提出了更高的要求，网络互联互通已成为亟需解决的问题。但工业企业“两层三级”网络往往是在不同时期、由不同系统设备集成建设而成，导致不同设备之间、不同厂家的同类设备之间、甚至同一厂家不同型号设备之间难以互联互通，设备产生的大量数据沉淀或消失在生产现场，跨厂家、跨系统的协同互操作难以实现。网络难互联、数据难互通是当前互联互通难题最突出的表现。
为打通工业网络中的数据流转，解决互联互通问题，各国都在积极推动工业设备的数字化改造、网络化升级。从2000年现场总线基金会推出高速以太网（HSE）技术开始，工业以太网技术对工业总线的替换就成为工业网络升级换代的重点。根据瑞典HMS工业网络公司统计，到2018年全球工厂自动化新安装的节点中，工业以太网首次超过工业总线，庞大存量市场制约着新技术的快速应用。近10年来，随着4G/5G、TSN、OPCUA等新技术的成熟，当前各国都加快研究这些新型网络技术赋能设备互联互通。美国工业物联网联盟（IIC）、德国工业4.0实验室网络（LNI4.0）等组织均成立了组网、互联、互操作的工作组或测试床，研究新技术应用。在2020年中德共同发布的《工业4.0Χ工业互联网：实践与启示》白皮书，也将机器连接与互操作作为重要内容和合作方向。
3 我国工业网络互联互通的突出问题
我国作为拥有全部工业门类的制造业大国，在快速发展过程中积极引进各国先进技术，一方面加快了我国工业化进程，另一方面也导致了几乎所有的网络技术标准都能在我国企业中存在，因此互联互通难在我国工业体系中显得尤其突出。一是我国工业企业设备联网率总体较低。《智能制造发展指数报告2020》数据显示，我国工业设备联网率仅为23%，远低于同期消费互联网70%的联网率。二是传统工业网络技术标准自主度较低。虽然我国曾自主提出了工业以太网和工业无线技术标准，但应用部署极少，工业网络技术仍以跟随为主，在94项工业网络协议标准中，71项由国际标准转化而来。三是中小企业设备联网的数字化基础薄弱。国家统计局2019年对98.5万家规上企业的统计调查结果显示，仅不足二成的企业实现了生产制造管理信息化，尤其是大量中小企业设备由于缺少数控系统或通讯接口，难以实现设备互联互通。（如图2所示）。
图2 设备数字化和网络化能力
由于我国现代工业起步较晚，工业基础薄弱是我国工业网络互联互通问题的根本原因。一方面传统工业网络与工业自动化系统紧密耦合，导致各种工业网络技术和标准往往都有着自己的特定地区和产业市场，例如CC-link技术在日本广泛应用，PROFINET、CAN等技术在汽车行业应用较多。我国也曾先后推出工厂自动化以太网（EPA）、面向工业过程自动化的无线网络（WIA-PA）等技术标准，但由于缺乏工业设备、系统等产业链支撑，未能广泛商用部署，形成产业规模。另一方面，由于我国现代工业整体发展水平与发达国家仍有差距，历史遗留和低端制造的工厂中仍大量存在“聋设备”、“哑设备”，缺乏互联互通的基础条件，而完全重新部署新型数字化设备的高投入和高技术门槛，让众多企业尤其是中小企业望而却步。
行业、产业壁垒加剧了互联互通难题。一方面行业技术壁垒形成阻碍。在一些行业发展过程中，依托行业特性出现了一些专用技术，例如用于航空业的SwiftNet总线技术，这些专用技术强化行业龙头的垄断地位，加剧互联互通难度。另一方面产业市场壁垒森严，传统工控自动化领域与信息通信领域已形成相对固定的产业生态，面对新技术，部分细分领域通过设置特殊技术标准构筑准入门槛，提高了利用创新技术解决互通互联难度。
我国一直高度重视网络技术和产业发展，一直将工业网络互联互通作为新型工业化发展的重要内容。通过接续实施《工业互联网发展行动计划（2018-2020年）》和《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》，积极推动企业数字化改造，打造新的工业网络互联互通体系，已经取得了一些成绩。
一是政策引导设备数字化改造加速。工业和信息化部发布《工业互联网网络建设及推广指南》《中小企业数字化赋能专项行动方案》《5G全连接工厂建设指南》等政策文件，提升设备联网能力。二是初步构建网络技术标准体系框架。2021年4月，中国信息通信研究院主导的首个工业互联网国际标准ITUTY.2623《工业互联网网络技术要求与架构（基于分组数据网演进）》发布。2022年10月，我国工业互联网网络领域首个国家标准GB/T42021-2022《工业互联网总体网络架构》发布。三是关键网络技术研究全面开展。TSN、边缘计算、工业PON、工业SDN、工业5G、OPC UA等百余项工业网络新技术标准开展研制，规范着设备互联互通能力；供需双方联合建设了数十个关键技术测试床，推动新技术加快在企业落地。四是不断深化行业融合创新应用。新型网络技术在钢铁、汽车、家电、石化、装备等多行业多企业应用，提质、降本、增效、绿色、安全成效初显。2021年工业和信息化部累计发布“5G+工业互联网”10大重点行业、20大典型应用场景。
解决互联互通问题将是一个长期的过程，也是我国企业实现数字化转型面临的迫切问题。当前已进入工业网络升级换代快速发展期，以时间敏感网络（TSN）、5G为代表的新型有线、无线技术已成为工业有线、无线演进的方向，我国仍处在工业1.0、2.0的企业有机会跳过传统工业网络十多年缓慢以太化进程，跨越式发展创新网络技术产业。另一方面，2019年突如其来的疫情对我国经济造成了显著影响，倒逼企业加速数字化转型，加速推进我国中小企业设备联网、数据上云进程，提升中小企业核心业务能力，显得尤其重要和迫切。
尤其当前企业内网升级换代的窗口期，应该以“打造创新技术体系，培育开放产业生态”为思路，大力推动创新技术与工业的深入融合应用，具体有以下几条建议：一是加大关键技术和产品攻关，重点突破工业设备的“聋”、“哑”问题、工业网络智能化问题、工业数据模型构建问题。二是强化网络化应用创新，鼓励企业基于新型网络技术，改造传统生产流程、优化组织模式、创新应用模式、提升生产效率，鼓励央企、国企做创新技术应用“排头兵”。三是着力服务中小企业数字化转型，以各类工业园区网络建设为依托，打造全方位服务中小企业的工业网络基础设施，探索中小企业网络建设新模式。四是加快创新领军企业培育，构建从产品研发、标准研制、试点应用到工程量产、推广普及的全产业链合作，孵化国内产业生态。五是加强标准化建设，研制先进、统一、开放的工业网络技术标准和数据标准，同步推动国家标准和行业标准，加强重点技术标准宣贯与应用。
5 结束语
我国工业互联网网络体系建设起步较早，充分利用了我国在过去几十年累积的ICT领域产业优势，加快推动了设备互联互通关键技术和产业的发展，取得了一定成果。但我国工业整体规模大、底子较薄，要全面解决工业设备互联互通问题任重道远。当前工业网络正处在升级换代的窗口期，我国工业企业可以抓住5G、TSN、边缘计算等新技术发展的契机，解决泛在数据采集传输问题，建设适度超前的企业互联互通的网络基础设施，实现跨越式发展。
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