从“制造”到“智造”，工业互联网要走多远

在2021年北京地区学术成果报告会（自动化及人工智能领域）上，北京科技大学教授王健全以“工业互联网体系架构及关键技术”为主题，深入浅出地讲述了工业互联网的历史、现状与未来，工业互联网作为工业和互联网的集成融合创新，形成了一种全新的生态，从工业3.0到工业4.0的转型是一条从自动化走向智能化的路径。打破传统金字塔架构，借助5G技术和TSN（时间敏感型网络）的融合实现工业现场网络异构互通，解决各种技术难题，需要传感、通信、控制、人工智能多个学科的融合。

走向智能化的工业互联网

第一次工业革命的蒸汽已经逐渐消散在百余年漫长的时光里，历史则不断证明着“落后就要挨打”的真理。工业革命经历了机械化、电子化、自动化3个阶段，目前正处于向自动化和智能化的嬗变中。当时代的浪潮滚滚向前，任何国家都是逆水行舟，不进则退。因而各国都在加紧推动工业革命的升级改造，2012年美国率先提出了先进的制造业国家战略计划，2013年德国政府将“德国工业4.0”纳入到“高科技战略”的框架之下，英国提出“英国工业2050战略”，将提振制造业作为经济复苏的核心，中国也在2015年提出了“中国制造2025”战略，以应对新一轮的科技革命和产业变革。

在这场没有硝烟的占据新产业变革制高点的激烈竞争之中，信息技术尤为重要。工业互联网作为信息推动工业变革的典型代表，体现了工业和ICT信息通信技术能力的集成融合和创新，它的主要特征包括3个层面：数字化、网络化、智能化，分别对应了状态的全面改制，网络的全面动态和可靠连接，以及数据的高效流转，它以数字化和网络化为基础，最终达成智能化的目标。

观照近年全球各国实施的战略政策不难发现，作为推进工业4.0升级改造的重要一环，推动工业互联网深入发展已经成为国际共识。自2018年起，德国、日韩、欧盟陆续推出了工业互联网和5G方面的国家战略。2021年5月，我国将5G和工业互联网列为新基建，在“十四五”开篇之年又把工业互联网列为了数字经济重点行业，国家的各部委出台各自相应政策來推动工业互联网的加速落地。2020年12月22日印发的《工业互联网创新发展行动计划（2021—2023年）》，在基础设施建设、深化融合应用、强化技术创新、重大产业生态、提升安全水平等方面都提出了系统全面的部署和落地化的要求，助力中国工业互联网从培育期转向快速发展 期。

工业4.0的前身自然是工业3.0，即仍属于金字塔架构的传统自动化阶段，它使机器完全摆脱了人的控制，但在向智能化转变的过程中，由于无法实现跨层、跨系统之间交互和全局的动态管控，数据的高效流转被限制，这种不适应约束了工业互联网的发展。“因为现在工业自动化的架构没有去打开，所以现在我国‘5G+工业互联网’基本应用停留在工业制造环节。”王健全说道。

工业互联网发展赋能智能制造

“天下大势，浩浩汤汤，顺之者昌，逆之者亡。”工业互联网已是不可逆转的趋势，也是我们国家进一步崛起的必由之路，但真正赋能智能制造任重道远。王健全教授提出，其一要与行业对接，补齐相关标准;其二需要将感知层跟网络结合达到高速的数据流转;其三要用网络基础设施构建统一的标准以实现互通。此外，深化5G能力、提升决策智能化水平、促进工业知识模型进步同样刻不容缓。工业4.0最终必然要建立网络构造云边端架构来打破传统的金字塔模型。

推陈出新、革故鼎新从来不是说说那么容易，实现上述突破需要完成许多具有挑战性的工作：工业控制的虚拟化，把PLC（可编程逻辑控制器）上移，进而通过云化可编程逻辑控制器，解决工业互联、数据互通难题;云端带来的距离问题和传输可靠性问题要求一张端到端、低时延、高可靠、确定性的网络;连接的统一要与应用层消息标准的统一相互配合，控制网络要一体化管控……

一旦实现了架构的变化，就能实现数据的横向和纵向互通，同时增加了数据维度，控制资源、网络资源的数据也将作为被控因素和决策因素，将具体的AI和工业应用的机理知识结合，由预测性维护走向了智能化决策。最重要的是，当结构不再是传统金字塔架构，从封闭走向开放，相当于我们打破了国外传统的垄断架构，这就要求我们必须构建设备网络数据应用等端到端的纵深安全体系，必须基于自主可控的技术来进行构 造。

总的来说，工业互联网的体系架构和关键技术呈现统一融合、分离耦合、自主安全的特点。“我们分离和结耦是为了更好地统一融合，更好地统一融合是为了更好地智能化，而自主是为了安全，安全是智能化的一个保证。”王健全在演讲中如是说。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索

攻克工业互联网网络的关键技术，可以说是“正入万山圈子里，一山放过一山拦”。目前网络私有标准林立，需要构建统一的连接满足确定性、可靠性的要求，通过5G-TSN构建一个端到端、可靠、低时延的骨干网架构。但5G和TSN来自不同标准，持不同的描述方式和管控方式，为此国家设立了国家重点研发计划，研究5G-TSN的协同传输关键技术。这个计划的推进本身也是不断攻坚克难的过程，技术人员需要克服无线信道识别和终端移动端的不确定因素来实现端到端的可确定性，需要研究如何统一端到端的管控和跨越，如何实现资源的联动和优化，需要实现时钟同步，确定性机制，进行研制作为应用示范，等等。

王健全教授总结了围绕5G-TSN构建的一个骨干网络在4个层面上的创新点：第一个层面是要有一个融合统一的管控的架构，实现不同网络的协议互通、资源描述互通;第二个层面是5G本身需要从可靠性、低延时上进行提升;第三个层面是实现端到端联合的优化，保持3GPP和TSN的时钟统一;第四个层面是从网络侧、终端侧实现设备的互通。

然而，在构建融合网络架构上，5G-TSN协同架构并非终点，而只是一个开始。大量的存量设备如何连接，如何在存量和增量上用同一张网络来实现，这些是更重要的问题，需要跟工业现场网络连接，这涉及多域、异构网络的整体管控和协同，还需要解决异构网络的统一组网模式、互通机制、资源调度，计算网络，控制的融合技术，多元协同多目标优化技术，现场网络的管控配置技术等难题。

王健全教授说：“数据的高效流转、安全可控、网络的泛在统一、资源统一调配和管控、运行决策的多维智能化是工业互联网体系架构的主要特征。（工业互联网）不是一个学科干的事情，而要多学科相互融合来解决问题。”

当美国高调呼吁制造业岗位回流，当英国认识到制造业在国家经济韧性方面的重要性，当金融泡沫破裂、经济发展持续走虚，工业互联网作为智能制造的基础平台，其重要意义不言而喻。诚然，工业互联网愿景的实现不会一帆风顺，作为一门新兴的交叉学科，种种技术难题都尚待解决，但“道路是曲折的，前途是光明的”，将工业互联网与控制层面相结合，逐步改变传统金字塔结构，每一小步都是从工业3.0迈向工业4.0的实质性的一大步。