论综合试验平台的发展趋势和作用

张 维 陈兴平

网络通信与安全紫金山实验室

0 引言

工信部《“十四五”信息通信行业发展规划》指出信息通信行业要承担攻克相关领域技术难题、促进全球信息通信领域紧密联动的历史使命，并列出了6 大类共20 个量化目标，聚焦新基建。但当前以工业互联网为融合纽带的5G、边缘计算、云计算等方向的技术创新与突破却面临着试验平台大多不具备端到端能力、专业单一、刚性不可定制等困难和挑战。本文以紫金山实验室综合试验平台为例，探讨了未来面向通信信息新技术创新与突破的综合试验平台的发展趋势和作用。

1 宏观背景

1.1 新基建

新基建内涵上“新”表达了“基于新一代信息技术演化生成的基础设施”，分别是通信网络基础设施、新技术基础设施、算力基础设施，具体又涵盖了5G、工业互联网、云计算、数据中心等，如图1 所示。

图1 信息基础设施组成

外延上向融合基础设施和创新基础设施两个方向延伸。融合基础设施面向新技术应用，传统基建转型升级；创新基础设施面向产学研结合，支撑科学研究、技术开发和产品研制，综合试验平台属于这类延伸。随着“十四五”开启，新基建将是驱动行业发展和社会经济运行的主要力量。

1.2 “十四五”信息通信行业发展规划

2021 年11 月1 日工信部发布了《“十四五”信息通信行业发展规划》，重点提出以下几个方面的发展：（1）通信网络基础设施保持国际先进水平。涉及5G 广度上全面覆盖、重点应用场景深度覆盖，显著提升骨干网资源调度智能化水平，整体性能保持国际一流水平等。（2）数据与算力设施服务能力显著增强。这一方面含义较多，包括了数网协同、数云协同、云边协同、绿色智能要求，规划期末要实现算力水平大幅提升，人工智能、区块链等设施服务能力显著增强。（3）融合基础设施建设实现重点突破。融合的重点是“5G+工业互联网”和蜂窝车联网“C-V2X”两个方向，涉及覆盖面、标杆应用、标识解析体系、平台建设等方面。（4）数字化应用水平大幅提升。规划提出工业互联网创新应用范围向生产制造核心环节持续延伸，上云、上平台企业数量大幅提升。（5）网络和数据安全保障能力有效提升。规划提出新型数字基础设施融合安全保障能力显著增强。这五个方面与“新基建”相呼应，规划体系化梳理了行业发展定量目标，提出的20 个量化目标中“新基建”相关指标占比较高。

2 “十四五”期间的挑战

新基建包含七大方向，其中工业互联网被普遍认为是重点方向，将为新一代信息技术的集群性突破、协同创新与融合创新应用带来新的发展机遇。

工业互联网的基础是5G、边缘计算、云计算、工业大数据、新型网络技术、工业软件等，这些领域与工业互联网产业发展相辅相成。在此基础之上，将人工智能技术应用于复杂的工业生产场景，如数字孪生之于研发设计和生产管理、工业相机之于产品质检、智能机器人之于生产巡检、智能驾驶之于物流配送等。

可见工业互联网是新基建七大领域的融合纽带，开展工业互联网研究将带动包括5G/6G、人工智能、网络技术等一大批新一代信息技术的研究创新。工业互联网与5G、人工智能、数字孪生、云计算等结合可实现“5G+工业互联网”，与特高压、新能源充电桩结合可成为智能电网的重要应用，与城际轨道交通结合可成为智能轨道交通体系。如图2 所示。

图2 工业互联网在新基建中的纽带作用

相比于传统的工业运营技术和信息化技术，工业互联网平台的复杂程度更高，部署和运营难度更大，研发基础薄弱，应用场景多样，面临诸多困难和挑战，需要不断研究、探索、试错，而当前试验环境存在以下挑战：

（1）缺乏具备端到端能力的试验环境

网络体系是工业互联网的基础，工业互联网网络体系将连接对象延伸到工业全系统、全产业链、全价值链，可实现人、物品、机器、车间、企业等全要素，以及设计、研发、生产、管理、服务等各环节的泛在深度互联，网络体系包括网络与联接、标识解析、边缘计算等关键技术。这使得工业互联网研究前所未有的依赖端到端、全程全网、云边端融合的网络保障，希望在一个试验平台内模拟5G 网络、企业内网、企业外网、云平台、高算力、区块链、网络安全防护等环境，但当前国内甚至放眼全球都缺乏这样的试验环境。

（2）特定行业的平台落地缺少方法论和端到端解决方案

我国采用国外开源架构的PaaS 平台的企业占到50%，缺乏工业机理模型和杀手级工业应用，数据分级、流转交易等标准规范不健全，工业信息化安全防护手段和机制不完善，大部分企业仅能实现局部改造，尚不能进行系统性的平台解决方案落地实施。

（3）试验环境刚性强、定制化能力有不足

工业互联网应用种类繁多、形式多样，需调用的资源涉及网络、云、算力等中的一部分或全部，然而一般情况下试验环境都是为实现特定研究目标而搭建，功能指向性强、设备种类少、拓扑固化，因而泛用性弱，往往只能满足工业互联网中的一类应用、一个或多个环节，当需求变化时往往需要另起炉灶，新建环境。

（4）试验环境易用性、可靠性不高

工业互联网业务对业务的时效性、网络的可靠性要求较高，且由于参与的企业工程师的职业环境使得他们对系统易用性要求也高于科研人员。国内部分对外开放的试验环境具有业务系统，但更多试验设施不具备。在具备业务系统的开放试验环境中，相当一部分也仅具备业务申请功能，业务开通和配置仍然依赖人工，因此效率相对较低。另一方面由于试验设施的科研属性，对网络故障敏感度不高，设施架构上没有网络级保护或冗余，因此可靠性较低。

3 综合试验平台的发展趋势和作用展望

为应对上述挑战、抓住发展机遇，亟需建成一批兼具融合基础设施和创新基础设施特性的综合试验平台，以支撑新网络技术的科学研究、新的生产技术开发、工业互联网产品研制。

紫金山实验室在工业互联网相关的科研实践中也同样遭遇的上述挑战。为应对挑战，实验室在顶层规划中提出了建设综合试验平台。综合试验平台通过建设“自主创新、开放、可编程”的资源层，构建了包含5G/6G、新型骨干网、拟态设备的综合实验设施，解决了相关研究对端到端环境的要求；通过建设“统一融合、可管可控”的管控层，为科研和示范应用提供“柔性、智能、安全、可定制的服务”；通过建设新型运营系统和一体化安全体系，提高了试验环境的易用性和可靠性。

紫金山实验室建设的综合试验平台具有一定的代表性，其顶层架构规划、演进路线、服务能力可为国内类似试验平台的规划建设提供借鉴。如图3 所示。

图3 综合试验平台顶层规划

3.1 综合试验平台向大规模、一站式、端到端全综合方向发展

一个平台包含确定性服务定制网络、5G/6G 试验环境、网络安全试验场、新型云试验设施、AI 算力、数据仓库等能力。可进行网络先进技术的研发与创新，及可满足系统级芯片、未来移动网络、天地一体化网络、软件定义网络、内生安全体系架构、工业互联网、车联网等大量基础技术和重大试验验证需求，从多层次多维度探索和研究新的基础理论、新思路和新技术或方法，服务新技术和产业应用的实验与验证。如图4 所示。

图4 综合试验平台基础设施组成

3.2 提供端到端、智能、柔性、安全、可定制的工业互联网应用环境

作为融合基础设施，面向全国工业企业，提供智能、柔性、可定制的应用示范环境。各工业企业可采用自定义、自服务的形式，一键端到端开通应用环境切片，满足企业各类生产对具备内生安全高可靠、低时延、确定性、大带宽等不同能力的应用环境的需要。如图5 所示。

图5 综合试验平台工业互联网应用环境

3.3 开放、领先，可开展国际领先的科研攻关任务和公共测试认证

作为创新基础设施，面向全国高校、科研院所，构建端到端开放、深度可编程的试验环境，打造细粒度可见、可验证、闭环控制的综合试验床，开展公共测试认证，以支撑丰富的科学研究与验证，以定制化形式满足运营商、电力、专用场景等国家体制产业对网络、云资源等的特殊需求。如图6所示。

图6 综合试验平台科研创新环境

3.4 如图书馆般便捷易用、稳定可靠

为科学研究、技术创新提供全生命周期服务，研究人员跳离环境搭建和维护、业务开通和配置等繁琐事务，只需专注于试验流程和测量数据的结果。综合试验平台可类比智慧图书馆，具备以下能力。如图7 所示。

（1）业务可定义：设计灵活，网络定制，试验设施建设和业务配置如新书购入般按需而定。

（2）运营智能化：基于人工智能，实现运营智能化、少人化，业务编排敏捷、一键开通，如图书借阅般便捷。

图7 综合试验平台创新服务模式

（3）安全可保障：7×24 小时监控，确保安全、可靠、高质量运营，运维保障人员无感存在。

（4）管理全可视：实时洞察与感知资源全貌，可像查询图书一般方便快捷一览平台能力、资源。

4 结束语

为了解决国家重大需求、突破核心关键技术、引领行业产业变革，需要大力发展具备大规模、端到端、开放包容、安全可靠的综合试验平台，为构建我国自主安全可控网络基础设施提供支撑，服务信息领域先进技术的验证以及促进创新资源共享，开展核心技术在工业互联网、军民融合等场景的系列示范应用，加快行业企业整体的数字转型步伐。紫金山实验室综合试验平台的建设经验、演进目标具有一定的代表性和借鉴价值。