浅谈工业互联网建设高质量网络的思考

叶友仁 吴宇庆

湖北邮电规划设计有限公司 湖北 武汉 430022

引言

工业互联网 实现全要素、全产业链、全价值链的全面连接，肩负着我国高端技术突破和工业产业升级的历史使命。过去二十年我国的工业企业发展主要着力于组织规模化、生产自动化和管理信息化上[1]。目前在工业互联网热潮的推动下，企业尤其是一些技术敏感型企业开始向生产智能化的方向努力，期望通过工业互联网实现生产与管理的数字闭环，从而形成了端到端的全生命周期的数字化管理。智能化的基础是数据，数据的流通又离不开网络，工业互联网体系的建设到底需要什么样的网络支撑呢？

1 工业互联网建设目标及企业现状

本节将从网络视角给工业互联网来下个定义。

首先，工业互联网网络是构建工业环境下人、机、物、料、法、环全面连接的基础设施，包括三部分：一是工业通信网关、物联网(IoT)模组、交换机、光纤传送设备等网络设备，二是工业专线等网络服务，三是标识解析系统。

从另外一个维度来看，工业互联网是由内网和外网构成：内网是指实体企业内的局域性覆盖的网络，外网就是实体企业外广域性覆盖的网络。通常企业内的许多生产要素并没有用网络全部连接起来，企业与企业之间、企业与第三方平台应用也没有真正地做到互联互通，所以从网络连接的角度来看，不能把这些叫作工业互联网，工业互联网要求做到企业内的全连接，企业外的互联互通。所以当前我们工业互联网建设的目标就是要把尚未连接起来的生产要素进行连接，既有连接的网络要升级改造，我们的目标是要整合不同的网络。

企业内网主要是由支撑自动化的有线的工业总线网络、办公与管理的有线以太网或WIFI网；企业的外网主要由专线做点对点的连接，或者在广域连接的场景使用“互联网+VPN”的安全防护。除去生产自动化的工业总线和管理信息化的以太网，还有3G/4G汇合了企业内企业外的通讯和物联网的数据采集和通信需求[2]。

2 关于工业互联网内网建设的思考

首先从自动化的角度来看，是以工业总线的稳定性、低时延、高可靠性为主要的标准，同时需要增强在现有网络技术中缺乏的连接距离、提高上传的速率、保证下传时延，所以自动化工业总线的发展方向为宽带无线工业总线。

从信息化的角度来看，那么我们就要以现有的以太网和WIFI的带宽、开放性、无线连接为基准，能够扩大移动范围、加强数据传输的可靠性和速率、可以连接更多的终端设备、同时能够做到云计算与网络的融合，局域专网的需求就要有选择地与公网进行对接，不是一个完全封闭的局域专网。

那么对现有网络的改造与整合又有哪些内容呢？

首先，企业内网的主要连接对象是全生产要素，在企业内工厂内车间内的人、机、物、料、法、环，我们把它称为全生产要素，那么今天如果说这些生产要素尚未用网络全部连接的话，我们改造与整合的目的就是要将这些生产要素进行全连接。

企业内网的改造与整合内容是网络的融合，今天以工业总线为代表的生产自动化、以太网和WIFI为代表的管理信息化，以及通讯互联网背后的3G/4G的网络，那么我们要做内网的改造与整合的话，就要将这些网络进行整合，便于数据的流通与共享，理想的目标网就是一张无线化的移动化的5G专网。

鉴于内网对高质量网络的要求，通过实践我们认为5G+光纤环网是高质量内网的最佳选择，之所以这样说，第一，5G+光纤环网的一张网，可以同时承载多类的业务：自动化控制的业务、管理信息化的业务、互联网的业务、通讯的业务等等；兼顾了自动化的低时延、信息化的大带宽、物联网的海量连接，同时又提供了无线接入和移动通讯，可以做到两化三化四化的融合[3]。

同时我们也面临着许多的挑战，针对工业自动化所需要的确定性和高可靠性的挑战，5G标准的R16版本2020年9月冻结，它定义了绝大部分的工业场景，面向工业互联网的应用，R16版本引入的新技术，除了运动控制时延达到纳秒级等个别指标还达不到要求外，可以支持1μs的同步精度、0.5ms-1ms的空口时延、6个9的高可靠性、灵活的终端组管理、最快可实现5ms以内的端到端时延，具有更高的可靠性，而这些新的标准恰恰可以有效地满足如工业AR、工业VR、工业视觉检测、工业云端机器人等场景的连接需求。2-3年后随着产业链成熟，R16版本5G网络性能将能够满足绝大多数的场景，这也意味着工业5G时代将在2023年前后到来。

3 关于工业互联网外网建设的思考

对于企业外网或企业间的网络来说，建设需求主要来自于集团型企业，它们需要连接分布在各地的各生产基地和分支机构；同时他们需要从企业外部去寻求智能化的应用，要与私有云、公有云、行业云等工业互联网平台进行对接；另一项外网的需求就是产业链上下游的企业。我们所能采用的高质量企业外网的选择主要来自于专网骨干承载网、SDN化可切片的广域网。高质量外网又有哪些要求？

互联网化的要求，要以通过3G/4G已经熟悉的消费移动互联网为参考基准，能够一点接入、全球联通，不再受点对点专线连接的限制，一点的接入使我们可以享受到互联网世界丰富多彩、各取所需的平台应用[5]。

企业专网的要求，因为对于企业来说，不能使用互联网这种开放式网络来传输自己敏感的数据，所以它的标准是以企业广域专网为标准做到安全隔离，保证连接的数据安全和网络性能等，同时又可以便捷地、实时地按需配置资源管理，可以由企业自己来负责。

和网络地址及寻址体系有密切的关系，因为今天的互联网是基于IP地址，基于DNS寻址体系，在今天这种国际关系，如中美贸易战和科技战当中而产生的各种矛盾，安全可控成为了一个重要的要求，要求做到网络地址的管理和群主体系，要求做到安全可控。

5G+光纤环网作为最佳的高质量内网的选择，那么针对高质量外网的选择又是如何呢？高质量外网主要取决于运营商各自的解决方案，这里我们也提供三种典型的选择。

骨干专网，也就是说运营商提供的解决方案具备打造一张物理隔离的全国性的骨干承载网，专供工业互联网客户使用，可以保证数据的安全和网络的性能。

软件定义网络（SDN），它的目的主要是聚焦在对用户开放资源管理，过去网络资源管理都只掌握在运营商的手里，那么今天在互联网的整个大环境下，通过SDN化，网络资源的管理权限可以开放给最终用户，使得网络资源的订购、变更等管理如同网上购物一样的便捷。

就是云网融合。我们知道5G来了之后，将带来数据量剧增，这个时候5G网络与算力的融合将十分的重要，这时候我们的网络要与私有云、公有云、混合云、第三方工业互联网平台及企业内部的边缘计算云平台等互联互通，整个企业外网要做到可以事先植入这些云端的资源，同时向用户提供多云的管理服务，使得工业互联网用户一点接入可享受全网的资源与应用[6]。

4 结束语

根据工信部数据测算，2019年我国工业互联网网络产业存量规模在工业互联网核心产业规模中占比仅为12.1%[4]，但建设高质量网络作为基础设施底座，助力工业互联网高质量发展的重要性是毋庸置疑的，特别是随着5G技术的逐渐成熟，以“5G+光纤”为主的新技术将更多地应用于企业内网改造。