工业互联网技术发展分析及算网融合的趋势思考
发布时间：2023-08-01 10:16:56
工业互联网自首次提出以来发展已有10年，当前已经经过概念普及的阶段，形成了以网络、平台和安全为核心的技术体系，进入到技术应用部署的沉淀期。边缘计算在工业互联网的应用落地中起到了关键作用，促进算力的现场化部署，一定程度上也改变了网络的流量模型。算力网络作为网络和计算融合发展的全新方向，将进一步促进技术和产业融合，为工业互联网提供新型融合基础设施的支撑。
1 引言
“工业互联网（Industrial Internet）”一词最早由美国通用电气GE于2012年提出，指的是基于数据的采集和分析实现设备的预测性维护，其智能化生产、网络化协同、人工智能改造等理念顺应了重塑和发展制造业的需求。德国于2013年在汉诺威工业博览会上正式推出“工业4.0（Industry 4.0）”的概念，是继“工业1.0”蒸汽机时代、“工业2.0”电气化时代、“工业3.0”信息化时代后，基于信息物理融合系统（CPS）配合智能化工业设备来提高新型工业核心竞争力。2015年5月，我国印发《中国制造2025》，旨在促进产业转型升级，培育有中国特色的制造文化，实现制造业由大变强的历史跨越。同年，“中国制造2025”和德国“工业4.0”进行了战略对接。
过去的几年里，全球工业互联网的发展已经充分地凝聚了产业共识，度过了概念普及的阶段，进入到技术和应用沉淀的过程。《2021中国制造强国发展指数报告》显示，2015—2020年，中国制造强国发展指数由105.78增长到116.02，中国制造业总体趋势稳中向好。2022年，我国在规模以上工业企业关键工序数控化率已经达到了55.3%，数字化研发工具的普及率达到了74.7%，“5G+工业互联网”在建项目全国已经超过4000多个。同时，工业互联网的发展仍然存在升级改造的节奏慢、广域网一网连多云、核心设备和器件卡脖子等技术和产业问题，需要进一步推进发展。
当前，工业互联网泛指将互联网等信息技术以及其灵活开放的理念融入工业智能化发展的新型融合技术体系，它以网络化为基础，以平台化为核心，以安全为保障。其中，以5G和云计算为代表的网络和平台技术分别作为两大推动力，促进了新型的工业互联网网络接入和企业云平台的构建。安全技术挪到句首当前还未规模化暴露问题，需要随着新技术的更广泛应用不断加强，嵌入在各个环节以及升级改造的过程中。
本文结合工业互联网的产业和技术发展现状，以边缘计算和算力网络为代表，分析了网络和计算融合对进一步推动工业互联网技术创新和应用的重要作用。
2 工业互联网的技术发展现状
工业互联网的技术发展以架构为牵引，以网络、平台、安全等为主要的技术发展方向。架构方面，工业互联网产业联盟（AII）先后发布了《工业互联网体系架构》1.0版本和2.0版本。架构1.0版本定义了工业互联网的整体框架，技术方向包括网络、平台、数据、安全，在2.0版本中将数据并入了平台技术，形成了目前以网络、平台、安全为三大主要的技术发展方向的体系。
网络技术是工业互联网的根基，包括互通互联、确定性传输、标识解析等。在互联互通方面，互联网技术如IPv4/IPv6的发展开启了信息化时代的篇章，建设了全球信息数据互通的主干道；移动网络如4G/5G使得网络连接更加普遍，延伸至每个用户以及设备。这两种技术当前都呈现出向工业网络连接的趋势。在确定性传输方面，由现场总线发展到工业以太网，再到目前的时间敏感网络TSN，保证了工业局域系统中的低时延、确定性时延传输的要求。当前，面向多工厂互联的需求，广域确定性网络技术也被提出并应用在远程工业控制等场景中。在标识解析方面，通过条形码、二维码、无线射频识别标签RFID等方式赋予物品唯一身份，如同网络中的唯一地址，确保工业部件和产品的可追溯性。当前，我国“5+2”国家顶级节点已经全面建成。以之为基础，当前的工业互联网网络技术正向着全要素的互联发展，包括工业外网和内网中各工业系统和部件的互联，多种标识解析体系的互通，以及研发、生产、物流等要素全生命周期管理的连接技术，打造工业互联网价值链、供应链、产业链的一体化发展。
平台技术是工业互联网的核心，包括数据采集和预处理、平台研发建设、模型应用分析以及迭代等。在数据采集和预处理方面，主要是指数据的采集方式、数据清洗、数据的训练以及后续的分析。在平台研发建设方面，主要包括工业控制和管理系统的研发和维护，表现形式为基于虚拟化和容器技术的云平台、边缘云平台以及轻量级工业数据处理和控制平台。在模型应用分析和迭代方面，主要是指引入智能化建模技术，面向具体的场景应用的产品和工具建模。平台化的改造是大多数工业企业的首要抓手，也是企业面向工业互联网升级迈出的第一步，基于数据的处理，通过平台化实现工控系统的智能化升级是工业互联网的目标。近年来，边缘计算的兴起大大促进了工业互联网平台的建设，相比于公有云，边缘云可以基于更加异构的计算资源，提供低时延、定制化的服务。
安全技术是工业互联网的保障，包括物理安全、数据安全、网络安全、平台安全等多方面。在物理安全方面，包括设备以及环境的具体温度、湿度、电磁等要求，确保设备在合适的环境中运行。在数据安全方面，包括数据的脱敏、匿名以及加密技术，确保敏感数据不被窃取。在网络安全方面，包括防止DDoS攻击、访问控制等，确保数据传输及通信的安全。在平台安全方面，包括软件运行的环境、系统的稳定性以及并发性的处理等方面，确保工控以及工业模型和应用的正常运行。安全是传统工业系统以及面向智能化升级的新型工业所必须的条件，由工业互联网所带来的开放化、灵活化、融合化同时也带来了更多的安全隐患，如不能保证安全，任何高效的技术都无法真正应用。当前阶段由于工业互联网还没发展完全，安全问题还没完全暴露，随着新型技术的应用推广，安全技术会呈现出更重要的作用。
3 网络与计算融合将进一步促进工业互联网技术创新
网络和计算是当前数字经济的两大基础设施，涵盖了大部分工业互联网发展所需的要素。网络技术方面，5G和IPv6作为移动网和互联网技术的两大主线，极大地推进了工业互联网的应用落地；计算技术方面，云计算和边缘计算的结合将计算任务有效分解，满足了算力需求的同时，也满足了属地化的安全隐私要求。算力网络作为当前业界发展的热点方向，将网络和计算的融合发展推进至更高的层次。
3.1 边缘计算促进工业互联网更多的应用落地
边缘计算更加符合工业互联网起步阶段对于平台化建设的需求，解决了把计算放在哪里的问题。传统的工业大多是烟囱式发展，不同的工业之间，甚至同种工业的不同企业之间的技术实现偏向私有化。工业互联网倡导开放互联的理念，对传统的工业格局会造成一定影响，而边缘计算恰巧是解决了开放与私有的平衡问题。一方面，边缘计算把算力分布在了工业现场或所在区县，在云计算虚拟化等模式的前提下，使得计算任务可以更快捷地在附近完成。另一方面，由于计算所在位置离现场较近或处于现场，也避免了云计算的网络回路过长、平台基础设施共享等引发的安全隐私隐患。“5G+边缘计算”的结合进一步集合了当前最先进的通信和计算技术，赋能产业应用快速落地。
边缘计算影响的不仅仅是计算资源的部署和计算技术的应用，对网络也会造成重大影响。APNIC亚太地区互联网信息中心首席科学家Geoff Huston曾在多次演讲中指出，CDN以及边缘计算的发展已经把互联网变为内容和服务分发平台的最后一公里聚合器，互联网的中间转发节点所承担的角色已经越来越弱。这说明，由于CDN以及边缘计算把内容和算力等推向用户边缘，使得网络的流量流向开始呈现出巨大转变，更多的技术研究聚焦在了接入侧的网络优化。在此趋势下，边缘侧的网络和计算基础设施会逐渐走向自我优化和完善，形成分布式的自治网络和计算系统，向远在国际的互联网服务节点请求内容将会变得越来越少。对于工业互联网来说，这类区域性的自治系统非常符合其发展的形态需要。
3.2 算力网络将全面推动新型工业互联网的基础设施建设
算力网络是随着5G、边缘计算的技术融合和分布式部署发展而来，是国内通信产业界首创的新型技术。算力网络涵盖了网、云、数、智、安、边、端、链（ABCDNETS）等多个要素，通过推动网络与计算两大学科领域的深层次交叉融合，构建一体化服务的新型信息基础设施，提供像水电一样的随取随用的计算网络服务。
在工业互联网中，算力网络的核心作用是对网络和算力资源的统一纳管以及灵活的调度。工业系统中存在多种形式的算力，在工业互联网边缘计算体系中，一般将边缘节点分为边缘控制器、边缘网关以及边缘云，这三种边缘节点均可部署算力，完成相应的工业计算类业务。除此之外，包括工控机、数控机床等均可作为算力节点，在5G、TSN、工业SDN以及工业IPv6的新型网络连接下，实现更加灵活的数据转发和数据处理。不同于边缘计算中的调度主要发生在多级边缘计算节点之间，在算力网络的模式下，也会普遍进行同级计算节点之间的调度，例如网关和网关之间，控制器与控制器之间等。这种灵活的调度模式可以确保工业的控制以及计算任务第一时间得以处理，在广泛的算力节点分布下保持服务的一致性。同时，对于上一节提到的区域性的自治系统，由于算力网络对网络和计算资源进行统筹管理，也会全面地促进其发展和完善。
面向算力网络的前沿技术算网一体作为新的融合技术方向也被提出。算网一体是计算和网络两大学科深度融合形成的新型技术簇，是融合贯通多要素的一体化服务，是实现算力网络即取即用社会级服务愿景的重要途径。算网一体的技术体系主要包括算网度量、算网感知、算力路由、算网数字孪生等，均是国内的原创技术。算网度量可以对不同的工业互联网计算节点资源进行评估，帮助业务请求可以精准地找到最适合的计算节点；算网感知可以使工业互联网的网络和计算系统进行一体化的需求、资源、服务感知；算力路由可以基于工业SDN或者工业IPv6等IP技术，由路由系统进行业务请求的一体化调度；算网数字孪生可以对整个工业互联网系统进行建模，通过孪生体和本体的交互映射，构建闭环的管控和升级优化周期，将在工业互联网的后续发展中发挥重要作用。当前，这些技术方向已经有了初步的研究成果，部分也在国际标准化组织包括IETF、ITU等取得了一定的标准化进展。相信在数字经济战略以及新基建、东数西算等工程的驱动下，算力网络可以充分发挥其新型基础设施的作用，促进产业的智能化升级。
4 结束语
边缘计算和算力网络是国内近几年产业发展的热点方向。5G和边缘计算的结合已经助力新技术应用于工业互联网并取得良好成效，算力网络作为国内原创技术方向，也将助力进入应用沉淀期的工业互联网进一步发展。通过对一体化的管理和调度，算力网络可以更加高效地实现工业互联网的网络数据转发以及计算任务处理。目前，针对算力网络已经初步形成产业共识，需要进一步形成合力，推进算网一体等新技术应用于工业互联网。
参考文献略。
