面向工业制造的确定性网络技术发展研究.docx

《面向工业制造的确定性网络技术发展研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《面向工业制造的确定性网络技术发展研究.docx（18页珍藏版）》请在优知文库上搜索。

1、一、前言创新型国家建设提出了对网络强国的要求，工业互联网应与工业制造协同推进。工业制造的发展依赖于通信网络的升级，新一代网络技术赋能工业制造成为重要发展趋势。目前，以太网已大规模应用于工业网络（如工厂内网、工厂外网等），互联网协议网络接入的工业设备达到1.2x10。台（截至2020年）。高效地使用、管理、维护、控制工业设备，需要以提供确定性服务质量的网络通信平台与技术作为支撑；工业制造网络化与智能化升级，也对网络提供确定性服务质量提出了要求。确定性服务质量具体包括：低时延（上限确定）、低抖动（上限确定）、低丢包率（上限确定）、高可靠（下限确定）、高带宽（下限确定）等。工业制造系统分为实时监控、

2、机器视觉、远程控制、物资管理等多个子系统，均对确定性服务质量提出要求（见表1）。典型的确定性网络有：灵活以太网（FIexE）时间敏感网（TSN）,确定网（DetNet）、第五代移动通信（5G）确定性网络（5GDN）等。文献分析了5G部署及其商用情况，认为5G将对工业互联网发展产生极大的促进作用。文献总结了TSN.DetNet,5G等确定性网络技术的发展现状和趋势，着重研判相关技术在超低时延方面的特性。文献阐述了FIexEsTSN、DetNeh5G的技术要点及发展趋势。表1部分工业制造自动化过程对确定网络服务质量的要求应用时延要求Zms抖动要求m可踞性/%传输速率/Mbps远程控制599.999

3、IO离散自动运动控制1199.9999ITO肉散自动化IOI(XX)99.99IO过程自动化远程控制502000099.9999I-100己有研究侧重于对确定性网络技术及其发展趋势的研判，本文则重点开展面向工业制造的确定性网络技术发展分析与体系论证，提出三阶段发展路径，以期为我国确定性网络的工业制造应用研究提供参考。二、面向工业制造的确定性网络技术需求分析发展面向工业制造的确定性网络技术有助于推动我国网络强国和制造强国建设。确定性网络技术与工业制造深度融合，赋能实体产业，推动工业制造系统和管理升级，同时能够引导服务商提供高质量、多样化的服务能力。因此，在需求、供给两方面都需要面向工业制造的高质

4、量确定性网络。（一）工业制造的升级需求当前，工业制造的升级发展趋势己明确（见图1）,驱动了对确定性网络的新需求。20世纪80年代以来，全球制造业布局发生了根本性变化，我国成为全球规模最大的制造业国家。随着通信、计算机、机械、电子、电气、自动化等领域的技术发展，全球制造业也呈现出新的发展动向。规模化生产定制化生产提供产品产品服务化专业分工一体化生产传统制造智能化生产图1工业制造升级发展趋势为了更好满足消费市场需求，工业制造由规模化生产向着定制化生产转变。居民生活水平的不断提升、消费需求的升级换代，促使制造业向着小众化、多元化、定制化发展。为了进一步增强用户体验，工业制造从提供产品向着产品服务化、

5、生态化转变。制造企业不再单一提供产品，而是转变为综合性服务供应商；工业领域不可避免地从单一产品提供向着一体化的产品生态与产品服务转型。为了适应产品定制化及供应链的变化，工业制造从专业分工向着一体化生产转变。企业供应链呈现新的发展动向，制造业企业趋向于整合上下游的产业信息、发展为一体化生产企业。为了提升生产能力和效率，工业制造由传统生产制造向着智能化、数字化生产模式转型。新兴技术如人工智能、大数据、物联网、车联网、云计算、机器人等蓬勃发展，工厂内外开始布局新技术、新平台。相应制造企业的工厂内网、工厂外网、数据互通等通信模块均对确定性网络提出了具体而多样化的要求。（二）通信厂商的升级需求通信厂商希

6、望提高技术水平、扩大服务范围、提升服务能力和价值，因而对确定性网络提出需求。确定性网络是通信厂商技术更新迭代的方向。以太网缺乏实时传输质量保证机制、全局时钟与同步机制、带宽保留机制、数据包过滤机制，无法保证确定性服务质量。通过时钟同步、频率同步、流量整形、资源预留、时敏流调度、灵活切片等技术，在聚合以太网层面实现面向工业制造的确定性网络服务，成为通信厂商重要的技术升级需求。确定性网络是通信厂商扩大服务范围的重要选项。随着通信厂商管道化发展,通信产业链上下游厂商希望能够为客户提供差异化、多样化、个性化的产品和服务，培育新的业务增长点。工业制造企业产值高、升级空间大，成为通信厂商积极争取的服务对象

7、。通过提供高质量的确定性网络服务，通信厂商得以深入生产制造经营一线，扩展服务范围和服务多样性。确定性网络是提升通信厂商服务价值的重要依托。确定性网络可以使得工业数据传输速率比传统以太网快数十倍到数百倍，严格控制端到端抖动、时延等关键指标，满足企业对实时自动化（如机器人操控、无人车调度等）的需求。网络切片等技术支持通信厂商提供差异化的服务，而高质量、差异化的服务也为通信厂商带来新的收益空间。三、面向工业制造的确定性网络技术发展现状与趋势分析（一）技术研究现状工业领域现有的几个以太网扩展版，如过程现场网络（PROFlNET）、以太网控制自动化技术（EthernetCAT）时间触发以太网（TTEth

8、ernet）严格实时路由架构（HaRTES）等，可以部分满足工业制造的需求，但因缺乏带宽预留、时钟同步、数据包优先级过滤等机制，不能完全满足工业制造过程的严格实时、确定性服务质量要求。确定性网络技术使得互联网协议网络在控制端到端工业平台和设备方面从尽力而为转向准时准确，促使TNS.5GDN等确定性网络技术成为工业制造升级的热门选择。为了支持工业制造过程中的确定性通信，电子电气工程师学会(IEEE)制定TTSN技术标准，互联网工程任务组(IETF)提出了DetNet技术标准，光联网论坛(OIF)定义了FIexE技术。5GDN指利用5G资源构建可预期、可规划、可验证、具有确定性能力的移动专网，提供

9、差异化的业务体验，由此打造更加灵活、更为高效、部署简便的工业制造确定性网络。整体来看，TSN.5GDN己经开始工业制造方面的商业应用，而DetNet.FIexE还需要继续发展以适应工业制造的需求。FIexE技术主要用于5G承载网，为5G网络切片的确定性路径提供支撑,可以提升服务商定制化、差异化的服务能力。FIexE包含了一些子技术，如垫片结构用于网络切片，交叉传输实现端到端传输，操作管理维护(OAM)支持端到端传输监控，通道保护提供可靠性。TSN为局域网的确定性服务质量提供保障，可在同一局域网络中发送周期、非周期数据流；包含了一系列技术标准，如时钟同步、流预留、循环排队等，确保物理层、链路层的

10、确定时延与抖动。5G用于提供无线接入服务，涉及的主要技术或功能有：增强移动宽带、超可靠低延迟通信、大规模机器通信。例如，超可靠低延迟通信技术依赖于5G的低延迟、时间同步、资源管理、可靠性等特性，5GDN据此保证确定性低时延低抖动网络服务质量。DetNet用于在广域网中提供确定性网络服务，目前仅有部分技术标准，如可扩展确定性传输以及循环排队转发等，确保网络层的确定时延和抖动。其他相关技术标准仍在制定过程中。确定性网络在制造企业中的应用场景可细分为机器视觉、实时监控、远程控制、物资管理、辅助作业、海量连接、生命周期管理等（见图2）,国内已有大型制造企业的应用案例。除了企业应用外，我国开展了网络确定

11、性实验平台研究，代表性的是未来网络试验设施（CENI）oCENI作为我国在通信与信息领域第一项国家重大科技基础设施，可为未来网络体系架构与关键技术的部署、测试、验证提供大规模且开放的试验环境。CENI实现了超远距离的确定性低时延低抖动数据传输实验,完成超远距离（2000km）电动机同步控制实验，验证了基于确定性网络的超远距离实时工业制造控制的可能性。图2确定性网络技术在工业制造中的应用场景（二）技术发展趋势TSN在链路层通过时分复用调度技术为高优先级流量提供了确定性传输服务，保证低时延低抖动；但可能加大低优先级流量的延迟，可考虑利用统计复用为时延界限提供统计保证。TSN的集中式部署或分布式部署

12、、连接多个封闭时间敏感网等技术，是需要进一步研究的课题。新的标准定义、技术实现、实验测试是TSN与5G应用结合的研究内容。相较于TSN的流量控制操作，DetNet的流量控制操作将面临规模更大、传输距离更远、调度复杂性更高等挑战。TSN与5G均己商用，但DetNet的技术标准仍在制定阶段，因而广域确定性网络的服务需要更多研究，如数据流的控制转发技术、服务质量保证技术等。基于FIexE的网络切片技术，运营商在1个硬件基础设施中可切分出多个保证服务质量、业务物理隔离的虚拟网络，相应OAM功能可满足网络维护需求。借助FIexE技术提供灵活的带宽和定制化的服务质量，提高网络利用率，实现不同工业制造过程的

13、多样化服务体系成为重要发展趋势。5G已经商用，与局域网TSN,广域网DetNet融合，将进一步增强面向工业制造的服务能力与质量。5G与FIexE结合，为5GDN提供差异化服务能力。降低网络建设成本、拓宽工业制造方面的应用规模，这对5G资费体系设计提出了新增研究需求。此外，确定性网络技术的重要发展趋势有：稳妥处理网络架构创新与逐步部署的关系，设计故障处理、容错机制等安全保护机制,促进各层技术间的融合等。大型“确定性网络+工业制造实验平台的建造与开放也是一个重要发展趋势，CENI与工业制造企业的制造过程集成也可以进一步深化。四、面向工业制造的确定性网络面临的挑战（一）制造企业信息化、数字化水平存在

14、短板确定性网络在工业制造领域实现全面部署，前提之一是需要制造企业或工厂的数字化、信息化水平达到一定程度，然而我国不少制造企业（包括规模以上企业）依然存在明显不足。根据两化融合服务联盟针对参评的15万家工业企业的统计数据，截至2019年第二季度，生产设备数字化率、关键工序数控化率分别为47%、49.2%,而智能制造就绪率仅为7.6%；这其中的参评企业绝大多数为规模以上企业。工业互联网产业联盟针对我国工业企业调查数据显示，企业面临着数据存量不大、管理手段落后的突出问题，如66%的企业存储数据总量不到20TB（不及一个省级电信运营商日增数据量的1/10）,51%的企业仍在使用文档等相对初级的方式进行

15、数据管理。工业企业信息化、数字化达到一定程度后，才能顺利实施确定性网络+工业制造。缺乏坚实的数字化、信息化条件，即使能够完成基于确定性网络的工业制造应用，最终也难以形成规模化应用与价值创造的预期格局。在保证信息化、数字化程度能够满足制造企业建设与发展需求的同时，应努力实现确定性网络在工业企业中的落地部署以及与其他信息化、数字化建设的同步。（二）确定性网络与工业制造融合面临壁垒确定性网络与工业制造的融合发展尚处初级阶段，仍需深化应用探索。与消费互联网不同，通信运营企业与工业制造企业等之间的技术、架构、商业模式等融合发展壁垒较高。运营商和设备商对工业制造行业的技术、特性、业务流程、工艺流程等把握不

16、够到位，存在一定程度的跨界鸿沟；网络运营商缺乏为高端制造业提供大规模、高质量确定性网络服务的经验，难以全面、精准支持工业制造企业的生产经营实际需求。另外，全球运营商的确定性网络部署规模尚无法支持大范围、广覆盖的确定性网络服务需求。运营商通常选择典型行业与场景，结合自身确定性网络的建设节奏，以试点的方式实施逐步部署。例如，结合移动边缘计算对确定性网络进行区域化部署，工业园区等独立性较强的工业制造区域作为优先试点。在确定性网络与工业制造融合发展的过程中，确定性网络与工业制造企业的跨界合作与供需对接需要加强；在工业制造密集的重点区域开展确定性网络商业应用试点示范，同时积极探索开放式、可盈利、可持续的新型商业模式。（三）确定性网络技术成