從5G 2C到5G 2B 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)呼喚新型 5G 2B 架構(gòu)

  ICC訊 6月17日，第五屆未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展大會(huì)在南京召開(kāi)。在下午的高峰論壇上，中國(guó)工程院院士鄔賀銓做了題為《從5G 2C到5G 2B》的主題演講。他指出，將5G to C的架構(gòu)直接搬到5G to B，不適應(yīng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)及與OT(操作技術(shù))融合的需要。我們需要開(kāi)發(fā)新型5G to B架構(gòu)，支持企業(yè)網(wǎng)低時(shí)延、高可靠、高安全的應(yīng)用。

  5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)均存在誤區(qū)

  針對(duì)社會(huì)上對(duì)于5G賦能千行百業(yè)的議論，鄔賀銓指出5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展均存在誤區(qū)。目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在的誤區(qū)主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

  頭重腳輕：回避垂直行業(yè)企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)難采集問(wèn)題而主攻企業(yè)大腦和平臺(tái)，但企業(yè)大腦只是匯集底層統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)和外部數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高，車間級(jí)直接對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制的企業(yè)小腦更為重要。

  避重就輕：受限于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控設(shè)備的協(xié)議開(kāi)放性，不從機(jī)器聯(lián)網(wǎng)做起，企業(yè)小腦也無(wú)數(shù)據(jù)可挖掘。

  同樣，5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用也存在兩點(diǎn)誤區(qū)。

  重外輕內(nèi)：企業(yè)的機(jī)器數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)基本不出企業(yè)網(wǎng)，但現(xiàn)在過(guò)分關(guān)注建設(shè)跨企業(yè)的標(biāo)識(shí)系統(tǒng)和高質(zhì)量的企業(yè)外網(wǎng)。

  以外替內(nèi)：將5G to C的架構(gòu)直接搬到5G to B，不適應(yīng)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)及與OT融合的需要。5G全連接工廠并不現(xiàn)實(shí)。目前，5G主要應(yīng)用在現(xiàn)場(chǎng)級(jí)且多為機(jī)器視覺(jué)類視頻傳送，尚未進(jìn)入主流應(yīng)用。

  三種應(yīng)用級(jí)別要求各不相同

  鄔賀銓從企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)、過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)管理級(jí)和網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)應(yīng)用級(jí)展開(kāi)了詳細(xì)介紹。

  企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)主要有兩種模式：可編程邏輯控制器(PLC)和5G工業(yè)模組及基站。

  PLC采用可編程存儲(chǔ)器，通過(guò)輪詢現(xiàn)場(chǎng)級(jí)各端口開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量和模擬量，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)、算術(shù)運(yùn)算等操作命令，控制各類機(jī)器和生產(chǎn)過(guò)程。但由于各廠家標(biāo)準(zhǔn)不同導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)碎片化，不同廠家的設(shè)備不能兼容。

  5G工業(yè)模組可以連接移動(dòng)終端。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)5G基站的建設(shè)又分為三種：一是企業(yè)共享運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的5G基站與核心網(wǎng)。核心網(wǎng)用戶面功能(UPF)下沉到企業(yè)，5G工業(yè)模組登記在公網(wǎng)，數(shù)據(jù)不會(huì)離開(kāi)企業(yè)去運(yùn)營(yíng)商處，不用擔(dān)心數(shù)據(jù)安全問(wèn)題。二是企業(yè)共享運(yùn)營(yíng)商建設(shè)的基站但自建核心網(wǎng)，5G工業(yè)模組登記注冊(cè)和數(shù)據(jù)均在內(nèi)網(wǎng)。三是企業(yè)申請(qǐng)專用頻率自建基站和核心網(wǎng)，基站可集成UPF及5GC等功能，更安全可控及低時(shí)延。

  總的來(lái)說(shuō)，PLC模式采用的是主從架構(gòu)，周期性分時(shí)輪詢，是OT模式，缺點(diǎn)在于標(biāo)準(zhǔn)碎片化;5G工業(yè)模組是扁平化的，用的是傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)協(xié)議，適用非周期數(shù)據(jù)，采用統(tǒng)計(jì)復(fù)用機(jī)制，優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了OT和IT的融合，缺點(diǎn)是不能保證時(shí)延，所以往往需要TSN來(lái)支撐。

  企業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)TSN基于時(shí)鐘同步、數(shù)據(jù)調(diào)度、可靠性機(jī)制等技術(shù)，通過(guò)在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)第2層的時(shí)隙引入優(yōu)先等級(jí)標(biāo)簽，允許高優(yōu)先級(jí)幀搶占低優(yōu)先級(jí)幀的傳輸時(shí)間以保證低時(shí)延。TSN作為虛擬局域網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)TSN over 5G。在TSN之上可以承載各種現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控協(xié)議。支持周期性與非周期性數(shù)據(jù)同傳，從而實(shí)現(xiàn)鏈路層上支持IT與OT融合。

  在過(guò)程監(jiān)控與生產(chǎn)管理級(jí)，SCADA起著關(guān)鍵作用。SCADA位于管理調(diào)度層，采集監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)級(jí)數(shù)據(jù)，接受事件驅(qū)動(dòng)，提供人機(jī)接口，實(shí)現(xiàn)告警處理、報(bào)表輸出及可視化、動(dòng)態(tài)模擬等。但本身和PLC協(xié)議開(kāi)放性均不足，需針對(duì)性配置參數(shù)與應(yīng)用程序才能實(shí)現(xiàn)PLC與SCADA通信。上位機(jī)的操作系統(tǒng)大都采用Windows，與底層不同，因此需與底層OT融合。

  網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)應(yīng)用級(jí)采用基于IPv6的網(wǎng)絡(luò)層。IPv6可實(shí)現(xiàn)真實(shí)源地址溯源，并留有很大的編程空間，可開(kāi)發(fā)更多的功能。首先是APN6(應(yīng)用感知網(wǎng))，應(yīng)用感知功能，傳統(tǒng)的IPv4只支持選路，并不知道IP包承載的是什么業(yè)務(wù)，現(xiàn)在IPv6包可以定義業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)感知業(yè)務(wù)需求。其次是iFIT(隨流檢查)，過(guò)去信道檢測(cè)是個(gè)難題，往往只能事后離線檢測(cè)，iFIT能夠?qū)AM指令嵌入用戶報(bào)文IPv6包，可實(shí)現(xiàn)丟包、時(shí)延等分段檢測(cè)。最后，通過(guò)IPv6可以采用SRv6分段路由，在IPv6擴(kuò)展頭中指定流量轉(zhuǎn)發(fā)路徑，支持低時(shí)延、組播、快速倒換和并發(fā)冗余傳輸，實(shí)現(xiàn)高可靠性。SRv6有望成為端邊云網(wǎng)統(tǒng)一的簡(jiǎn)化通信協(xié)議。

  網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)應(yīng)用級(jí)基于OPC-UA的應(yīng)用層，OPC-UA是過(guò)程控制對(duì)象連接與嵌入?yún)f(xié)議，適用于多種硬件平臺(tái)，也兼容多種軟件平臺(tái)，是一個(gè)翻譯器。OPC-UA over TSN打通了從傳感器到云，將IT和OT在語(yǔ)義層面互通。

  高起點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)呼喚新型5G to B架構(gòu)

  目前，我國(guó)機(jī)械行業(yè)80%的設(shè)備仍采用傳統(tǒng)的繼電器和接觸器進(jìn)行控制，尚未使用工控系統(tǒng)產(chǎn)品。已用的大中型產(chǎn)品中95%的PLC、75%的小型PLC、49%的DCS、70%的高端SCADA都來(lái)自國(guó)外，安全漏洞令人擔(dān)心，且不少屬于相關(guān)制造商的專有方案，協(xié)議不開(kāi)放。一個(gè)典型工廠的控制點(diǎn)在20世紀(jì)90年代末僅有5萬(wàn)個(gè)，到2030年將增加到55萬(wàn)個(gè)，原有的工控產(chǎn)品難以支持。此外，很多工控產(chǎn)品已使用十多年。

  鄔賀銓提出，要開(kāi)發(fā)新型工控設(shè)備，高起點(diǎn)建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)?，F(xiàn)在邊緣計(jì)算、5G工業(yè)模組、智聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈、IPv6、TSN等技術(shù)發(fā)展迅猛，將這些技術(shù)集成進(jìn)新型可信工控網(wǎng)關(guān)勢(shì)在必行。工廠內(nèi)網(wǎng)要推進(jìn)IT與OT無(wú)縫融合，朝著扁平化、IP化、智能化發(fā)展，推動(dòng)機(jī)器聯(lián)網(wǎng)，盤活生產(chǎn)線數(shù)據(jù)。

  除此之外，還要開(kāi)發(fā)適應(yīng)企業(yè)網(wǎng)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。公眾網(wǎng)核心網(wǎng)的控制平臺(tái)離終端比較遠(yuǎn)，下行業(yè)務(wù)帶寬高，而企業(yè)網(wǎng)核心網(wǎng)是下沉到企業(yè)，主要業(yè)務(wù)終結(jié)在車間，而且往往上行要求高，對(duì)時(shí)延敏感，企業(yè)網(wǎng)本身很重視安全和可靠性，不能簡(jiǎn)單靠切片來(lái)保障，需考慮多信道冗余并發(fā)，但需設(shè)置多AP點(diǎn)等以保證多信道不受干擾。

  5G to C的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以用到部分企業(yè)網(wǎng)，但對(duì)大中型企業(yè)來(lái)說(shuō)并非科學(xué)合理的模式。5G to B 需要輕型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可采用5G專網(wǎng)或公網(wǎng)上邏輯切片方式支持5G to B的新架構(gòu)。

  最后，鄔賀銓做出了以下四點(diǎn)總結(jié)：一是傳統(tǒng)基于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)工控設(shè)備的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)層級(jí)多、標(biāo)準(zhǔn)碎片化、IT/OT融合困難、網(wǎng)絡(luò)安全性低。

  二是5G不僅為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)增加了可供選擇的接入模式，而且在5G工業(yè)模組基礎(chǔ)上融合新一代信息技術(shù)的新型工控網(wǎng)關(guān)，將推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)扁平化、IP化、無(wú)線化，展現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新格局，也可開(kāi)拓5G工業(yè)應(yīng)用新空間。

  三是5G to C的架構(gòu)并不都適合5G to B的企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，需要深入研究企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的需求，開(kāi)發(fā)新型5G to B架構(gòu)，支持企業(yè)網(wǎng)低時(shí)延、高可靠、高安全的應(yīng)用。

  四是開(kāi)發(fā)5G to B新架構(gòu)和新型5G工控網(wǎng)關(guān)需要加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研用合作，立足創(chuàng)新，明確需求標(biāo)準(zhǔn)起步、試點(diǎn)推進(jìn)、形成產(chǎn)業(yè)，支撐我國(guó)工業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。