一、工业互联网的前世今生

1. “工业互联网”的姓氏由来

 

从2018年开始，“工业互联网”作为规范名称出现在政府、企业、新闻媒体等各种文件、报道中。在2018年之前，“工业互联网”还有很多的别名，例如“产业互联网”、“工业控制网络”、“工业网络”、“生产网络”等。尤其是“产业互联网”，一直被大家广泛使用。那为什么最后规范命名为“工业互联网”，而不是“产业互联网”呢？“工业”的姓氏来源于国家的工业和信息化部，因为工信部只能管工业，管不了整个国家的产业。因此，“工业互联网”只能姓“工业”。

 

2. 工业互联网的今生

 

“应用数字化技术提高工业生产的效能”是工业互联网的本质（我个人的定义）。工业互联网的核心是通过工业互联网平台把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接融合起来。可以帮助制造业拉长产业链，形成跨设备、跨系统、跨厂区、跨地区的互联互通，从而提高效率，推动整个制造服务体系智能化。还有利于推动制造业融通发展，实现制造业和服务业之间的跨越发展，使工业经济各种要素资源能够高效共享。

 

“工业互联网”的概念最早由通用电气于2012年提出，随后美国五家行业龙头企业联手组建了工业互联网联盟(IIC)，将这一概念大力推广开来。除了通用电气这样的制造业巨头，加入该联盟的还有IBM、思科、英特尔和AT&T等IT企业。2013年6月，GE提出了工业互联网革命（Industrial Internet Revolution），其目标是升级那些关键的工业领域。通用电气提出的“工业互联网”与德国明确提出的“工业4.0 战略”有异曲同工之妙，被称为美国版工业4.0。无论是GE 2012年提出的“工业互联网”，德国2013年提出的“工业4.0”，还是“中国制造2025”，其核心都是通过数字化的转型，提高制造业的水平。

 

3. 工业互联网的前世

 

2012年之前，是否有工业互联网？答案是：Yes。工控网络、工业以太网、工业总线等，都是工业互联网前世的雏形。更形象的词是“两化融合，即：信息化、工业化的融合”。两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合， 是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化，走新型工业化道路；两化融合的核心就是信息化支撑，追求可持续发展模式。自十六大（2002年）开始，两化融合的理论逐渐成熟。在科学发展观的指导下，两化融合不断深入。工信部确立了“系统推进、多维推进、关键突破”的总体思路，即宏观、中观、微观[线（行业）、面（地域）、点（企业）]的三级推进思路。

 

二、工业互联网中的网络关键技术

工业互联网整个技术体系非常宏伟，本文主要介绍其中的网络关键技术，简单划分就是：工业外网、工业内网。

 

1. 工业外网

 

工业外网更接近于我们熟悉的“互联网”的概念，即连通不同工业生产单元之间的网络、解决不同生产单元之间的信息交互问题。根据“生产单元”的定义不同，工业外网的定义也可大可小。

 

工业外网的泛在定义：“生产单元”包括整个工业生产领域的人、物、资金、技术、信息等生产要素、以及这些生产要素之间的关系与流转时，工业外网涵盖了从生产、物流、销售、金融等环节的整个横向的工业流程。

 

工业外网的内敛定义：“生产单元”仅包括生产环节的各类生产要素时，则工业外网仅涵盖工业生产时各个生产单元之间信息的交换。

 

泛在工业外网的关键技术更偏向于互联网，而内敛工业外网的关键技术更偏向于电信网络。除传统的网络关键技术之外，工业外网需要解决网络的确定性（时延、时延抖动），从而支持不同生产单元之间的控制协作。

 

2.工业内网

 

互联网技术最终是体现在路由器这些设备上的，因此就会自然而然地问：设备厂商能改变互联网吗？答案是：不能。原因很简单：设备厂商并不真正运营管理“网络”，他们只是各个“网络”的“乙方”，“乙方”必须服从“甲方”的利益。因此，尽管设备厂商往往都很懂互联网，懂技术，但他们的观点、想法只能通过IETF这样的标准化组织来体现。此外，就算设备厂商在路由器上实现了很多互联网技术，但最终是否“启用”，还是互联网的各个“网络”管理者说了算。在路由器上做了实现，而网络管理者并不“启用”的例子，数不胜数。

 

工业内网可分为OT网络和IT网络两部分。传统的生产环境，OT网络是一套独立的网络，实现生产单元之间的可靠信息交互，采用的技术有工业总线、工业以太网、工业无线网络等；IT网络就是我们认识的办公局域网，采用的技术就是以太网、无线WiFi。工业互联网中的工业内容，需要将OT网络和IT网络融合，两张网合并为一张网。简单的从关键技术取“并”操作，我们可以得出：工业以太网是工业内网的关键技术和发展趋势。事实也确实如此，从2018年开始，工业以太网的市场份额超过了工业总线，并逐年增加。

 

工业以太网当前主要以各个公司的私有协议为主（如图 1所示），例如西门子的Profinet协议、贝加莱的Powerlink协议、Bechhoff的EtherCAT协议等。工业以太网的私有协议、关键技术均被国外公司主导，已经成为制约工业互联网自主发展的壁垒。

 

图 1：工业总线、工业以太网的当前状况

 

三、5G在工业场景应用中的困境

“5G to B”是5G的拳头应用，也是工业互联网的迫切需求。理想是丰满的、现实是骨感的。5G在工业场景等垂直行业的应用，诸多困难需要突破：

 

谁来建设工厂中的5G基础设施？运营商、还是企业？

 

5G的频谱掌握在运营商手里，如果企业要建5G私有网络，如何获取频谱？

 

如果运营商构建5G基础设施，数据如何不出工厂？

 

如何收回5G的垂直行业定制成本？

 

5G与工业以太网如何融合？

 

这里仅列出了一小部分问题，还有很多问题需要解决。

 

四、工业互联网的网络困境

工业互联网的发展举步维艰，其中的网络困境主要涉及兼容性、投入产出比、数据安全、网络安全、运维运管等方面的困难。

 

兼容性：企业的OT网络，前期基本采用与生产设备成套的私有工业网络协议。例如，西门子的车床配备了Profinet协议的工业以太网。不同厂家之间工业以太网采用私有协议，不能实现互联互通，造成工业内网不能融合。新采购的设备，如何与旧的设备兼容、如何与其他品牌的设备兼容，成为很多企业头疼的事情。

 

投入产出比：工业互联网的投入分为建设投入和运管投入。建设投入基本是一次性投入，包括基础设施的建设、设备的采购与部署等；而运管投入则是伴随企业生产的长期投入。企业在考虑上线工业互联网时，考虑的最多的就是投入产出比，特别是短期的投入产出比。投入产出比不高，造成了当前很多企业不愿意大规模应用工业互联网的主要原因。

 

数据安全：企业的生产数据是企业的核心竞争力，在没有保障生产数据安全的机制、措施前，企业是不会应用工业互联网的。

 

网络安全：企业的另外一个安全担心是网络本身的安全，如果生产网络被侵入，就会造成大量的损失。典型的例子就是伊朗铀浓缩离心机遭受的“振网”攻击。

 

运维运管：工业互联网相较传统网络，在运维运管方面提出了更高稳定性、鲁棒性、简易性等要求。相信很多朋友都遇到过家里突然不能上网的场景，大多数的解决方案是插拔网线、重启光猫、重启无线路由器等操作。但在生产环境中，如果来这么一次网络故障，可能造成大批量的产品不合格、流水线暂停、生产效率下降等后果。所以工业互联网的运维和运管都可以比拟电信网络的运管要求。但在专业网程度上，显然一个企业的网络工程师比不上运营商的专业网络工程师。

 

五、自我救赎之路：开放、开源、标准化

“降本增效”是工业互联网突破当前困境的核心要义。“增效”在不同行业、企业中应用会有所不同，而“降本”则是统一的，即降低工业互联网中网络成本。“降本”的途径，互联网的快速发展已经给出了典型的示范：开放、开源、标准化。

 

开放：打破现有工业网络被私有协议垄断的困境，应用开放的工业以太网协议，引入充分的竞争、实现百家争鸣，减少垄断利益。

 

开源：充分应用互联网的开源风气，提高技术复用度、降低开发难度、增加应用范围、降低测试成本，提高工业网络的安全性，从而降低整体工业互联网解决方案的成本。

 

标准化：互联网的成功是协议标准的重大胜利。不同厂家生产符合相同标准的网络设备、不同运营商部署具备相同标准的网络设备，从而实现网络互联互通。在工业互联网中再次实现传统互联网的辉煌，则必须打破当前私有网络当道的局面，实现网络的标准化。

 

IEEE 802.1 TSN(Time Sensitive Networking，时间敏感网络)是以以太网为基础的新一代工业网络标准，具有时间同步、时延保证等确定实时性的功能：为标准以太网增加了确定性和可靠性；为关键数据的传输提供稳定一致的服务级别。

 

TSN具备开放、开源、标准化的特点，是科学研究、创新创业的好方向。有兴趣“摆地摊”的小伙伴，可以多考虑TSN。