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上海交通大學副教授戴文斌
通訊是生產性企業在向數字化轉型、網絡化協同的過程中非常重要的一環。那很多人可能有這樣的疑問：未來的工業通訊網絡是什么樣的形態？有哪些特征？我們怎么去實現它？我們就一一來聊聊這幾個問題。
首先，我們暢想一下未來的工業通訊網絡到底是個什么形態。在工業4.0的藍圖中，以工業物理系統（Industrial Cyber-PhysicalSystems）為核心的未來工業系統中設備與設備、設備與系統、系統與系統間都是以無線的形式連接在一起，而目前絕大多數的工業系統中都很難發現無線的蹤影。究其原因，主要是目前所有的無線通訊技術仍然無法滿足控制對實時性與可靠性的要求，雖然5G、Wi-Fi、WirelessHART等協議在工業已經得到了應用，但仍以監控系統數據交互以及視頻信號傳輸為主。即使5G主要面向低延時與高可靠的應用場景，但工業系統所遵從的最差情況與IT系統中廣泛使用的最好情況或者平均情況還是存在很大的距離，5G目前還是無法應用在實時控制中，在實時性與可靠性上與實時控制，特別是運動控制的需求還有一定的距離。因此，目前的無線技術仍然無法取代工業總線技術，以太網為基礎的工業總線，甚至在遺留系統中有相當一大部分通訊仍然依仗基于RS485的總線，該總線在未來很長的一段時間內仍然將是工業總線通訊的主力軍。而在監控層以上的工業通訊將逐步出現有線與無線并存的局面，最終無線方案將占上風。
假設未來無線技術能夠滿足工業的要求，那新時代的工業通訊網絡又有哪些特征呢？其一，是即插即用的網絡節點能夠大幅度提升系統的靈活性。想象一下，未來工廠中所有節點都能夠生產訂單自組織形成滿足任務需求的靈活網絡，當生產完成時又能隨時退出這個網絡而加入新的網絡。真正的智能工廠是可以根據用戶自己的選擇來動態重構生產流程以滿足大規模定制化需求而無需人工干預，而不僅僅是在有限的集合中選擇自己的偏好。下一代工業總線標準TSN已經在這方面邁出了堅實的一步，在實現微秒級時延以及納秒級抖動的基礎上，同時也定義了時間同步、數據調度、負載整形等多種優化機制。其二，是保證數據的安全，現有的工業通訊中由于實時性的限制以及不連接互聯網的情況下，數據安全的問題沒有曝露。在工業互聯網的推動下，當這些系統連接到公網后，數據安全問題就會集中爆發。因此，未來的工業通訊網絡應該在保證實時性與可靠性的基礎上，也能對數據進行加密與監控，保證數據的隱私。
最后，我們要如何去實現這樣的未來工業網絡？顯然，以目前工業互聯網參考構架中仍然沿用TCP/UDP over IP的IT網絡結構是很難實現這些特性的。因此，期待國內各界能夠共同推動全新的標準網絡構架，綜合考慮實時性、安全性、可靠性以及成本因素。工業互聯網任重道遠，腳踏實地走好每一步，認認真真解決每一個實際問題，少一點概念炒作，多一點落地方案，把卡住的脖子套出來。
摘自《自動化博覽》2020年5月刊
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號