5G确定化网络指在一个网络域内,工业互联网的概念

 运输物流     |      2020-01-03

图片 1未来,随着5G网络部署的完善,将从辅助功能向生产过程控制逐步延伸。

未来5G的场景应用要注重在第二产业,积极推进5G网络在工业互联网的场景应用。因为制造业对于一个国家有着极其重要的意义,制造业要是落后了,将会在未来的国际竞争中处于劣势。工业互联网作为基础设施,它的需求是低时延、高可靠、广覆盖。

由于智能制造对于柔性生产提出了更高要求,以及跨平台、跨行业的应用需求越来越多,大型实时工业通信网络为运营者带来了严峻的挑战。据介绍,此次发布的测试床基于OPC UA标准,确保了在一个系统中,来自不同厂家的多种设备可以方便地进行协作;而TSN(时间敏感网络)测试床融合了SDN(软件定义网络)技术,实现了根据精确时间进行优先级排序,把实时和非实时数据进行统一传输,真正实现了机器、人、物联接的“一网到底”,打通工业互联网“最后一公里”。

雷锋网了解到,目前,我国预计将从防护对象视角、防护措施视角及防护管理视角三大视角出发构建工业互联网安全框架,引导企业全面部署安全防护措施。

MEC并非一定要部署到末端综合接入机房,而是可以根据业务需求确定,主要部署位置包括边缘级(基站与回传网络之间)、区域级(汇聚环和接入环之间)和地区级(汇聚核心层)。依据UPF与MEP部署位置的不同,可以进一步实现对网络确定化时延的灵活控制,如图3所示。

02 5G由浅入深赋能工业互联网

如今中国已经拥有全球最大的工业体系,但不得不承认的是,在发展质量和竞争能力上,我们与美德等发达国家还存在一定差距。而5G时代的到来,给了中国工业加速赶超的机会。

工业互联网需要面向工业现场的生产问题进行优化,还要面向企业运营的管理决策优化、面向社会生产资源配置优化、面向全生命周期管理优化。所以工业互联网必将与互联网有很多不同。现在工厂中采用得比较多的是工业以太网技术,网络速率已经提高到100Mbps——1Gbps,并要向10G提速,但其进一步发展受制约于标准太多,目前有西门子的Profinet、施耐德的Modbus TCP/IP、罗克韦尔的Ehternet/IP,还有EtherCAT、POWEDLINK、CC-Link等,这些标准是对以太网协议进行改进而来,但互相不兼容。“此外,工业以太网的实时性不行,没有很好的服务质量保证(QoS)。”邬贺铨说,“TSN网络通过改进链路层的协议,引入了QoS的优先权来保证服务质量,并且跨越了工厂和企业,实现了OT与IT的融合,而且TSN在实时通信上能力更强。”

2015年7月,颁发《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》

[2] 黄韬,汪硕,黄玉栋,等.确定性网络研究综述[J].通信学报,2019,40(6):160-176.

当前进行的5G工业应用,大多聚焦在辅助功能上,比如基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

欧洲最大的应用科学研究机构弗劳恩霍夫协会-开放通讯系统研究所(Fraunhofer FOKUS)的Alexander Willner博士表示,自从可编程逻辑控制器(PLCs)问世以来,工业自动化流程得到了极大优化。OT与IT之间的融合令人兴奋,将带来有趣的创新体验。OPC UA和TSN的结合,让工业领域得以实现实时信息交换和互操作。

国际巨头在工业技术、产品、经验和数据等基础上,打造“国际品牌+高端产品+先进平台”的综合优势,以GE的Predix、西门子的Minsphere为引领,全球平台超过150个。

2.1智能电网

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

在本次发布的智能制造测试床中,华为与多家厂商共同打造了六大工业互联场景,包括与AII打造的电机预测性维护网络(TSN for Predictive Maintenance),与美国国家仪器打造的“马达同步”,与和利时打造的“赛车游戏”,与Linmot打造的“绘图运动控制”,与施耐德电气打造的“LED同步”,以及与贝加莱打造的“OPCUA Over TSN”等场景,验证了TSN网络在复杂环境情况下的高确定性和低时延性,保障工业场景下的严格同步运动控制。此外,思博伦通信的测试设备用于生成TSN和非TSN流量,以验证新的工业网络架构和服务带来的好处。

目前针对标识解释技术主要分为两类:改良类和变革类。

图1给出了5G确定化网络逻辑架构示意图,其中最底层展示了5G服务化架构,核心网、接入网、传输网构成网络能力生成层;业务需求层主要负责接收各垂直行业的业务需求,客户统一订购签约界面;能力匹配层主要根据客户的需求,借助网络切片、移动边缘计算、时间敏感网络等5G关键技术,形成5G网络的确定化服务能力;能力提取与编排层根据“确定化服务能力”指标要求,将提取到的能力借助能力编排器进行封装与编排,最终满足行业客户对确定化网络能力的需求。

传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

问:5G+工业互联网如何赋能产业创新?

时延敏感性网络是最后一公里重要技术

应用领域

在5G垂直行业的业务中,及时、安全地传输数据是工业通信技术的关键要求之一。时间敏感网络是满足该要求的很有发展前景的重要技术。根据3GPP 5G需求规范[3],对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到1 ms的延迟、1 ?滋s的抖动和99.9999%的可靠性。

图片 2工程机械远程控制:例如针对工程机械,在偏远、有毒、有害等特殊场景作业时人员成本高、危险性高等问题,利用5G SA(Stand Alone)网络大带宽、高可靠、低时延等特性,通过“工程机械驾驶室远程控制台”和“真实工程机械现场实景屏幕”来对远端工程机械进行远程驾驶和操控。

谢谢邀请。

从互联网到工业互联网,网络技术会发生很多变化。特别是深入到工业现场的“最后一公里”,被认为是工业互联网的难点所在。

2016年5月,颁发《关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见》

5G确定化网络技术已成为当今学术界和产业界研究人员重点关注的热点之一。本文从5G网络的个性化和定制化等能力入手,分析了4种典型行业应用场景对5G网络性能指标的确定化要求,重点提出了确定化网络实现架构和关键技术,并通过部分典型案例加以呈现。5G确定化网络关键技术的研发仍处于起步探索阶段,而5G与时间敏感性技术的协同融合也是实现确定化网络的关键,5G确定化网络将是实现5G行业业务应用的基础,也是5G使能千行百业的重要抓手。

室内定位:室内定位是工业领域的普遍需求,目前室内定位基本是蓝牙、激光、UWB三分天下。从算法上看主要有两类,一类TOF/TDOA算法,通过光速乘时间来测距;一类AOA算法,通过智能天线判断信源方向,基于场强角度定位,两种算法的精度差不多,都是分米级别。5G使用新型编码调制、大规模天线阵列等带来的大带宽特性,有利于参数估计,为高精度距离测量提供支持;大规模天线技术,5G基站可实现128个天线阵子,为高精度角度测量提供支持;另外,5G将实现超密集组网,用户信号可被多个基站同时接收,将有利于多基站协作实现高精度定位。通过部署大量5G低功耗定位标签将挑战蓝牙、激光、UWB室内定位地位。

图片 3

在2018年汉诺威工业博览会上,工业互联网产业联盟(ALL)、边缘计算产业联盟(ECC)、FraunhoferFOKUS、华为、施耐德电气、和利时、美国国家仪器(NI)、贝加莱(BR)、TTTech、思博伦通信(Spirent Communications)等超过20家国际组织和业界知名厂商,联合发布包含六大工业互联场景的TSN+OPC UA智能制造测试床,为打通“最后一公里”奠定基础。

网络体系

3 网络实现架构与关键技术

01 工业互联网及其体系架构

所以从网络的角度看,网络和5G技术要分开,将来很多垂直行业的工厂可以建立自己的5G网络。

时延敏感网络或替代MES系统

如前文所述,TSN可用于OT网络层,IT层传输协议架构可以用OPC,因而,将来工厂内部有望统一到TSN+OPC。

网络切片是5G网络核心能力,在5G确定化网络中扮演了重要角色网络。网络切片通过将网络资源灵活分配、能力灵活组合,基于一张物理网络虚拟出网络特性不同的逻辑子网,满足不同场景的定制化需求。在网络切片划分的过程中,可以根据不同类型业务对逻辑子网的特性和能力进行定制,因此网络切片使得运营商具备了按需定制网络服务的能力。此外,通过开放标准API和自服务入口,网络运营商可以授权其客户自行购买并运营网络切片,客户可以将网络切片集成到自身的服务和应用中,从而极大提升网络切片应用的灵活性和变现能力,拓展运营商的商业机会。

以机械制造行业为例,数据开放性差且工业协议标准不统一,存在罗克韦尔自动化的EtherNet/IP、西门子的Profinet、德国倍福的EtherCAT、贝加莱的PowerLink、以及施耐德的ModBus-TCP等多种工业协议标准,各个自动化设备生产商和集成商还会自己开发各种私有工业协议,各种协议标准不统一、互不兼容,导致协议适配、协议解析和数据互联互通困难;另外一方面,工业数据采集实时性要求难以得到保证,传统数据采集技术对于高精度、低时延的工业场景难以保证重要的信息实时采集和上传,无法满足生产过程的实时监控需求。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会(ZVEI)基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

在TSN的应用上,邬贺铨表示,TSN首先瞄准工业应用,通过TSN避免专用的实时通信协议和网关瓶颈,机器人可以通过TSN实现全球同步,控制数据网能够实现网络综合,这是TSN的主要应用,此外在车联网中的汽车控制系统、网络安全、5G等领域都有较大用武之地。

现场级包括生产设备、控制系统;车间级主要包括人机交互界面、数据采集和监控,以及总线和网关等;前两级主要围绕工厂内生产部分,分布在OT层。而工厂级主要分布在IT层,主要是IT网络的信息化模块,包括SCM、ERP、CRM、MES。

3.1实现架构

典型的工业应用场景契合了5G三大场景(eMBB、mMTC、uRLLC),5G其他性能如移动性、QoS、安全性等也促进了5G在工业应用场景中的应用。

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

华为欧洲解决方案产品管理及营销总监罗济军博士认为,未来工业领域将有数以百亿计的设备连接上网,传统工业以太网无法承受巨大的数据传输量,需要一种新的架构来满足高带宽、高速率和海量连接等方面诉求。未来华为将与业界更多的组织和厂商合作共建工业互联网生态,推进TSN技术和标准的不断完善,真正实现TSN网络下的“全网通”,推动制造行业数字化转型。

业务创新是面向企业外部的价值链延伸,即智能产品/服务/协同。通过打通企业内外部价值链,实现产品、生产和服务的创新。

5G赋能企业级客户和垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,开启一个全连接的新时代。与此同时,千行百业多种多样的业务需求场景,也为5G个性化的网络定制能力带来巨大挑战,5G确定化网络应运而生,并成为近年来业界关注与发展的焦点之一[1-2]。5G确定化网络指在一个网络域内,借助移动边缘计算、网络切片和时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)等多种关键技术,可以为承载业务提供确定化业务保障能力的网络,该确定化业务保障能力涵盖时延、时延抖动和丢包率等关键QoS指标体系[1]。

对于工业企业而言,网络切片主要体现三大功能。资源隔离保障了不同业务环节以及工厂内外部的数据安全与独立;功能定制使得不同环节/场景的特定需求能够以低成本方式得到满足;质量保障则意味着工业互联网在工厂内部的应用将高可靠。

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

在工业互联网中,如果是非实时通信,以太网技术的时间周期是100毫秒,应用不存在问题。但在实时通信中,最典型的就是运动控制方面,工业以太网的通信周期在1毫秒,而TSN的通信周期是微秒级的,同步进度是纳秒级。因此工业互联网最后一公里会逐渐从工业以太网向TSN网络过渡。

在用平台方面,鼓励中小企业业务系统向云端迁移,预计到2025年实现百万家企业上云;培育特定行业、特定场景App,到2025年培育出百万工业App。

目前,电子电气工程师学会(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE)和互联网工程任务组(Internet Engineering Task Force,IETF)已提出确定性网络技术。IEEE 802.1工作组(Work Group,WG)致力于时间敏感网络(Time Sensitive Network,TSN)的标准化,时间敏感网络是当前实现确定性网络的技术方向,通过IEEE 802.1AS时钟同步、IEEE 802.1Qcc流预留、IEEE 802.1Qch循环排队等技术保障物理层和链路层的确定性时延;IETF的DetNet(Deterministic Network)工作组专注于网络层(L3)及更高层次的广域确定性网络技术。此外,5G标准化工作组已将目标定为总时延1 ms或更低,应用层的开放通信平台OPC UA(Object linking and embedding for Process Control Unified Architecture)也在积极寻求与TSN的结合,确定性网络的发展充满了机遇与挑战,是未来真正实现5G产业繁荣的基础,也是5G使能千行百业的重要抓手[2]。

在5G网络上融合TSN服务,关键的问题就是5G网络与TSN的互通。在3GPP R16规划中,3GPP已经开始对5G NR支持工业互联网进行新的研究规划。根据需求规范,对于时间敏感的工业应用场景,可能需要达到0.5 ms的延迟和99.9999%的可靠性。时间敏感网络TSN over 5G NR将在分组分发、自动寻址和服务质量QoS等领域满足工业企业需求,以更好地集成5G和TSN。

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

随着工业互联网的兴起,传统的工业网络技术和架构会发生巨大的变化。中国工程院院士邬贺铨表示,由于TSN能实现IT跟OT(运营技术)的融合,淡化了现场层、控制层、管理层的层级划分,将来有可能使MES(制造执行系统)取消。

开展企业内网络改造建设。加强TSN、工业SDN、工业PON等技术的研究,推动工业企业应用新技术改造建设在企业内网的部署。

4 实现案例

三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

5G的独特性能让工业互联网催生了新动能,解决了过去4G、光纤通信在工业制造现场不能解决的问题,让工业制造数字孪生成为可能。例如,5G的超低时延,让工业体系里的高精度远程控制、自动驾驶和机器人协同成为可能;5G的超高带宽,催生出视频安防、视觉智能和在线质检等新功能;5G的超大容量,又带动了智能物流、移动巡检的发展;而5G的边缘计算,则让工业系统里如同科幻版的增强现实/虚拟现实、预测式维护变成现实。

从网络角度看,工业互联网目前可以分为工厂内网和外网,为了满足低时延、高可靠的网络要求,目前全球都在研究时间敏感性网络和确定性网络。

标识解析也是网络体系中的重要部分。连接的核心是为了采集信息,但是工业中很多设备是被动性设备,例如轮胎,为了采集这些设备的信息,从而引入了标识解析技术。

车联网场景中较具有代表意义的典型业务对5G网络的性能需求如表7所示。

AGV:例如在智能仓库中,基于单机智能进行视觉导航的AGV单台成本高,不利于大规模应用。而除视觉导航以外的其他方式均需对AGV工作环境进行改造,灵活性较差,部署和改造困难。另外,Wifi信号容易被干扰,且带宽不足以支撑视觉导航,而激光导航在高密度运行时互相存在干扰。而将5G技术应用于AGV,将彻底解决Wifi方案引起的接入受限、切换失败、小车停驶等难题,提升仓库的整体运营效率和稳定性。

很高兴回答这个问题,众所周知今年被外界公认为“5G元年”,随着5G商用时代的到来,民众对5G可能给未来生活带来的改变也是充满期待。可能普通人短时间内还不太容易立刻感受到5G给日常生活带来的改变。但是在工业领域,5G已经开始明显地改造“中国制造”。

在测试床中,华为TSN(时间敏感网络)交换机提供了高可靠性和超低时延的工业控制网络。测试床通过模拟丰富的真实智能制造场景,现场演示验证智能制造的关键技术点——TSN+OPC UA,该技术是预测性维护、数据分析、机器学习和人工智能等新技术的关键推动因素,可以帮助工业企业提升效率,例如减少停机时间、提高设备综合效率和降低总体成本等。

安全体系

在5G确定化网络中,边缘计算非常重要。MEC边缘计算节点有两个核心任务:(1)把网络端到端的时延最大化地降低到可接受的范围。时延是所有网络能力中最关键的一点,确定化网络首先要能够保证低时延。MEC使时延能够降低到足够低,使整个网络的联接可以快速在边缘实现。(2)实现确定化的网络,需要在MEC边缘节点上通过移动边缘计算业务平台(ME Platform manager,MEP),使能各系统之间的互联互通合作,所有应用可以在边缘实施,确保确定化时延和可靠性[3]。

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