張文林：工業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展之“路”——設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化，網(wǎng)絡(luò)IP化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“咖”解
作者：張文林 華為公司戰(zhàn)略部總裁
工業(yè)的數(shù)字化、智能化，目標(biāo)是構(gòu)建新型工業(yè)研發(fā)設(shè)計、生產(chǎn)制造和服務(wù)體系，推動工業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展。這需要以網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)、平臺為中樞、數(shù)據(jù)為要素、安全為保障，實現(xiàn)對人、機、物等全面聯(lián)接，將數(shù)據(jù)作為生產(chǎn)要素融入到全流程。"要想富、先修路"，網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展的道路系統(tǒng)，對于工業(yè)的數(shù)字化創(chuàng)新發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)，不僅要作為發(fā)展的先決條件來規(guī)劃和發(fā)展，而且在工業(yè)的數(shù)字化進程中會不斷的演進，需要持續(xù)的技術(shù)突破，就像我們從公路到城市環(huán)線、高速，以及城鐵、地鐵不斷完善路網(wǎng)系統(tǒng)，過程中也需要不斷的創(chuàng)新立交橋、隧道、大型綜合樞紐等關(guān)鍵技術(shù)突破。工業(yè)場景多而且特定場景對網(wǎng)絡(luò)的不同特性要求高，導(dǎo)致傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在互通難、開放性差等問題，面臨著協(xié)議七國八制、數(shù)據(jù)孤島等挑戰(zhàn)，如何實現(xiàn)IT與OT端到端靈活組網(wǎng)，打造萬物智聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基座，讓數(shù)據(jù)上得來，智能下得去，是工業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展中必須解決的問題。
傳統(tǒng)的‘金字塔’式工業(yè)體系架構(gòu)無法跨層交換數(shù)據(jù)，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在全網(wǎng)的高效流動，工業(yè)的數(shù)字化、智能化發(fā)展，需要打造新的"路網(wǎng)系統(tǒng)"。新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以"設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化、網(wǎng)絡(luò)IP化"為關(guān)鍵特征，具備全面深度感知數(shù)據(jù)、實時傳輸交互數(shù)據(jù)、按需部署AI算力的能力。
首先是"設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化"，實現(xiàn)設(shè)備按需聯(lián)網(wǎng)、隨時隨地上傳數(shù)據(jù)。這包括新增網(wǎng)聯(lián)化的工業(yè)設(shè)備，也包括對已有"啞設(shè)備"進行網(wǎng)聯(lián)化改造。根據(jù)《智能制造發(fā)展指數(shù)報告2020》，中國完成設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率約為23%，實現(xiàn)設(shè)備遠程監(jiān)控率為24%，設(shè)備預(yù)測性維護率為14%，工業(yè)設(shè)備設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化水平還有很大的提升空間。設(shè)備聯(lián)網(wǎng)可以通過有線連接的現(xiàn)場總線、以太、光，也可以通過無線連接的5G、Wi-Fi 6等技術(shù)。例如上汽集團寧德工廠選用了Wi-Fi 6物聯(lián)解決方案，實現(xiàn)生產(chǎn)線的網(wǎng)聯(lián)化，聯(lián)接500多輛在制車輛、2000多個智能終端設(shè)備、超過10000個傳感器，并且運用大數(shù)據(jù)技術(shù)和回歸算法對1000多個設(shè)備進行主動式預(yù)警，降低非計劃停機時間20%。這是設(shè)備網(wǎng)聯(lián)化帶來數(shù)據(jù)打通，進而通過智能產(chǎn)生價值的例子。
更重要的是"網(wǎng)絡(luò)IP化"，讓設(shè)備和系統(tǒng)都說"普通話"，用統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP協(xié)議）提升異構(gòu)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的互通能力，打通數(shù)據(jù)孤島，做到數(shù)據(jù)的實時傳輸和交換，讓算力惠及每一個角落，使每臺設(shè)備都智能起來。
一些領(lǐng)先的企業(yè)已經(jīng)開始采用IP技術(shù)來建設(shè)更先進的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。馬鋼集團是一家特大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)，在落實智能制造戰(zhàn)略、建設(shè)集中運營管控中心的過程中，采用IP技術(shù)構(gòu)筑了一張覆蓋全公司的網(wǎng)絡(luò)，統(tǒng)一承載辦公類的IT業(yè)務(wù)和生產(chǎn)類的OT業(yè)務(wù)。用IP技術(shù)提升大規(guī)模組網(wǎng)能力，各類集中控制系統(tǒng)可以遠程對生產(chǎn)線進行管理，靈活支持不同生產(chǎn)線、不同子公司的多種業(yè)務(wù)，加速實現(xiàn)"四個一律"（操作室一律集中、操作崗位一律機器人、運維一律遠程、服務(wù)環(huán)節(jié)一律上線）。
4K/8K超高清制播交換系統(tǒng)是另外一個例子。進入超高清時代，制播系統(tǒng)的帶寬、性能要求增長了4倍以上，如果還用傳統(tǒng)SDI技術(shù)已經(jīng)力不從心了。SDI產(chǎn)業(yè)規(guī)模小、發(fā)展節(jié)奏慢，而IP技術(shù)是主流技術(shù)，發(fā)展節(jié)奏快，性能更高，業(yè)務(wù)處理也更靈活。如果要建設(shè)一套超高清的制播系統(tǒng)，支持2000路4K超高清電視信號的制播，采用傳統(tǒng)SDI技術(shù)，制播矩陣需要32個機柜，而改用IP技術(shù)新架構(gòu)，只需要2個機柜，減少了16倍。同時物理連線也從4噸同軸線纜減少到100公斤的光纖，重量相差40倍，施工、維護都更容易。這個技術(shù)叫做IP制播交換矩陣，在2021年春晚8K節(jié)目播出時已經(jīng)使用，也獲得了中國超高清視頻產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的"重大技術(shù)突破獎"，其中一個突破的關(guān)鍵技術(shù)是"基于通用IP交換矩陣的凈切換"，使得導(dǎo)播切換畫面時，確保畫面不出現(xiàn)馬賽克。這是電視臺的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)IP化的威力。
在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)走向IP化的過程中，IP的全場景化尤為關(guān)鍵。消費互聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)能力并不能直接滿足工業(yè)的要求，汽車行業(yè)、化工行業(yè)、鋼鐵行業(yè)等，每個行業(yè)都有自己工業(yè)場景下嚴(yán)格的SLA需求。已經(jīng)賦能消費互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展繁榮的IP技術(shù)（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議技術(shù)），在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中需要進一步的發(fā)展，具備工業(yè)級的確定性、安全性、靈活性。
首先是確定性，某些工業(yè)控制場景要求數(shù)據(jù)的交互既要迅速、還要準(zhǔn)時，因而需要可以降低時延抖動的確定性時延等新的技術(shù)能力。華為與紫金山實驗室、北京郵電大學(xué)等共同研究確定性廣域網(wǎng)技術(shù)，驗證了全球首個跨2000公里以上傳輸距離、跨13跳設(shè)備、實現(xiàn)100微秒級的時延抖動控制，為超遠距離工業(yè)互聯(lián)、高精度車聯(lián)網(wǎng)等生產(chǎn)控制及高精度業(yè)務(wù)的實現(xiàn)打下了重要基礎(chǔ)。其次是安全性，采用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)生安全新框架，IP協(xié)議報文頭攜帶動態(tài)加密的令牌，在報文經(jīng)過的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點啟用密文令牌驗證，相當(dāng)于核驗IP報文的"健康碼"，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點就可以識別出仿冒工業(yè)終端、或者被入侵工業(yè)終端所發(fā)出的報文，并進行相應(yīng)的處置，顯著提升工業(yè)終端通信的安全性。第三是靈活性，Flex-IP協(xié)議將在語法和語義兩個維度上提升IP技術(shù)的靈活性，在要求極低功耗的工業(yè)場景中，我們可以采用Flex-IP的短地址格式將系統(tǒng)功耗降到最小，而在高速移動的低軌道衛(wèi)星通信等工業(yè)場景中，我們還可以用Flex-IP地址表達三維空間位置等新的語義，實現(xiàn)空天地海一體化的IP協(xié)議體系。IP技術(shù)也在與時俱進，走向"全場景化"，讓IP這種"網(wǎng)絡(luò)普通話"表達能力更強、溝通效率更高，滿足消費互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等全場景需求。
展望未來， 新一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將為工業(yè)體系構(gòu)筑四通八達、暢行無阻的"路網(wǎng)系統(tǒng)"，為工業(yè)經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。華為將與合作伙伴、客戶持續(xù)開展場景化創(chuàng)新，加速工業(yè)數(shù)字化、智能化創(chuàng)新發(fā)展。
作者簡介
張文林
張文林先生，擔(dān)任華為公司戰(zhàn)略部總裁，負責(zé)華為公司戰(zhàn)略、企業(yè)發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展等相關(guān)工作。自1999年加入華為，張文林先生歷任華為公司的研發(fā)、市場歐洲區(qū)和中國區(qū)管理崗位。張文林先生在標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域經(jīng)驗豐富，曾擔(dān)任3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織架構(gòu)組副主席。
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