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工业互联网呼唤新型 5g 2b 架构-j9九游会官网登录

发布时间: 2021-06-30 | 来源: 人民邮电报 | 作者: 达涌 | 责任编辑: 王琦

6月17日,第五届未来网络发展大会在南京召开。在下午的高峰论坛上,中国工程院院士邬贺铨做了题为《从5g 2c到5g 2b》的主题演讲。他指出,将5g to c的架构直接搬到5g to b,不适应企业内网及与ot(操作技术)融合的需要。我们需要开发新型5g to b架构,支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

5g与工业互联网均存在误区

针对社会上对于5g赋能千行百业的议论,邬贺铨指出5g与工业互联网的发展均存在误区。目前工业互联网发展存在的误区主要体现在两个方面。

头重脚轻:回避垂直行业企业现场数据难采集问题而主攻企业大脑和平台,但企业大脑只是汇集底层统计数据和外部数据,对实时性要求不高,车间级直接对生产过程控制的企业小脑更为重要。

避重就轻:受限于现场级工控设备的协议开放性,不从机器联网做起,企业小脑也无数据可挖掘。

同样,5g在工业互联网的应用也存在两点误区。

重外轻内:企业的机器数据和传感器数据基本不出企业网,但现在过分关注建设跨企业的标识系统和高质量的企业外网。

以外替内:将5g to c的架构直接搬到5g to b,不适应企业内网及与ot融合的需要。5g全连接工厂并不现实。目前,5g主要应用在现场级且多为机器视觉类视频传送,尚未进入主流应用。

三种应用级别要求各不相同

邬贺铨从企业现场级、过程监控与生产管理级和网络与业务应用级展开了详细介绍。

企业现场级主要有两种模式:可编程逻辑控制器(plc)和5g工业模组及基站。

plc采用可编程存储器,通过轮询现场级各端口开关量、数字量和模拟量,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、算术运算等操作命令,控制各类机器和生产过程。但由于各厂家标准不同导致标准碎片化,不同厂家的设备不能兼容。

5g工业模组可以连接移动终端。工业互联网5g基站的建设又分为三种:一是企业共享运营商建设的5g基站与核心网。核心网用户面功能(upf)下沉到企业,5g工业模组登记在公网,数据不会离开企业去运营商处,不用担心数据安全问题。二是企业共享运营商建设的基站但自建核心网,5g工业模组登记注册和数据均在内网。三是企业申请专用频率自建基站和核心网,基站可集成upf及5gc等功能,更安全可控及低时延。

总的来说,plc模式采用的是主从架构,周期性分时轮询,是ot模式,缺点在于标准碎片化;5g工业模组是扁平化的,用的是传统标准以太网协议,适用非周期数据,采用统计复用机制,优点是实现了ot和it的融合,缺点是不能保证时延,所以往往需要tsn来支撑。

企业现场级tsn基于时钟同步、数据调度、可靠性机制等技术,通过在标准以太网第2层的时隙引入优先等级标签,允许高优先级帧抢占低优先级帧的传输时间以保证低时延。tsn作为虚拟局域网可以实现tsn over 5g。在tsn之上可以承载各种现场级工控协议。支持周期性与非周期性数据同传,从而实现链路层上支持it与ot融合。

在过程监控与生产管理级,scada起着关键作用。scada位于管理调度层,采集监控现场级数据,接受事件驱动,提供人机接口,实现告警处理、报表输出及可视化、动态模拟等。但本身和plc协议开放性均不足,需针对性配置参数与应用程序才能实现plc与scada通信。上位机的操作系统大都采用windows,与底层不同,因此需与底层ot融合。

网络与业务应用级采用基于ipv6的网络层。ipv6可实现真实源地址溯源,并留有很大的编程空间,可开发更多的功能。首先是apn6(应用感知网),应用感知功能,传统的ipv4只支持选路,并不知道ip包承载的是什么业务,现在ipv6包可以定义业务服务质量,网络感知业务需求。其次是ifit(随流检查),过去信道检测是个难题,往往只能事后离线检测,ifit能够将oam指令嵌入用户报文ipv6包,可实现丢包、时延等分段检测。最后,通过ipv6可以采用srv6分段路由,在ipv6扩展头中指定流量转发路径,支持低时延、组播、快速倒换和并发冗余传输,实现高可靠性。srv6有望成为端边云网统一的简化通信协议。

网络与业务应用级基于opc-ua的应用层,opc-ua是过程控制对象连接与嵌入协议,适用于多种硬件平台,也兼容多种软件平台,是一个翻译器。opc-ua over tsn打通了从传感器到云,将it和ot在语义层面互通。

高起点工业互联网呼唤新型5g to b架构

目前,我国机械行业80%的设备仍采用传统的继电器和接触器进行控制,尚未使用工控系统产品。已用的大中型产品中95%的plc、75%的小型plc、49%的dcs、70%的高端scada都来自国外,安全漏洞令人担心,且不少属于相关制造商的专有方案,协议不开放。一个典型工厂的控制点在20世纪90年代末仅有5万个,到2030年将增加到55万个,原有的工控产品难以支持。此外,很多工控产品已使用十多年。

邬贺铨提出,要开发新型工控设备,高起点建设工业互联网。现在边缘计算、5g工业模组、智联网、区块链、ipv6、tsn等技术发展迅猛,将这些技术集成进新型可信工控网关势在必行。工厂内网要推进it与ot无缝融合,朝着扁平化、ip化、智能化发展,推动机器联网,盘活生产线数据。

除此之外,还要开发适应企业网特点的网络架构。公众网核心网的控制平台离终端比较远,下行业务带宽高,而企业网核心网是下沉到企业,主要业务终结在车间,而且往往上行要求高,对时延敏感,企业网本身很重视安全和可靠性,不能简单靠切片来保障,需考虑多信道冗余并发,但需设置多ap点等以保证多信道不受干扰。

5g to c的网络架构可以用到部分企业网,但对大中型企业来说并非科学合理的模式。5g to b 需要轻型网络架构,可采用5g专网或公网上逻辑切片方式支持5g to b的新架构。

最后,邬贺铨做出了以下四点总结:一是传统基于现场级工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、it/ot融合困难、网络安全性低。

二是5g不仅为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式,而且在5g工业模组基础上融合新一代信息技术的新型工控网关,将推动工业互联网扁平化、ip化、无线化,展现工业互联网的新格局,也可开拓5g工业应用新空间。

三是5g to c的架构并不都适合5g to b的企业应用场景,需要深入研究企业网络的需求,开发新型5g to b架构,支持企业网低时延、高可靠、高安全的应用。

四是开发5g to b新架构和新型5g工控网关需要加强产学研用合作,立足创新,明确需求标准起步、试点推进、形成产业,支撑我国工业高质量可持续发展。

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