工业的数字化创新发展之“路”:设备网联化,网络IP化

工业的数字化、智能化,目标是构建新型工业研发设计、生产制造和服务体系,推动工业经济高质量发展。这需要以网络为基础、平台为中枢、数据为要素、安全为保障,实现对人、机、物等全面联接,将数据作为生产要素融入到全流程。“要想富、先修路”,网络是工业数字化、智能化发展的道路系统,对于工业的数字化创新发展的关键基础,不仅要作为发展的先决条件来规划和发展,而且在工业的数字化进程中会不断的演进,需要持续的技术突破,就像我们从公路到城市环线、高速,以及城铁、地铁不断完善路网系统,过程中也需要不断的创新立交桥、隧道、大型综合枢纽等关键技术突破。工业场景多而且特定场景对网络的不同特性要求高,导致传统工业网络存在互通难、开放性差等问题,面临着协议七国八制、数据孤岛等挑战,如何实现IT与OT端到端灵活组网,打造万物智联的网络基座,让数据上得来,智能下得去,是工业数字化、智能化发展中必须解决的问题。

 

传统的‘金字塔’式工业体系架构无法跨层交换数据,难以实现数据在全网的高效流动,工业的数字化、智能化发展,需要打造新的“路网系统”。新一代工业网络以“设备网联化、网络IP化”为关键特征,具备全面深度感知数据、实时传输交互数据、按需部署AI算力的能力。

 

首先是“设备网联化”,实现设备按需联网、随时随地上传数据。这包括新增网联化的工业设备,也包括对已有“哑设备”进行网联化改造。根据《智能制造发展指数报告2020》,中国完成设备联网率约为23%,实现设备远程监控率为24%,设备预测性维护率为14%,工业设备设施网络化水平还有很大的提升空间。设备联网可以通过有线连接的现场总线、以太、光,也可以通过无线连接的5G、Wi-Fi 6等技术。例如上汽集团宁德工厂选用了Wi-Fi 6物联解决方案,实现生产线的网联化,联接500多辆在制车辆、2000多个智能终端设备、超过10000个传感器,并且运用大数据技术和回归算法对1000多个设备进行主动式预警,降低非计划停机时间20%。这是设备网联化带来数据打通,进而通过智能产生价值的例子。

 

 

更重要的是“网络IP化”,让设备和系统都说“普通话”,用统一的互联网协议(IP协议)提升异构工业网络的互通能力,打通数据孤岛,做到数据的实时传输和交换,让算力惠及每一个角落,使每台设备都智能起来。

 

一些领先的企业已经开始采用IP技术来建设更先进的工业网络。马钢集团是一家特大型钢铁联合企业,在落实智能制造战略、建设集中运营管控中心的过程中,采用IP技术构筑了一张覆盖全公司的网络,统一承载办公类的IT业务和生产类的OT业务。用IP技术提升大规模组网能力,各类集中控制系统可以远程对生产线进行管理,灵活支持不同生产线、不同子公司的多种业务,加速实现“四个一律”(操作室一律集中、操作岗位一律机器人、运维一律远程、服务环节一律上线)。

 

4K/8K超高清制播交换系统是另外一个例子。进入超高清时代,制播系统的带宽、性能要求增长了4倍以上,如果还用传统SDI技术已经力不从心了。SDI产业规模小、发展节奏慢,而IP技术是主流技术,发展节奏快,性能更高,业务处理也更灵活。如果要建设一套超高清的制播系统,支持2000路4K超高清电视信号的制播,采用传统SDI技术,制播矩阵需要32个机柜,而改用IP技术新架构,只需要2个机柜,减少了16倍。同时物理连线也从4吨同轴线缆减少到100公斤的光纤,重量相差40倍,施工、维护都更容易。这个技术叫做IP制播交换矩阵,在2021年春晚8K节目播出时已经使用,也获得了中国超高清视频产业联盟的“重大技术突破奖”,其中一个突破的关键技术是“基于通用IP交换矩阵的净切换”,使得导播切换画面时,确保画面不出现马赛克。这是电视台的生产网络IP化的威力。

 

在工业网络走向IP化的过程中,IP的全场景化尤为关键。消费互联网的技术能力并不能直接满足工业的要求,汽车行业、化工行业、钢铁行业等,每个行业都有自己工业场景下严格的SLA需求。已经赋能消费互联网发展繁荣的IP技术(互联网协议技术),在工业互联网中需要进一步的发展,具备工业级的确定性、安全性、灵活性。

 

首先是确定性,某些工业控制场景要求数据的交互既要迅速、还要准时,因而需要可以降低时延抖动的确定性时延等新的技术能力。华为与紫金山实验室、北京邮电大学等共同研究确定性广域网技术,验证了全球首个跨2000公里以上传输距离、跨13跳设备、实现100微秒级的时延抖动控制,为超远距离工业互联、高精度车联网等生产控制及高精度业务的实现打下了重要基础。其次是安全性,采用网络协议内生安全新框架,IP协议报文头携带动态加密的令牌,在报文经过的网络节点启用密文令牌验证,相当于核验IP报文的“健康码”,网络节点就可以识别出仿冒工业终端、或者被入侵工业终端所发出的报文,并进行相应的处置,显著提升工业终端通信的安全性。第三是灵活性,Flex-IP协议将在语法和语义两个维度上提升IP技术的灵活性,在要求极低功耗的工业场景中,我们可以采用Flex-IP的短地址格式将系统功耗降到最小,而在高速移动的低轨道卫星通信等工业场景中,我们还可以用Flex-IP地址表达三维空间位置等新的语义,实现空天地海一体化的IP协议体系。IP技术也在与时俱进,走向“全场景化”,让IP这种“网络普通话”表达能力更强、沟通效率更高,满足消费互联网、工业互联网等全场景需求。

 

展望未来, 新一代工业网络将为工业体系构筑四通八达、畅行无阻的“路网系统”,为工业经济高质量发展奠定坚实基础。华为将与合作伙伴、客户持续开展场景化创新,加速工业数字化、智能化创新发展。


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