5G、時間敏感網絡（TSN）、邊緣計算、工業智能、數字孿生、區塊鏈、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）等技術正在與工業互聯網加速融合應用，不斷拓展工業互聯網的能力內涵和作用邊界。這些技術已經成為影響工業互聯網后續發展的核心技術，為產業數字化轉型和經濟高質量發展提供關鍵支撐。

1工業互聯網技術概述

作為新一代信息通信技術與工業經濟深度融合的全新工業生態、關鍵基礎設施和新型應用模式，工業互聯網通過人、機、物的全面互聯，實現了全要素、全產業鏈、全價值鏈的連接[1]，正在全球范圍內不斷顛覆傳統制造模式、生產組織方式和產業形態。這將推動全新工業生產制造和服務體系的形成，成為企業數字化轉型和經濟高質量發展的重要途徑。工業互聯網產業聯盟（簡稱“聯盟”）自2016年起，快速推動工業互聯網的發展，并在每季度召開的工作組全會上，深入探討工業互聯網最新發展情況。通過聯盟2020年第3季度工作組全會，我們觀察到，5G、時間敏感網絡（TSN）、邊緣計算、人工智能、數字孿生、區塊鏈、虛擬現實（VR）/增強現實（AR）等新型技術，已成為大家廣泛探討的焦點。這些新技術正在與工業互聯網加速融合，不斷拓展工業互聯網的能力內涵和作用邊界。

工業互聯網技術體系由制造技術、信息技術以及由這兩大技術交織形成的融合性技術組成。其中，制造技術構建了專業領域技術和知識基礎體系，是工業數字化應用優化閉環的起點和終點。制造技術貫穿于設備、邊緣、企業等各層工業互聯網系統的實施落地。以5G、TSN、邊緣計算為代表的信息技術，可直接作用于工業領域，支撐工業互聯網的通信、計算、安全基礎設施。以人工智能、數據孿生、區塊鏈、VR/AR等為代表的融合性技術，構建符合工業特點的數據采集、處理、分析體系，并重新定義工業知識積累和使用方式，以提升制造技術優化發展的效率和效能，同時推動信息技術不斷向工業核心環節滲透。

2工業互聯網關鍵技術

2.1 5G技術

5G技術作為移動通信技術的典型代表，具有大帶寬、低延時、高可靠的特性。5G技術彌補了通用網絡技術難以完全滿足工業生產要求的技術短板，并通過靈活部署，幫助工業企業加快工廠生產內網的網絡化改造[2]。

5G與工業互聯網的融合發展，已拓展至航空、礦業、港口、醫療、冶金、汽車、家電、能源、電子、交通等10余個重點行業，已初步形成5G+超高清視頻、5G+AR、5G+VR、5G+無人機、5G+云端機器人、5G+遠程控制、5G+機器視覺以及5G+云化自動導引車（AGV）等8大典型應用場景。與此同時，這些應用場景對5G網絡也提出了新的需求。其中，5G與超高清視頻的融合應用已進入應用成熟期，成為第一批典型應用場景；5G+AR、5G+VR以及5G+機器視覺等應用已進入高速發展期，所產生的經濟價值正在逐漸顯現，在未來1-2年內將成為工業互聯網的主流應用場景；5G+云化AGV、5G+無人機等應用受限于與設備深度融合的需求，需要等待相關產品發展成熟，在未來2-3年內將有較快發展；5G+遠程控制和5G+云端機器人等應用由于涉及工業核心控制環節，目前還處于探索期，有待進一步的測試驗證。

聯盟工業無線特設組正在開展工業5G的相關研究，具體包括：網絡質量指標體系現狀、典型的工業互聯網業務場景分析、終端對5G網絡質量評價方法、5G無線網絡質量評價指標、工廠內5G網絡覆蓋配置標準參考等。

2.2 TSN技術

TSN技術用以太網物理接口實現工業有線連接，并基于電氣和電子工程師協會協議（IEEE 802.1）實現工業以太網數據鏈路層傳輸[3]。TSN技術遵循標準以太網協議體系要求，打破原有封閉協議模式，提高了工業設備的連接性和通用性，具有良好的互聯互通能力。在提供確定性時延、帶寬保證等能力的同時，TSN技術實現標準、開放的二層轉發，提升了互操作性，為傳統運營技術（OT）與互聯網技術（IT）網絡向融合扁平化的架構演進提供了技術支撐。由于TSN的互操作架構是基于SDN體系架構的，因此TSN技術可實現設備以及網絡的靈活配置、監控、管理及按需調優。TSN技術的時間片調度、搶占、流監控以及過濾等一系列網絡流量調度特性，有效支撐二層網絡，為不同等級的數據業務流提供了差異化的承載服務，有助于工業數據在工業設備和工業云之間的傳輸和流轉能力的提升。

聯盟網絡組正在進行TSN產業測試，以加速推動TSN芯片、模組、操作系統等產品的應用。同時，聯盟已經啟動TSN產業鏈名錄創建計劃，以更好地推動TSN的產業落地，加速產業鏈的成熟發展。

2.3 邊緣計算技術

邊緣計算技術是指，通過靠近物或數據源頭，實現計算、網絡、存儲等多維度資源的統一協同調度及全局優化[4]。通過云計算、網絡協同聯動，邊緣計算技術打通云、邊、網、端等關鍵環節，實現了工業互聯網數據的縱向集成，可滿足工業在敏捷連接、實時業務、數據聚合、應用智能等方面的關鍵需求。作為工業互聯網數據的第一入口，邊緣計算基礎設施是各類工業應用的重要載體。

當前，由于在工業現場存在40多種工業總線技術，工業設備之間的連接需要邊緣計算提供“現場級”的計算能力，以實現各種制式的網絡通信協議相互轉換、互聯互通，同時又能夠應對異構網絡部署與配置、網絡管理與維護等方面的挑戰。邊緣計算技術可提高工業數據計算的實時性和可靠性。在工業控制的部分場景中，計算處理的時延要求在10ms以內。如果數據分析和控制邏輯全部在云端實現，則難以滿足業務的實時性要求。同時，工業生產要求計算能力具備不受網絡傳輸帶寬和負載影響的“本地存活”能力，以避免斷網、時延過大等意外因素對實時性生產造成影響。

目前，邊緣計算技術已應用于工業現場數據采集與處理、基于邊緣視頻技術的缺陷檢測系統、馬達類震動器本地管理系統、智慧物流運輸管理、智慧安監等典型場景。聯盟邊緣計算特設組已經于2020年上半年啟動“邊緣計算標準件計劃”，以解決邊緣計算在實際部署應用過程中存在的突出問題，比如產業碎片化、供給側研發方向分散、需求側建設選型困難、設備及平臺標準缺失、可信開放測試機制不完善等。

2.4 工業智能技術

工業智能（亦稱工業人工智能）技術是人工智能技術與工業融合發展形成的，貫穿于設計、生產、管理、服務等工業領域的各個環節，實現了模仿甚至超越人類感知、分析、決策等能力的技術、方法、產品及應用系統[5]。工業智能技術包括專家系統、機器學習、知識圖譜、深度學習等，已在工業系統各層級、各環節廣泛應用，并且其細分應用場景已達到數十種。

在工業生產現場，對于庫存管理、生產成本管理等流程清晰、機理明確、計算復雜度較低的問題，可通過專家系統沉淀大量專業知識與經驗，進行推理和判斷，使問題得到有效解決。對于設備運行優化、制造工藝優化、質量檢測等場景，這類問題的工業機理相對復雜，但不需要大量的數據和復雜計算，可以通過機器學習進行處理，就能夠提升預測準確率，降低成本，并減少故障率。產品需求分析、風險預測等場景，需要依靠大量數據的推理作為決策支持。盡管這類場景計算復雜度相對較高，但其問題原理或對象間的關系相對清晰；因此可利用知識圖譜技術來解決。復雜產品質量檢測、設備復雜控制、生產安全等場景，則需要通過深度學習技術對以圖像、視頻類為主的數據，進行深度分析挖掘，從而解決工業領域的“疑難雜癥”。而產品智能研發、無人操作設備等更為復雜的問題，通常需要多種方法組合進行求解。

通過聯盟工業智能特設組，我們了解到，目前基于視覺識別與分析類的工業智能技術最為成熟。聯盟對基于數據分析的智能類應用在設備制造等環節中進行了初步探索，認為基于數據分析算法類應用的必要性和有效性有待進一步研判。

2.5 數字孿生技術

數字孿生技術是指通過數字空間實時構建物理對象（包括資產、行為、過程等）的精準數字化映射，基于分析預測以形成最佳綜合決策，進而實現工業全業務流程的閉環優化。數字孿生技術以數據與模型的集成融合為核心，是由制造技術、信息技術及融合性技術交織形成的新產物、新模式，覆蓋產品全生命周期及生產的全過程。在產品的設計階段，使用數字孿生可以提高設計的準確性，并可以驗證產品在真實環境中的性能；在產品的生產制造階段，使用數字孿生可以縮短產品生產周期，提高設計質量，降低生產成本；在產品服務階段，使用數字孿生可以提高設備遠程維護的效率，減少宕機時間，降低整體的維護成本。建設面向產品與生產線感知、仿真分析、運行決策和執行優化等過程的物理實體模型層、虛擬空間模型層，有助于構建虛實相互關聯和映射的數字孿生對象模型。通過各種開放工控協議和規范與現場自動化集成，可實現產品與生產線的孿生對象數據同步和交換，以實現面向產品全生命周期的產品設計與仿真、數字化工藝設計與仿真、生產線建模與仿真、生產過程建模與控制和設備故障診斷與遠程運維的應用。

目前，數字孿生技術尚處于發展初期。聯盟中已有部分成員單位進行相關應用探索，例如組織開展中國技術供應商征集工作、不斷完善正在編制的《工業數字孿生白皮書》等，以加快推動數字孿生技術的應用探索。在未來，數字孿生技術的成熟發展，能夠驅動生產方式和制造模式的變革。

2.6 區塊鏈技術

區塊鏈是由多種技術集成創新而成的分布式網絡數據管理技術[6]。該技術利用密碼學技術和分布式共識協議，保證了網絡傳輸與訪問安全，實現了數據多方維護、交叉驗證、全網一致和不易篡改。區塊鏈技術在工業互聯網中能夠解決高價值制造數據的追溯問題，充分發揮促進數據共享、優化業務流程、降低運營成本、提升協同效率、建設可信體系等方面的作用，有助于打通數據孤島，加速工業企業內部的生產流程管理和設備安全互聯。此外，區塊鏈技術還能夠輔助制造業在不同主體間進行高效協同，例如，在工業企業之間實現產業鏈協同，在工業企業和金融機構之間構筑可信互聯的新型產融協同生態。

目前，工業區塊鏈技術也處于發展初期。為此，聯盟成立了工業區塊鏈特設組，以加緊區塊鏈技術在工業領域應用的研究。此外，聯盟還發布了《工業區塊鏈應用白皮書》，開展了典型應用案例征集活動。這對加快推動工業區塊鏈基礎核心技術研究和行業應用落地具有重要意義。

2.7 VR/AR技術

VR技術是指以計算機、電子、信息和仿真技術為核心，利用各種現代科技手段來生成包括視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和味覺在內的一體化的虛擬環境。VR可為用戶提供沉浸式、無邊界的虛擬體驗，并具備自主性、構想性和多感知性等多種能力。AR技術是將真實世界和虛擬世界的信息綜合在一起，為用戶提供特定感官體驗的人機接口的技術。AR技術的本質是用計算機和信息處理技術，將原本現實世界中不存在的目標進行模擬仿真處理，并將這些虛擬信息疊加在真實世界當中被用戶感知，從而實現超越現實的特殊體驗效果。其中，VR技術發展較早，相關產業鏈最為成熟。隨著5G和邊緣計算的發展，AR技術逐漸從概念走向成熟，大大加速了終端輕量化的進程。目前，AR在工業領域的應用已有趕超VR的趨勢。

VR/AR技術在工業領域中有諸多應用場景。例如，工程師和設計師可以使用VR/AR技術，以新的動態方式協作、審查3D模型和數字原型。此外，AR技術還能夠實現產品可視化，增強顯示產品操作說明，改善現場機械和產品的操作水平等。VR/AR技術在產品開發、設計、制造、銷售、服務、物流、培訓、產品體驗等多個環節均可進行部署應用，其可視化和增強功能指示將會對工業生產帶來較大的影響。

目前，聯盟VR/AR特設組聯合有關單位，開展了工業VR/AR的技術研究，并征集到了一批應用案例。通過研究分析，聯盟發布了《工業VR/AR白皮書》。在未來，聯盟擬開展虛實融合實驗室建設和新一代虛擬現實終端設計，以加快推動工業VR/AR產業的發展。

3 結束語

工業互聯網技術是工業互聯網發展的關鍵動能。工業互聯網技術形成的技術體系是工業互聯網體系架構落地實施的重要支撐。由于工業互聯網技術已經超出了單一學科和工程的范圍，因此需要將各個獨立的技術聯系起來，以構建一個相互關聯、各有側重的新技術體系。該體系的核心在于推動重點技術率先嵌入工業互聯網實施系統中，進而發揮整體技術體系的賦能作用。

原文標題：工業互聯網技術洞察

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責任編輯：haq