2020年4月8日中國工程院微博刊發(fā)了由機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所專家歐陽勁松所長、劉丹博士、方毅芳博士、趙華、趙艷領共同撰寫的《測控網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，于工業(yè)“是什么”與“干什么”》。

本文基于工業(yè)網(wǎng)絡技術發(fā)展脈絡和標準化進程，立足于不同工業(yè)網(wǎng)絡技術對于工業(yè)生產(chǎn)的作用與意義，首先從工業(yè)應用的本質(zhì)和影響出發(fā)，闡述什么是工業(yè)生產(chǎn)，分析工業(yè)應用對于網(wǎng)絡技術的實際需求；然后從術語定義和標準化方面，理清各種工業(yè)網(wǎng)絡技術的概念和作用范圍，重點比對了國內(nèi)外概念理解上的差異；最后思考當前國內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡技術發(fā)展與生態(tài)建設對于工業(yè)生產(chǎn)、智能制造應如何更好地發(fā)揮積極作用，以及在推進策略上提出建議。

測控網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)，于工業(yè)“是什么”與“干什么”

機械工業(yè)儀器儀表綜合技術經(jīng)濟研究所

我國智能制造的提出與實施落地，已經(jīng)歷了5年多時間，現(xiàn)在整個業(yè)界對于智能制造數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的發(fā)展路徑已基本達成共識。智能制造是基于新一代信息通信技術與先進制造技術深度融合，貫穿于設計、生產(chǎn)、管理、服務等制造活動的各個環(huán)節(jié)，具有自感知、自學習、自決策、自執(zhí)行、自適應等功能的新型生產(chǎn)方式。大到智能制造生態(tài)建設，小到工廠車間中智能制造系統(tǒng)實施，網(wǎng)絡技術在其中都凸顯了重要作用。

一直以來，工業(yè)中使用的網(wǎng)絡技術和概念層出不窮，從傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)（本文將這三種技術統(tǒng)稱為工業(yè)測控網(wǎng)），到后來的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，再到現(xiàn)在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，在此將這些工業(yè)用的網(wǎng)絡統(tǒng)稱為工業(yè)網(wǎng)絡。這是由于隨著信息技術的快速發(fā)展，工業(yè)界由原來比較封閉的自動化/運營技術（Operation Technology，OT）領域，逐漸向信息技術（Information Technology，IT）領域開放，OT和IT融合發(fā)展是技術必然的發(fā)展趨勢。工業(yè)網(wǎng)絡技術的多樣性對于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展帶來的益處毋庸置疑，但也確實產(chǎn)生了一些概念混淆不清的弊端。一方面，于工業(yè)來說哪個技術更先進、更適應，誰包容誰，相互有何關聯(lián)、有何區(qū)別？這些問題一直是學術界和工業(yè)界的爭論焦點。另一方面，對于已有工廠的升級改造或新建工廠，從工廠內(nèi)外網(wǎng)絡的工程設計、建設實施到運行維護、安全保障，選擇何種網(wǎng)絡技術來解決亟需問題，都需要有專業(yè)的技術指導。再有，現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)熱度很高，的確對于跨企業(yè)跨行業(yè)跨地域的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與資源優(yōu)化配置發(fā)揮了很大作用，但似乎其更注重企業(yè)上層系統(tǒng)建設，而與底層工業(yè)系統(tǒng)/網(wǎng)絡的結(jié)合程度如何、對滿足工業(yè)生產(chǎn)制造發(fā)揮的作用如何，這些問題都仍有待探討。

本文基于工業(yè)網(wǎng)絡技術發(fā)展脈絡和標準化進程，立足于不同工業(yè)網(wǎng)絡技術對于工業(yè)生產(chǎn)的作用與意義，首先從工業(yè)應用的本質(zhì)和影響出發(fā)，闡述什么是工業(yè)生產(chǎn)，分析工業(yè)應用對于網(wǎng)絡技術的實際需求；然后從術語定義和標準化方面，理清各種工業(yè)網(wǎng)絡技術的概念和作用范圍，重點比對了國內(nèi)外概念理解上的差異；最后思考當前國內(nèi)工業(yè)網(wǎng)絡技術發(fā)展與生態(tài)建設對于工業(yè)生產(chǎn)、智能制造應如何更好地發(fā)揮積極作用，以及在推進策略上提出建議。

工業(yè)應用的本質(zhì)

2.1.    工業(yè)生產(chǎn)——制造業(yè)分類

按照工業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品形態(tài)和生產(chǎn)工藝組織方式，工業(yè)行業(yè)分為流程工業(yè)和離散工業(yè)兩種典型類型。流程工業(yè)是指通過化學反應和/或物理分離而進行生產(chǎn)的行業(yè)，其產(chǎn)品形態(tài)一般為流體（如液體、氣體），典型的流程工業(yè)包括石油、化工、水處理、造紙等行業(yè)。離散工業(yè)主要通過對原材料物理形狀的改變、組裝而形成產(chǎn)品的行業(yè)，其產(chǎn)品形態(tài)為按件計量的物品，典型的離散工業(yè)包括汽車、電子、航空航天等行業(yè)。另外，還有如鋼鐵、制藥、飲料等混合型工業(yè)生產(chǎn)。

不同工業(yè)類型具有不同的生產(chǎn)過程特點與應用需求，相應地產(chǎn)生和應用不同的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)（Industrial Automation and Control Systems，IACS）, 典型的有DCS控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。流程工業(yè)生產(chǎn)過程的測控變量一般為溫度、壓力、流量、液位等時間連續(xù)的模擬量，控制方法多為PID（比例積分微分）調(diào)節(jié)，通常采用DCS（分布式控制系統(tǒng)）、大型PLC（可編程邏輯控制器）等控制系統(tǒng)。離散工業(yè)生產(chǎn)過程的測控變量一般為產(chǎn)品數(shù)量、開關狀態(tài)等時間離散的數(shù)字量，控制方法多為一系列活動順序的邏輯控制，通常采用PLC控制系統(tǒng)。表1給出了一些流程工業(yè)和離散工業(yè)測控特點的比較。

表1 流程工業(yè)和離散工業(yè)測控特點的對比

無論DCS、PLC或其他新形式的控制系統(tǒng)，都是傳統(tǒng)控制系統(tǒng)隨著計算機技術、自動化技術、網(wǎng)絡技術、信息技術發(fā)展的產(chǎn)物，并不斷向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展，后來演變出所謂的現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS），其本質(zhì)上都是通過工業(yè)測控網(wǎng)絡（包括有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡）將工廠生產(chǎn)現(xiàn)場的測量設備、控制設備、執(zhí)行設備連接起來，形成各種智能生產(chǎn)裝備、生產(chǎn)單元、生產(chǎn)線乃至整個自動化控制系統(tǒng)，并按照預先設定（組態(tài)）的控制算法或邏輯順序?qū)崿F(xiàn)分布式自動化控制及生產(chǎn)制造。

2.2. 現(xiàn)場環(huán)境要求

工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境一般比較惡劣，比如高溫、高濕、多塵、電磁干擾大等，以及連接設備多、安裝和接地規(guī)范性等問題，這些都會對網(wǎng)絡通信質(zhì)量產(chǎn)生影響，可能導致設備運行和通信不穩(wěn)定從而影響正常的生產(chǎn)制造。因此，工業(yè)現(xiàn)場設備基本都要通過環(huán)境適應性、電磁兼容性（EMC）、通信一致性和互操作性的測試，并達到標準規(guī)定的要求才能使用。
此外，不同類型的工業(yè)應用還有其特殊要求。例如，流程工業(yè)應用一般要求現(xiàn)場網(wǎng)絡支持總線供電（即通信線纜同時支持數(shù)據(jù)傳輸和設備供電），特別在危險區(qū)域，還要求現(xiàn)場儀表/設備具有本質(zhì)安全（即儀表/設備應滿足在正常工作或規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應均不能點燃規(guī)定的爆炸性混合物）。
2.3.    基本數(shù)據(jù)傳輸需求

與IT領域通信相比，工業(yè)現(xiàn)場應用所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)具有典型特點，從數(shù)據(jù)傳輸特點分析，可以更好地理解工業(yè)應用對于網(wǎng)絡通信的需求。應用于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡技術為滿足自動化控制需求，應至少提供以下三類數(shù)據(jù)的傳輸。

a）過程數(shù)據(jù)：傳感器（變送器）周期性向控制器發(fā)送的輸入數(shù)據(jù)（測量值），以及控制器周期性向執(zhí)行器發(fā)送的輸出數(shù)據(jù)（設定值）。這種類型的數(shù)據(jù)是自動化控制系統(tǒng)的輸入和輸出，一般被稱作實時數(shù)據(jù)，其傳輸關系、循環(huán)周期和數(shù)據(jù)內(nèi)容，都是按照預先組態(tài)設置好的。

b）變量數(shù)據(jù)：控制器或監(jiān)視設備對現(xiàn)場設備（傳感器、變送器）、執(zhí)行器的網(wǎng)絡可視參數(shù)/變量進行讀、寫操作的數(shù)據(jù)。這種類型的數(shù)據(jù)不參與自動化控制，可用于現(xiàn)場監(jiān)視應用（如SCADA），數(shù)據(jù)傳輸就通信協(xié)議而言是非周期的，其通信關系和數(shù)據(jù)內(nèi)容是臨時的。

c）報警數(shù)據(jù)：當現(xiàn)場的工藝、通信或操作等出現(xiàn)異常情況或故障時，現(xiàn)場設備可向控制器或監(jiān)視設備發(fā)出帶報警或診斷的數(shù)據(jù)。這種類型的數(shù)據(jù)不參與自動化控制，可用于現(xiàn)場監(jiān)視應用（如SCADA），數(shù)據(jù)傳輸是非周期的，但其通信關系和數(shù)據(jù)內(nèi)容是預先定義的。

所有應用于工業(yè)現(xiàn)場的網(wǎng)絡技術，應首先滿足上述數(shù)據(jù)類型的傳輸，并根據(jù)應用需求增加系統(tǒng)及網(wǎng)絡管理、組態(tài)、報警、同步等協(xié)議機制（功能）。

隨著工業(yè)智能應用的發(fā)展，又產(chǎn)生了新的工業(yè)大數(shù)據(jù)的傳輸需求，如視覺檢測使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集從一維感知到多維全景感知發(fā)展，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化特性并存，實時數(shù)據(jù)與非實時工業(yè)大數(shù)據(jù)共存等新的特點，這對工業(yè)網(wǎng)絡通信也提出了更高的要求。

2.4. 基本性能和功能要求

工業(yè)現(xiàn)場使用的網(wǎng)絡技術，應滿足工業(yè)應用的特殊需求，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性（real-time）、確定性（deterministic）、可用性（availability）、可靠性（reliability）、安全性（functional safety & security）等要求。這也是工廠中使用特定的工業(yè)專用網(wǎng)絡而非辦公網(wǎng)絡的原因。

工業(yè)通信的確定性和實時性是相輔相成的。確定性是指通信系統(tǒng)的端到端傳輸延遲具有最大限值，實時性是指系統(tǒng)在限定的時間內(nèi)對外界事件做出處理與響應的特性，二者綜合反映工業(yè)自動化控制應用的數(shù)據(jù)傳輸時間是確定可預測的。由于現(xiàn)有通用的網(wǎng)絡通信技術無法滿足工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)拇_定性、實時性需求，因此工業(yè)界產(chǎn)生了專用的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡技術。

可用性和可靠性在不同領域的定義是不一樣的。在工業(yè)自動化領域，可用性是指在給定條件下，事物在預定時間或時間間隔內(nèi)處于某個狀態(tài)并執(zhí)行所要求功能的能力（IEC 62439-1），一般通過冗余技術實現(xiàn)高可用性，包括媒體冗余、關鍵裝置冗余、控制系統(tǒng)冗余等，以盡量縮短或避免因日常維護（計劃）和突發(fā)崩潰（非計劃）所導致的系統(tǒng)停機時間?？煽啃砸话阒肝锲吩谝?guī)定條件和規(guī)定時間內(nèi)，完成要求功能的能力（IEC 61987-1）。通信可靠性則是指所傳輸?shù)膱笪?消息在可接受延時內(nèi)完整無損地到達最終目的地的能力（IEC 62734）。如果在傳輸過程中受到外界環(huán)境的干擾,或在通信系統(tǒng)內(nèi)部由于各個組成部分的質(zhì)量不夠理想而使傳送的信號發(fā)生畸變時，就會導致通信可靠性降低。工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境干擾較大，因此對于通信可靠性提出更高要求。

工業(yè)通信的安全性包括功能安全（functional safety）通信和信息安全（security）兩方面內(nèi)容。功能安全通信是指在現(xiàn)場總線/工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議棧（應用層）上定義附加的安全層協(xié)議，采取相應防護措施以避免通信過程中產(chǎn)生如訛誤、意外重復、錯序、丟失、不可接受延遲、插入、偽裝、尋址等通信錯誤（IEC 61784-3）。工業(yè)信息安全是指保護避免不可接受的有意的（計算機）攻擊或無意的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)改變，避免信息和自動化設備受到未授權訪問。無論功能安全還是信息安全，其安全威脅與風險評估對于安全相關的工業(yè)應用都是必要的。

2.5. 小結(jié)

與信息領域網(wǎng)絡技術相比，用于工業(yè)應用的網(wǎng)絡技術的功能定位與服務對象更聚焦，首先要滿足工業(yè)生產(chǎn)制造基本應用需求，解決工廠內(nèi)部的自動化控制、現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、互聯(lián)互通的問題；從通信角度，必須滿足工業(yè)應用數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、確定性、可靠性等要求；從功能完備性角度，在滿足基本數(shù)據(jù)傳輸功能基礎上還需考慮互操作性、本質(zhì)安全性、功能安全性、信息安全性、高可用性、集成性等要求。因此，信息領域通用的網(wǎng)絡通信技術并不是直接“拿到”工業(yè)中應用的，必須先評估其是否滿足上述工業(yè)應用要求，這也是工業(yè)以太網(wǎng)對于IEEE 802.3（以太網(wǎng)通信協(xié)議）進行改造、工業(yè)無線網(wǎng)對于IEEE 802.15.4（無線個域網(wǎng)通信協(xié)議）和IEEE 802.11（無線局域網(wǎng)通信協(xié)議）進行改造的根本原因。

在此基礎上，進一步考慮滿足工業(yè)智能化應用需求以改善生產(chǎn)制造，借助于邊緣計算、云、大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)制造過程的智能優(yōu)化、轉(zhuǎn)型升級。

工業(yè)網(wǎng)絡技術發(fā)展

3.1.    工業(yè)測控網(wǎng)

工業(yè)測控網(wǎng)包含了“測”（數(shù)據(jù)采集）與“控”（控制系統(tǒng)）的所有關聯(lián)網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)場設備（如傳感器、執(zhí)行設備等）與控制設備（如PLC、DCS控制器等）之間的互聯(lián)互通。。在當前智能制造和工業(yè) 4.0技術發(fā)展的背景下，工業(yè)測控網(wǎng)是主要解決工業(yè)現(xiàn)場“信息孤島”，實現(xiàn)智能制造數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的基礎網(wǎng)絡設施。

工業(yè)測控網(wǎng)的作用范圍如圖1所示，無論連續(xù)控制還是離散控制，其網(wǎng)絡系統(tǒng)架構(gòu)都基本符合該結(jié)構(gòu)。

工業(yè)測控網(wǎng)主要包括現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)無線網(wǎng)絡，其發(fā)展呈現(xiàn)現(xiàn)場層和控制層專用網(wǎng)絡向管理層通用網(wǎng)絡延伸，有線到無線補充，以及新使能技術（如TSN、5G）不斷融合應用的新趨勢。工業(yè)測控網(wǎng)主要包括：

（1）現(xiàn)場總線。起源于二十世紀80年代，國際電工委員會IEC將其定義為基于串行數(shù)據(jù)傳輸、典型應用于工業(yè)自動化和流程控制應用的通信系統(tǒng)，具有數(shù)字化、雙向串行、多點連接的特征。工廠中常用的現(xiàn)場總線有MODBUS、PROFIBUS、HART、CAN、CC-link、DeviceNet/ControlNet等。

（2）工業(yè)以太網(wǎng)。90年代末，隨著以太網(wǎng)與TCP/IP技術的日趨成熟，并適應企業(yè)管理與控制一體化的應用需求，工業(yè)以太網(wǎng)（或稱實時以太網(wǎng)）逐漸興起，在IEEE 802.3標準以太網(wǎng)基礎上修改或增加了一些特定協(xié)議機制（如時間調(diào)度、通信優(yōu)先級、時鐘同步等），以滿足工業(yè)應用對通信實時性和確定性的要求。工廠中常用的工業(yè)以太網(wǎng)有Ethernet/IP、EtherCAT、PROFINET、CC-link IE、POWERlink等。目前全球范圍內(nèi)，工廠中新IACS系統(tǒng)主要基于工業(yè)以太網(wǎng)，新現(xiàn)場總線設備市場增長緩慢或下降 ，可預見未來工業(yè)以太網(wǎng)將替代傳統(tǒng)現(xiàn)場總線。但是在流程工業(yè)由于對物理層有總線供電、本質(zhì)安全等特殊要求，現(xiàn)場總線技術還將繼續(xù)存在較長時間?，F(xiàn)在，國內(nèi)外正在開展可用于流程工業(yè)的二線制以太網(wǎng)（SPE）或高級物理層（APL）技術研究和應用。

（3）工業(yè)無線網(wǎng)。起源于二十一世紀初，從新興的無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）發(fā)展而來，目的將無線通信引入工業(yè)應用作為有線網(wǎng)絡的補充。目前，國際上主要有應用于過程自動化的WirelessHART、WIA-PA、ISA100.11a三大主流工業(yè)無線網(wǎng)絡技術，以及應用于工廠自動化的WIA-FA工業(yè)無線網(wǎng)絡技術。

（4）時間敏感網(wǎng)絡（TSN）。由于TSN在傳統(tǒng)以太網(wǎng)上增加可提供確定性服務的各種功能和性能，滿足了工業(yè)應用對實時、硬實時的需求而引起廣泛關注，現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)紛紛與之融合，未來可能將作為工廠底層網(wǎng)絡的統(tǒng)一標準。

（5）5G移動通信網(wǎng)。5G因其低延時、高帶寬、廣連接而成為當前最熱點技術之一，已在視頻檢測、云化機器人、智能物流等工業(yè)應用方面得到成功應用案例，其在底層自動化控制、機器與機器（M2M）通信等方面的應用還處于研究試驗階段。

（6）當前，云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術作為使能技術，必將大幅提升工業(yè)自動化控制系統(tǒng)和測控網(wǎng)絡的功能性能并促使其向云化、智能化加速發(fā)展。當引入了新一代信息技術，從大系統(tǒng)大網(wǎng)絡概念角度，圖1所示的工業(yè)測控網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，將演變成云化的智能測控系統(tǒng)/網(wǎng)絡，實質(zhì)上也是向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)演變，如圖2所示。

圖2 云化智能測控系統(tǒng)/網(wǎng)絡

新一代信息技術可能在如下幾方面對工業(yè)測控系統(tǒng)/網(wǎng)絡產(chǎn)生作用和影響：

●智能傳感器：泛在感知與大規(guī)模數(shù)據(jù)采集；

●云計算：超強運算能力，資源共享（服務、工業(yè)軟件、服務器、存儲）；

●大數(shù)據(jù)：優(yōu)化分析、智能決策、預測性維護；

●軟件定義：可重構(gòu)、靈活擴展；

●人工智能：自學習、自組織、自適應、自決策；

●區(qū)塊鏈：分布式存儲、數(shù)據(jù)安全；

●邊緣計算：邊緣側(cè)產(chǎn)生更快的網(wǎng)絡服務響應；

這些使能技術加速了制造模式的創(chuàng)新和制造系統(tǒng)的演進。

3.2. 物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

1995年比爾·蓋茨在《未來之路》書中提出：“互聯(lián)網(wǎng)（Internet）僅僅實現(xiàn)了計算機的聯(lián)網(wǎng)而沒有實現(xiàn)萬事萬物的互聯(lián)”，這種“萬物互聯(lián)”的概念成為如今“物聯(lián)網(wǎng)”的雛形。2005年國際電信聯(lián)盟ITU在世界信息峰會上發(fā)布了《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)（ITU Internet Reports 2005：The Internet of Things》，指出“物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）”時代的來臨。物聯(lián)網(wǎng)顧名思義就是物物互聯(lián)。國內(nèi)外標準及文獻對其主要定義如表2所示，強調(diào)了物理世界和虛擬世界中物、人、服務、信息的互聯(lián)性，以及對于信息的處理能力。

表2 國內(nèi)外對于物聯(lián)網(wǎng)相關概念的定義

目前，物聯(lián)網(wǎng)還沒有一個被廣泛認同的體系結(jié)構(gòu)（物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)）。一般根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)對信息的感知、傳輸、處理過程，將其劃分為三層結(jié)構(gòu)，包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層，如圖3所示。因此，圍繞泛在感知、可靠傳輸和智能處理三方面進行，物聯(lián)網(wǎng)的核心技術如下：

●感知層：實現(xiàn)泛在感知，利用智能傳感器、RFID（無線射頻識別）、執(zhí)行器等實現(xiàn)信息感知、識別、數(shù)據(jù)采集和控制執(zhí)行，并通過通信模塊將物理實體連接到網(wǎng)絡層和應用層；

●網(wǎng)絡層：實現(xiàn)可靠傳輸，通過互聯(lián)網(wǎng)、無線網(wǎng)絡或?qū)Ｓ镁W(wǎng)絡，實現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制等，典型物聯(lián)網(wǎng)技術如窄帶蜂窩網(wǎng)NB-IoT、移動通信網(wǎng)3G/4G/5G等；

●應用層：實現(xiàn)智能處理，包括應用基礎設施/中間件和各種物聯(lián)網(wǎng)應用，對感知和傳送的數(shù)據(jù)、信息進行分析、計算和處理，實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)在眾多領域的各種應用實現(xiàn)。

圖3  物聯(lián)網(wǎng)三層體系架構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領域的應用即為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）。美國通用公司（GE）認為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）包含兩層含義：其一是指“物聯(lián)網(wǎng)技術（IoT）在工業(yè)領域的提升與實現(xiàn)”；其二就當前技術發(fā)展下，提出“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）的同義詞”，GE數(shù)字化（GE Digital）官網(wǎng)明確表述了這一觀點（https://www.ge.com/digital/blog/everything-you-need-know-about-industrial-internet-things），如圖4所示。

國內(nèi)在《工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)白皮書》（2017）中提出工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的概念為：通過工業(yè)資源的網(wǎng)絡互連、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作，實現(xiàn)制造資源的靈活配置、制造過程的按需執(zhí)行、制造工藝的合理優(yōu)化和制造環(huán)境的快速適應，達到資源的高效利用，從而構(gòu)建服務驅(qū)動型的新工業(yè)體系。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無意改變傳統(tǒng)的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，強調(diào)的是更大規(guī)模的設備連接與數(shù)據(jù)獲取，以及到工業(yè)現(xiàn)場的優(yōu)化反饋。相比于傳統(tǒng)工業(yè)測控網(wǎng)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)融入了移動通信和智能分析技術，在泛在感知和智能處理等方面進行功能擴展。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系中，感知層采集聲、光、熱、電、力學、化學、生物、位置等更多智能化所需的信息，網(wǎng)絡層更強調(diào)使用通用網(wǎng)絡技術連接工業(yè)設備形成的一個巨大網(wǎng)絡，應用層則應用人工智能、大數(shù)據(jù)分析等新一代信息技術，實現(xiàn)智能物流、智能監(jiān)控、智慧生產(chǎn)等。

3.3. 互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

互聯(lián)網(wǎng)（Internet）現(xiàn)已成為專有名詞（國內(nèi)也有翻譯為因特網(wǎng)），將全世界范圍的計算機網(wǎng)絡、移動終端（如手機）互相連接在一起?；ヂ?lián)網(wǎng)是一種工具，用在消費領域就是消費互聯(lián)網(wǎng)，用在金融領域就是金融互聯(lián)網(wǎng)，用在工業(yè)領域就是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

美國通用電氣（GE）公司在2012年發(fā)布的白皮書《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：打破智慧與機器的邊界（Industrial Internet: Pushing the Boundaries of Minds and Machines）》中，最先提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）”的概念，將其定義為“全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、低成本傳感和由互聯(lián)網(wǎng)帶來的全新連接能力的融合（the convergence of the global industrial system with the power of advanced computing, analytics, low-cost sensing and new levels of connectivity permitted by the internet）”，并將智能機器、高級分析（數(shù)據(jù)）和人相互連接形成開放、全球化的網(wǎng)絡。

2014年，GE、IBM、Cisco、Intel和AT&T等聯(lián)合成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Industrial Internet Consortium，IIC），名稱上雖延續(xù)了GE關于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的稱謂，但在其官網(wǎng)（https://www.iiconsortium.org）上自我介紹卻為“致力于加速工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）以實現(xiàn)經(jīng)濟與社會轉(zhuǎn)型（IIC about Us: The Industrial Internet Consortium is the world's leading organization transforming business and society by accelerating the Industrial Internet of Things (IIoT)）”。

2019年7月，IIC發(fā)布的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（Industrial Internet Reference Architecture，IIRA）”中，明確說明“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的一個標準開放架構(gòu)（The IIRA is a standards-based open architecture for IIoT systems）”，并從業(yè)務、使用、功能和實施四個視圖，來描述IIoT系統(tǒng)關于業(yè)務和管理、能力和結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)和組件、技術和實現(xiàn)等相關內(nèi)容的框架結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5  IIRA視圖、應用范圍、系統(tǒng)全生命周期的關系

IIC在2019年最新發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)術語技術報告》中給出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT）的術語定義，如表3所示。

表3 IIC提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)定義對比

由此可見，在美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）語境下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的同義詞，并未強調(diào)互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的建設與作用，而是立足工業(yè)轉(zhuǎn)型實際需求，聚焦工廠內(nèi)部使用的網(wǎng)絡和先進分析，通過機器到機器（M2M）連接和工業(yè)大數(shù)據(jù)分析等，實現(xiàn)工業(yè)設備預測性維護、基于生產(chǎn)數(shù)據(jù)優(yōu)化設計，以提高效率、產(chǎn)能以及性能，改變工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)組織模式，推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

在國內(nèi)，也成立了類似的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（Alliance of Industrial Internet，AII），在其發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)》中對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義是：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是互聯(lián)網(wǎng)和新一代信息技術與工業(yè)系統(tǒng)深度融合形成的產(chǎn)業(yè)和應用生態(tài)，是工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵綜合信息基礎設施。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)包括網(wǎng)絡、安全、平臺三方面，如圖6所示。其中，網(wǎng)絡是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎，支撐工業(yè)系統(tǒng)互聯(lián)和工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸交換，包括網(wǎng)絡互聯(lián)、標識解析等；平臺體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心，構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務體系；安全體系是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的保障，構(gòu)建涵蓋工業(yè)全系統(tǒng)的安全防護體系和工業(yè)智能發(fā)展的安全可信環(huán)境。

圖6  我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)

與國際相比，國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)屬于“原創(chuàng)性”概念，聚焦于互聯(lián)網(wǎng)與制造業(yè)融合而產(chǎn)生的新應用與新生態(tài)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于產(chǎn)品個性化定制、異地研發(fā)協(xié)同設計、設備預測性維護，以及跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地域的產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同與資源優(yōu)化配置發(fā)揮了很大作用。

然而，當前我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更多強調(diào)的是信息基礎設施平臺建設，對于工業(yè)生產(chǎn)制造的作用更偏向于生態(tài)建設而非制造本身。但單純就網(wǎng)絡技術而言，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)并未催生新的網(wǎng)絡技術，現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)與互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)并無本質(zhì)區(qū)別，工廠中測控網(wǎng)絡還是傳統(tǒng)現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)為主，在工業(yè)現(xiàn)場與互聯(lián)網(wǎng)平臺之間采用OT/IT融合的網(wǎng)絡技術（如OPC UA）等。這些工業(yè)測控網(wǎng)與集成技術由工業(yè)發(fā)起，仍滿足當前工業(yè)自動化系統(tǒng)互操作、開放性的發(fā)展需求。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設方面，國內(nèi)的平臺企業(yè)眾多，很多來自于IT領域，但由于現(xiàn)場設備是OT廠商提供的，使得現(xiàn)場數(shù)據(jù)獲取較為困難；另外，由于欠缺較全面深入的行業(yè)知識，對于工業(yè)數(shù)據(jù)的分析利用以及優(yōu)化反饋的能力較弱。然而，以西門子為代表的外資企業(yè)打造的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，通過發(fā)揮其長期深根于工業(yè)的巨大優(yōu)勢，以及現(xiàn)場大量采用同品牌工業(yè)設備帶來獲取數(shù)據(jù)的便利，結(jié)合行業(yè)與工藝特點，并利用數(shù)字孿生等手段進行數(shù)據(jù)分析與工藝改進，從而實現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的優(yōu)化控制，滿足提升質(zhì)量、節(jié)約成本及用戶個性化的需求。

3.4. 小結(jié)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)之前，工廠中已真實存在著現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡等工業(yè)測控網(wǎng)，主要解決工廠底層各種工業(yè)自動化控制設備及系統(tǒng)間的互聯(lián)互通。就作用范圍而言，工業(yè)測控網(wǎng)屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）范疇，但IIoT更強調(diào)工業(yè)生產(chǎn)中的人、機、料等制造資源的互聯(lián)互通，網(wǎng)絡通信技術擴展涵蓋了通用無線技術，如移動通信網(wǎng)、NB-IoT等。

國際上，并未特別區(qū)分工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things，IIoT）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet），二者出發(fā)點和落腳點都是工業(yè)，并未改變現(xiàn)有的工業(yè)自動化控制系統(tǒng)，但更強調(diào)通過連接現(xiàn)場設備，獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并向工業(yè)現(xiàn)場提供優(yōu)化反饋，從而推動數(shù)字化轉(zhuǎn)型。國內(nèi)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）的概念是有區(qū)別的。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為“工業(yè)資源的網(wǎng)絡互聯(lián)、數(shù)據(jù)互通和系統(tǒng)互操作”而形成的新工業(yè)系統(tǒng)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則更傾向為一種“基于互聯(lián)網(wǎng)的工業(yè)產(chǎn)業(yè)和應用生態(tài)”建設。

由此可見，國內(nèi)外對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義和內(nèi)涵存在著較大偏差。國外多關注工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，以實現(xiàn)工業(yè)設備/系統(tǒng)互聯(lián)、工藝優(yōu)化分析、工業(yè)產(chǎn)品設計、生產(chǎn)現(xiàn)場性能產(chǎn)能提升為目標。國內(nèi)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則偏重于互聯(lián)網(wǎng)平臺建設、業(yè)務模式、標識解析、工業(yè)APP等，雖已形成產(chǎn)業(yè)，但其與工業(yè)生產(chǎn)實踐結(jié)合強調(diào)不足，沒有真正地聚焦當前我國制造業(yè)面臨的真正問題和迫切需求，對于制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的實際推動作用還有待進一步挖掘與提升。

工業(yè)網(wǎng)絡國內(nèi)外標準化

4.1.    工業(yè)測控網(wǎng)

工業(yè)測控網(wǎng)的核心功能是實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場設備與控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通，主要包括工業(yè)通信網(wǎng)絡技術與工業(yè)系統(tǒng)集成技術兩部分。

在工業(yè)通信網(wǎng)絡技術方面，國際電工委員會（IEC）工業(yè)測量控制和自動化技術委員會（IEC/TC65）負責制定工業(yè)通信相關國際標準，包括有線和無線工業(yè)網(wǎng)絡技術規(guī)范、各種相關行規(guī)和標準。由于IEC/TC65內(nèi)制定標準的主體大多來自自動化領域，了解工廠中實際工業(yè)應用需求，因此，圍繞工業(yè)通信網(wǎng)絡技術建立了比較完善的標準體系，包括各種通信行規(guī)、安全通信行規(guī)、信息安全行規(guī)、安裝導則、高可用性網(wǎng)絡等技術標準，如圖7所示。

●IEC 61158《工業(yè)通信網(wǎng)絡》系列標準，規(guī)定了市場上主流的近三十種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)等工業(yè)測控網(wǎng)，包括我國自主工業(yè)以太網(wǎng)EPA（Type 14）。隨著技術的發(fā)展應用，有的技術由于缺乏市場而被撤銷（如Type 6 SwiftNet），也有新的技術不斷加入。此外，IEC 62026 《低壓開關設備和控制設備 控制器 設備接口》系列標準，規(guī)定了適用于低壓開關設備和控制設備的控制器、電氣設備接口與集成的通信標準，包括AS-I、DeviceNet等。

●IEC 61784《工業(yè)通信網(wǎng)絡-行規(guī)》系列標準是IEC 61158的“伴隨”標準，定義了包括IEC 61784-1現(xiàn)場總線通信行規(guī)、IEC 61784-2實時以太網(wǎng)通信行規(guī)、IEC 61784-3功能安全通信行規(guī)、IEC 61784-4工業(yè)信息安全行規(guī)（已轉(zhuǎn)為IEC 62443）、IEC 61784-5安裝行規(guī)等。

●IEC 62443 《工業(yè)通信網(wǎng)絡 網(wǎng)絡與系統(tǒng)信息安全》系列標準規(guī)定工業(yè)自動化控制系統(tǒng)（IACS）信息安全的概念模型、關鍵要素、主要技術及安全等級等。

●IEC 62439《高可用性自動化網(wǎng)絡》系列標準，規(guī)定了基于實時以太網(wǎng)的各種網(wǎng)絡冗余協(xié)議/機制。

●IEC 61508《電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全 》系列標準，規(guī)定了電氣/電子/可編程電子安全相關系統(tǒng)的功能安全的基本要求和技術方法，是功能安全的“基本大法”。

●IEC 61151《過程工業(yè)領域安全儀表系統(tǒng)的功能安全》系列標準，規(guī)定了用于過程（流程）工業(yè)的功能安全儀表系統(tǒng)。

●IEC 61588《網(wǎng)絡測量和控制系統(tǒng)的精確時鐘同步協(xié)議》標準（源自IEEE 1588），規(guī)定了在分布式測量控制系統(tǒng)/網(wǎng)絡中實現(xiàn)嚴格的定時同步機制。

●IEC 60802《時間敏感網(wǎng)絡(TSN)工業(yè)應用行規(guī)》是IEC/TC65和IEEE 802聯(lián)合工作組正在制定的國際標準，規(guī)定適用于工業(yè)自動化網(wǎng)絡的網(wǎng)橋/交換機、終端站和局域網(wǎng)（LAN）的TSN特性、可選項、配置、缺省值、協(xié)議和規(guī)程。

●對于工業(yè)無線通信，現(xiàn)存在四種工業(yè)無線通信網(wǎng)絡技術國際標準，包括IEC 62591 WirelessHART、IEC 62601 WIA-PA（我國自主技術）和IEC 62948 WIA-FA（我國自主技術）、IEC 62734 ISA 100.11，以及規(guī)定無線通信系統(tǒng)在工業(yè)自動化領域應用及共存管理要求的IEC 62657《無線共存》系列標準。

●此外，SAC/TC124正在聯(lián)合華為公司等共同制定工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡（工業(yè)5G）相關技術標準，并將適時推進為國家、國際標準，這代表了工業(yè)無線通信技術的最新發(fā)展方向。

IEC/TC65國內(nèi)對口標委會是全國工業(yè)過程測量控制和自動化標準化技術委員會（SAC/TC124），已將IEC 61158中主流的十幾種現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)技術轉(zhuǎn)化為我國國家標準，如MODBUS、PROFIBUS、PROFINET、HART、POWERlink、EtherCAT、CC-link、CC-link IE、EtherNet/IP等，如表4所示。隨著各類工業(yè)通信網(wǎng)絡技術國家標準的轉(zhuǎn)化和自主制定，我國已逐步建立了EPA、WIA、PROFIBUS、PROFINET、MODBUS、CC-link、EtherCAT、HART等工業(yè)測控網(wǎng)設備的認證測試實驗室，能夠滿足我國企業(yè)生產(chǎn)智能傳感器、儀器儀表、執(zhí)行設備等工業(yè)測控網(wǎng)設備的市場需求。

表4 我國工業(yè)測控網(wǎng)及相關技術國家標準

IEC 61158規(guī)定了不同類型工業(yè)測控網(wǎng)的通信協(xié)議，但不涉及所傳輸?shù)挠脩魯?shù)據(jù)的內(nèi)容及其含義。因此，在工業(yè)系統(tǒng)集成方面，面向不同行業(yè)應用時，通常還需根據(jù)行業(yè)需求和設備特點，定義行業(yè)特定的設備行規(guī)（即根據(jù)設備模型以參數(shù)、參數(shù)組合和行為的表達方法來描述設備網(wǎng)絡可見的數(shù)據(jù)和行為）。與工業(yè)系統(tǒng)集成技術相關的標準，如圖8所示。

圖8 工業(yè)系統(tǒng)集成相關標準

工業(yè)系統(tǒng)集成相關主要標準包括以下方面。

●設備行規(guī)：ISO/IEC 62390《設備行規(guī)導則》用于指導工業(yè)現(xiàn)場與控制設備的設備行規(guī)的定義?；贗SO/IEC 62390，ISO和IEC定義了包括IEC 61915低壓開關與控制器設備行規(guī)、IEC 61800-7 電力驅(qū)動系統(tǒng)設備行規(guī)、IEC 61850電力設備自動化通信網(wǎng)絡和系統(tǒng)等行業(yè)的設備行規(guī)。

●設備集成：為實現(xiàn)現(xiàn)場設備與上位系統(tǒng)（如SCADA、設備管理軟件等）的集成，IEC定義了描述設備行規(guī)或設備參數(shù)的集成標準，包括IEC 61804-3電子設備描述語言EDDL、IEC 62453現(xiàn)場設備工具、IEC 62769現(xiàn)場設備集成FDI等。

●OT/IT集成：IEC 62541《OPC UA統(tǒng)一架構(gòu)》是新一代的基于語義和面向服務架構(gòu)（SOA）的OPC規(guī)范，將傳統(tǒng)OPC規(guī)范的所有功能集成到一個可擴展框架，并實現(xiàn)了跨平臺支持。鑒于OPC UA具有強大的建模能力，OPC UA被公認為在工廠IT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)集成方面有顯著優(yōu)勢。

●企業(yè)控制系統(tǒng)集成：ISO/IEC 62264《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》（即ISA 95標準）提出制造企業(yè)5級功能層次模型，規(guī)定了制造運營管理（MOM）的基本模型、通用對象、業(yè)務功能與活動，以及企業(yè)系統(tǒng)到控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換格式等。

●公共數(shù)據(jù)字典（CDD）：CDD定義了用于描述設備、產(chǎn)品和服務等對象的所有必要信息?；贑DD規(guī)則，可在不同系統(tǒng)、不同企業(yè)，甚至不同行業(yè)間建立統(tǒng)一的的語義系統(tǒng)。主要相關標準包括：IEC 61360《電氣元器件的標準數(shù)據(jù)元素類型和相關分類模式》，規(guī)定了通用的CDD數(shù)據(jù)模型；IEC 61987《工業(yè)過程測量和控制 過程設備目錄中的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和元素》，規(guī)定了智能制造測控設備的CDD。

4.2.    物聯(lián)網(wǎng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)概念是從信息領域首先提出，國際上主要標準化機構(gòu)是ISO/IEC信息技術第一聯(lián)合技術委員會（ISO/IEC JTC1）下設的物聯(lián)網(wǎng)及相關技術分委會（JTC1/SC41），制定了多項物聯(lián)網(wǎng)（IoT）通用技術標準，包括IoT術語、架構(gòu)和框架標準，IoT互聯(lián)性、平臺、中間件以及認證測試標準，IoT應用案例、工具和實現(xiàn)導則標準等。ISO/IEC JTC1國內(nèi)對口標委會為全國信息技術標準化技術委員會（SAC/TC28），下設物聯(lián)網(wǎng)分委會（SAC/TC28/SC41）負責制定我國物聯(lián)網(wǎng)相關國家標準。

物聯(lián)網(wǎng)的技術起源與無線傳感器網(wǎng)絡（WSN）緊密相關，因此，許多物聯(lián)網(wǎng)標準也圍繞無線傳感網(wǎng)而制定。物聯(lián)網(wǎng)相關的主要國際與國內(nèi)標準如表5所示。

表5 物聯(lián)網(wǎng)相關的主要標準

2010年11月，國家物聯(lián)網(wǎng)基礎標準工作組成立，成為研究符合中國國情的物聯(lián)網(wǎng)技術架構(gòu)和標準體系的主要機構(gòu)。在其已發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)標準化白皮書（2018版）》中將物聯(lián)網(wǎng)標準體系劃分為六大類，主要包括基礎類、感知類、網(wǎng)絡傳輸類、服務支撐類、業(yè)務應用類和公共技術類，如圖9所示。

圖9  我國物聯(lián)網(wǎng)標準體系架構(gòu)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)概念的延伸。目前，IEC尚沒有專門的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）標準發(fā)布，僅在個別行業(yè)應用標準中將范圍限定在工業(yè)特定領域的物聯(lián)網(wǎng)，如ISO/IEC JTC1/SC41與IEC/TC65成立工業(yè)設施和智能電網(wǎng)系統(tǒng)接口聯(lián)合工作組（IEC/ISO JWG17），主要制定電力行業(yè)特定應用行規(guī)，屬于物聯(lián)網(wǎng)在電力特定行業(yè)應用的補充和擴展。ITU、IEEE、3GPP等通信相關國際標準化組織，也在制定工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial IoT）相關的技術標準。

國內(nèi)，SAC/TC124以促進物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展和推動工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用為重點，組織制定了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用于智能儀表領域的基礎標準、產(chǎn)品標準和關鍵技術標準（如表6所示），研究了并初步形成物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器標準體系，但尚未見公開發(fā)布的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)標準體系。

表6 國內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)智能傳感器系列標準

4.3. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

經(jīng)文獻查閱，IEC、ISO和ITU目前均未出現(xiàn)關于“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）”的術語或相關標準產(chǎn)物，相關技術標準都是圍繞物聯(lián)網(wǎng)IoT而展開。由此可見，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)Industrial Internet”一詞目前在國際尚未被普遍認可。2019年6月，ITU-T的未來網(wǎng)絡與云計算工作組（ITU-T SG13）通過了中國信息通信研究院主導的國際標準《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡架構(gòu)與技術要求（基于未來包交換網(wǎng)絡演進）》立項，首次將“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）”寫入國際標準。目前該項標準仍在研制階段。

在我國，在以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）為代表的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”概念倡導下，正研究與制定工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系架構(gòu)及其實施路徑。2019年AII發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系（版本2.0）》白皮書中，提出我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系框架，包括基礎共性、總體、應用三大類標準，如圖10所示。其中，基礎共性標準包括術語定義、通用需求、架構(gòu)、測試與評估、管理等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通用性、指導性標準，總體標準包括網(wǎng)絡與聯(lián)接、標識解析、邊緣計算、平臺與數(shù)據(jù)、工業(yè)APP、安全等技術方面，應用標準包括不同制造模式、不同行業(yè)應用的標準。在此體系框架內(nèi)，AII組織聯(lián)盟內(nèi)企業(yè)開展相關團體標準的制定。

圖10  我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系框架

但值得注意的是，從圖10所示工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系看，很多內(nèi)容更側(cè)重信息技術領域，與工業(yè)相關性略顯不足，對于工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的實際指導作用需進一步加強。

4.4. 小結(jié)

縱觀國內(nèi)外工業(yè)網(wǎng)絡技術的標準化發(fā)展，工業(yè)測控網(wǎng)技術已建立了比較完善的工業(yè)通信與系統(tǒng)集成標準體系，基本能夠滿足工業(yè)自動化控制的應用需求；物聯(lián)網(wǎng)標準研制主要在信息技術領域進行，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）僅作為物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)行業(yè)的應用與擴展，尚未形成獨立的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用標準體系；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet）概念目前尚未被國際廣泛接受，從IEC、ISO、ITU國際標準組織中均未查詢到相關的術語定義。

實際上，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是伴隨著第四次工業(yè)革命（工業(yè)4.0）/智能制造的發(fā)展而提出的。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）提出“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”時，將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為關鍵技術與標準研究的核心內(nèi)容，希望將美國在互聯(lián)網(wǎng)技術上的優(yōu)勢擴大到工業(yè)領域，實現(xiàn)美國全球化產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展與“制造業(yè)復蘇”。在我國，繼智能制造標準體系初步建立后，正在組織建立具有中國特色的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系。雖然二者是兩套相互獨立的體系，但其目標都是實現(xiàn)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級，關鍵技術與標準內(nèi)容中也存在交叉。所以，國內(nèi)特有的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”難免概念層面的意義更大一些。

我們

5.1. 應用于工業(yè)的網(wǎng)絡，首先應姓“工”

不管是工業(yè)測控網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都是網(wǎng)絡技術、信息技術與工業(yè)應用的深度融合，作為賦能手段，一定會給工業(yè)生產(chǎn)模式帶來巨大變革，但切不可本末倒置，應始終“不忘初心”將滿足工業(yè)生產(chǎn)需求放在首位。當前我國制造業(yè)發(fā)展不平衡、不充分的特點突出，“工業(yè)1.0、2.0、3.0”并存局面將長期存在，企業(yè)面臨的最大問題是產(chǎn)品質(zhì)量不高、生產(chǎn)效率不高等切實問題。因此，不論什么“網(wǎng)”，都必須先解決企業(yè)生產(chǎn)的“溫飽（提質(zhì)增效）”問題。

首先，工業(yè)測控網(wǎng)作為工業(yè)生產(chǎn)連續(xù)性、高實時、高可靠、高安全、高可用性的重要保證，實現(xiàn)工廠內(nèi)各種現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時采集，人、機、料、法、環(huán)等各種制造資源的互聯(lián)互通，始終是必須具備的。如果底層工業(yè)測控網(wǎng)基礎沒打好，上面大數(shù)據(jù)分析、人工智能數(shù)據(jù)挖掘，都是無源之水、空中樓閣。
其次，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一種智能制造的賦能工具，其重要作用之一是基于互聯(lián)網(wǎng)平臺，對采集的海量工業(yè)數(shù)據(jù)進行深度分析、形成智能決策，這種分析高度依賴于特定工業(yè)領域的專業(yè)知識積累，需要結(jié)合工藝要求、設備運行原理、工業(yè)實踐經(jīng)驗等多方面因素，才能真正挖掘工業(yè)數(shù)據(jù)的價值。當前的諸多實踐案例已經(jīng)充分證明，互聯(lián)網(wǎng)中廣泛應用的各類大數(shù)據(jù)分析方法，只有與工業(yè)知識融合才能解決工業(yè)實際問題。

第三，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為互聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領域的應用，在連接上下游產(chǎn)業(yè)鏈、資源優(yōu)化配置、異地研發(fā)協(xié)同設計等方面天然具有優(yōu)勢，并且通過無所不在的互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)個性化定制、預測性維護、產(chǎn)品在線升級等智能服務，極大地提升了產(chǎn)品的附加價值。

5.2. 遵循發(fā)展規(guī)律，技術應用是關鍵

過去三十多年中，我國制造業(yè)從發(fā)展CIMS（計算機集成執(zhí)行系統(tǒng)）、制造業(yè)信息化，到兩化融合、智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，實際上是信息技術、網(wǎng)絡技術在工業(yè)和制造業(yè)應用的不斷發(fā)展探索之路。新概念、新名詞、新技術不斷涌出，但如若不基于基礎現(xiàn)狀不與應用需求匹配，生搬硬套的結(jié)果不是炒概念就是揠苗助長。衡量一項技術是否適用于企業(yè)，不是憑其先進性，而是能否滿足企業(yè)需求以及獲取效益最大化。智能制造也好，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也好，企業(yè)不會“為了技術熱點而應用技術”。

例如，雖然在工業(yè)網(wǎng)絡技術應用方面已經(jīng)做了大量工作，形成了一批示范引領企業(yè)，但在過去較長一段時間內(nèi)，兩化融合還遠未達到預想的效果。一是由于我國制造企業(yè)95%以上都是中小企業(yè)，自動化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化基礎工作欠缺；二是由于之前的網(wǎng)絡技術手段無法充分支撐制造業(yè)的需求，獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)有限；三是對網(wǎng)絡技術的應用效果還沒有認識到位，數(shù)據(jù)獲取是用來做分析優(yōu)化改進而不僅僅是用來看的。

當前，各類新一代信息通信技術快速發(fā)展，5G、TSN、大數(shù)據(jù)、云計算、區(qū)塊鏈、邊緣計算等技術紛至沓來。在跟蹤新技術的同時，仍應根據(jù)企業(yè)自身特點因地制宜，以解決制造企業(yè)底層數(shù)字化、網(wǎng)絡化問題為前提，使大量中小企業(yè)都能更好地融入工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)，才能真正地發(fā)揮工業(yè)網(wǎng)絡的重要作用。

5.3. 既要建設生態(tài)，也要腳踏實地解決工業(yè)問題

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術提供了一種范圍更廣、效率更高的平臺作為制造企業(yè)智能化發(fā)展的信息基礎設施，為實現(xiàn)異地研發(fā)設計、多地聯(lián)動協(xié)同生產(chǎn)、生產(chǎn)現(xiàn)場遠程監(jiān)控、制造資源優(yōu)化調(diào)度，以及打通供應鏈、營銷鏈和服務鏈提供了基礎。在本次新冠疫情防控中，應用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術提升了企業(yè)復產(chǎn)復工、上下游協(xié)同的效率就充分證明了這一點。

然而，現(xiàn)階段我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支持方向主要集中在平臺基礎設施、解析節(jié)點、工業(yè)APP開發(fā)等生態(tài)體系建設范疇，與企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡銜接不夠，凸顯“不接地氣”。一方面，當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的瓶頸在于現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)采集及互聯(lián)互通，面臨的關鍵問題是各種工業(yè)設備的數(shù)據(jù)接口不統(tǒng)一，通信協(xié)議不兼容，導致數(shù)據(jù)“上”不來。因此，更需重點考慮如何解決企業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場現(xiàn)存的多接口、多協(xié)議問題，制定細分行業(yè)典型制造設備、生產(chǎn)單元和制造過程的公共數(shù)據(jù)字典，有效打通OT系統(tǒng)和IT系統(tǒng)，實際解決工廠內(nèi)部數(shù)字化、網(wǎng)絡化問題。

另一方面，企業(yè)內(nèi)部產(chǎn)生的各種管理數(shù)據(jù)、設計數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、制造資源相關數(shù)據(jù)等，來自企業(yè)外部的客戶反饋、市場需求、供應商等相關數(shù)據(jù)，最終將形成海量的工業(yè)大數(shù)據(jù)。如何有效利用這些工業(yè)數(shù)據(jù)來推動企業(yè)實現(xiàn)提質(zhì)增效，也是需重點考慮的問題。對客戶反饋數(shù)據(jù)進行分析，可及時掌握市場需求及產(chǎn)品問題，作為研發(fā)設計的輸入和反饋；對生產(chǎn)過程及制造資源相關數(shù)據(jù)進行分析，可快速發(fā)現(xiàn)錯誤或瓶頸所在，改進工藝和優(yōu)化生產(chǎn)，以及實現(xiàn)預測性維護；對設計、供銷、財務、生產(chǎn)等企業(yè)經(jīng)營管理數(shù)據(jù)進行分析，將優(yōu)化企業(yè)經(jīng)營決策，推動企業(yè)發(fā)展新的商業(yè)模式。

至于具體采用哪種網(wǎng)絡技術，企業(yè)可能并不關心。

5.4. 結(jié)合工業(yè)應用，構(gòu)建綜合風險管控的安全一體化體系

縱觀國內(nèi)外工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全思路，美國聚焦于IT 安全，明確了具體的安全措施。德國雖然從多個角度對安全提出了要求，但是并未形成成熟的安全體系框架。國內(nèi)發(fā)布的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全框架博眾家所長，從技術和管理的角度針對我國國情做了很好的落地，值得肯定。

但總的來說，“互聯(lián)網(wǎng)”側(cè)特征得到了充分體現(xiàn)，而“工業(yè)”側(cè)需求尚未得到滿足。例如：風險分析止步于網(wǎng)絡邊界而沒有結(jié)合工業(yè)應用場景，很容易導致分析漏洞或者偏差；未涉及網(wǎng)絡安全防護對工業(yè)系統(tǒng)功能或性能的干擾和關聯(lián)影響，難免存在防護誤區(qū)和盲區(qū)；缺乏以綜合風險管控為目標的一體化安全框架體系，安全儀表系統(tǒng)如何部署網(wǎng)絡安全防護措施、網(wǎng)絡攻擊和防護如何影響功能安全完整性、內(nèi)生安全機制和外部防護設施如何有機結(jié)合實現(xiàn)風險降低、分析/設計/實施/運維等生命周期各階段的安全控制和防護該如何協(xié)同考慮以避免或減少系統(tǒng)性風險等等的許多問題還沒有得到很好的解決，仍需深入研究與實踐。

5.5. 加強國際合作，推動國際語境的協(xié)同

目前，國內(nèi)外對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等概念的內(nèi)涵與外延、技術體系尚存在不同理解。通過梳理并明確各網(wǎng)絡概念、關聯(lián)與差異，建立國內(nèi)外工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展的共同語境，有助于推動網(wǎng)絡技術的國際化。在全球化協(xié)同發(fā)展趨勢下，制造資源、生產(chǎn)要素配置向著全球化的新模式轉(zhuǎn)變，制造業(yè)需要在世界范圍內(nèi)重構(gòu)更高效靈活的產(chǎn)業(yè)鏈，物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術作為工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的基礎支撐技術，更加需要一個國際彼此認可的發(fā)展框架與技術體系。因此，應積極推動在世界范圍內(nèi)開展技術交流、科研合作、標準與規(guī)范制定、測試認證等工作，以期通過國際化手段將我國工業(yè)網(wǎng)絡技術與產(chǎn)品貢獻給全世界。