5G、時(shí)間敏感網絡（TSN）、邊緣計算(suàn)、工業智能、數字孿生、區(qū)塊鏈、虛拟現實（VR）/增強現實（AR）等技術正在與工業互聯網加速融合應用(yòng)，不斷拓展工業互聯網的(de)能力内涵和(hé)作用(yòng)邊界。這(zhè)些技術已經成爲影(yǐng)響工業互聯網後續發展的(de)核心技術，爲産業數字化(huà)轉型和(hé)經濟高(gāo)質量發展提供關鍵支撐。

作者簡介：

沈彬，中國信息通(tōng)信研究院技術與标準研究所産業互聯網研究部副主任、工業互聯網産業聯盟副秘書(shū)長(cháng)；主要研究領域爲工業互聯網，負責工業互聯網産業聯盟工作；先後參與工業互聯網發展戰略重大(dà)課題、工業互聯網體系架構、工業互聯網标準體系框架、5G+工業互聯網等研究工作。

李海花，中國信息通(tōng)信研究院工業互聯網與物(wù)聯網研究所副所長(cháng)、工業互聯網産業聯盟總體組主席、中國儀器儀表學會理(lǐ)事、中國儀器儀表學會智能制造推進工作委員(yuán)會委員(yuán)；主要從事與信息通(tōng)信相關的(de)政府支撐、戰略咨詢、新技術跟蹤研究、标準研制工作，目前聚焦工業互聯網及标識解析體系相關研究與推動工作。

高(gāo)騰，中國信息通(tōng)信研究院技術與标準研究所助理(lǐ)工程師；主要研究領域爲工業互聯網，主要從事工業互聯網體系架構、标準化(huà)、新技術等研究工作。

作爲新一代信息通(tōng)信技術與工業經濟深度融合的(de)全新工業生态、關鍵基礎設施和(hé)新型應用(yòng)模式，工業互聯網通(tōng)過人(rén)、機、物(wù)的(de)全面互聯，實現了(le)全要素、全産業鏈、全價值鏈的(de)連接[1]，正在全球範圍内不斷颠覆傳統制造模式、生産組織方式和(hé)産業形态。這(zhè)将推動全新工業生産制造和(hé)服務體系的(de)形成，成爲企業數字化(huà)轉型和(hé)經濟高(gāo)質量發展的(de)重要途徑。工業互聯網産業聯盟（簡稱“聯盟”）自2016年起，快(kuài)速推動工業互聯網的(de)發展，并在每季度召開的(de)工作組全會上，深入探討(tǎo)工業互聯網最新發展情況。通(tōng)過聯盟2020年第3季度工作組全會，我們觀察到，5G、時(shí)間敏感網絡（TSN）、邊緣計算(suàn)、人(rén)工智能、數字孿生、區(qū)塊鏈、虛拟現實（VR）/增強現實（AR）等新型技術，已成爲大(dà)家廣泛探討(tǎo)的(de)焦點。這(zhè)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(de)能力内涵和(hé)作用(yòng)邊界。

工業互聯網技術體系由制造技術、信息技術以及由這(zhè)兩大(dà)技術交織形成的(de)融合性技術組成。其中，制造技術構建了(le)專業領域技術和(hé)知識基礎體系，是工業數字化(huà)應用(yòng)優化(huà)閉環的(de)起點和(hé)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(de)實施落地。以5G、TSN、邊緣計算(suàn)爲代表的(de)信息技術，可(kě)直接作用(yòng)于工業領域，支撐工業互聯網的(de)通(tōng)信、計算(suàn)、安全基礎設施。以人(rén)工智能、數據孿生、區(qū)塊鏈、VR/AR等爲代表的(de)融合性技術，構建符合工業特點的(de)數據采集、處理(lǐ)、分(fēn)析體系，并重新定義工業知識積累和(hé)使用(yòng)方式，以提升制造技術優化(huà)發展的(de)效率和(hé)效能，同時(shí)推動信息技術不斷向工業核心環節滲透。

2.1 5G技術

5G技術作爲移動通(tōng)信技術的(de)典型代表，具有大(dà)帶寬、低延時(shí)、高(gāo)可(kě)靠的(de)特性。5G技術彌補了(le)通(tōng)用(yòng)網絡技術難以完全滿足工業生産要求的(de)技術短闆，并通(tōng)過靈活部署，幫助工業企業加快(kuài)工廠生産内網的(de)網絡化(huà)改造[2]。

5G與工業互聯網的(de)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(tōng)等10餘個(gè)重點行業，已初步形成5G+超高(gāo)清視頻(pín)、5G+AR、5G+VR、5G+無人(rén)機、5G+雲端機器人(rén)、5G+遠(yuǎn)程控制、5G+機器視覺以及5G+雲化(huà)自動導引車（AGV）等8大(dà)典型應用(yòng)場(chǎng)景。與此同時(shí)，這(zhè)些應用(yòng)場(chǎng)景對(duì)5G網絡也(yě)提出了(le)新的(de)需求。其中，5G與超高(gāo)清視頻(pín)的(de)融合應用(yòng)已進入應用(yòng)成熟期，成爲第一批典型應用(yòng)場(chǎng)景；5G+AR、5G+VR以及5G+機器視覺等應用(yòng)已進入高(gāo)速發展期，所産生的(de)經濟價值正在逐漸顯現，在未來(lái)1-2年内将成爲工業互聯網的(de)主流應用(yòng)場(chǎng)景；5G+雲化(huà)AGV、5G+無人(rén)機等應用(yòng)受限于與設備深度融合的(de)需求，需要等待相關産品發展成熟，在未來(lái)2-3年内将有較快(kuài)發展；5G+遠(yuǎn)程控制和(hé)5G+雲端機器人(rén)等應用(yòng)由于涉及工業核心控制環節，目前還(hái)處于探索期，有待進一步的(de)測試驗證。

聯盟工業無線特設組正在開展工業5G的(de)相關研究，具體包括：網絡質量指标體系現狀、典型的(de)工業互聯網業務場(chǎng)景分(fēn)析、終端對(duì)5G網絡質量評價方法、5G無線網絡質量評價指标、工廠内5G網絡覆蓋配置标準參考等。

2.2 TSN技術

TSN技術用(yòng)以太網物(wù)理(lǐ)接口實現工業有線連接，并基于電氣和(hé)電子工程師協會協議(yì)（IEEE 802.1）實現工業以太網數據鏈路層傳輸[3]。TSN技術遵循标準以太網協議(yì)體系要求，打破原有封閉協議(yì)模式，提高(gāo)了(le)工業設備的(de)連接性和(hé)通(tōng)用(yòng)性，具有良好的(de)互聯互通(tōng)能力。在提供确定性時(shí)延、帶寬保證等能力的(de)同時(shí)，TSN技術實現标準、開放的(de)二層轉發，提升了(le)互操作性，爲傳統運營技術（OT）與互聯網技術（IT）網絡向融合扁平化(huà)的(de)架構演進提供了(le)技術支撐。由于TSN的(de)互操作架構是基于SDN體系架構的(de)，因此TSN技術可(kě)實現設備以及網絡的(de)靈活配置、監控、管理(lǐ)及按需調優。TSN技術的(de)時(shí)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，爲不同等級的(de)數據業務流提供了(le)差異化(huà)的(de)承載服務，有助于工業數據在工業設備和(hé)工業雲之間的(de)傳輸和(hé)流轉能力的(de)提升。

聯盟網絡組正在進行TSN産業測試，以加速推動TSN芯片、模組、操作系統等産品的(de)應用(yòng)。同時(shí)，聯盟已經啓動TSN産業鏈名錄創建計劃，以更好地推動TSN的(de)産業落地，加速産業鏈的(de)成熟發展。

2.3 邊緣計算(suàn)技術

邊緣計算(suàn)技術是指，通(tōng)過靠近物(wù)或數據源頭，實現計算(suàn)、網絡、存儲等多(duō)維度資源的(de)統一協同調度及全局優化(huà)[4]。通(tōng)過雲計算(suàn)、網絡協同聯動，邊緣計算(suàn)技術打通(tōng)雲、邊、網、端等關鍵環節，實現了(le)工業互聯網數據的(de)縱向集成，可(kě)滿足工業在敏捷連接、實時(shí)業務、數據聚合、應用(yòng)智能等方面的(de)關鍵需求。作爲工業互聯網數據的(de)第一入口，邊緣計算(suàn)基礎設施是各類工業應用(yòng)的(de)重要載體。

當前，由于在工業現場(chǎng)存在40多(duō)種工業總線技術，工業設備之間的(de)連接需要邊緣計算(suàn)提供“現場(chǎng)級”的(de)計算(suàn)能力，以實現各種制式的(de)網絡通(tōng)信協議(yì)相互轉換、互聯互通(tōng)，同時(shí)又能夠應對(duì)異構網絡部署與配置、網絡管理(lǐ)與維護等方面的(de)挑戰。邊緣計算(suàn)技術可(kě)提高(gāo)工業數據計算(suàn)的(de)實時(shí)性和(hé)可(kě)靠性。在工業控制的(de)部分(fēn)場(chǎng)景中，計算(suàn)處理(lǐ)的(de)時(shí)延要求在10ms以内。如果數據分(fēn)析和(hé)控制邏輯全部在雲端實現，則難以滿足業務的(de)實時(shí)性要求。同時(shí)，工業生産要求計算(suàn)能力具備不受網絡傳輸帶寬和(hé)負載影(yǐng)響的(de)“本地存活”能力，以避免斷網、時(shí)延過大(dà)等意外因素對(duì)實時(shí)性生産造成影(yǐng)響。

目前，邊緣計算(suàn)技術已應用(yòng)于工業現場(chǎng)數據采集與處理(lǐ)、基于邊緣視頻(pín)技術的(de)缺陷檢測系統、馬達類震動器本地管理(lǐ)系統、智慧物(wù)流運輸管理(lǐ)、智慧安監等典型場(chǎng)景。聯盟邊緣計算(suàn)特設組已經于2020年上半年啓動“邊緣計算(suàn)标準件計劃”，以解決邊緣計算(suàn)在實際部署應用(yòng)過程中存在的(de)突出問題，比如産業碎片化(huà)、供給側研發方向分(fēn)散、需求側建設選型困難、設備及平台标準缺失、可(kě)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(rén)工智能）技術是人(rén)工智能技術與工業融合發展形成的(de)，貫穿于設計、生産、管理(lǐ)、服務等工業領域的(de)各個(gè)環節，實現了(le)模仿甚至超越人(rén)類感知、分(fēn)析、決策等能力的(de)技術、方法、産品及應用(yòng)系統[5]。工業智能技術包括專家系統、機器學習(xí)、知識圖譜、深度學習(xí)等，已在工業系統各層級、各環節廣泛應用(yòng)，并且其細分(fēn)應用(yòng)場(chǎng)景已達到數十種。

在工業生産現場(chǎng)，對(duì)于庫存管理(lǐ)、生産成本管理(lǐ)等流程清晰、機理(lǐ)明(míng)确、計算(suàn)複雜(zá)度較低的(de)問題，可(kě)通(tōng)過專家系統沉澱大(dà)量專業知識與經驗，進行推理(lǐ)和(hé)判斷，使問題得(de)到有效解決。對(duì)于設備運行優化(huà)、制造工藝優化(huà)、質量檢測等場(chǎng)景，這(zhè)類問題的(de)工業機理(lǐ)相對(duì)複雜(zá)，但不需要大(dà)量的(de)數據和(hé)複雜(zá)計算(suàn)，可(kě)以通(tōng)過機器學習(xí)進行處理(lǐ)，就能夠提升預測準确率，降低成本，并減少故障率。産品需求分(fēn)析、風險預測等場(chǎng)景，需要依靠大(dà)量數據的(de)推理(lǐ)作爲決策支持。盡管這(zhè)類場(chǎng)景計算(suàn)複雜(zá)度相對(duì)較高(gāo)，但其問題原理(lǐ)或對(duì)象間的(de)關系相對(duì)清晰；因此可(kě)利用(yòng)知識圖譜技術來(lái)解決。複雜(zá)産品質量檢測、設備複雜(zá)控制、生産安全等場(chǎng)景，則需要通(tōng)過深度學習(xí)技術對(duì)以圖像、視頻(pín)類爲主的(de)數據，進行深度分(fēn)析挖掘，從而解決工業領域的(de)“疑難雜(zá)症”。而産品智能研發、無人(rén)操作設備等更爲複雜(zá)的(de)問題，通(tōng)常需要多(duō)種方法組合進行求解。

通(tōng)過聯盟工業智能特設組，我們了(le)解到，目前基于視覺識别與分(fēn)析類的(de)工業智能技術最爲成熟。聯盟對(duì)基于數據分(fēn)析的(de)智能類應用(yòng)在設備制造等環節中進行了(le)初步探索，認爲基于數據分(fēn)析算(suàn)法類應用(yòng)的(de)必要性和(hé)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(tōng)過數字空間實時(shí)構建物(wù)理(lǐ)對(duì)象（包括資産、行爲、過程等）的(de)精準數字化(huà)映射，基于分(fēn)析預測以形成最佳綜合決策，進而實現工業全業務流程的(de)閉環優化(huà)。數字孿生技術以數據與模型的(de)集成融合爲核心，是由制造技術、信息技術及融合性技術交織形成的(de)新産物(wù)、新模式，覆蓋産品全生命周期及生産的(de)全過程。在産品的(de)設計階段，使用(yòng)數字孿生可(kě)以提高(gāo)設計的(de)準确性，并可(kě)以驗證産品在真實環境中的(de)性能；在産品的(de)生産制造階段，使用(yòng)數字孿生可(kě)以縮短産品生産周期，提高(gāo)設計質量，降低生産成本；在産品服務階段，使用(yòng)數字孿生可(kě)以提高(gāo)設備遠(yuǎn)程維護的(de)效率，減少宕機時(shí)間，降低整體的(de)維護成本。建設面向産品與生産線感知、仿真分(fēn)析、運行決策和(hé)執行優化(huà)等過程的(de)物(wù)理(lǐ)實體模型層、虛拟空間模型層，有助于構建虛實相互關聯和(hé)映射的(de)數字孿生對(duì)象模型。通(tōng)過各種開放工控協議(yì)和(hé)規範與現場(chǎng)自動化(huà)集成，可(kě)實現産品與生産線的(de)孿生對(duì)象數據同步和(hé)交換，以實現面向産品全生命周期的(de)産品設計與仿真、數字化(huà)工藝設計與仿真、生産線建模與仿真、生産過程建模與控制和(hé)設備故障診斷與遠(yuǎn)程運維的(de)應用(yòng)。

目前，數字孿生技術尚處于發展初期。聯盟中已有部分(fēn)成員(yuán)單位進行相關應用(yòng)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(de)《工業數字孿生白皮書(shū)》等，以加快(kuài)推動數字孿生技術的(de)應用(yòng)探索。在未來(lái)，數字孿生技術的(de)成熟發展，能夠驅動生産方式和(hé)制造模式的(de)變革。

2.6 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈是由多(duō)種技術集成創新而成的(de)分(fēn)布式網絡數據管理(lǐ)技術[6]。該技術利用(yòng)密碼學技術和(hé)分(fēn)布式共識協議(yì)，保證了(le)網絡傳輸與訪問安全，實現了(le)數據多(duō)方維護、交叉驗證、全網一緻和(hé)不易篡改。區(qū)塊鏈技術在工業互聯網中能夠解決高(gāo)價值制造數據的(de)追溯問題，充分(fēn)發揮促進數據共享、優化(huà)業務流程、降低運營成本、提升協同效率、建設可(kě)信體系等方面的(de)作用(yòng)，有助于打通(tōng)數據孤島，加速工業企業内部的(de)生産流程管理(lǐ)和(hé)設備安全互聯。此外，區(qū)塊鏈技術還(hái)能夠輔助制造業在不同主體間進行高(gāo)效協同，例如，在工業企業之間實現産業鏈協同，在工業企業和(hé)金融機構之間構築可(kě)信互聯的(de)新型産融協同生态。

目前，工業區(qū)塊鏈技術也(yě)處于發展初期。爲此，聯盟成立了(le)工業區(qū)塊鏈特設組，以加緊區(qū)塊鏈技術在工業領域應用(yòng)的(de)研究。此外，聯盟還(hái)發布了(le)《工業區(qū)塊鏈應用(yòng)白皮書(shū)》，開展了(le)典型應用(yòng)案例征集活動。這(zhè)對(duì)加快(kuài)推動工業區(qū)塊鏈基礎核心技術研究和(hé)行業應用(yòng)落地具有重要意義。

2.7 VR/AR技術

VR技術是指以計算(suàn)機、電子、信息和(hé)仿真技術爲核心，利用(yòng)各種現代科技手段來(lái)生成包括視覺、聽(tīng)覺、觸覺、嗅覺和(hé)味覺在内的(de)一體化(huà)的(de)虛拟環境。VR可(kě)爲用(yòng)戶提供沉浸式、無邊界的(de)虛拟體驗，并具備自主性、構想性和(hé)多(duō)感知性等多(duō)種能力。AR技術是将真實世界和(hé)虛拟世界的(de)信息綜合在一起，爲用(yòng)戶提供特定感官體驗的(de)人(rén)機接口的(de)技術。AR技術的(de)本質是用(yòng)計算(suàn)機和(hé)信息處理(lǐ)技術，将原本現實世界中不存在的(de)目标進行模拟仿真處理(lǐ)，并将這(zhè)些虛拟信息疊加在真實世界當中被用(yòng)戶感知，從而實現超越現實的(de)特殊體驗效果。其中，VR技術發展較早，相關産業鏈最爲成熟。随著(zhe)5G和(hé)邊緣計算(suàn)的(de)發展，AR技術逐漸從概念走向成熟，大(dà)大(dà)加速了(le)終端輕量化(huà)的(de)進程。目前，AR在工業領域的(de)應用(yòng)已有趕超VR的(de)趨勢。

VR/AR技術在工業領域中有諸多(duō)應用(yòng)場(chǎng)景。例如，工程師和(hé)設計師可(kě)以使用(yòng)VR/AR技術，以新的(de)動态方式協作、審查3D模型和(hé)數字原型。此外，AR技術還(hái)能夠實現産品可(kě)視化(huà)，增強顯示産品操作說明(míng)，改善現場(chǎng)機械和(hé)産品的(de)操作水(shuǐ)平等。VR/AR技術在産品開發、設計、制造、銷售、服務、物(wù)流、培訓、産品體驗等多(duō)個(gè)環節均可(kě)進行部署應用(yòng)，其可(kě)視化(huà)和(hé)增強功能指示将會對(duì)工業生産帶來(lái)較大(dà)的(de)影(yǐng)響。

目前，聯盟VR/AR特設組聯合有關單位，開展了(le)工業VR/AR的(de)技術研究，并征集到了(le)一批應用(yòng)案例。通(tōng)過研究分(fēn)析，聯盟發布了(le)《工業VR/AR白皮書(shū)》。在未來(lái)，聯盟拟開展虛實融合實驗室建設和(hé)新一代虛拟現實終端設計，以加快(kuài)推動工業VR/AR産業的(de)發展。

工業互聯網技術是工業互聯網發展的(de)關鍵動能。工業互聯網技術形成的(de)技術體系是工業互聯網體系架構落地實施的(de)重要支撐。由于工業互聯網技術已經超出了(le)單一學科和(hé)工程的(de)範圍，因此需要将各個(gè)獨立的(de)技術聯系起來(lái)，以構建一個(gè)相互關聯、各有側重的(de)新技術體系。該體系的(de)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(de)賦能作用(yòng)。