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上海交通大学副教授戴文斌
通讯是生产性企业在向数字化转型、网络化协同的过程中非常重要的一环。那很多人可能有这样的疑问：未来的工业通讯网络是什么样的形态？有哪些特征？我们怎么去实现它？我们就一一来聊聊这几个问题。
首先，我们畅想一下未来的工业通讯网络到底是个什么形态。在工业4.0的蓝图中，以工业物理系统（Industrial Cyber-PhysicalSystems）为核心的未来工业系统中设备与设备、设备与系统、系统与系统间都是以无线的形式连接在一起，而目前绝大多数的工业系统中都很难发现无线的踪影。究其原因，主要是目前所有的无线通讯技术仍然无法满足控制对实时性与可靠性的要求，虽然5G、Wi-Fi、WirelessHART等协议在工业已经得到了应用，但仍以监控系统数据交互以及视频信号传输为主。即使5G主要面向低延时与高可靠的应用场景，但工业系统所遵从的最差情况与IT系统中广泛使用的最好情况或者平均情况还是存在很大的距离，5G目前还是无法应用在实时控制中，在实时性与可靠性上与实时控制，特别是运动控制的需求还有一定的距离。因此，目前的无线技术仍然无法取代工业总线技术，以太网为基础的工业总线，甚至在遗留系统中有相当一大部分通讯仍然依仗基于RS485的总线，该总线在未来很长的一段时间内仍然将是工业总线通讯的主力军。而在监控层以上的工业通讯将逐步出现有线与无线并存的局面，最终无线方案将占上风。
假设未来无线技术能够满足工业的要求，那新时代的工业通讯网络又有哪些特征呢？其一，是即插即用的网络节点能够大幅度提升系统的灵活性。想象一下，未来工厂中所有节点都能够生产订单自组织形成满足任务需求的灵活网络，当生产完成时又能随时退出这个网络而加入新的网络。真正的智能工厂是可以根据用户自己的选择来动态重构生产流程以满足大规模定制化需求而无需人工干预，而不仅仅是在有限的集合中选择自己的偏好。下一代工业总线标准TSN已经在这方面迈出了坚实的一步，在实现微秒级时延以及纳秒级抖动的基础上，同时也定义了时间同步、数据调度、负载整形等多种优化机制。其二，是保证数据的安全，现有的工业通讯中由于实时性的限制以及不连接互联网的情况下，数据安全的问题没有曝露。在工业互联网的推动下，当这些系统连接到公网后，数据安全问题就会集中爆发。因此，未来的工业通讯网络应该在保证实时性与可靠性的基础上，也能对数据进行加密与监控，保证数据的隐私。
最后，我们要如何去实现这样的未来工业网络？显然，以目前工业互联网参考构架中仍然沿用TCP/UDP over IP的IT网络结构是很难实现这些特性的。因此，期待国内各界能够共同推动全新的标准网络构架，综合考虑实时性、安全性、可靠性以及成本因素。工业互联网任重道远，脚踏实地走好每一步，认认真真解决每一个实际问题，少一点概念炒作，多一点落地方案，把卡住的脖子套出来。
摘自《自动化博览》2020年5月刊
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