邬贺铨：开发新型5G工控网关，高起点建设工业互联网

以下是邬贺铨院士的演讲实录：

我讲一个比较具体的一点，针对新型的工业网关。现在工业互联网底层是要收集数据，然后通过互联网采集数据，中间有一个工业互联网平台，也有人说是企业操作系统，实际上是一个云平台，把数据进行分析，有大数据人工智能的软件，建立数字模型，然后产生一些决策，通过工业APP去支撑应用。实际上现在大部分企业都能够做到企业联网，做到门户网站、信贷管理、供应链金融、企业云，少一点是做工厂联网，更少一点的做到机器联网，把设备、仪器仪表联结在一起，更少一点是产品联网，我们卖出去的产品做远程的监控维护。我们很多企业做工业互联网，IT企业很多是从企业大佬进来，有些只做平台，为什么只做中间的，因为下面做不了。难题是企业现场级最难，原来有PLC、DCS、FCS来收集底层的生产装备、传感器、模拟量、开关量等等数字量，收集网了以后汇总到车间的现场总线。现在5G来了，我们增加一种模式，通过5G工业模组可以把这些数据收集起来，特别是针对运动的，传感器、机器人、无人机等等这两种模式不一样，一种是OT模式，是传统的工业，而左边是IT模式，是网络的。

再往上，上到车间和工厂一间，我们叫过程监控生产管理级，通过工业互联网再通过网关上到网络业务上，上面是工厂这一级和企业级，这里面有IT网络，有云计算还有APP，当然还要连着外网。

现在做大佬的容易，做平台商的来讲难一点，但是也有，但是做底层的很多都是望而生畏，进不来，这些做起很难。PLC是可编程逻辑控制器，DCS也是类似的。现在工业互联网把手机直接搬进共来，但是还有各种工厂的接口，以及还有PLC、DCS连接底层的机器和仪器仪表，所以工业模组是5G工厂利用的一部分，然后连到基站，这个基站可以是运营商的公共基站，也可以是企业的，然后再连到上面的服务器。现在在公众网上我们叫ToC，工业上基本终端都是接到基站，而工业上终端到基站可以多种多样的突破，甚至可以直连。过去公众网上的基站只有物理层的功能，不处理任何交换，当然在工业上，可能需要边缘计算、需要核心网的功能。

我比较两种模式，传统的模式是OT技术，是主从架构，由上位机来控制下边的服务，上位机要求你什么时候报，周期是你的命令，然后机器再来上报数据。但是这种PLC这种方式发展得很早，所以碎片化。现在作为国际标准的PLC标准有14种，在工业上运用的PLC有200种，在上层是工业以太网，工业以太网也很多，所以开放性不好，对新技术适应性差，不适应临时布放。

而工业互联网是标准以太网协议，层次简化，但是有个缺点，模式是CSMA/CD，看看总线上有没有人发数据没有人发我再发，那这个时延就很大了，所以5G这个的好处就弥补原来4时延不好的模式。5G不仅支持物对物，还支持人对物的通信，便于集成4各种新技术，适于云网边端。

过去标准以太网工业上在用，但是用在管理上基本上非实时，只是用在管理上。而现场总线和工业以太网都要求实时，现场要控制。但是现在生产自动化的生产线速度越来越快，自动化程度越来越高，工业以太网的实时性已经赶不上发展需要，所以需要发展延时敏感网，延时敏感网在时序里面定义了上层支持的服务包是什么质量要求，工厂里面有各种各样的数据要上报，但是这些数据并不那么紧迫。比如说周期性报告、温度湿度的数据，只要打上时间标签，晚一点报告也没有关系，但是2号和3号对应的是报警，生产上有故障，这个时候要优先。因为按照传统的办法是先到先走，不具备优先权，现在敏感协议可以让1号停止传输，然后先把2、3号传了，然后再把1号传，这种方式叫时延敏感网络，这样就解决了标准以太网没有实时性的确定，而且TSN是可以通过架构在5G上传送的，用这种方式能够实现周期性和非周期性数据的同传。

在上一层，叫过程监控与生产管理，就是里面把这些数据上导来，要注意到底层的数据，这些数据是没有接口的，企业的人看不见，而且也不会做数据的可视化。现在我们要引进这些东西，通过SCADA，把这些数据变得可视。SCADA具有把这些数据变成便于工厂的生产人员可以看到这些数据，能够把历史的数据关联起来，能够把你的数据什么时候报警能够判断出来，有一些模型，所以SCADA本身能够实现把底层的数据变成可管理的数据，但是有个问题，PLC/DSC的标准也在变化，所以要把SCADA和下面的数据连起来很容易，实际上配置很复杂、很麻烦，要针对不同的PLC有不同的配置，所以为什么我说讲工业互联网这么多，很少有IT企业敢于去接底层数据，因为配置太复杂了。

这里面用的公共主机都是Windows的，底层是OT，这一层是IT，这两个是不融合的，所以你要实现两个融合，就带来挑战。

在网络级，我们现在引入IPV6，IPV6可以实现真是源地质溯源，并留有很大的编程空间，可以开发更多的功能。APN6在IPV6包中定义业务服务质量，网络感知业务需求，提供流驱动的直接响应。所以你想说有质量的管理做不了，运营商之所以变管道化，就是因为他根本不懂这里面是什么东西。现在怎么办呢？我们可以定义IP包是哪个用户，什么服务、要求带宽多少、抖动多少、丢包率多少，网络就知道你要什么要求，我就能够差别的对待，你要低时延就低时延，你要高可靠就高可靠。

你说从A到Z测量，可以测，但是这次A到Z测量时走的路跟真正的数据走的路不一样，有多路径可以选择，所以测出来未必都是真的。现在搞了一个随流检测，在用户数据包里面，插入了一些减轻丢包率、减轻时延的检测，这样更好的满足工业上的需要。

另外实现分段路由，我把路由下达到第一个路由器，中间的路由器不用动脑筋、不用思考，快速的实现路由的建立，这是过去我们做不到的。实际上所谓可靠，不能保证网络不出问题，万一断了怎么办？没关系，我为每一段路由都预先计算了，备用路由走哪里，所以很快上报一个，就可以重新组织一个路由。另外你的业务有不同需求，可以引导你走不同路，如果没有特殊需求，走这段路来实现A到Z的连接，如果你要求低时延走这条路，要求高带宽你走这条路，你要高可靠怎么做？我们既要做到6个G的可靠性，你以为5G本身真的这么可靠吗？不是，你要高可靠我给你准备4条路，再不够，给你5条、6条，所以通过这种办法，使整个5G面向工业上的应用，你要什么样的应用我都可以满足。

在网络业务上，主要是做大数据和人工智能的分析。另外，上面还有OPC，是一种可以适应底层的，把底层不同的协议都可以翻译，底层现有的不是有PLC的多样性吗？不好改，怎么办？从语义上来翻译，从语义上来理解你的数据究竟是什么含义。人与人之间没有语义上的理解难题，可是企业上的数据自己不会说话，所以你要理解它比如说这层数据1是什么意思，0是什么，你必须定。所以我们在OPC这里实现语义上的兼容，当然OPC有两种模式，实际上你可以看到现场级的是各种各样的标志品，但是可以通过OPC实现翻译，一种叫C/S客户服务器，一种叫P/S就是发布/订阅，OPC的好处不论什么硬件，你是PC机、云服务器、PLC等各种各样的处理器都能建，无论是什么软件，Windows、苹果、谷歌、安卓的系统都可以兼容，OPC是万能的翻译，什么都可以兼容。我现在就定义什么呢？如果你知道这个生产环境是不是超过28度，我就告诉你，你先提一个订阅的要求，一旦发生这个事件，不管是谁，直接通知你，这样就省了建立连接的办法。所以通俗的讲，OPCUA是一个翻译器，OPC—UAOverTSN是解决打通了传感器到云，然后进行语义的翻译。

企业有分支机构、有各种各样的中心，有各种各样的云，走物理专线，安全质量就得到保障，但是成本要贵一点，而且不是你说多少带宽有多少带宽的。走公众互联网可能并不是这么好，可以基于企业的需求来选择。未来我们采用云原生，它的计算已经渗透到终端，所有的服务单元都很小，我们计算能力可以充分利用起来，另外现在在工业上很少利用一个云的，一般都会有多个云，多个云可以增加业务的多样性、安全性。要实现企业外网跟云连起来，最好的办法用IPv6。IPv6为什么简单？IPv4地址功能单一、靠增加协议来支撑新应用。IPv6增强地质功能，瘦身网络协议，简单高效。

我国机械行业80%的设备还是采用继电器，连PLC都没有，另外用了PLC95%是进口的，小型75%进口，DCS49%进口，高端的SCADA70%进口的，安全漏洞令人担心，且不少属于相关制造商的专有方案，协议不开放。一个典型的工厂的控制在90年代末仅5万个，到2030年将增加到55万个，靠PLC做不了。

怎么办？两者融合，并且把IPv6、SCADA、、OPC—UATSN、区块链、物联网、边缘计算融合在一起。原来发展过程中是一步一步来的，现在为什么还要分这么细？我把它融合起来更好。我提出来一个想法，国外是利益相关者，PLC是他们的，他为什么要颠覆自己，现在到了中国可以颠覆它的时候，我们应该自己来搞，所以工厂内王要推进IT与OT融合要开发融合的网关，使得工厂朝着扁平化、IP化、智能化发展，推动机器联网，才能盘活生产线的数据。

5G工业模组提供以视频的/ARVR宽带无线接入等应用的通道，为工业互联网的现场级增加了可供选择的接入模式，但只是传统PLC等工控设备的辅助，不足以解决基于传统工控设备的工业互联网层级多、标准碎片化、ITOT融合困难、网络安全性低等问题。融合了之后，我们可以不要PLC，但是现有工厂里面还有一些PLC，在5G工业模组基础上融合PLC/SCADA、TSN、IPv6、物联网、边缘计算和AI等技术，开发新型工控网关将推动工业互联网扁平化、IP化、无线化，实现IT/OT的无缝融合。新型工业网关还可利用OPC兼容现有工控设备。新型工控网关开创工业互联网新格局，也为5G在产业数字化的应用打通了道路，展示了广阔的创新空间。

开发新型5G可信工控网关需要加强产学研用合作，立足创新，明确需求，标准起步，试点推进，形成产业，支撑我国工业高质量可持续发展。