按照德國工業(yè) 4.0 的頂層設(shè)計(jì)的思路明顯可見，工業(yè)4.0 的基礎(chǔ)是在工業(yè)生產(chǎn)價(jià)值鏈各個(gè)環(huán)節(jié)所發(fā)生的所有實(shí)例的全部信息，都應(yīng)該通過面向應(yīng)用的聯(lián)網(wǎng)，構(gòu)成信息的高可用性。信息的可用性越高，價(jià)值增值的可能性越大。這表示RAMI4.0 參考模型的通信層需要確保不同工業(yè) 4.0 基本單元之間及時(shí)、可靠、安全的信息傳輸。同時(shí)，這些通信技術(shù)也必須完全支持 RAMI4.0 參考模型的遞階(hierarchy)維度各層級(jí)內(nèi)和各層級(jí)間的通信要求。由此可以推斷，相關(guān)的通信系統(tǒng)(包括商用的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議)也是工業(yè) 4.0 中的關(guān)鍵資產(chǎn)。為了使各種工業(yè) 4.0 的基本單元能進(jìn)行符合工業(yè)4.0 要求的端對(duì)端通信，它們也需要一個(gè)管理殼。

通信作為工業(yè)4.0的自動(dòng)化系統(tǒng)中至關(guān)重要的子系統(tǒng)，其主要挑戰(zhàn)不是通信系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能，而是把通信要求所涵蓋 范圍的所有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無縫的集成，這些網(wǎng)絡(luò)包括從有嚴(yán)格確 定性要求的就地控制網(wǎng)絡(luò)，到工廠內(nèi)部的運(yùn)行操作管理網(wǎng)絡(luò)，到企業(yè)生產(chǎn)的計(jì)劃調(diào)度網(wǎng)絡(luò)，并延伸到全球連接的跨企業(yè)的 通信;以及基于網(wǎng)絡(luò)通信的自組態(tài)和各類網(wǎng)絡(luò)管理的集成。還有的挑戰(zhàn)是，在生產(chǎn)技術(shù)的生命周期和信息技術(shù)的生命周 期存在巨大差異的情況下，如何制定不同以往的升級(jí)遷移、集成和維護(hù)的策略。

當(dāng)前通信在推進(jìn)工業(yè) 4.0 發(fā)展面臨的問題是，現(xiàn)有的工業(yè)通信技術(shù)雖然打下了良好的基礎(chǔ)，但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能在技術(shù)和成本上滿足工業(yè) 4.0 的要求;而正在發(fā)展中的技術(shù)如 5G、NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)等還有待于試驗(yàn)驗(yàn)證和推廣，至少在近期內(nèi)還不會(huì)在工業(yè)制造中產(chǎn)生實(shí)際上的影響。

盡管如此，這也沒有妨礙工業(yè) 4.0 中的通信技術(shù)的有效發(fā)展，德國工業(yè)界正在多頭推進(jìn)。首先是德國工業(yè) 4.0 平臺(tái)作為德國工業(yè)界協(xié)調(diào)推進(jìn)工業(yè) 4.0 國策的組織機(jī)構(gòu)，其下的第一工作組(負(fù)責(zé)參考架構(gòu))下設(shè)一個(gè)小組，專門針對(duì)“基于網(wǎng)絡(luò)的通信”，為基于網(wǎng)絡(luò)的通信解決方案未來的發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)行規(guī)劃。明確基于網(wǎng)絡(luò)通信的主要要求，評(píng)估現(xiàn)有的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，或者正在開發(fā)中的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。

為了構(gòu)造基于網(wǎng)絡(luò)通信的各種場景和要求，該小組勾畫了有關(guān)的推薦和參考模型，作為 RAMI4.0 的一個(gè)補(bǔ)充。其次是由 DIN、DKE 和 VDE 聯(lián)合發(fā)布的工業(yè) 4.0 標(biāo)準(zhǔn)化路線圖的第三版，專門開辟通信章節(jié)，討論有線通信和無線通信的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 意義的通信需要在標(biāo)準(zhǔn)化方面開展的工作及建議。還有由 Fraunhofer 和 VDMA 發(fā)布專門針對(duì)中小型企業(yè)的工業(yè)4.0 通信導(dǎo)則(基于開放平臺(tái)通信統(tǒng)一架構(gòu) OPC UA)，幫助他們選擇正確的方法和步驟實(shí)施工業(yè)通信的升級(jí)遷移。

用于工業(yè) 4.0 的基于網(wǎng)絡(luò)的通信

用于工業(yè) 4.0 的基于網(wǎng)絡(luò)的通信定義如下：為賦予兩個(gè)或多個(gè)工業(yè)4.0 基本單元建立通信關(guān)系的能力，用于工業(yè)4.0 的基于網(wǎng)絡(luò)的通信需要把所有有關(guān)的的技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議都加以涵蓋。工業(yè) 4.0 的基于網(wǎng)絡(luò)的通信，其應(yīng)用必須經(jīng)由符合工業(yè) 4.0 的界面，使端對(duì)端的通信具備信息交換和對(duì)話的能力。網(wǎng)絡(luò)資源的利用也可以通過非符合工業(yè) 4.0 的界面加以配置。

值得注意的是，在RAMI4.0內(nèi)分析基于網(wǎng)絡(luò)的通信有兩個(gè)視角：1)從使用通信的視角看，出于用戶數(shù)據(jù)傳輸功能 的通信需要，在此情形下與管理殼的接口承擔(dān)通信設(shè)施支持有關(guān)數(shù)據(jù)存取的組態(tài)。2)從如何實(shí)施通信的視角看，作為 數(shù)據(jù)傳輸功能提供者的通信能力的體現(xiàn)，并為信息交流提供服務(wù)質(zhì)量QoS，在此情形下管理殼將通信設(shè)施加以隱藏。將基于網(wǎng)絡(luò)通信作為工業(yè)4.0必須使用的“科目“，實(shí) 際上就是通信的使用。這體現(xiàn)在RAMI4.0的兩個(gè)維度，即生產(chǎn)組織及其設(shè)備按其層級(jí)遞階的維度和生命周期和價(jià)值流 的維度。正如圖1所示，表現(xiàn)為哪些科目需要通信交換數(shù)據(jù)。

為了交換數(shù)據(jù)和信息，或者為提供和使用遠(yuǎn)程設(shè)備的功能，工業(yè)4.0的基本單元必須具有通信能力。為此必須對(duì)工業(yè)4.0的基本單元規(guī)定描述應(yīng)用通信要求的特性。這些特性是要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和長度、要求的性能、所提供的或所期望的信息/功能層之間的接口，以及基于網(wǎng)絡(luò)的通信(串行或并行、緩沖區(qū)或FIFO先進(jìn)先出、服務(wù)或協(xié)議)。這些特性是工業(yè)4.0基本單元管理殼中通信子模型的元素項(xiàng)?；谶@些工業(yè)4.0基本單元通信子模型的特性值，可以實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)幕诰W(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)。至于網(wǎng)絡(luò)中的各種設(shè)備，并沒有必要作為工業(yè)4.0的基本單元。然而，由工業(yè)4.0基本單元所提供的特性， 譬如說在物聯(lián)網(wǎng)的意義上，也可以支持涉及具有相當(dāng)寬泛應(yīng)用范圍的基于網(wǎng)絡(luò)的通信。

圖1 基于網(wǎng)絡(luò)的通信是RAMI4.0必須使用的科目將基于網(wǎng)絡(luò)的通信作為工業(yè)4.0的“目標(biāo)”，實(shí)際上就是基于網(wǎng)絡(luò)的通信必須承擔(dān)工業(yè)4.0需要的通信。這體現(xiàn)在RAMI4.0的另一維度，即如何實(shí)現(xiàn)由實(shí)體資產(chǎn)及其功能集合映射為虛擬表達(dá)制造過程的維度。正如圖2所示，在此維度 中表述怎樣來實(shí)施通信的目標(biāo)。

基于網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成和生命周期管理系統(tǒng)， 將被看作與其它資產(chǎn)一樣，與符合工業(yè)4.0要求的工業(yè)自動(dòng)化 系統(tǒng)相關(guān)。因此，為了開發(fā)管理殼AS的內(nèi)容，將按照RAMI4.0 的模型的組成元素考慮。這使得網(wǎng)絡(luò)的持久穩(wěn)固的管理和應(yīng) 用，會(huì)按照生產(chǎn)過程經(jīng)常變化的要求賦能。這僅僅是在基于網(wǎng)絡(luò)通信作為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的一部分的場合所要求的。

圖2 基于網(wǎng)絡(luò)通信作為工業(yè)4.0必須實(shí)施的目標(biāo)

如上所述在工業(yè)4.0的環(huán)境中，對(duì)于有關(guān)管理殼的問題， 有兩種視角觀察基于網(wǎng)絡(luò)的通信。那么就需要為通信資產(chǎn)也 建立管理殼，以便將這兩種視角所觀察的問題集成起來。

在工業(yè)4.0面向服務(wù)架構(gòu)的環(huán)境中，基于網(wǎng)絡(luò)的通信的管理殼需要考慮以下先決條件：1)有關(guān)工業(yè)4.0管理殼的概念包括描述工業(yè)4.0的基本單元特性的公用模型和有關(guān)服 務(wù)質(zhì)量的信息交換能力;2)工業(yè).4.0服務(wù)架構(gòu)的概念。圖3 示出工業(yè)4.0服務(wù)架構(gòu)的概念圖。圖中自上而下分別是：平臺(tái)管理服務(wù)、信息服務(wù)、通信服務(wù)，所有這些服務(wù)均建立在通信基礎(chǔ)架構(gòu)/資產(chǎn)數(shù)字化和服務(wù)參與者的基礎(chǔ)之上。表1概括 了上述的目標(biāo)，給出工業(yè)4.0服務(wù)層級(jí)與自動(dòng)化、ICT和通信管理殼的關(guān)系。

圖3工業(yè)4.0服務(wù)遞階層級(jí)的概念圖

表1 工業(yè)4.0服務(wù)層級(jí)與自動(dòng)化、ICT和通信管理殼的關(guān)系工業(yè) 4.0 中基于網(wǎng)絡(luò)的通信的模型和要求

為了能以結(jié)構(gòu)化的形式確切描述 RAMI4.0 通信層的相關(guān)要求、功能和接口，需要把基于網(wǎng)絡(luò)的通信的模型設(shè)計(jì)為RAMI4.0 的擴(kuò)展和補(bǔ)充。圖 4 給出的兩維模型中，一個(gè)維度是 RAMI4.0 中所謂的“遞階層級(jí)”及其包含的對(duì)通信的潛在要求;另一個(gè)維度是對(duì)通信的時(shí)間響應(yīng)的要求。用在基于網(wǎng)絡(luò)的通信中的不同的通信系統(tǒng)，在這兩個(gè)維度都有描述。這些 不同的通信系統(tǒng)的區(qū)別在于它們被用于不同的遞階層級(jí)，因而對(duì)網(wǎng)絡(luò)有著不同的時(shí)間響應(yīng)要求。圖4中用圓柱體表示工業(yè) 4.0 基本單元，這些工業(yè)4.0基本單元之間經(jīng)由特定的網(wǎng)絡(luò)相互通信。圓柱體的高度表示所要求的數(shù)據(jù)傳輸率。

圖中處在企業(yè)間通信( Connected World ) 層和企業(yè)層(Enterprise)的工業(yè) 4.0 基本單元，使用I4.0 網(wǎng)絡(luò)3(即時(shí)間響應(yīng)大于 100ms 的網(wǎng)絡(luò))，它們的數(shù)據(jù)傳輸率的要求顯然是很高的。而那些處于現(xiàn)場設(shè)備層(Field Device)和控制設(shè)備層(Control Device)的工業(yè)4.0基本單元，運(yùn)用I4.0 網(wǎng)絡(luò) 1(即時(shí)間響應(yīng)小于 1ms 的網(wǎng)絡(luò))，它們的數(shù)據(jù)傳輸率就很低。在這個(gè)模型中要點(diǎn)是連接不同網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)(圖中用紅色矩形表示)，這種網(wǎng)關(guān)起到將公司內(nèi)部的局域網(wǎng)連接到網(wǎng)絡(luò)提供商的全球網(wǎng)絡(luò)的作用。符合工業(yè)4.0要求的端對(duì)端的連接，就是通過網(wǎng)關(guān)在工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)內(nèi)構(gòu)成。

圖 4RAMI4.0 中通信層的模型

表2列舉了工業(yè)4.0環(huán)境下主要的通信應(yīng)用場景，包括工廠自動(dòng)化FA、過程自動(dòng)化PA、操作運(yùn)營管理、遠(yuǎn)程操作、第三方服務(wù)以及包羅全部通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管。在典型的自動(dòng)化應(yīng)用中所呈現(xiàn)的這些場景，參照了所規(guī)定的具有基于網(wǎng)絡(luò)通信能力的資產(chǎn)，如物理的或邏輯的通信網(wǎng)絡(luò)、端對(duì)端的通信關(guān)系、任意管理殼的主體(即支持符合工業(yè)4.0通信的基本單 元)、網(wǎng)絡(luò)管理和控制系統(tǒng)聯(lián)接等等。這些場景的特點(diǎn)將會(huì)在管理殼中所需要的功能中體現(xiàn)。

表2 工業(yè)4.0環(huán)境下主要的通信應(yīng)用場景

根據(jù)這些參照?qǐng)鼍翱梢詺w納出對(duì)于基于網(wǎng)絡(luò)的通信的基本要求是：信息安全、可用性和服務(wù)質(zhì)量QoS。信息安全包括：1)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)安全，2)信息安全的識(shí)別，3)功能信息安全(參見IEC 61784-3現(xiàn)場總線的功能安全)?？捎眯允侵高^程和數(shù)據(jù)適時(shí)可用的性能，以及將過程和數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)運(yùn)用的能力。得到授權(quán)的用戶不可拒絕對(duì)信息和系統(tǒng)進(jìn)行存取。工業(yè)4.0要求的服務(wù)質(zhì)量可分為三類，即延遲要求(包括抖動(dòng))，數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?例如用最大的位或幀的出錯(cuò)率)，數(shù)據(jù)傳輸率的要求。此外，對(duì)于無線通信系統(tǒng)還有在解決所用頻譜的共存性問題的同時(shí)，還需滿足上述QoS的參 數(shù)。表3給出幾種有關(guān)的服務(wù)質(zhì)量要求的數(shù)量范圍。為了在RAMI4.0的環(huán)境下把這些要求轉(zhuǎn)換為符合工業(yè)4.0的功能，必須通過管理殼來加以表達(dá)。

表3 不同應(yīng)用場合對(duì)服務(wù)質(zhì)量的要求目前通信技術(shù)與基于網(wǎng)絡(luò)的通信要求的差距

從大的方面來看，工業(yè)4.0所需要的基于網(wǎng)絡(luò)的通信與 目前所能提供的通信技術(shù)之間還存在著明顯的差距。主要表現(xiàn)在以下四個(gè)方面：

1)對(duì)無線聯(lián)網(wǎng)解決方案的需求強(qiáng)烈工業(yè)4.0要求生產(chǎn)過程不能固定在某個(gè)一成不變的場合，它必須能夠適應(yīng)靈活 的組織生產(chǎn)的要求，具有足夠的移動(dòng)性;還要求生產(chǎn)工具和 裝備適應(yīng)性更強(qiáng)，以及物流的組織必須滿足動(dòng)態(tài)而非靜態(tài)的 要求。較之有線通信系統(tǒng)來說，無線系統(tǒng)顯然能快速突破技 術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的限制。未來會(huì)在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用數(shù)量巨大的傳 感器和執(zhí)行器，除了使用有效的無線系統(tǒng)，別無替代辦法。如此大規(guī)模的商業(yè)應(yīng)用的前景，導(dǎo)致藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)正在 開發(fā)低成本的結(jié)構(gòu)，但至今為止僅有非常有限的機(jī)制來解決 抗干擾、信息安全和響應(yīng)時(shí)間等問題。目前單一的無線工業(yè) 解決方案局限于很少的頻帶，由于只能容納數(shù)量不多的傳感 器和執(zhí)行器，所以不可能有很好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。預(yù)計(jì)未來5至10年內(nèi)5G將會(huì)在工業(yè)應(yīng)用中起到巨大作用。

2)靈活而且安全質(zhì)量有保證的端對(duì)端的通信 工業(yè)4.0 對(duì)于端對(duì)端通信的核心要求是靈活、盡可能的安全，以及最廣闊的通信質(zhì)量保證范圍。通常需要跨越不同的網(wǎng)絡(luò)以及不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商，才能完成端對(duì)端的通信，并且還要保證最佳的連續(xù)性。采用TSN技術(shù)的OPC UA(IEC 62541)顯然是很好的選擇，但考慮到OPC UA本質(zhì)上是為解決設(shè)備與設(shè)備的聯(lián)接而開發(fā)的，遠(yuǎn)不能滿足工業(yè)4.0對(duì)軟件與軟件、復(fù)雜數(shù)據(jù)與復(fù)雜數(shù)據(jù)、人與系統(tǒng)等的聯(lián)接性的要求，還需要有其它的聯(lián)接性協(xié)議(如DDS、oneM2M、HTTP)加以完善和互補(bǔ)。

鑒于在端對(duì)端通信中網(wǎng)關(guān)起著重要作用，在工廠的局域 網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間符合工業(yè)4.0要求的網(wǎng)關(guān)必須具有以下屬性： 可組態(tài)，且具備基于應(yīng)用而建立通道的安全協(xié)議;以盡可能 短的時(shí)間建立聯(lián)接和斷開聯(lián)接;提供監(jiān)控和分析功能的便捷 而靈活的工具;對(duì)每個(gè)應(yīng)用程序進(jìn)行優(yōu)先級(jí)別的管理;在各 個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商之間保證QoS參數(shù)的轉(zhuǎn)化。特別是從中 長期來看，與5G的聯(lián)接運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分割和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)，將會(huì)大大有助于提高靈活性。

3)基于網(wǎng)絡(luò)的通信的管理殼 要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI4.0中的通信層能力的安全靈活的應(yīng)用，必須在工業(yè)4.0基本單元的管理殼中表達(dá)通信基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的功能，這樣才能通過符合工業(yè)4.0的通信執(zhí)行具體應(yīng)用的請(qǐng)求和重發(fā)。因此管理殼必須支持兩種基本的用例：

工業(yè)4.0基本單元之間的端對(duì)端連接路徑的請(qǐng)求和/或信 息交換，具有完善定義的服務(wù)質(zhì)量和信息安全性能，最好是不依賴于所用的特定通信協(xié)議。

對(duì)新加入的工業(yè)4.0基本單元的初始化組態(tài)(自動(dòng)引導(dǎo)) 要在第一時(shí)間獲得通信基礎(chǔ)架構(gòu)管理殼的存取，最好是 具有最小的預(yù)組態(tài)輸入。

4)標(biāo)準(zhǔn)化的國際化問題到目前為止在生產(chǎn)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)中用了許多不同的標(biāo)準(zhǔn)，但大都是國家標(biāo)準(zhǔn)和專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)4.0要在全球競爭中取勝，建立基于網(wǎng)絡(luò)的通信國際化的標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)務(wù)之急。

僅從通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化集成的期望來看，目前用于工業(yè)4.0的解決方案，明顯存在以下問題：通信裝置的組態(tài)接口還無法擺脫對(duì)供應(yīng)商的依賴;缺乏不依賴于通信物理介質(zhì)的端對(duì)端通信的接口(這里可考慮基于意圖的聯(lián)網(wǎng)方法);缺乏共存管理的接口，尤其是對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)沒有共存接口。關(guān)鍵是需要與通信網(wǎng)絡(luò)建立以下接口：與使用通信層資產(chǎn)的信息交流的接口，與監(jiān)控信息交換使用狀態(tài)的接口，發(fā)現(xiàn)符合工業(yè)4.0服務(wù)主機(jī)的接口。

基于意圖聯(lián)網(wǎng)(intent-based networking，IBN)是一項(xiàng)正在發(fā)展中的技術(shù)，可能是今后30年內(nèi)得以廣泛運(yùn)用的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其核心是結(jié)合運(yùn)用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)，來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理的自動(dòng)化，極大提高網(wǎng)絡(luò)的可用性和靈活性，使最終用戶的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)策略實(shí)際實(shí)現(xiàn)。根據(jù)Gartner的分析，基于意圖 的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是提升網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施可用性和敏捷性的中間件產(chǎn)品，其中包含對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行、保障等完整生命周期的管理。

據(jù)悉，目前至少 70%以上的網(wǎng)絡(luò)還是依靠人工通過命令行接口進(jìn)行管理。IBN 的終極目的是建立和實(shí)現(xiàn)自管理網(wǎng)絡(luò)(self-managing networks)?；谝鈭D聯(lián)網(wǎng)以應(yīng)用為中心，聚焦于滿足應(yīng)用軟件從網(wǎng)絡(luò)中獲得它所需要的服務(wù)。在基于意圖聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)配置(provisioning)，或網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化與運(yùn)行沒有任何關(guān)系，它只選擇網(wǎng)絡(luò)為應(yīng)用軟件提供所需要的服務(wù)。源于美國的 IETF 互聯(lián)網(wǎng)工程專責(zé)小組和 ETSI 歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化研究所都致力于發(fā)展這項(xiàng)新技術(shù)。而美國的思科已于 2018 年 6 月推出了基于意圖的聯(lián)網(wǎng)的軟件平臺(tái)。

通信作為工業(yè) 4.0 的資產(chǎn)

在工業(yè) 4.0 的環(huán)境下把通信考慮為資產(chǎn)，通過其管理殼在信息世界中進(jìn)行表達(dá)。換言之，通信也是工業(yè) 4.0 的一種基本單元(見圖 5)。按照德國標(biāo)準(zhǔn) DIN Spec 91345，管理殼的內(nèi)容是以子模型表示其特征的，那么在通信資產(chǎn)管理殼 中的各種子模型，將包含符合工業(yè) 4.0 的通信的所有信息。

圖 5通信作為工業(yè) 4.0 的一種基本單元

在圖6中示出通信資產(chǎn)子模型細(xì)節(jié)。數(shù)據(jù)層為工業(yè)4.0的通信(數(shù)據(jù)傳輸以及數(shù)據(jù)格式的完善補(bǔ)充)提供服務(wù)，而控制層通過精細(xì)粒度(附有有關(guān)性能)的通信子模型來表達(dá)管理服務(wù)。如圖6所示通信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)是管理殼的可 能的接口。而目前網(wǎng)管系統(tǒng)通常復(fù)雜，部分是專用的，而且與其下的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備綁定，沒有必要的靈活性。

圖6 工業(yè)4.0基本單元中有關(guān)通信子模型的細(xì)節(jié)

今后，通信網(wǎng)絡(luò)將從面向硬件轉(zhuǎn)向面向軟件。網(wǎng)絡(luò)的功能將在統(tǒng)一的傳輸、計(jì)算和存貯的基礎(chǔ)架構(gòu)的基礎(chǔ)上，以虛擬的方式生成，即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)。計(jì)算和存貯的基礎(chǔ)架構(gòu)可以由集中的或分布式數(shù)據(jù)中心(云基生產(chǎn)) 所控制和掌握。再與軟件定義聯(lián)網(wǎng) SDN 架構(gòu)和功能組合起來，則有了新的機(jī)會(huì)建立靈活的通信網(wǎng)絡(luò)，并能邁向?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)管理。

圖7示出的方法是在通過管理殼運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的概念模型中， 運(yùn)用軟件定義聯(lián)網(wǎng)SDN的架構(gòu)。圖中可見，工業(yè)4.0的應(yīng)用使 用網(wǎng)絡(luò)通信管理殼與SDN控制器互動(dòng)，在無需了解SDN技術(shù)的情況下，基本上完成SDN的任務(wù)。這樣，工業(yè)4.0網(wǎng)絡(luò)通信提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)的存取，而這個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理提供諸如網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)、對(duì)其它網(wǎng)絡(luò)的存取進(jìn)行控制，以及處理鏈接要求等服務(wù)。從IT的角度看，管理殼中的通信子模型對(duì)應(yīng)于SDN的應(yīng)用，通信資產(chǎn)中的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)其下的控制層所執(zhí)行的控制細(xì)節(jié)，相當(dāng)于由SDN控制器承擔(dān);而數(shù)據(jù)層的任務(wù)由網(wǎng)絡(luò)和標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(如TSN)執(zhí)行，這對(duì)應(yīng)于SDN控制器與SDN 的數(shù)據(jù)路徑之間的增強(qiáng)發(fā)現(xiàn)。

圖7 工業(yè)4.0基本單元通信子模型SDN的實(shí)現(xiàn)方案

如果在真實(shí)的工業(yè)4.0環(huán)境中采用SDN應(yīng)用表達(dá)虛擬的RAMI4.0通信管理殼，那么實(shí)行RAMI4.0管理殼的要求必須 通過信息交流和交換來實(shí)現(xiàn)。這就要求在未來的公共網(wǎng)絡(luò)支持基于SDN的信息交流和交換的過程和步驟。傳統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)中由專門的路由器和交換機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和網(wǎng)絡(luò)控制。SDN通過一個(gè)單獨(dú)的基于軟件的SDN控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功 能的集中化，而路由器和交換機(jī)只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)，減少了轉(zhuǎn)發(fā)的成本。SDN控制器可監(jiān)控絕大部分網(wǎng)絡(luò)，輕松識(shí)別最優(yōu)報(bào)文 路由，在網(wǎng)絡(luò)擁堵或者部分癱瘓的情況下尤其有用。由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的路由器和交換機(jī)的路由決策，只局限于部分網(wǎng)絡(luò)而不是所有網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，相比而言，SDN控制器的路由 決策能力就強(qiáng)得多。

NFV和SDN推動(dòng)了網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的發(fā)展，軟件化和云化則定義了網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)代化的路徑。未來通信網(wǎng)絡(luò)另一個(gè)重要的方法是網(wǎng)絡(luò)分割(network slicing)，這是5G中一個(gè)關(guān)鍵的概念?；赟DN和NFV的原理，可以在相同的物理基礎(chǔ)架構(gòu)下，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)分割的概念建立不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片邏輯上都是一個(gè)自給自足的網(wǎng)絡(luò)，每項(xiàng)業(yè)務(wù)都可以擁有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)切片。例如專門的視頻網(wǎng)絡(luò)切片、IoT網(wǎng)絡(luò)切片， 或者關(guān)鍵通信網(wǎng)絡(luò)切片(如工業(yè)4.0專用網(wǎng)絡(luò)切片)等等。 當(dāng)然，也可以將多個(gè)相似業(yè)務(wù)放在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片上。這一體現(xiàn)在公共的物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，運(yùn)行多個(gè)虛擬且獨(dú)立業(yè)務(wù)運(yùn)行的邏輯網(wǎng)絡(luò)的概念，其高效率且成本低廉的效果，將徹底改變了現(xiàn)行的實(shí)現(xiàn)方法，也使得5G更能適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)外部環(huán)境的變化，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的性能更佳?？傊?，5G與網(wǎng)絡(luò)分割的組合會(huì)使業(yè)務(wù)客戶與運(yùn)營商在簽訂服務(wù)級(jí)別協(xié)議(Service Level Agreement，SLA)的前提下，享有其專有的聯(lián)接性和數(shù)據(jù)處理性能，包括數(shù)據(jù)速度、通信質(zhì)量、延遲、可靠性、信息安全和服務(wù)。

可以預(yù)見，工業(yè) 4.0 專用的網(wǎng)絡(luò)切片將靈活地建立在工業(yè) 4.0 專用要求的基礎(chǔ)上。網(wǎng)絡(luò)分割的詳細(xì)機(jī)制，包括建立網(wǎng)絡(luò)分割存取運(yùn)行范圍和域，目前正在研究中。德國 ZVEI(電氣電子協(xié)會(huì))已在內(nèi)部新設(shè)立 5G-ACIA(5G 連接工業(yè)和自動(dòng)化聯(lián)盟，5G Alliance for Connected Industry and Automation)，正在策劃一個(gè)有關(guān) IMT-2020 頻帶(5G 技術(shù))和非 IMT 頻帶(5.8 GHz ISM band)向國際電信聯(lián)盟 ITU-R 聯(lián)合體的提議，并將通過德國聯(lián)邦網(wǎng)絡(luò)代理機(jī)構(gòu) German Federal Network Agency 提交。看來有可能在所有共存的應(yīng)用之間進(jìn)行有序合作的基礎(chǔ)上，在 5G 頻帶中專門開辟為工業(yè)自動(dòng)化的專用頻譜。

結(jié)束語

從目前的推進(jìn)形勢觀察，符合工業(yè) 4.0 要求的通信要獲得全面成熟的應(yīng)用，或許還要十年左右的時(shí)間。這不僅僅是因?yàn)樵S多相關(guān)的技術(shù)還處于開發(fā)、試驗(yàn)階段，因?yàn)樵S多標(biāo)準(zhǔn)尚待開發(fā)制定和國際化，還因?yàn)樯婕案髦饕I(yè)國家和新興工業(yè)國家相關(guān)法律的制定和通信運(yùn)營商之間的協(xié)商。工業(yè)4.0 所要求的通信畢竟是前所未有的通信集成，牽涉到萬物(包括軟件和硬件)和企業(yè)、人員的互聯(lián)。當(dāng)然還有政治因素，全球化和反全球化的斗爭目前大有愈演愈烈之勢，可能對(duì)此也會(huì)產(chǎn)生難以預(yù)料的影響