工业网络3.0白皮书（2022年）工业互联网产业联盟2023年6月 声明本报告所载的材料和信息，包括但不限于文本、图片、数据、观点、建议，不构成法律建议，也不应替代律师意见。本报告所有材料或内容的知识产权归工业互联网产业联盟所有（注明是引自其他方的内容除外），并受法律保护。如需转载，需联系本联盟并获得授权许可。未经授权许可，任何人不得将报告的全部或部分内容以发布、转载、汇编、转让、出售等方式使用，不得将报告的全部或部分内容通过网络方式传播，不得在任何公开场合使用报告内相关描述及相关数据图表。违反上述声明者，本联盟将追究其相关法律责任。工业互联网产业联盟联系电话：010-62305887邮箱：aii@caict.ac.cn 前言在全球第四次工业革命的浪潮下，人机物需要通过工业互联网彼此交互，相互协同，形成更为高效智能的运作系统。以5G、TSN、边缘计算、云计算、大数据、人工智能为代表的新一代信息通信技术将与工业自动化技术形成合力，实现工业企业在设计、采购、生产、仓储、物流、运营、销售各个环节的智能化运行。网络作为工业互联网基础，需要具备接入海量设备、异构系统互联互通、端到端确定性传输、网络资源智能调度等能力，新一代工业网络呼之欲出。本白皮书由工业互联网产业联盟组织，中国信息通信研究院牵头行业内相关单位编写，通过对工业网络发展历程梳理，导引工业网络3.0概念及愿景，就其目标架构、关键技术及演进路线进行分析，旨在为工业网络的演进和发展方向进行抛砖引玉。在本白皮书的编写过程中，得到了联盟成员及国内外众多企业、研究机构、高校的大力支持，为白皮书的观点形成与编写提供了有力支撑。后续我们将根据业界的实践情况和各界的反馈意见，在持续深入研究的基础上适时修订和发布的新版本。编写组成员（排名不分先后）：张恒升、朱瑾瑜、陈洁、李栋、杨冬、成剑、朱海龙、黄韬、林思雨、卢云龙、杨铮、任杰、张华宇、李庆、贺骁武、冯景斌、詹双平、黄震宁、魏彬、黄蓉、裴郁杉、金嘉亮、孙雷、王健全、赵艳领、公彦杰、李方健、王童童、包华杰、胡慧敏、乔雷、陈晓光、刘艳强、王晔彤、高娴牵头编写单位：中国信息通信研究院参与编写单位：中科院沈阳自动化研究所北京交通大学北京邮电大学网络通信与安全紫金山实验室清华大学鹏城实验室中国移动通信研究院中国联合网络通信有限公司研究院中国电信股份有限公司研究院北京科技大学机械工业仪器仪表综合技术经济研究所华为技术有限公司北京航空航天大学浪潮通信技术有限公司工业互联网产业联盟公众号 目录一、愿景............................................................................................................1（一）工业网络发展历程.........................................................................1（二）工业网络技术演进.........................................................................2（三）工业网络3.0的内涵.......................................................................3（四）工业网络发展驱动力.....................................................................4二、场景需求..................................................................................................5（一）应用场景..........................................................................................5（二）业务挑战........................................................................................11（三）关键指标........................................................................................13三、关键能力................................................................................................15（一）目标架构........................................................................................15（二）关键技术........................................................................................20四、展望........................................................................................................21附录................................................................................................................23（一）转发技术........................................................................................23（二）管控技术........................................................................................29（三）融合技术........................................................................................31 —1—一、愿景（一）工业网络发展历程人类大致经历了四个工业革命阶段，工业网络的演进与后三次工业革命相对应。19世纪末20世纪初，随着以电力为动力的第二次工业革命的出现，以反馈系统理论为基础的自动控制方法及技术于20世纪40年代开始广泛应用于工业系统领域，工业系统中的通讯主要依赖于电路系统的模拟电子线路信号实现，可以视为工业网络的雏形或者前身。20世纪下半叶，以计算机技术为代表的第三次工业革命出现，数字通信成为第三次工业革命新动能。从最初的模数混合起步，基于已有的模拟线路实现数字通信。20世纪80年代，现场总线技术在不同行业兴起，以全数字化、双向串行、多点连接通信技术实现了工业现场执行器、传感器以及变送器等多设备互联。90年代末，随着工业控制应用和管理应用对于承载需求的进一步提升，具有更高传输效率、更大带宽、更好兼容性的工业以太网逐步兴起，开始从工业现场测量控制网络发展向生产管理延伸。进入新世纪，工业无线引入工业应用场景，对工业有线网络形成有效补充。各类工业总线和工业以太等工业网络诞生于不同行业领域，形成了以IEC61158、IEC61784等为代表的工业网络系列标准。21世纪开始，在美国、德国、中国等科技大国逐渐出现了工业互联网的概念，新的工业应用不断涌现，工业控制系统与信息系统信息交互模式出现变革。随着工业互联网的发展，工业智能化、一体化的趋势愈发明显，在人工智能、清洁能源、无人控制技术、量子信息技术、虚拟现实等新技术的推动下，工业网络正在进行全新的技术革命。 —2—（二）工业网络技术演进最初的工业网络基于工业控制系统发展而来，只包含工业控制网络。而随着工业企业网络化、信息化进程不断推进、升级，通过各种网络和信息系统将生产管控、物料管理、事务处理、现金流动、客户交易等业务流程加工成信息资源。工业网络逐步发展，涵盖了工业控制网络和工业信息网络两个层次。前者主要负责工业控制系统内部以及系统之间的互联互通，承载工业测量、控制信号及系统相关的监控、诊断、管理等相关业务；后者主要支撑原始数据转换为信息后，应用于业务分析系统、并实现控制反馈的数据互通，两个网络分别各自演进，形成了分层分域的网络架构。在新技术的推动下，工业控制网络与工业信息网络逐渐呈现融合趋势，具备支持多业务、多协议、多厂商设备和数据的互联互通、共网承载以及高质量传输能力已经成为网络技术必然的演进方向。具备高实时、高可靠、广覆盖、高安全等特点的工业网络技术，例如时间敏感网络（TSN）、工业5G、OPCUA、工业光网、单对双绞线、卫星网络等，正在逐步成为工业网络热点技术，形成新一代工业网络。图1工业网络技术发展图 —3—总而言之，第二次工业革命时期，在生产系统中，面向基础自动控制设备，以模拟信号通信为主的自动控制网络，称之为工业网络1.0。在第三次工业革命时期，在车间中，面向数字化工业设备及信息化自控系统，以数据通信为主的工业总线和工业以太网，称之为工业网络2.0。随着第四次工业革命的来临，面向工业互联网生产要素全连接、生产过程高智能的目标，网络应用范围从局域扩展到广域，工业网络3.0应运而生。（三）工业网络3.0的内涵工业网络3.0是面向2030年及未来，以工业互联网应用为驱动，支撑人、机、平台协同创新应用，技术高融合、部署高灵活、服务可度量、接口可编程的新型工业网络。工业网络3.0以先进网络技术为基础，以泛在互联、确定承载、智能极简、高效低碳为目标，全面支撑机器与平台、人与平台、人与机器的互联互通互操作。泛在互联是基本要求。在新一轮科技革命的驱动下，新一代信息技术正深刻影响制造业发展，工业数据的横向与纵向集成正不断扩展延伸，工业网络3.0的范围不断扩展。一是传统的“聋”“哑”设备将被数字化网络化设备替代，人、机、料、法、环、测实现全面的无死角网络覆盖和连接，从生产现场到云端将通过网络互联和数据互通，构建一套可互操作、可移植的开放架构体系。二是泛在安全成为工业网络的内生属性，通过增强主动防御、智能感知、协同处理等能力，实现网络设施和数据的稳定可靠、安全可信。确定承载是核心诉求。采集、传输、转发数据是网络的基础能力，更好的承载能力、确定的服务性能成为工业网络3.0的核心能力。一是通过各类新型网络化技术实现端到端融合承载，面向不同垂直行业，多种业务混合传输需求，按需提供确定性网络保障。二是实现多层级、广范围的确定性传输。车间级网络传输时延达到亚毫秒级，机械制造类的机台内部网 —4—络端到端通信响应时间缩减到微秒级。园区级网络反馈控制类业务的端到端传输时延达到毫秒级。城域级网络达到TB级别的传输带宽，确定性端到端时延达到10毫秒级，承载接入和器规模达到百万级以上。智能极简是内生需求。数字化节点的快速增加，灵活化生产的规模扩大，工业网络体系复杂度日益增加，人工辅组甚至无人化的“建、运、管、维”成为工业网络3.0的必然要求。一是工业网络全生命周期智能化，通过在网络规划、部署、运维、优化各环节构建感知洞察能力、优化分析能力、决策部署能力等，实现人员成本降低、操作失误减少、故障快速定位解决，大幅提升工业网络支撑能力。二是服务接口极简化，以数据为基础，以场景为导向、以算法为支撑，配合大数据处理和机器学习技术，免除繁琐的应用安装、部署、维护过程，降低工业网络管理、运营、维护的难度和技术门槛，实现人对系统接口的简洁化。高效低碳是更高追求。工业互联网数据流量的的爆发式增长将导致网络能源消耗的大幅增加，工业网络3.0要实现效率与节能水平的同步提升。一是