面向应用的确定性技术蓝皮书

I编写说明随着我国不断深入推进新型工业化，工业企业的数字化、网络化、智能化升级需求越来越高，工厂中涌现了机器视觉质检、AR等大量新型的工业应用，这些工业应用除了对网络通信提出了低时延、低抖动等要求，也对计算能力提出更高的低处理时延、周期同步等要求。未来在工业场景下，生产线需要确保多个生产环节在一个约定的时间内完成，这迫切需要工业企业对网络资源和算力资源进行统一调度。因此，如何协同网络通信与计算处理过程，保障工业应用的确定性，已成为行业热点。确定性技术研究正逐渐从网络层向应用层延伸，成为新型工业网络的关键技术方向。2023年，工业互联网产业联盟网络组组织产学研用相关单位，共同开展了面向应用的确定性技术研究，提出面向应用的确定性系统架构，旨在建立工业算力和工业网络之上的资源综合调度机制和系统，以保障工业生产流程中工业应用协同的确定性。通过梳理典型应用场景并分析重点技术方向，本蓝皮书为相关产业的技术研究与发展以及新型工业应用的部署提供了方向指引。组织单位：工业互联网产业联盟编写单位（排名不分先后）：中国信息通信研究院、中国科学院沈阳自动化研究所、北京邮电大学、紫金山实验室、清华大学、北京交通大学、首钢集团有限公司、重庆大学、普天信息工程设计服务 II有限公司、中国电信集团有限公司、北京首钢自动化信息技术有限公司、中国联合网络通信有限公司、中电福富信息科技有限公司、中国电子科技集团有限公司电子科学研究院、北京理工大学、中电科普天科技股份有限公司、中国电信研究院、中国移动通信有限公司研究院、中兴通讯股份有限公司、山东浪潮科学研究院有限公司、华为技术有限公司、中国铁塔通信技术研究院、中国信息通信研究院西部分院编写组成员（排名不分先后）：张恒升、付韬、李栋、俞雪婷、朱海龙、黄韬、张华宇、彭开来、贾庆民、杨峥、贺骁武、王泽宇、杨冬、张维庭、张丙龙、宋扬、李明妍、郭松涛、陈昕、郭惠军、李果、张东、贾雪琴、韩政鑫、李凯、税洪静月、张腾飞、李丹、程栋、张岱、马锐、张振、曾军、蒋铭、刘鹏、黄震宁、马万明、彭伟杰、王晶、李斌、楚俊生、赵孝武、张昊彦、陈李昊、郭宇辉、马鸿泰、李然、唐华苹、吕玲 III目录一、背景............................................1二、面向应用的确定性内涵与架构......................3（一）面向应用的确定性技术内涵......................3（二）确定性服务内涵................................4（三）面向应用的确定性系统架构......................5（四）面向应用的确定性技术特征.....................10三、重点技术方向...................................14（一）基础共性技术.................................14（二）监测分析技术.................................15（三）跨系统协同技术...............................15（四）资源调度技术.................................16（五）跨系统控制技术...............................17四、面向应用的确定性应用场景.......................18（一）服装整理的生产线机器人.......................18（二）控制即服务的实时生产线.......................20（三）跨园区确定性的云化X服务.....................22（四）确定性数字孪生的智能车间.....................24（五）“用户到产线”的定制生产线...................26（六）确定性巡检的地下综合管廊.....................28（七）精准自动化的光学元件装配.....................31（八）确定性边端协同的冶金产线.....................32（九）冶金行业确定性机器视觉检测...................34五、展望...........................................37六、附录...........................................39（一）术语表......................................39（二）参考文献列表................................39 一、背景随着工厂的数字化、网络化、智能化水平不断提升，工业网络、工业算力与工业控制呈现出新的架构与特征。一方面，工业算力从生产线分离出来，物理上分成现场级、边缘级和中心级。另一方面，逻辑上工厂全流程管控逐步向一体化、无人化发展。随着工厂中涌现了机器视觉质检、AR等大量新型的工业应用，这些工业应用除了对网络通信提出了低时延、低抖动等要求，也对计算能力提出更高的低处理时延、周期同步等要求，需要建立网络与算力的更紧密联系。未来在工业场景下，生产线需要确保多个生产环节在一个约定的时间内完成，这迫切需要工业企业对网络资源和算力资源进行统一调度。因此，工业企业管理网络和算力的复杂度和难度持续增大，不得不付出更多的人力、资金、设备来管理工厂网络。目前国内外企业积极开展算力与网络一体化研究并研制相关产品，相关产品依据工业应用的需求对计算能力与网络通信能力进行协同优化。例如，对于需要大量数据传输的机器学习模型训练任务，在网络带宽有限的情况下，可先对数据进行压缩或预处理，减少数据传输量，同时优化网络传输协议，提高数据传输效率。与互联网中应用的服务质量不同，工业应用需求普遍具有较强的时间敏感要求。及接口，如何准时、精确地协同工业应用成为了未来工业网络中的挑战。 1由于缺乏工业算力的确定性参数协调机制 2一是大范围确定性协作难度大。PLC、数字化机床等生产设备往往要求操作时延达到不高于毫秒级误差，但OT设备引入智能算法后，分离的生产系统、算力系统和云服务增加了生产流程的总时延。目前各类设备仅实现了业务编排和数据互通，但在无法将确定性参数分配给工业算力的情况下，缺乏有效的计算任务动态调度机制，难以完成整个生产流程确定性的弹性控制。二是算力与网络资源控制不灵活、效率低。工业算力和工业网络各自独立配置，在生产线任务变化后，难以动态、高效地调整跨设备的网络资源和计算资源，只能通过预留过量资源来平衡多种生产任务对共享资源的需求。例如，机器视觉装配任务在识别复杂图像中的线缆弯曲时，边缘计算运行的分类算法需要实时处理大量图像信息，一旦网络转发时延超出预期时，边缘计算无法动态地缩减时延。因此，机器视觉应用需要预留额外的带宽和独立的边缘计算容器，为类似工业应用部署独占的服务器极大提升了生产线成本。算力网络相关工作也无法解决该类问题，算力网络主要关注“大网海量资源”的调度，聚焦算力池化、费用计量等移动通信业务关心的问题，无法直接用于资源紧张的工厂。三是工业算力、工业网络的综合管理运维更复杂。在现有工厂建设模式中，传统生产线解决方案的部署门槛高、灵活性低、运维难度大，工业算力和工业网络各自有独立的管理模块。当生产任务变更时，算、网、控设备都需要重新配置，生产线重新配置需要暂停生产活动，业务变更的时间成本和经济成本 3较高。为了解决上述问题，新型工业网络将支持控网算集成的新特征，如何兼顾网络通信过程确定性与计算处理过程确定性成为关键问题。本报 告 提 出面 向 应 用 的 确 定 性 （Application-orientedDeterminacy，AoD）技术，该技术是实现工业算网的关键技术之一，在算网资源统一调度的基础上统筹生产流程的确定性保障。该技术依据生产流程将多应用协同过程组成一个确定性服务，面向工厂中的确定性服务将计算过程和通信过程统筹规划，依据生产全流程的确定性需求自顶向下地完成资源协同分配，实时、动态优化工厂基础设施及其资源，在智能生产中保障多样化工业应用高效率、高可靠、高确定性地执行。二、面向应用的确定性内涵与架构（一）面向应用的确定性技术内涵面向应用的确定性技术是一种管理工业应用协同过程确定性的技术，该技术协调工业应用的通信过程与计算过程，使得应用执行过程的时延、抖动、带宽等指标具有确定的极限值。面向应用的确定性技术通过协同调度生产设备、边缘设备和网络设备的多种资源，并匹配工业应用的执行顺序，从而确保整个生产流程的确定性。因此，面向应用的确定性由以下四个方面共同构成：一是网络传输的通信确定性，面向应用的确定性技术需要确保数据在传输过程中具有低时延、低抖动和高可靠性，满足工业应用对实时性通信的要求。 4二是工业算力的计算确定性，面向应用的确定性技术需要保证计算任务能够在算力设备上按照预定的时间和顺序执行，确保处理结果的及时性和准确性。三是应用流程的时序确定性，面向应用的确定性技术需要确保各个工业应用按照既定的关系协同工作，避免因时序混乱导致的生产问题。四是程序执行的逻辑确定性，面向应用的确定性技术需要确保程序在执行过程中逻辑清晰、操作准确，避免因程序错误、无法收敛或逻辑混乱导致的不确定性。（二）确定性服务内涵确定性服务是指一个或多个应用参与的通信环节和计算环节构成的闭环，是面向应用的确定性技术管理各种资源的“桥梁”。面向应用的确定性技术针对确定性服务定义性能参数，可以更加直观地表达生产流程的需求。因此，面向应用的确定性技术可以针对确定性服务的各环节进行动态调整和优化。以图1所示的确定性服务为例，确定性产线由AGV小车、传送带、机械臂、工业模型等组成。确定性服务是贯穿IT系统和OT系统的业务流，代表AGV小车将原料运送到传送带，传送带将原料传递给机械臂，机械臂依据工业模型加工的过程。其中，计算过程包括小车控制应用、传送带应用、机械臂应用，通信过程包括通知传送带原料就绪信号、工业设备应用发送图像数据、云平台应用识别决策结果等。从图中可以看出，由于计算资源和网络资源会复用给多个工业应用，生产线会同时运行多个确定性服务，面向应用的确定性技术需要同时保障所有 5确定性服务的时延、抖动、顺序、可靠性等指标。图1确定性服务示意图（三）面向应用的确定性系统架构面向应用的确定性系统是一种实现面向应用的确定性能力的分布式系统，其系统架构如图2所示。 1.应用层应用层由工业互联网模式及其中应用组成。面向应用的确定性系统中的应用包含通用应用和行业专用应用，用户可以根据每个应用的需求分别进行确定性参数配置。1）通用应用是各种场景下都会用到的基础应用，提供数据采集、通用模型、数据预处理、协议转换等基本功能。2）行业专用应用是特定行业领域的专业性较强的应用，提供定制化、差异化功能。2.控制层控制层是管理服务与资源的控制部分，分为管理控制功能、确定性服务管理和面向应用的确定性北向接口三个部分，用于监测、调度和管理整个系统中的工业设备、工业应用、各种资源和确定性服务。管理控制功能是整体确定性管理服务的功能集合，分为应用管理、确定性策略、接口管理、资源调度和设备控制五个部分。其中，应用管理可以新增/修改/删除工业应用，时序关系管理用于编辑工业应用之间的执行顺序，应用控制用于主动更改工业应用配置。确定性策略用于管理整个系统的策略，该功能支持新增/修改/删除策略。策略库用于管理系统中可以使用的各种策略。策略评估用于监测面向应用的确定性系统的实时性能，该功能利用历史数据和监测数据评估确定性策略的执行结果。接口管理用于控制系统中的北向接口和资源调用接口，可以新增/修改/删除接 7 8口和管理会话/连接。资源调度主要用于资源度量、资源检测和资源分配控制。设备控制功能支持新增/修改/删除设备，实现已纳管各类设备的远程调控。1）确定性服务管理是实现确定性服务创建、监测、资源调度等功能