通訊在工業4.0的自動化系統中的作用
按照德國工業 4.0 的頂層設計的思路明顯可見，工業4.0 的基礎是在工業生產價值鏈各個環節所發生的所有例項的全部資訊，都應該通過面向應用的聯網，構成資訊的高可用性。資訊的可用性越高，價值增值的可能性越大。這表示RAMI4.0 參考模型的通訊層需要確保不同工業 4.0 基本單元之間及時、可靠、安全的資訊傳輸。同時，這些通訊技術也必須完全支援 RAMI4.0 參考模型的遞階(hierarchy)維度各層級內和各層級間的通訊要求。由此可以推斷，相關的通訊系統(包括商用的技術、網路和協議)也是工業 4.0 中的關鍵資產。為了使各種工業 4.0 的基本單元能進行符合工業4.0 要求的端對端通訊，它們也需要一個管理殼。
通訊作為工業4.0的自動化系統中至關重要的子系統，其主要挑戰不是通訊系統的實時效能，而是把通訊要求所涵蓋 範圍的所有網路進行無縫的整合，這些網路包括從有嚴格確 定性要求的就地控制網路，到工廠內部的執行操作管理網路，到企業生產的計劃排程網路，並延伸到全球連線的跨企業的 通訊;以及基於網路通訊的自組態和各類網路管理的整合。還有的挑戰是，在生產技術的生命週期和資訊科技的生命周 期存在巨大差異的情況下，如何制定不同以往的升級遷移、整合和維護的策略。
當前通訊在推進工業 4.0 發展面臨的問題是，現有的工業通訊技術雖然打下了良好的基礎，但仍遠遠不能在技術和成本上滿足工業 4.0 的要求;而正在發展中的技術如 5G、NFV(網路功能虛擬化)等還有待於試驗驗證和推廣，至少在近期內還不會在工業製造中產生實際上的影響。
儘管如此，這也沒有妨礙工業 4.0 中的通訊技術的有效發展，德國工業界正在多頭推進。首先是德國工業 4.0 平臺作為德國工業界協調推進工業 4.0 國策的組織機構，其下的第一工作組(負責參考架構)下設一個小組，專門針對“基於網路的通訊”，為基於網路的通訊解決方案未來的發展和標準化進行規劃。明確基於網路通訊的主要要求，評估現有的有關標準和規範，或者正在開發中的標準和規範。為了構造基於網路通訊的各種場景和要求，該小組勾畫了有關的推薦和參考模型，作為 RAMI4.0 的一個補充。其次是由 DIN、DKE 和 VDE 聯合釋出的工業 4.0 標準化路線圖的第三版，專門開闢通訊章節，討論有線通訊和無線通訊的現狀，實現工業 4.0 意義的通訊需要在標準化方面開展的工作及建議。還有由 Fraunhofer 和 VDMA 釋出專門針對中小型企業的工業4.0 通訊導則(基於開放平臺通訊統一架構 OPC UA)，幫助他們選擇正確的方法和步驟實施工業通訊的升級遷移。
用於工業 4.0 的基於網路的通訊
用於工業 4.0 的基於網路的通訊定義如下：為賦予兩個或多個工業4.0 基本單元建立通訊關係的能力，用於工業4.0 的基於網路的通訊需要把所有有關的的技術、網路和協議都加以涵蓋。工業 4.0 的基於網路的通訊，其應用必須經由符合工業 4.0 的介面，使端對端的通訊具備資訊交換和對話的能力。網路資源的利用也可以通過非符合工業 4.0 的介面加以配置。
值得注意的是，在RAMI4.0內分析基於網路的通訊有兩個視角：1)從使用通訊的視角看，出於使用者資料傳輸功能 的通訊需要，在此情形下與管理殼的介面承擔通訊設施支援有關資料存取的組態。2)從如何實施通訊的視角看，作為 資料傳輸功能提供者的通訊能力的體現，併為資訊交流提供服務質量QoS，在此情形下管理殼將通訊設施加以隱藏。
將基於網路通訊作為工業4.0必須使用的“科目“，實 際上就是通訊的使用。這體現在RAMI4.0的兩個維度，即生產組織及其裝置按其層級遞階的維度和生命週期和價值流 的維度。正如圖1所示，表現為哪些科目需要通訊交換資料。
為了交換資料和資訊，或者為提供和使用遠端裝置的功能，工業4.0的基本單元必須具有通訊能力。為此必須對工業4.0的基本單元規定描述應用通訊要求的特性。這些特性是要傳輸的資料型別和長度、要求的效能、所提供的或所期望的資訊/功能層之間的介面，以及基於網路的通訊(序列或並行、緩衝區或FIFO先進先出、服務或協議)。這些特性是工業4.0基本單元管理殼中通訊子模型的元素項。基於這些工業4.0基本單元通訊子模型的特性值，可以實現適當的基於網路的通訊系統。至於網路中的各種裝置，並沒有必要作為工業4.0的基本單元。然而，由工業4.0基本單元所提供的特性， 譬如說在物聯網的意義上，也可以支援涉及具有相當寬泛應用範圍的基於網路的通訊。
圖1 基於網路的通訊是RAMI4.0必須使用的科目
將基於網路的通訊作為工業4.0的“目標”，實際上就是基於網路的通訊必須承擔工業4.0需要的通訊。這體現在RAMI4.0的另一維度，即如何實現由實體資產及其功能集合對映為虛擬表達製造過程的維度。正如圖2所示，在此維度 中表述怎樣來實施通訊的目標。
基於網路的通訊系統的設計、整合和生命週期管理系統， 將被看作與其它資產一樣，與符合工業4.0要求的工業自動化 系統相關。因此，為了開發管理殼AS的內容，將按照RAMI4.0 的模型的組成元素考慮。這使得網路的持久穩固的管理和應 用，會按照生產過程經常變化的要求賦能。這僅僅是在基於網路通訊作為工業自動化系統的一部分的場合所要求的。
圖2 基於網路通訊作為工業4.0必須實施的目標
如上所述在工業4.0的環境中，對於有關管理殼的問題， 有兩種視角觀察基於網路的通訊。那麼就需要為通訊資產也 建立管理殼，以便將這兩種視角所觀察的問題整合起來。
在工業4.0面向服務架構的環境中，基於網路的通訊的管理殼需要考慮以下先決條件：1)有關工業4.0管理殼的概念包括描述工業4.0的基本單元特性的公用模型和有關服 務質量的資訊交換能力;2)工業.4.0服務架構的概念。圖3 示出工業4.0服務架構的概念圖。圖中自上而下分別是：平臺管理服務、資訊服務、通訊服務，所有這些服務均建立在通訊基礎架構/資產數字化和服務參與者的基礎之上。表1概括 了上述的目標，給出工業4.0服務層級與自動化、ICT和通訊管理殼的關係。
圖3工業4.0服務遞階層級的概念圖
表1 工業4.0服務層級與自動化、ICT和通訊管理殼的關係
工業 4.0 中基於網路的通訊的模型和要求
為了能以結構化的形式確切描述 RAMI4.0 通訊層的相關要求、功能和介面，需要把基於網路的通訊的模型設計為RAMI4.0 的擴充套件和補充。圖 4 給出的兩維模型中，一個維度是 RAMI4.0 中所謂的“遞階層級”及其包含的對通訊的潛在要求;另一個維度是對通訊的時間響應的要求。用在基於網路的通訊中的不同的通訊系統，在這兩個維度都有描述。這些 不同的通訊系統的區別在於它們被用於不同的遞階層級，因而對網路有著不同的時間響應要求。圖4中用圓柱體表示工業 4.0 基本單元，這些工業4.0基本單元之間經由特定的網路相互通訊。圓柱體的高度表示所要求的資料傳輸率。圖中處在企業間通訊( Connected World ) 層和企業層(Enterprise)的工業 4.0 基本單元，使用I4.0 網路3(即時間響應大於 100ms 的網路)，它們的資料傳輸率的要求顯然是很高的。而那些處於現場裝置層(Field Device)和控制裝置層(Control Device)的工業4.0基本單元，運用I4.0 網路 1(即時間響應小於 1ms 的網路)，它們的資料傳輸率就很低。在這個模型中要點是連線不同網路的閘道器(圖中用紅色矩形表示)，這種閘道器起到將公司內部的區域網連線到網路提供商的全球網路的作用。符合工業4.0要求的端對端的連線，就是通過閘道器在工業4.0網路內構成。
圖 4RAMI4.0 中通訊層的模型
表2列舉了工業4.0環境下主要的通訊應用場景，包括工廠自動化FA、過程自動化PA、操作運營管理、遠端操作、第三方服務以及包羅全部通訊網路的網管。在典型的自動化應用中所呈現的這些場景，參照了所規定的具有基於網路通訊能力的資產，如物理的或邏輯的通訊網路、端對端的通訊關係、任意管理殼的主體(即支援符合工業4.0通訊的基本單 元)、網路管理和控制系統聯接等等。這些場景的特點將會在管理殼中所需要的功能中體現。
表2 工業4.0環境下主要的通訊應用場景
根據這些參照場景可以歸納出對於基於網路的通訊的基本要求是：資訊保安、可用性和服務質量QoS。資訊保安包括：1)網路和資料安全，2)資訊保安的識別，3)功能資訊保安(參見IEC 61784-3現場匯流排的功能安全)。可用性是指過程和資料適時可用的效能，以及將過程和資料進行適當運用的能力。得到授權的使用者不可拒絕對資訊和系統進行存取。工業4.0要求的服務質量可分為三類，即延遲要求(包括抖動)，資料傳輸的可靠性(例如用最大的位或幀的出錯率)，資料傳輸率的要求。此外，對於無線通訊系統還有在解決所用頻譜的共存性問題的同時，還需滿足上述QoS的參 數。表3給出幾種有關的服務質量要求的數量範圍。為了在RAMI4.0的環境下把這些要求轉換為符合工業4.0的功能，必須通過管理殼來加以表達。
表3 不同應用場合對服務質量的要求
目前通訊技術與基於網路的通訊要求的差距
從大的方面來看，工業4.0所需要的基於網路的通訊與 目前所能提供的通訊技術之間還存在著明顯的差距。主要表現在以下四個方面：
1)對無線聯網解決方案的需求強烈工業4.0要求生產過程不能固定在某個一成不變的場合，它必須能夠適應靈活 的組織生產的要求，具有足夠的移動性;還要求生產工具和 裝備適應性更強，以及物流的組織必須滿足動態而非靜態的 要求。較之有線通訊系統來說，無線系統顯然能快速突破技 術和經濟上的限制。未來會在工業生產中運用數量巨大的傳 感器和執行器，除了使用有效的無線系統，別無替代辦法。如此大規模的商業應用的前景，導致藍芽和無線區域網正在 開發低成本的結構，但至今為止僅有非常有限的機制來解決 抗干擾、資訊保安和響應時間等問題。目前單一的無線工業 解決方案侷限於很少的頻帶，由於只能容納數量不多的感測 器和執行器，所以不可能有很好的經濟效應。預計未來5至10年內5G將會在工業應用中起到巨大作用。
2)靈活而且安全質量有保證的端對端的通訊 工業4.0 對於端對端通訊的核心要求是靈活、儘可能的安全，以及最廣闊的通訊質量保證範圍。通常需要跨越不同的網路以及不同的網路運營商，才能完成端對端的通訊，並且還要保證最佳的連續性。採用TSN技術的OPC UA(IEC 62541)顯然是很好的選擇，但考慮到OPC UA本質上是為解決裝置與裝置的聯接而開發的，遠不能滿足工業4.0對軟體與軟體、複雜資料與複雜資料、人與系統等的聯接性的要求，還需要有其它的聯接性協議(如DDS、oneM2M、HTTP)加以完善和互補。
鑑於在端對端通訊中閘道器起著重要作用，在工廠的局域 網與廣域網之間符合工業4.0要求的閘道器必須具有以下屬性： 可組態，且具備基於應用而建立通道的安全協議;以儘可能 短的時間建立聯接和斷開聯接;提供監控和分析功能的便捷 而靈活的工具;對每個應用程式進行優先級別的管理;在各 個不同的網路運營商之間保證QoS引數的轉化。特別是從中 長期來看，與5G的聯接運用網路分割和網路功能虛擬化(network function virtualization，NFV)，將會大大有助於提高靈活性。
3)基於網路的通訊的管理殼 要實現工業4.0參考架構模型RAMI4.0中的通訊層能力的安全靈活的應用，必須在工業4.0基本單元的管理殼中表達通訊基礎結構的功能，這樣才能通過符合工業4.0的通訊執行具體應用的請求和重發。因此管理殼必須支援兩種基本的用例：
工業4.0基本單元之間的端對端連線路徑的請求和/或信 息交換，具有完善定義的服務質量和資訊保安效能，最好是不依賴於所用的特定通訊協議。
對新加入的工業4.0基本單元的初始化組態(自動引導) 要在第一時間獲得通訊基礎架構管理殼的存取，最好是 具有最小的預組態輸入。
4)標準化的國際化問題到目前為止在生產技術和自動化技術中用了許多不同的標準，但大都是國家標準和專業標準。工業4.0要在全球競爭中取勝，建立基於網路的通訊國際化的標準是當務之急。
僅從通訊技術的標準化整合的期望來看，目前用於工業4.0的解決方案，明視訊記憶體在以下問題：通訊裝置的組態介面還無法擺脫對供應商的依賴;缺乏不依賴於通訊物理介質的端對端通訊的介面(這裡可考慮基於意圖的聯網方法);缺乏共存管理的介面，尤其是對於無線網路沒有共存介面。關鍵是需要與通訊網路建立以下介面：與使用通訊層資產的資訊交流的介面，與監控資訊交換使用狀態的介面，發現符合工業4.0服務主機的介面。
基於意圖聯網(intent-based networking，IBN)是一項正在發展中的技術，可能是今後30年內得以廣泛運用的網路技術，其核心是結合運用人工智慧和機器學習，來實現網路管理的自動化，極大提高網路的可用性和靈活性，使終端使用者的網路業務策略實際實現。根據Gartner的分析，基於意圖 的網路系統是提升網路基礎設施可用性和敏捷性的中介軟體產品，其中包含對網路基礎設施的設計、實施、執行、保障等完整生命週期的管理。
據悉，目前至少 70%以上的網路還是依靠人工通過命令列介面進行管理。IBN 的終極目的是建立和實現自管理網路(self-managing networks)。基於意圖聯網以應用為中心，聚焦於滿足應用軟體從網路中獲得它所需要的服務。在基於意圖聯網中，網路配置(provisioning)，或網路自動化與執行沒有任何關係，它只選擇網路為應用軟體提供所需要的服務。源於美國的 IETF 網際網路工程專責小組和 ETSI 歐洲電信標準化研究所都致力於發展這項新技術。而美國的思科已於 2018 年 6 月推出了基於意圖的聯網的軟體平臺。
通訊作為工業 4.0 的資產
在工業 4.0 的環境下把通訊考慮為資產，通過其管理殼在資訊世界中進行表達。換言之，通訊也是工業 4.0 的一種基本單元(見圖 5)。按照德國標準 DIN Spec 91345，管理殼的內容是以子模型表示其特徵的，那麼在通訊資產管理殼 中的各種子模型，將包含符合工業 4.0 的通訊的所有信息。
圖 5通訊作為工業 4.0 的一種基本單元
在圖6中示出通訊資產子模型細節。資料層為工業4.0的通訊(資料傳輸以及資料格式的完善補充)提供服務，而控制層通過精細粒度(附有有關效能)的通訊子模型來表達管理服務。如圖6所示通訊網路的網路管理系統是管理殼的可 能的介面。而目前網管系統通常複雜，部分是專用的，而且與其下的網路架構和網路裝置繫結，沒有必要的靈活性。
圖6 工業4.0基本單元中有關通訊子模型的細節
今後，通訊網路將從面向硬體轉向面向軟體。網路的功能將在統一的傳輸、計算和存貯的基礎架構的基礎上，以虛擬的方式生成，即網路功能虛擬化(Network Function Virtualization, NFV)。計算和存貯的基礎架構可以由集中的或分散式資料中心(雲基生產) 所控制和掌握。再與軟體定義聯網 SDN 架構和功能組合起來，則有了新的機會建立靈活的通訊網路，並能邁向實現實時網路和服務管理。
圖7示出的方法是在通過管理殼執行網路的概念模型中， 運用軟體定義聯網SDN的架構。圖中可見，工業4.0的應用使 用網路通訊管理殼與SDN控制器互動，在無需瞭解SDN技術的情況下，基本上完成SDN的任務。這樣，工業4.0網路通訊提供對網路管理服務的存取，而這個網路管理提供諸如網路發現、對其它網路的存取進行控制，以及處理連結要求等服務。從IT的角度看，管理殼中的通訊子模型對應於SDN的應用，通訊資產中的網路管理系統其下的控制層所執行的控制細節，相當於由SDN控制器承擔;而資料層的任務由網路和標準的網路技術(如TSN)執行，這對應於SDN控制器與SDN 的資料路徑之間的增強發現。
圖7 工業4.0基本單元通訊子模型SDN的實現方案
如果在真實的工業4.0環境中採用SDN應用表達虛擬的RAMI4.0通訊管理殼，那麼實行RAMI4.0管理殼的要求必須 通過資訊交流和交換來實現。這就要求在未來的公共網路支援基於SDN的資訊交流和交換的過程和步驟。傳統的傳輸網路中由專門的路由器和交換機實現資料轉發和網路控制。SDN通過一個單獨的基於軟體的SDN控制器實現網路控制功 能的集中化，而路由器和交換機只負責轉發，減少了轉發的成本。SDN控制器可監控絕大部分網路，輕鬆識別最優報文 路由，在網路擁堵或者部分癱瘓的情況下尤其有用。由於傳統網路中的路由器和交換機的路由決策，只侷限於部分網路而不是所有網路的執行情況，相比而言，SDN控制器的路由 決策能力就強得多。
NFV和SDN推動了網路現代化的發展，軟體化和雲化則定義了網路現代化的路徑。未來通訊網路另一個重要的方法是網路分割(network slicing)，這是5G中一個關鍵的概念。基於SDN和NFV的原理，可以在相同的物理基礎架構下，運用網路分割的概念建立不同的邏輯網路切片。每個網路切片邏輯上都是一個自給自足的網路，每項業務都可以擁有一個獨立的網路切片。例如專門的視訊網路切片、IoT網路切片， 或者關鍵通訊網路切片(如工業4.0專用網路切片)等等。 當然，也可以將多個相似業務放在一個網路切片上。這一體現在公共的物理網路基礎架構上，執行多個虛擬且獨立業務執行的邏輯網路的概念，其高效率且成本低廉的效果，將徹底改變了現行的實現方法，也使得5G更能適應網路外部環境的變化，動態調節的效能更佳。總之，5G與網路分割的組合會使業務客戶與運營商在簽訂服務級別協議(Service Level Agreement，SLA)的前提下，享有其專有的聯接性和資料處理效能，包括資料速度、通訊質量、延遲、可靠性、資訊保安和服務。
可以預見，工業 4.0 專用的網路切片將靈活地建立在工業 4.0 專用要求的基礎上。網路分割的詳細機制，包括建立網路分割存取執行範圍和域，目前正在研究中。德國 ZVEI(電氣電子協會)已在內部新設立 5G-ACIA(5G 連線工業和自動化聯盟，5G Alliance for Connected Industry and Automation)，正在策劃一個有關 IMT-2020 頻帶(5G 技術)和非 IMT 頻帶(5.8 GHz ISM band)向國際電信聯盟 ITU-R 聯合體的提議，並將通過德國聯邦網路代理機構 German Federal Network Agency 提交。看來有可能在所有共存的應用之間進行有序合作的基礎上，在 5G 頻帶中專門開闢為工業自動化的專用頻譜。
結束語
從目前的推進形勢觀察，符合工業 4.0 要求的通訊要獲得全面成熟的應用，或許還要十年左右的時間。這不僅僅是因為許多相關的技術還處於開發、試驗階段，因為許多標準尚待開發制定和國際化，還因為涉及各主要工業國家和新興工業國家相關法律的制定和通訊運營商之間的協商。工業4.0 所要求的通訊畢竟是前所未有的通訊整合，牽涉到萬物(包括軟體和硬體)和企業、人員的互聯。當然還有政治因素，全球化和反全球化的鬥爭目前大有愈演愈烈之勢，可能對此也會產生難以預料的影響。