應江勇（北京華為數(shù)字技術有限公司，北京 100085）

1 概述

中國互聯(lián)網發(fā)展應用正從消費互聯(lián)網轉向工業(yè)互聯(lián)網，工業(yè)互聯(lián)網已經成為世界各國重要的基礎設施，其發(fā)展水平直接影響一個國家制造業(yè)的轉型升級和國際競爭力。2018—2020 年是我國工業(yè)互聯(lián)網起步發(fā)展期，工信部實施工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展工程，帶動總投資近700 億元，遴選4 個國家級工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)示范基地和258個試點示范項目。2020年我國工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)經濟增加值達到3.1 萬億元，占GDP 比重為2.9%，新增超過255 萬個就業(yè)崗位，已建成具有較強行業(yè)和區(qū)域影響力的工業(yè)互聯(lián)網平臺超70個，連接工業(yè)設備數(shù)量達4 000 萬臺（套），工業(yè)互聯(lián)網網絡已覆蓋全國300個城市，連接18萬家工業(yè)企業(yè)。

另外，工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟2020 年4 月份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟在多個領域取得實質性進展：

a）會員單位數(shù)量從2016 年初不足150 家發(fā)展至1 800家以上。

b）新技術研究與測試驗證方面，輸出55 個測試床和56份研究報告。

c）產品和解決方案方面，輸出70多個解決方案資源池。

d）應用試點探索與落地方面，輸出163 個優(yōu)秀應用實施案例。

e）標準規(guī)范制定與實施方面，輸出工業(yè)互聯(lián)網標準體系。

f）垂直行業(yè)部署與推廣方面，覆蓋15 個垂直行業(yè)，含6個非制造業(yè)。

綜上，截至2020年底我國已初步建成工業(yè)互聯(lián)網基礎設施和產業(yè)體系，多個地方政府如北京、上海、重慶、青島、成都、長沙等推動工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)集聚和制造業(yè)轉型升級，密集謀劃和建設工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)園區(qū)。此外，互聯(lián)網公司、設備廠商、垂直行業(yè)和運營商等也競相布局升級工業(yè)互聯(lián)網平臺，加快中小企業(yè)“上云”步伐。我國企業(yè)數(shù)字化轉型比例為25%，中小企業(yè)數(shù)字化轉型空間巨大，隨著工信部2021 年1 月《工業(yè)互聯(lián)網創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021—2023 年）》的印發(fā)，工業(yè)互聯(lián)網的智能化進程有望加速。

2 工業(yè)互聯(lián)網與5G關系

從宏觀經濟看，國際貨幣基金組織（IMF）統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，受新冠肺炎疫情影響，2020 年全球經濟增長率預計為-4.4%，2025 年平均增速將下降至3.5%，其中發(fā)達經濟體、新興經濟體平均增速將分別下降至1.7%、4.7%。各國政府將工業(yè)互聯(lián)網作為傳統(tǒng)工業(yè)改造、未來產業(yè)競爭力塑造的共同選擇，工業(yè)互聯(lián)網作為第4 次工業(yè)革命的關鍵支撐，已成為全球產業(yè)競爭新焦點，也是我國塑造國際競爭新優(yōu)勢的著力點，5G被認為加速第4次工業(yè)革命而被寄予厚望。

從技術演進看，移動通信基本以10年為周期進行升級換代，5G承載工業(yè)互聯(lián)網業(yè)務場景的“萬物智聯(lián)”時代正在到來。5G 等新技術發(fā)展將可能改變傳統(tǒng)架構范式，需在工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展過程中進一步融合。

表1給出了移動通信技術演進及典型業(yè)務。

表1 移動通信技術演進及典型業(yè)務

從需求角度看，工業(yè)互聯(lián)網涉及物流、采購、倉儲、生產、產品和服務等全要素，5G 超大帶寬、超低時延等特有優(yōu)勢可以實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)毫秒級傳輸，確保工業(yè)互聯(lián)網全要素資源的順暢連接和快速精準控制的高要求。目前工業(yè)界采用的無線通信協(xié)議眾多，如短距無線（藍牙、ZigBee）、工業(yè)專用無線（如WirelessHART）、3G/4G 蜂窩無線、Wi-Fi 等，這些協(xié)議各有不足且相對封閉，設備互聯(lián)互通較難，制約了設備上云。5G具備感知泛在、連接泛在、智能泛在等優(yōu)勢，有望成為工業(yè)互聯(lián)網的網絡及技術底座，5G相對于其他無線通信協(xié)議優(yōu)勢顯著，以Wi-Fi為例，5G相對于Wi-Fi有以下優(yōu)勢。

a）5G 抗干擾能力更強，Wi-Fi 使用公用頻段導致抗干擾能力差，5G使用運營商獨有頻段具備更高的安全性和可靠性。

b）5G 能夠承載高并發(fā)大數(shù)據(jù)量業(yè)務，Wi-Fi 信道少，資源有限，5G具備大帶寬特性。

c）5G 能夠保證超低時延及更廣覆蓋，Wi-Fi 時延不穩(wěn)定，用戶增多導致時延增大，5G 網絡可通過行業(yè)定制化降低時延，增加覆蓋能力。

d）5G 可以實現(xiàn)快速切換保障數(shù)據(jù)可靠傳輸，針對快速移動場景，Wi-Fi 連接下無法進行切換，5G 網絡可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)切換。

從應用角度看，工業(yè)互聯(lián)網為5G創(chuàng)造大量應用場景如機器視覺檢測、精準遠程操控、現(xiàn)場輔助裝配等，工業(yè)互聯(lián)網是5G 商用的“主戰(zhàn)場”，截至2020 年底，我國應用于工業(yè)互聯(lián)網的5G 基站超過3.2 萬個，5G+工業(yè)互聯(lián)網項目已超過1 100 個，工業(yè)互聯(lián)網應用覆蓋原材料、裝備制造、消費品、能源、醫(yī)療等30 余個重點行業(yè)。

3 工業(yè)互聯(lián)網需求背景下的5G關鍵技術

工業(yè)互聯(lián)網涉及的主體包括機器、車間、企業(yè)、人等，端到端的產業(yè)鏈包括設計、研發(fā)、生產、營銷、管理、服務等環(huán)節(jié)，在工廠內需要實現(xiàn)信息采集設備、生產設備、生產管理系統(tǒng)以及主體之間的互聯(lián)，在工廠外需要實現(xiàn)生產企業(yè)、協(xié)作企業(yè)、產品、用戶、金融機構、供應鏈、物流等企業(yè)的互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網的核心需求總結如表2所示。

工業(yè)互聯(lián)網作為5G商用的“主戰(zhàn)場”，其業(yè)務需求和技術需求也是驅動移動通信技術從4G向5G演進的原生訴求，5G關鍵技術包括邊緣計算和網絡切片。

a）邊緣計算（MEC）。從定義看，MEC 是指根據(jù)業(yè)務場景需要將多種接入形式的部分功能、應用及內容部署到企業(yè)側網絡邊緣，提供低時延、大帶寬、高安全的服務，達成極致用戶體驗；從技術及安全角度看，邊緣計算將核心網用戶面下沉到物理邊緣側為企業(yè)提供5G 專網能力，實現(xiàn)“企業(yè)數(shù)據(jù)不出企業(yè)”；從商業(yè)角度看，尤其針對視頻類等大量數(shù)據(jù)傳輸需求的應用，能夠實現(xiàn)本地存儲及運算，節(jié)省邊緣網絡到核心網及公網的傳輸成本和時間成本。

b）網絡切片。從定義看，網絡切片是指按需組網的技術，在獨立組網（SA）架構下將一張物理通信網絡虛擬出多個專用的、隔離的端到端邏輯子網，滿足工業(yè)互聯(lián)網定制化場景需求。從技術角度看，主要采用虛擬化和軟件定義網絡技術，把硬件抽象為計算、存儲和網絡資源進行統(tǒng)一管理分配，為不同的切片配置相應資源，且完全隔離互不干擾，實現(xiàn)邏輯上的統(tǒng)一管理和靈活切割。從關鍵特征看，包括按需部署、按需隔離、運維自動化、端到端SLA（Service-Level Agreement）保障等。

4 運營商在工業(yè)互聯(lián)網中的定位

隨著5G商用向縱深發(fā)展，互聯(lián)網公司、設備廠商、垂直行業(yè)和運營商等均在探索工業(yè)互聯(lián)網的價值空間。

4.1 互聯(lián)網公司

互聯(lián)網公司從中心云下沉，依托中心云生態(tài)向邊緣拓展并嘗試構建邊云生態(tài)，整個過程依賴于運營商MEC網絡底座。

從國外看，美國重視平臺建設是其工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展的特色，亞馬遜在2019 年8 月份發(fā)布邊緣服務平臺Wavelength，并陸續(xù)與Verizon、Vodafone、KDD 和SK電訊等合作共同提供邊緣云服務；微軟在2019 年10月發(fā)布邊緣云平臺Azure IoT Edge，并與AT&T 合作將人工智能訓練及推理場景下沉到網絡邊緣；谷歌于2019 年4 月份推出邊緣框架Anthos，聯(lián)合自有硬件芯片Edge TPU 和軟件堆棧Cloud IoT Edge 改善邊緣生態(tài)研發(fā)環(huán)境，并與AT&T 合作將生態(tài)推送到企業(yè)和個人客戶。

從國內看，阿里云在2019 年12 月推出邊緣計算解決方案Link IoT Edge，將云應用延伸到邊緣并與云端數(shù)據(jù)聯(lián)動。百度在2018 年發(fā)布端云一體解決方案Baidu IntelliEdge，包括智能邊緣本地運行包和智能邊緣云端管理套件。騰訊在2019 年采用“CDN+邊緣計算”模式探索視頻直播、游戲、鑒黃等場景。

綜上，互聯(lián)網公司從中心云向邊緣延伸均采取和運營商MEC 邊緣云合作的策略，對運營商技術整合、生態(tài)聯(lián)營、邊云協(xié)同等方面提出需求。

4.2 設備廠商

設備廠商從邊緣終端逐漸上移，積極研發(fā)符合MEC 部署要求的通用硬件基礎設施和針對邊緣計算具體場景的產品。如戴爾推出易安信邊緣計算網關Edge Gateway，并與VMware 聯(lián)合推出Dell EMC SDWAN Edge 集成平臺提供MEC 解決方案。

設備廠商邊緣硬件受接入方式、空間覆蓋、網絡保障等方面的能力限制，亟需通過5G 構建大帶寬、低延時特性的管道連接方式，需要運營商提供完善的邊緣局點承載方案，對運營商在一體化交付、基礎架構能力集成、邊緣機房適配等方面提出訴求。

4.3 垂直行業(yè)

垂直行業(yè)利用自身對行業(yè)場景的理解（如遠程醫(yī)療、工業(yè)機器人、無人物流等），在邊緣云上交付關鍵技術或應用解決方案，使能企業(yè)數(shù)字化升級。垂直行業(yè)應用需要承載在運營商的MEC 邊緣云上，對運營商開放邊緣應用生態(tài)系統(tǒng)提出相應訴求。

4.4 運營商

全球主流運營商均在積極利用5G 優(yōu)勢探索工業(yè)互聯(lián)網商業(yè)價值，借助MEC 平臺及服務實現(xiàn)從管道經營到算力經營轉變，強化2B 市場能力，完善2C 業(yè)務體驗。

從國外看，美國AT&T 將邊緣計算定位為5G 戰(zhàn)略三大支柱之一，與微軟、谷歌等聯(lián)合部署基于5G 網絡的邊緣云平臺，并主導發(fā)起了Airship、Akraino 等邊緣開源項目，加快邊緣計算生態(tài)建設和商用部署。

從國內看，三大運營商（中國移動、中國電信、中國聯(lián)通）已在MEC 領域進行戰(zhàn)略部署。如中國聯(lián)通推出CUC-MEC 邊緣云平臺，優(yōu)化3GPP 和ETSI 等標準規(guī)范，構建開放的MEC 邊緣云生態(tài)，積極與互聯(lián)網公司、設備廠商及垂直行業(yè)合作，實現(xiàn)與公有云、行業(yè)云、私有云的無縫對接。為了更好地滿足業(yè)務實時響應、一體化交付實施的需求，中國聯(lián)通成立MEC BU 實現(xiàn)全國統(tǒng)籌調度；成立1個MEC 業(yè)務運營中心、N個創(chuàng)新業(yè)務孵化基地、X個省分專項拓展組，推進全國MEC邊緣云節(jié)點規(guī)劃、建設、運維、運營及MEC 業(yè)務拓展工作。

從技術演進看，隨著5G MEC 系統(tǒng)的引入，網絡將呈現(xiàn)IP 化、扁平化、無線化、靈活組網發(fā)展趨勢，運營商承載網絡面臨新的四大挑戰(zhàn)。

a）L3 VPN 需求。5G MEC 中用戶轉發(fā)面（UPF）的下移需要無線核心網業(yè)務端口下移，導致原骨干網上的L3 VPN 下移至移動承載網；UPF分布式部署需要增加L3 VPN 覆蓋。

b）接入網需求。覆蓋企業(yè)園區(qū)的基站和5G MEC 需要低延遲的網絡直連和企業(yè)重要業(yè)務數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

c）邊云協(xié)同需求。5G MEC中UPF 需要和中心云控制面和管理系統(tǒng)通信；5G MEC 的MEP（Multi-access Edge Platform，等同PaaS）平臺中的應用將成為運營商或其他合作伙伴如互聯(lián)網公司云應用的一部分。

d）移/固承載網雙平面需求。5G MEC 提供無縫固定網絡與移動網絡融合（FMC——Fixed Mobile Convergence）業(yè)務需要邊緣計算接入網絡（ECA——Edge Computing Access）提供多接入，跨越無線網絡和固網的連接；實驗網絡智能（ENI——Experimental Networked Intelligence）需要提供跨越移動和固定承載網的網絡連接，完成和中心云、MEC間的業(yè)務互通。

綜上，憑借5G+邊緣網絡特有優(yōu)勢，運營商掌控MEC 入場券，相對于互聯(lián)網公司、設備廠商及垂直行業(yè)承擔底座角色，通過把移動網絡的CT（Communication Technology）能力注入至MEC 平臺和IT（Information Technology）能力融合，結合邊緣節(jié)點的下沉、網絡切片技術和分流能力，實現(xiàn)流量的本地疏通，提供低延時、大帶寬、高安全的邊緣計算能力，快速在制造、安防、醫(yī)療等工業(yè)互聯(lián)網領域實現(xiàn)以MEC 邊緣云撬動5G 項目落地并帶來收入。

5 工業(yè)互聯(lián)網+5G端邊云協(xié)同方案及網絡架構

5.1 端邊云協(xié)同方案

本文站在運營商的角度提出基于工業(yè)互聯(lián)網的“端、邊、云”協(xié)同方案（見圖1），可以滿足工業(yè)互聯(lián)網各類業(yè)務場景對通信網絡及管理平臺的訴求，總體來看，工業(yè)互聯(lián)網場景下的邊緣云無法完全取代中心云（包括公有云/私有云/行業(yè)云等），兩者是協(xié)同關系。

圖1 工業(yè)互聯(lián)網+5G 運營商端邊云協(xié)同方案

a）邊緣云（即邊緣計算）：發(fā)揮邊緣設備靠近數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，聚焦實時、準實時及短周期的數(shù)據(jù)處理及模型推理等工業(yè)互聯(lián)網場景，針對數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)處理及傳輸耗時等敏感需求，減少邊緣設備與云端設備交互，降低數(shù)據(jù)流往返云端的通信帶寬及時間成本。

b）中心云：發(fā)揮云服務器端有大算力資源、多模型聯(lián)動及平臺協(xié)作等優(yōu)勢，聚焦非實時及長周期的數(shù)據(jù)處理、模型訓練等工業(yè)互聯(lián)網場景，全面覆蓋數(shù)據(jù)處理、模型訓練、多模型協(xié)同決策等需要周期性看護的需求，充分挖掘中心云的價值空間。

5.2 端邊云網絡架構

工業(yè)互聯(lián)網場景需求差異較大，針對公安、新媒體、校園、物業(yè)、醫(yī)療、司法等典型行業(yè)，基于地理位置構建區(qū)域、本地、邊緣/客戶駐地3 層網絡架構（見圖2），各層MEC滿足不同業(yè)務需求，構建策略如下。

圖2 工業(yè)互聯(lián)網+5G 運營商端邊云網絡架構

a）區(qū)域MEC，主要部署于省會或主要發(fā)達城市的運營商核心機房，建議每個城市各建設1套。

b）本地MEC，主要部署于有需求的地（市）運營商的核心機房，建議有需求的城市各建設1套。

c）邊緣/客戶駐地MEC，針對邊緣MEC，主要部署在每個地（市）運營商的匯聚機房，每個城市至少建設1 套匯聚MEC；針對客戶駐地/園區(qū)MEC，按照實際業(yè)務需求部署在客戶側，實現(xiàn)業(yè)務數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保障安全性高。

6 未來及展望

從全球看，工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展水平與國家的國際競爭力強相關，5G作為工業(yè)互聯(lián)網的網絡及技術底座直接決定其發(fā)展進程，目前我國工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展雖已初見成效，但仍處于初級階段，呈現(xiàn)行業(yè)知識多樣性、企業(yè)數(shù)字化水平差異大、缺乏成功的價值共創(chuàng)模式等特征，筆者認為當前運營商主導的3 種工業(yè)互聯(lián)網商業(yè)模式尚需從以下幾個方面探索改進。

a）通信模式，運營商建設網絡，企業(yè)根據(jù)流量、速率、切片服務等級支付通信費用。優(yōu)勢是收費模式簡單易行，挑戰(zhàn)是難以保障5G網絡投資的效益。

b）集成模式，運營商建設網絡與應用系統(tǒng)，向企業(yè)收取系統(tǒng)集成費。優(yōu)勢是可快速拓展客戶及業(yè)務范圍擴大盈利，挑戰(zhàn)是工業(yè)互聯(lián)網應用系統(tǒng)定制化要求高，短期內無法快速復制。

c）專網模式，運營商提供定制網絡，企業(yè)支付網絡建設或租賃費。優(yōu)勢是和企業(yè)內網緊密耦合，減少5G 網絡建設和運營成本，挑戰(zhàn)是定制網絡商業(yè)模式較新，存在體制機制挑戰(zhàn)。