鋼鐵行業(yè)5G確定性網(wǎng)絡(luò)研究報告

1、鋼鐵行業(yè) 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)研究報告（2022 年）前言鋼鐵冶金是工業(yè)制造的基礎(chǔ)，其工藝和技術(shù)水平的發(fā)展對我國制造業(yè)發(fā)展、環(huán)境保護等多方面具有重要意義。傳統(tǒng)的鋼鐵生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣，勞動強度大，危險性高。通過網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化改造來提升產(chǎn)品質(zhì)量、提高工作效率、保障員工安全、應(yīng)對艱苦地區(qū)勞動力缺乏、實現(xiàn)碳達峰/碳中和是剛性需求。隨著我國制造業(yè)科技和工藝水平的快速發(fā)展，近年來，鋼鐵行業(yè)對遠程數(shù)據(jù)采集、遠程操控、移動設(shè)備管理、自動化、無人化等新興能力有了較為明確的需求，龍頭企業(yè)提出了：操作室一律集中，運維一律遠程，操作崗位一律機器人，服務(wù)一律上線的“四個一律”要求。5G 網(wǎng)絡(luò)以其大帶寬、低時延、廣域

2、覆蓋、移動性、成本經(jīng)濟等特點已經(jīng)開始融入鋼鐵行業(yè)。但因 5G 無線網(wǎng)絡(luò)易受干擾、承載網(wǎng)絡(luò)主要基于 IP 協(xié)議的“盡力而為”原則，5G 端到端傳輸時延、丟包、帶寬等指標的穩(wěn)定性離鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的要求尚有距離。因此目前 5G 在鋼鐵冶金行業(yè)的應(yīng)用大多是生產(chǎn)輔助類的、局部的、試點型的應(yīng)用，關(guān)鍵的生產(chǎn)控制領(lǐng)域仍尚未涉及。5G 確定性網(wǎng)絡(luò)是通過引入網(wǎng)絡(luò)切片、URLLC、MEC、TSC、TSN、DetNet 等技術(shù)提升5G 網(wǎng)絡(luò)確定性通信能力，是 5G 網(wǎng)絡(luò)與確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深度融合，可根據(jù)應(yīng)用場景需求，以滿足 SLA 保障落地為目的，基于通信業(yè)務(wù)可用性，從差異化網(wǎng)絡(luò)、專屬網(wǎng)絡(luò)方面定義多維度的指標能力，

3、以提升 5G 網(wǎng)絡(luò)性能的穩(wěn)定性。鋼鐵行業(yè) 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)是 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用，致力于滿足 5G 在鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)場景以及生產(chǎn)輔助場景對網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定性的需求。鋼鐵行業(yè)未來演進趨勢如何，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)如何與鋼鐵行業(yè)未來發(fā)展方向結(jié)合，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)能夠給鋼鐵行業(yè)帶來哪些新的特性和能力，鋼鐵行業(yè)需求如何引導 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)適用于鋼鐵行業(yè)的哪些場景等問題是本白皮書研究的目標。本白皮書在鋼鐵行業(yè)產(chǎn)業(yè)升級亟需網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)使能的重要歷史時刻，召集通信運營商、鋼鐵企業(yè)、研究機構(gòu)、高校共同研究鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進趨勢、5G 確定性網(wǎng)絡(luò)特性、相關(guān)標準化現(xiàn)狀、5G

4、確定性網(wǎng)絡(luò)賦能鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進、5G 確定性網(wǎng)絡(luò)適用鋼鐵行業(yè)的典型場景，形成跨領(lǐng)域的共同認識，以促進 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)賦能鋼鐵行業(yè)愿景目標實現(xiàn)。本白皮書主要參編單位（以下排名不分先后）：中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司、北京科技大學、首鋼集團有限公司技術(shù)研究院、中興通訊股份有限公司、華為技術(shù)有限公司、河鋼數(shù)字技術(shù)股份有限公司、冶金工業(yè)信息標準研究院、之江實驗室、中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司、重慶郵電大學、宜通世紀科技股份有限公司、中國信息通信研究院、中國移動研究院、中國電信研究院本白皮書主要參編人員（以下排名不分先后）：賈雪琴、李衛(wèi)、王鳳琴、武向軍、李毅仁、韓政鑫、伍勇、常莘東、李振廷、李渝、魏旻、

5、黃蓉、王友祥、束裕、金友興、丁雷、申培、劉斕冰、孫雷、王健全、王策、史可、林晨、郭雷、支周、馬彰超、郝亮、丁澤浩、王琦、程錦霞、夏旭、王友祥、陳頁、李興林、季文翀、程景浩、王燕偉、劉萌萌、侯偉彬、于天意、梅承力目錄1 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進趨勢 41.1 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)現(xiàn)狀 41.1.1 智能制造業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)連接需求 41.1.2 傳統(tǒng) ISA-95 企業(yè)信息化架構(gòu)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀 51.1.3 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的演進和特點 61.1.3.1 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的功能演進 61.1.3.2 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的特征 81.2 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進趨勢 101.2.1 鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及其

6、數(shù)據(jù)流向發(fā)展趨勢 111.2.2 鋼鐵行業(yè)金字塔架構(gòu)的功能分層演進 122 5G 確定性網(wǎng)絡(luò) 152.1 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)概述 152.1.1 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)概念 152.1.2 確定性特性 162.2 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù) 182.3 確定性技術(shù)相關(guān)的標準化現(xiàn)狀 242.3.1 國際標準化相關(guān)工作 242.3.2 國內(nèi)標準化相關(guān)工作 253 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)賦能鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進 273.1 5 G 確定性網(wǎng)絡(luò)與鋼企現(xiàn)網(wǎng)疊加，促進跨層級數(shù)據(jù)采集 273.2 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)賦能鋼企跨層級數(shù)據(jù)全連接 284 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)適用鋼鐵行業(yè)的典型場景 304.1 無人值守工作站 304.2

7、 皮帶巡檢 314.3 高危點檢和檢修 324.4 鋼廠人員安全監(jiān)控 344.5 5G+生產(chǎn)行為智能監(jiān)管 344.6 無人機車智能調(diào)度（鐵運智能調(diào)度） 354.7 天車遠程操控/無人天車 354.8 5G+堆取料機無人駕駛 374.9 工業(yè)機器人 384.10 廢鋼定級 384.11小結(jié) 405 總結(jié)與展望 41參考文獻 421 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進趨勢1.1 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)現(xiàn)狀1.1.1 智能制造業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)連接需求根據(jù) ISA-95 標準的 Purdue 參考模型，可從工廠內(nèi)部視角了解智能制造業(yè)務(wù)模塊及其各業(yè)務(wù)模塊之間的互操作關(guān)系。注：ISA-95 是企業(yè)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)集成國際標準，由儀表

8、、系統(tǒng)和自動化協(xié)會 (ISA) 在 1995 年投票通過。參考圖 1-1，Purdue 參考模型中工廠內(nèi)部包含十大智能制造業(yè)務(wù)模塊：（1） 訂單處理（2） 生產(chǎn)調(diào)度（3） 生產(chǎn)控制（4） 材料和能源管理（5） 采購（6） 質(zhì)量管理（7） 產(chǎn)品庫存控制（8） 產(chǎn)品成本會計（9） 產(chǎn)品運輸管理（10） 運維管理其中，處于業(yè)務(wù)核心、與其他各業(yè)務(wù)模塊都有多項交互關(guān)系的是生產(chǎn)控制模塊。支撐企業(yè)業(yè)務(wù)模塊之間的數(shù)據(jù)交互是企業(yè)對網(wǎng)絡(luò)連接的基本需求，同時也需要網(wǎng)絡(luò)連接具有可擴展性、易維護性、數(shù)據(jù)傳輸安全等特性。ISA-95 適用于制造業(yè)，因此也適用于描述鋼鐵行業(yè)企業(yè)內(nèi)部的智能制造系統(tǒng)。圖 1-1 Purdue

9、參考模型1.1.2 傳統(tǒng) ISA-95 企業(yè)信息化架構(gòu)與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀I(lǐng)SA-95 Purdue 參考模型高度概括了鋼鐵行業(yè)智能制造企業(yè)內(nèi)部各業(yè)務(wù)模塊。ISA-95 金字塔模型進一步對支撐企業(yè)內(nèi)部各業(yè)務(wù)模塊的信息化系統(tǒng)做了抽象，以促進企業(yè)內(nèi)部設(shè)備、系統(tǒng)的對接。參考圖 1-2，ISA-95 金字塔模型自底向上共分為 5 個層級：l L0：物理產(chǎn)品過程。l L1：傳感產(chǎn)品的工藝流程、操作工藝流程。l L2：生產(chǎn)過程的監(jiān)視、監(jiān)控和自動化控制；時間框架：時、分、秒、毫秒。l L3：工藝流程/配方控制以生產(chǎn)需要的最終產(chǎn)品，保持記錄和優(yōu)化生產(chǎn)工藝。時間框架：班、時、分、秒。l L4：建立基礎(chǔ)工廠的計劃生產(chǎn)、

10、材料使用、傳遞和運輸；確定庫存水平；時間框架：月、周、日、班。依據(jù) ISA-95 金字塔模型，企業(yè) ERP 系統(tǒng)處于 L4 層，不直接參與生產(chǎn)調(diào)度、監(jiān)控、自動化控制，一般由企業(yè)辦公網(wǎng)負責提供網(wǎng)絡(luò)連接。MES 系統(tǒng)處于 L3 層，位于生產(chǎn)系統(tǒng)與 ERP 系統(tǒng)之間，負責產(chǎn)品的工藝流程和配方控制，業(yè)務(wù)時間精度一般到秒級。SCADA、DCS、PLC 處于 L2 和 L1 層，負責生產(chǎn)過程監(jiān)視、監(jiān)控和自動化控制，構(gòu)成生產(chǎn)線的核心生產(chǎn)能力，業(yè)務(wù)時間精度一般到毫秒級。目前，L2 和 L1 的私有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議眾多，構(gòu)成企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)?？煽啃院桶踩允瞧髽I(yè)生產(chǎn)網(wǎng)的剛性需求。近年來為了支持智能生產(chǎn)，智能性、敏捷性、

11、互通性等成為了企業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)的新增需求。圖 1-2 ISA-95 金字塔模型與企業(yè)網(wǎng)絡(luò)1.1.3 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的演進和特點1.1.3.1 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的功能演進目前大多數(shù)鋼鐵企業(yè)的工業(yè)制造系統(tǒng)處于工業(yè) 3.0 階段，架構(gòu)如圖 1-3 所示，其不足在于數(shù)據(jù)在制造業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部傳遞不暢，缺乏促進數(shù)據(jù)在企業(yè)各系統(tǒng)之間流動的強大“心臟”。圖 1-3 目前冶金企業(yè)的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)近年來，隨著網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，鋼鐵企業(yè)正在構(gòu)建工業(yè)制造物理系統(tǒng)的數(shù)字孿生，如圖 1-4 所示。在各部分網(wǎng)絡(luò)通信被打通的條件下，企業(yè)可構(gòu)建跨子系統(tǒng)的數(shù)字孿生。暢通的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施以及企業(yè)級數(shù)字孿生將為鋼

12、鐵企業(yè)建立起一顆強大的工業(yè)企業(yè)級“心臟”，以促進數(shù)據(jù)生產(chǎn)要素在企業(yè)內(nèi)部調(diào)度與流動，實現(xiàn)以定制化生產(chǎn)為中心，進行計劃排產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)，激活價值鏈。圖 1-4 基于數(shù)字孿生的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，特別是當網(wǎng)絡(luò)能穩(wěn)定的保障時延、帶寬、誤碼、路由、可用性、設(shè)備身份、數(shù)據(jù)安全、定位等方面的性能，工業(yè)企業(yè)級“心臟”將會演進為企業(yè)級“智能大腦”：不僅能促進生產(chǎn)要素在鋼鐵企業(yè)內(nèi)部的調(diào)度與流動，還能根據(jù)決策的目標值以及現(xiàn)場實時情況協(xié)調(diào)鋼鐵企業(yè)的智能控制系統(tǒng)對生產(chǎn)線進行實時操控，如 1-5 所示：圖 1-5 未來基于數(shù)字感知系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)反饋控制系統(tǒng)1.1.3.2 鋼鐵行業(yè)智能制造系統(tǒng)的特征鋼鐵工業(yè)

13、屬于大型復雜流程工業(yè)，冶煉鋼鐵的原料，經(jīng)過煉鐵-煉鋼-軋制-熱處理等一個漫長的冶金過程，成為最終的鋼材產(chǎn)品。鋼鐵生產(chǎn)工藝和流程決定了其自身的特點。（1） 全流程各工序均為“黑箱”除了表面溫度、外形尺寸等表觀參數(shù)之外，鋼鐵生產(chǎn)諸多環(huán)節(jié)的運行狀況和參數(shù)無法在線實時測量，高爐和轉(zhuǎn)爐的內(nèi)部狀況和生產(chǎn)過程的很多參數(shù)，由整個生產(chǎn)流程所決定的鋼鐵產(chǎn)品的組織性能和應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，以及最終決定板帶產(chǎn)品的外形尺寸的軋機有載輥縫等，均存在無法直接測量的黑箱，實時的內(nèi)部信息極度缺乏。因無法得到工具內(nèi)部信息，因此無法控制反應(yīng)器內(nèi)部的化學-物理過程；因無法直接觀測工序內(nèi)部的數(shù)據(jù)，因此無法調(diào)整、改變、控制鋼材內(nèi)部的組織和性能

14、。現(xiàn)場運行的數(shù)學模型大多為機理或物理模型，由于工藝條件、設(shè)備運行狀態(tài)變化常常引 起生產(chǎn)工況變化，加之過程輸入條件、狀態(tài)變量和控制目標之間的關(guān)系十分復雜，這些機理 模型對于復雜的動態(tài)過程的適用性較差，在工藝條件和運行狀態(tài)變化時模型預(yù)報精度不高，難以準確透視工藝、設(shè)備、質(zhì)量等關(guān)鍵參數(shù)之間的復雜關(guān)系。因此，面向窄窗口的高精度動 態(tài)協(xié)調(diào)控制缺乏工作基礎(chǔ)，依賴于經(jīng)驗進行分析決策的技術(shù)人員面對海量信息也已力不從心，難以實現(xiàn)全局一體化的智能決策。（2） 各工序內(nèi)部控制過程復雜鋼鐵生產(chǎn)流程中存在著復雜的物理、化學過程，甚至往往出現(xiàn)氣、液、固多相共存的連續(xù)變化，外界隨機干涉因素多，物質(zhì)/能量轉(zhuǎn)化過程復雜。冶煉、

15、軋制等工序都是異質(zhì)、異構(gòu)單元組合的集成體，單元之間存在非線性相互作用、動態(tài)耦合過程。各個工序涉及的工藝質(zhì)量參數(shù)都多達數(shù)百個，具有多變量、強耦合、非線性和大滯后等特點，過程變量類型混雜、維數(shù)高、規(guī)模大，變量之間也存在著多重相關(guān)性。某一個質(zhì)量問題可能有多個異常表象，相似的質(zhì)量異常其來源也不盡相同?，F(xiàn)有控制系統(tǒng)多采用分散單獨控制和單變量求解，參數(shù)調(diào)節(jié)引起本工序其他參數(shù)的連鎖反應(yīng)，再通過被動的解耦方式進行補償，難以實現(xiàn)面向窄窗口的高精度動態(tài)協(xié)調(diào)控制。突破單點的自動化控制，進行全局多目標的智能化控制，并基于生產(chǎn)過程實時數(shù)據(jù)進行模型參數(shù)的自學習和自適應(yīng)，是實現(xiàn)各工序復雜過程精準協(xié)調(diào)控制的關(guān)鍵。（3） 全流

16、程與全生命周期一體化三維尺寸和力學性能等作為表征產(chǎn)品的重要指標，以媒介形式貫穿于鋼鐵生產(chǎn)過程的各個工序，從而造成產(chǎn)品質(zhì)量異常的累積，不僅直接決定著本工序的產(chǎn)品質(zhì)量評定，同時決定著下游工序是否能夠穩(wěn)定運行以及工序間設(shè)備能力是否平衡，也是制造過程產(chǎn)生運行故障的關(guān)鍵因素。產(chǎn)品性能、質(zhì)量、生產(chǎn)效率取決于工藝流程設(shè)計優(yōu)化、各個工藝過程的優(yōu)化和全流程運行的整體優(yōu)化。鋼鐵制造多工序運行指標演變過程如下圖所示。圖 1-6 鋼鐵制造多工序運行指標演變過程從鋼鐵生產(chǎn)全流程的角度來看，在水平生產(chǎn)工序上，各個生產(chǎn)廠或車間依然為信息孤島，未實現(xiàn)互聯(lián)互通并建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)環(huán)境；在垂直控制層級上，各控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析、管理和

17、決策也是按照設(shè)計好的流程進行，無法滿足靈活應(yīng)對外部環(huán)境和活動目標變化的要求。同時，鋼鐵產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)過程穩(wěn)定性很大程度上取決于原材料狀態(tài)，生產(chǎn)過程深度依賴汽車、家電與工程制造等客戶需求，鋼材全生命周期的服役過程也取決于原材料和生產(chǎn)工藝。（4） 生產(chǎn)數(shù)據(jù)整合與利用不充分鋼鐵企業(yè)多配置有完備的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)，儲存了生產(chǎn)過程中能夠采集到的大規(guī)模數(shù)據(jù)。但是，由于現(xiàn)場環(huán)境和測量手段的限制，目前還有部分關(guān)鍵參數(shù)無法在線準確測量。隨著數(shù)據(jù)庫技術(shù)、傳感器技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)獲取實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)的成本已經(jīng)不再高昂，但仍存在異構(gòu)硬件、異構(gòu)軟件、異構(gòu)數(shù)據(jù)和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，尚未形成矩陣式網(wǎng)絡(luò)泛在連接與鋼鐵生產(chǎn)全流程的

18、閉環(huán)反饋。鋼鐵生產(chǎn)過程積累的數(shù)據(jù)中蘊含了整個生產(chǎn)流程各層次的信息，大規(guī)模生產(chǎn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗知識并未充分挖掘和模型化表述。目前，鋼鐵生產(chǎn)線大都具有完備的數(shù)據(jù)采集和存儲系統(tǒng)，擁有龐大的生產(chǎn)數(shù)據(jù)。但是現(xiàn)場數(shù)據(jù)多沒有產(chǎn)生應(yīng)有的價值，在由“數(shù)據(jù)”到“信息”的處理過程中存在斷層，難以形成真正的競爭力，采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)提升鋼鐵生產(chǎn)線運行水平的需求日漸迫切。從隱匿、碎片、低質(zhì)的數(shù)據(jù)中挖掘出數(shù)據(jù)物理意義與特征之間的關(guān)聯(lián)性，提取出反映對象真實狀態(tài)的全面性信息，是實現(xiàn)鋼鐵行業(yè)智能化提升的前提。（5） 數(shù)字化信息化基礎(chǔ)較好我國鋼鐵行業(yè)已經(jīng)逐步掌握了工藝裝備關(guān)鍵核心技術(shù)，各制備工序自動化程度較高，擁有功能完備的一到五級控制

19、系統(tǒng)，具備良好的硬件與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備水平。近年來，鋼鐵行業(yè)以設(shè)備數(shù)字化、過程智能化、管理信息化為發(fā)展方向，在工藝裝備、流程優(yōu)化、企業(yè)管理、市場營銷和節(jié)能減排等方面的自動化、信息化水平大幅提升。另外，各企業(yè)積極建設(shè)基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)的鋼鐵大數(shù)據(jù)管控平臺，將基本達到工業(yè) 3.0+的水平，具備了智能化建設(shè)的基礎(chǔ)條件。盡管如此，鋼鐵行業(yè)多為異構(gòu)硬件及異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，多數(shù)產(chǎn)線的控制系統(tǒng)硬件供貨商在 10家以上，生產(chǎn)各工序、各系統(tǒng)間的融合不足，無法實現(xiàn)各系統(tǒng)、各工序以及各類人員隨時隨地的互聯(lián)互通，缺少生產(chǎn)全流程智能管控集成平臺，難以構(gòu)建實時快速、高效可靠的數(shù)據(jù)自動流動閉環(huán)賦能體系，面向整條生產(chǎn)線

20、和整個鋼鐵企業(yè)的智能化依然缺少有效的實施載體。1.2 鋼鐵行業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進趨勢鋼鐵行業(yè)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)可以分階段不斷提升鋼鐵制造過程中的裝備產(chǎn)能、提升效益最大化并降低成本。首先，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)能力提升，可更好的解決當前生產(chǎn)遇到的各種痛點，如勞動強度大，危險性高，生產(chǎn)工作環(huán)境惡劣等問題。將現(xiàn)有單點的 5G 業(yè)務(wù)場景真正規(guī)模復制和推廣，真正做到“敢用”和“好用”。典型場景參見本文第四章。隨著數(shù)字化程度加深，在這一階段，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)作為疊加在鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)之上的一張基礎(chǔ)打底網(wǎng)絡(luò)，能夠有效采集生產(chǎn)場景以及生產(chǎn)輔助場景的各種數(shù)據(jù)，從而使能鋼鐵企業(yè)構(gòu)造智能制造系統(tǒng)“心臟”。下一階

21、段，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)將與鋼鐵現(xiàn)場確定性網(wǎng)絡(luò)進行對接與深度融合，這將從更深層次打通決策分析與現(xiàn)場控制系統(tǒng)，實現(xiàn)工控與數(shù)采一張網(wǎng)。賦能鋼鐵行業(yè)“智慧大腦”。1.2.1 鋼鐵行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型及其數(shù)據(jù)流向發(fā)展趨勢鋼鐵行業(yè)由于特殊的生產(chǎn)流程特點，在前期的信息化和自動化的發(fā)展進程中，已基本形成了設(shè)備層（L0）、基礎(chǔ)自動化（L1）、過程自動化（L2）、MES（L3）、ERP（L4）的五級的系統(tǒng)架構(gòu)。隨著第四次工業(yè)革命的來臨，智能制造成為企業(yè)進一步提升競爭力、推進高質(zhì)量發(fā)展的主攻方向。在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大趨勢下，企業(yè)已經(jīng)構(gòu)建的系統(tǒng)架構(gòu)不可能全部推倒重建，為支撐企業(yè)從傳統(tǒng)邁向智能化新型 IT 架構(gòu)，鋼鐵企業(yè)普遍采用“

22、立而不破”思維，以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，把企業(yè)數(shù)據(jù)與正在發(fā)生的 IoT 數(shù)據(jù)聯(lián)結(jié)在一起，構(gòu)建云邊協(xié)同的數(shù)據(jù)與應(yīng)用平臺，挖掘數(shù)據(jù)價值，形成新型鋼鐵企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型架構(gòu)如圖 1-7。圖 1-7 新型鋼鐵企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型架構(gòu)由于智能制造貫穿于設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動的各個環(huán)節(jié)，新型數(shù)字化轉(zhuǎn)型架構(gòu)也要符合鋼鐵企業(yè)的組織架構(gòu)和管理模式特點。因此，建立車間層級的智能管控與工廠層級的智能管控的云邊協(xié)同體系更利于企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型落地實施。無論是車間內(nèi)部各業(yè)務(wù)系統(tǒng)，還是車間、工廠及供應(yīng)鏈等各層級數(shù)據(jù)平臺，數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通均可通過有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)（4G/5G、WiFi 等）來實現(xiàn)。車間層級智能管控平臺的數(shù)據(jù)源主

23、要來自于 PLC/DCS、表檢儀、機器人、智能檢測裝備、數(shù)據(jù)庫等，管控平臺滿足生產(chǎn)單元的作業(yè)管理、生產(chǎn)實績、在線監(jiān)測、質(zhì)量溯源、智能運維、物料跟蹤等業(yè)務(wù)需求，支撐本車間各工序的生產(chǎn)過程智能化發(fā)展需求，也支持智能公輔、能源環(huán)保、消防安全及運營管理智慧決策開發(fā)需求。工廠層級智能管控平臺的數(shù)據(jù)源主要來自于智能裝備、生產(chǎn)單元控制系統(tǒng)（PLC/DCS、數(shù)據(jù)庫等）、各車間智能管控平臺、三級系統(tǒng)、四級系統(tǒng)等。工廠層級管控平臺包含全流程質(zhì)量管控、一體化排程、能源管控、設(shè)備管控、產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計、廠內(nèi)物流、安全環(huán)保等業(yè)務(wù)平臺，滿足跨工序甚至跨基地的一體化的質(zhì)量管控和資源優(yōu)化配置，助力企業(yè)全要素生產(chǎn)率的提升。鋼鐵生

24、態(tài)圈的供應(yīng)鏈協(xié)同平臺數(shù)據(jù)源主要來自于各企業(yè)云平臺，協(xié)同平臺主要包含采購、營銷、物流服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)等功能，實現(xiàn)了鋼廠、貿(mào)易商、物流商、倉儲方、客戶方等業(yè)務(wù) 信息全聯(lián)接貫通，支撐了關(guān)鍵要素資源的高效共享，為客戶提供更加精準服務(wù)，提升企業(yè)競 爭力，并促進產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)行業(yè)發(fā)展。1.2.2 鋼鐵行業(yè)金字塔架構(gòu)的功能分層演進傳統(tǒng)工廠自動化系統(tǒng)通常遵循由 ISA-95 標準定義的金字塔式模型結(jié)構(gòu)，連接上下層的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)以有線的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等為主。各類現(xiàn)存通訊技術(shù)與協(xié)議多達數(shù)百種，僅在國際電工協(xié)會（IEC）制定形成國際標準的工業(yè)通訊協(xié)議就有 20 余種。種類繁多且互不兼容的通訊標準導致工業(yè)控制系統(tǒng)煙囪林立

25、，系統(tǒng)之間難以互聯(lián)互通，無法實現(xiàn)數(shù)據(jù)的橫向/縱向有效流轉(zhuǎn)。另外，由于現(xiàn)有的工業(yè)系統(tǒng)架構(gòu)已成熟運行多年，核心設(shè)備體系封閉，每個環(huán)節(jié)的變動都需要供應(yīng)商支撐完成，這也就使得現(xiàn)有架構(gòu)難以實現(xiàn)開放互聯(lián)，智能化變革只能停留在工業(yè)自動化的外圍應(yīng)用。目前，隨著 IT、CT 與 OT 技術(shù)走向融合，傳統(tǒng)工業(yè)自動化瓶頸正在逐漸被打破，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，例如時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、OPC UA 等為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通提供了新基礎(chǔ)； 5G、Wifi-6 等為無線通信在工控領(lǐng)域更廣泛應(yīng)用提供可能；軟件定義、虛擬化等為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)靈活管控提供了新方法。這些都為滿足智能工廠中的“人-機-料-法-環(huán)”全要素智能互聯(lián)與協(xié)同需求，重新構(gòu)

26、建融合互通、協(xié)同開放、統(tǒng)一管控、智能高效的新一代工業(yè)自動化系統(tǒng)架構(gòu)提供可能。為了實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)，需要打通金字塔架構(gòu)各層級之間解耦，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)順暢流動，拉通現(xiàn)場級到工廠級的網(wǎng)絡(luò)連接，實現(xiàn)傳感/執(zhí)行器與云端控制器直接交互、生產(chǎn)要素間智能互聯(lián)與協(xié)同能力，使得數(shù)據(jù)能夠縱向跨層、橫向跨系統(tǒng)和設(shè)備進行交互。金字塔各層級解耦分為兩個層面：第一層面是體系架構(gòu)的解耦，打破層級的約束，架構(gòu)簡單化和扁平化；第二層面是原金字塔內(nèi)部控制系統(tǒng)解耦，即改變 PLC/DCS 與被控設(shè)備緊耦合，可以遠程控制，同時實現(xiàn) PLC/DCS 的軟硬的分離，PLC 可以根據(jù)被控設(shè)備時延要求按需設(shè)置，從局部控制過渡到整體控制，實現(xiàn)從自

27、動化向智能化的發(fā)展?；谏鲜雒枋觯鹱炙軜?gòu)的功能分層演進趨勢如圖 1-8 所示：5G 等5G 等5G 等5G 等現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)虛擬化現(xiàn)場控制器5G+工業(yè)以太+工業(yè)總線+TSN數(shù)據(jù)在相鄰層級間流動數(shù)據(jù)跨層級流動圖 1-8 金字塔架構(gòu)的功能分層演進這就要求有一張能夠支撐數(shù)據(jù)高效流轉(zhuǎn)的網(wǎng)絡(luò)，此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具備綜合承載工業(yè)自動化控制業(yè)務(wù)、安全生產(chǎn)、運行維護、物料調(diào)度、遠程監(jiān)控等多種業(yè)務(wù)的能力，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與現(xiàn)存工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)的互通，同時滿足低時延、高可靠、確定性時延的要求。架構(gòu)的變革將為工業(yè)自動化系統(tǒng)智能化升級提供了新機遇，也對相應(yīng)支撐技術(shù)提出了挑戰(zhàn)。新型智能工廠架構(gòu)在控制虛擬化、網(wǎng)絡(luò)融合協(xié)同、控制-網(wǎng)絡(luò)

28、一體化管控、數(shù)據(jù)智能處理及端到端安全防護等提出了新的演進目標與路徑。（1） 工業(yè)控制虛擬化工業(yè)控制的虛擬化是打破傳統(tǒng)封閉金字塔架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一， 需要首先實現(xiàn)PLC/DCS 的軟硬分離，基于通用的硬件設(shè)備來代替專用的 PLC/DCS，將 PLC 處理功能轉(zhuǎn)化虛擬化、可擴展的軟件對象實例來實現(xiàn)；其次就是要依據(jù)被控實體要求，可在云邊端靈活、合理地分配 PLC/DCS 所需的計算、通信、存儲等軟硬件資源，在滿足工控業(yè)務(wù)執(zhí)行服務(wù)質(zhì)量要求的前提下，實現(xiàn)系統(tǒng)資源的優(yōu)化配置?？刂葡到y(tǒng)的虛擬化是打破原有封閉式工業(yè)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，一方面可以充分利用虛擬化硬件資源實現(xiàn)一對多的控制，節(jié)約大量工控設(shè)備部署投資成本；

29、更為重要的是通過控制系統(tǒng)的集中化，實現(xiàn)了全局資源的統(tǒng)一控制和優(yōu)化，為智能化決策提供了依據(jù)，為實現(xiàn)真正的智能生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。（2） 高可靠、低時延、確定性的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)新的云邊端架構(gòu)下，需要有一張端到端低時延、高可靠、確定性的能支持多種業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)。由于工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)標準各異，不同系統(tǒng)、設(shè)備、協(xié)議難以兼容互通，為了滿足工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)低時延、高可靠、確定性要求的同時實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的互通，IEEE 提出了時間敏感網(wǎng)絡(luò) TSN 的標準，TSN 基于數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)了工業(yè)現(xiàn)場異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通與融合。時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN) 能為強實時需求業(yè)務(wù)提供確定時延轉(zhuǎn)發(fā)且兼容以太網(wǎng)協(xié)議，受到工控網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的青睞。同時，隨著海量傳感

30、器及 AGV 等智能化設(shè)備在智能工廠中的應(yīng)用，工業(yè)終端無線接入及移動連接需求愈發(fā)迫切，有線工業(yè)以太 難以完全滿足智能工廠數(shù)字化與智能化需求， 5G 與現(xiàn)有工業(yè)以太以及未來的 TSN 協(xié)同傳輸成為智能工廠網(wǎng)絡(luò)的重要演進趨勢。（3） 工業(yè)控制&網(wǎng)絡(luò)一體化管控智能工廠的云邊端架構(gòu)下，未來工業(yè)控制程序可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，在云端數(shù)據(jù)中心與現(xiàn)場邊緣設(shè)備間按需靈活部署，通過動態(tài)分配計算資源，同時滿足工業(yè)控制業(yè)務(wù)實時性與節(jié)能增效需求。新的架構(gòu)下計算-網(wǎng)絡(luò)-控制從獨立走向相互融合協(xié)同，三者之間要統(tǒng)一管理和調(diào)控，以達到全局資源的最優(yōu)化分配。（4） 工業(yè)數(shù)據(jù)智能處理新的架構(gòu)打破了金字塔的封閉體系，利用端到端的異構(gòu)融合使

31、得工廠內(nèi)數(shù)據(jù)高效流轉(zhuǎn)為工業(yè)數(shù)據(jù)智能處理與應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。此外，由于控制數(shù)據(jù)上云、網(wǎng)絡(luò)資源管控上云，使得云上數(shù)據(jù)增加了兩個新的維度，基于這些數(shù)據(jù)，將 AI 與工業(yè)場景、機理、知識結(jié)合，催生設(shè)計模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置等創(chuàng)新應(yīng)用，使得目前只能停留在預(yù)測性維護、質(zhì)量管控的智能化邁向了生產(chǎn)智能決策的新階段。（5） 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息安全防護數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)，需要端到端的安全防護手段保障數(shù)據(jù)采集、傳輸及應(yīng)用處理過程中的安全。此外，封閉式系統(tǒng)的打開，控制系統(tǒng)的上云，原本物理隔離的自動化控制系統(tǒng)與開放的網(wǎng)絡(luò)融合，給工業(yè)控制帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。這就要求必須構(gòu)建工業(yè)網(wǎng)絡(luò)端到端的縱深安全防御體系。安全防御體系包括基于自主

32、可控的技術(shù)、構(gòu)筑工業(yè)設(shè)備安全認證、網(wǎng)絡(luò)安全可靠、數(shù)據(jù)信息安全無篡改、應(yīng)用安全態(tài)勢可感知等。綜上所述，為打破傳統(tǒng)工業(yè)自動化控制的封閉金字塔架構(gòu)，實現(xiàn)云邊端扁平化新架構(gòu)，需要滿足分離與解耦、統(tǒng)一與融合兩大特征。分離與解耦包括專有硬件與軟件的分離與解耦，私有協(xié)議控制下的接口互通解耦；統(tǒng)一與融合包括云邊端協(xié)同融合，IT、CT、OT 的融合（協(xié)議、管控），控制、算力及網(wǎng)絡(luò)的融合，有線無線的融合，網(wǎng)絡(luò)及信息標準的統(tǒng)一。分離和解耦是為了實現(xiàn)更好的統(tǒng)一與融合。在鋼鐵行業(yè)打造智能工廠中，工業(yè)領(lǐng)域傳統(tǒng)的通信方式在這一過程中成為一個明顯的短板，例如在工業(yè)控制、智能決策中對通信都有萬無一失的要求，傳統(tǒng)的工業(yè)通信方式以

33、及 4G、WiFi 等無線通信只能做到盡力而為，不能適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造的需求，因此工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谟诖_定性網(wǎng)絡(luò)的需求有自發(fā)的驅(qū)動力。2 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)2.1 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)概述2.1.1 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)概念傳統(tǒng)以太網(wǎng)用“盡力而為”的方式傳輸數(shù)據(jù)，只能將端到端的時延減少到幾十毫秒。但許多的新興業(yè)務(wù)需要將端到端時延控制在微秒到幾毫秒級、將時延抖動控制在微秒級、將可靠性控制在 99.9999%以上。因此，迫切需要建立一種可提供“準時、準確”數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)質(zhì)量的新一代網(wǎng)絡(luò)。確定性網(wǎng)絡(luò)最初是在以太網(wǎng)的基礎(chǔ)上為多種業(yè)務(wù)提供端到端確定性服務(wù)質(zhì)量保障的一種新技術(shù)。5G 確定性網(wǎng)絡(luò)（5GDN, 5G De

34、terministic Networking）概念的提出是為了實現(xiàn) SLA 需求端到端保障落地。SLA 是服務(wù)提供商和客戶之間的合同（或合同的一部分），旨在建立對服務(wù)、優(yōu)先級、責任等的共同理解。SLA 指標包括業(yè)務(wù)層 KQI 與和網(wǎng)絡(luò)層 KPI 兩類。業(yè)務(wù)層 KQI 從用戶業(yè)務(wù)出發(fā)，定義用戶可直接的體驗，如鋼鐵行業(yè)天車遠程操控時最大可穩(wěn)定運行速度、數(shù)據(jù)采集的時延等等。而支撐實現(xiàn)業(yè)務(wù) KQI 的則是各類網(wǎng)絡(luò)層 KPI。5G 確定性網(wǎng)絡(luò)的能力，整體上包含三個特征維度（差異化網(wǎng)絡(luò)、專屬網(wǎng)絡(luò)、自助網(wǎng)絡(luò)），見圖 2-1。圖 2-15G 確定性網(wǎng)絡(luò)能力 3D 模型（源自5G 確定性網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)白皮書）為了在確

35、定性 3D（差異化網(wǎng)絡(luò)、專屬網(wǎng)絡(luò)、自助網(wǎng)絡(luò)）三個方面，不斷提升能力，實現(xiàn)對于不同 SLA 的保障，5G 確定性網(wǎng)絡(luò)不斷引入各種技術(shù)，如網(wǎng)絡(luò)切片、URLLC、MEC、 TSC、TSN、5G LAN、DetNet 等技術(shù)提升 5G 網(wǎng)絡(luò)通信能力的確定性。是 5G 網(wǎng)絡(luò)與確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的深度融合，可根據(jù)應(yīng)用場景需求，從時延、速率、可靠性、定位、設(shè)備身份、數(shù)據(jù)安全、等多維度提升 5G 網(wǎng)絡(luò)指標的能力。鋼鐵行業(yè) 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)是 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用，致力于滿足 5G 在鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)場景以及生產(chǎn)輔助場景對網(wǎng)絡(luò)性能穩(wěn)定性的需求。2.1.2 確定性特性按照確定性 3D 模型，需要在如下確定性

36、指標和能力上提升，以滿足鋼鐵行業(yè)的業(yè)務(wù)需求。通信服務(wù)可用度（Communication Service Availability）該指標是從終端業(yè)務(wù)角度觀察到的網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)滿足 QoS 要求時，能持續(xù)正常工作的概率。按照 3GPP 的定義，該概率不包含設(shè)備故障導致的中斷，專指網(wǎng)絡(luò)沒有中斷的情況下，傳送性能對業(yè)務(wù)連續(xù)性的影響。具體計算方法為：在指定時間段內(nèi)，5G 網(wǎng)絡(luò)在滿足 QoS 要求時傳送成功的數(shù)據(jù)包/總傳送包個數(shù)?？梢?，該指標是 5G 網(wǎng)絡(luò)確定性網(wǎng)絡(luò)的差異化網(wǎng)絡(luò)能力在客戶業(yè)務(wù)側(cè)的承諾。作為下述差異化網(wǎng)絡(luò)類能力的指標確定的輸入。可服務(wù)能力確定性可服務(wù)能力確定性指網(wǎng)絡(luò)的可用性。要保證傳輸通道的

37、高可靠性，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備必須有冗余機制。在異常發(fā)生時，可以保證傳輸通路可用性達到確定的可靠性等級要求。能夠滿足工業(yè)化環(huán)境的可用性標準?？煞?wù)能力指標實例：99.999%。E2E 時延（End-To-End Latency）確定性E2E 時延（End-To-End Latency）是指數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗降臅r延是有界限的。時延確定性指標一般采用時延抖動(上下限)，以及指定業(yè)務(wù)周期內(nèi)滿足該時延范圍的成功概率（穩(wěn)定性）。，比如 10ms500s99.999%。一般來說，工業(yè)領(lǐng)域業(yè)務(wù)場景，無需時延抖動下限要求（數(shù)據(jù)包早到）。此時，上例可簡化為 10.5ms99.999%。E2E 時延的確定性要求終端、無

38、線、承載、核心網(wǎng)等各節(jié)點的時延穩(wěn)定。用戶速率（User Experienced Data Rate）確定性用戶速率確定性是指在數(shù)據(jù)傳輸過程中，數(shù)據(jù)從發(fā)送方傳輸?shù)浇邮辗降乃俾时仨毐３值淖畹退?，并且保障一定的概率（穩(wěn)定性）。區(qū)分為上下行。工業(yè)場景中，一般上行指標需求更為突出。比如機器視覺傳輸時，為防止抖動導致的識別錯誤和業(yè)務(wù)停機，必須保證網(wǎng)絡(luò)帶寬維持在穩(wěn)定的水平，如保證網(wǎng)絡(luò)上行帶寬達到 80Mbps99.9%。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性從業(yè)務(wù)來看，5G 系統(tǒng)（含模組、終端）不宕機，保持持續(xù)可運行。為達到這個目的，在設(shè)備冗余方面需要研究增強，包括終端模組層面。而該冗余的設(shè)計，應(yīng)該盡量做到不影響業(yè)務(wù)，做到透明。

39、在架構(gòu)上，還需要實現(xiàn)跨業(yè)務(wù)之間的故障隔離，差異化的提供不同的冗余可靠性，以提供合適的成本經(jīng)濟性。定位準確性（Position Accuracy）定位準確性是指網(wǎng)絡(luò)位置測量值與真實值的符合程度，用于表明定位測量值的正確性。在鋼鐵生產(chǎn)智慧料場的場景下，需要對遠程控制堆料機的位置進行精確控制，以便在物料的存取過程中對堆料機的位置、堆料速度及方位等進行精確控制。典型的物料存取遠程控制的定位精度要求至少在亞米級別。此外，定位的速度，在部分移動較快的業(yè)務(wù)場景也有必要。如 2ms 之內(nèi)完成定位。除了上述的差異化網(wǎng)絡(luò)能力，對于專屬網(wǎng)絡(luò)類能力，工業(yè)也需要更好的安全隔離能力。針對鋼鐵行業(yè)的訴求，如下能力是必須的：

40、設(shè)備身份確定性設(shè)備身份確定性是指在通信的發(fā)送方以及接收方都是合法的，需要保證接入到鋼鐵網(wǎng)絡(luò)的各個通信設(shè)備必須經(jīng)過安全認證和授權(quán)，保證只有合法的通訊設(shè)備才能接入網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)安全性數(shù)據(jù)安全性是指在傳輸過程中數(shù)據(jù)不泄露；同時保證數(shù)據(jù)的完整性，不被修改。必須通過差異化的機制實現(xiàn)差異化的數(shù)據(jù)安全要求，包括網(wǎng)絡(luò)隔離，數(shù)據(jù)加密，完整性保護，安全漏洞修復，滲透測試，快速響應(yīng)機制等。2.2 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)IEEE 802.1 時間敏感網(wǎng)絡(luò)（ Time-sensitive Networking， TSN）， IETF 確定性網(wǎng)絡(luò)（Deterministic Networking，DetNet）， 以及 3

41、GPP 的 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)（5G Deterministic Networking，5GDN）從不同層面對實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能指標的穩(wěn)定性進行了研究。IEEE 時間敏感網(wǎng)絡(luò)為以太網(wǎng)協(xié)議的 MAC 層提供了一套通用的時間敏感機制，在確保以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通訊的時間確定性的同時，為不同協(xié)議網(wǎng)絡(luò)之間的互操作提供了可能。DetNet 在 IP 層運行，并通過 MPLS 和時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)等底層技術(shù)提供服務(wù)。DetNet通過報文定序、副本消除、流復制、流合并、報文編碼、報文解碼、確定性轉(zhuǎn)發(fā)、資源預(yù)留和顯式路徑等技術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)通信性能的穩(wěn)定。3GPP 一方面采用切片、MEC、URLLC、高可靠等 5G 獨有技術(shù)增強

42、 5G 網(wǎng)絡(luò)的確定性能力。同時，5G 內(nèi)部也參考了 TSN 的部分技術(shù)實現(xiàn)。從而提升 5G 內(nèi)部的端到端確定性。與外部工業(yè)網(wǎng)絡(luò)對接上，既可以承載主流的工業(yè)以太類協(xié)議，也提出了 5G 與外部 TSN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同互通的方案，實現(xiàn) TSN over 5G。5G 確定性網(wǎng)絡(luò)是將現(xiàn)有確定性技術(shù)融入到 5G 網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)確定性需求，將 5G“盡力而為”、“面向 C 端”的通用屬性轉(zhuǎn)換成“準時”、“準確”、“快速”，并適用于“面向 B 端”確定屬性。確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展起來的新興技術(shù)，個別技術(shù)還處在實驗商用階段，如 TSN，有些可能還處于規(guī)范制定階段，如 DetNet。但是，作為有著廣闊應(yīng)

43、用前景的新技術(shù)，確定性網(wǎng)絡(luò)正快速的融入有線、無線通信中，并使之相互補充，服務(wù)局域網(wǎng)(園區(qū))、廣域網(wǎng)業(yè)務(wù)。下面將對 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)進行介紹。1、5G 端到端切片技術(shù)5G 網(wǎng)絡(luò)切片是面向垂直行業(yè)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)形式，其在統(tǒng)一物理設(shè)施上實現(xiàn)多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并提供多級隔離與安全，可降低建網(wǎng)成本，滿足行業(yè)多種場景按需、敏捷建立網(wǎng)絡(luò)的需求。 5G 端到端網(wǎng)絡(luò)切片按網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配及網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于一個 5G 網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個端到端切片均可由無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)子切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。圖 2-2 5G 端到端切片1） 無線網(wǎng)切片：是端到端

44、網(wǎng)絡(luò)切片中的關(guān)鍵組成部分，需要根據(jù)端到端切片編排管理系統(tǒng)下發(fā)的不同業(yè)務(wù)的不同 SLA 需求，進行靈活的子切片定制。無線網(wǎng)基于統(tǒng)一的空口框架，采用靈活的幀結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對不同的切片需求，可以采用不同的資源配置或調(diào)度方式來實現(xiàn)。無線側(cè)的切片能力更多的體現(xiàn)在不同的參數(shù)配置和調(diào)度上，參數(shù)配置包括無線資源配置、策略配置、協(xié)議棧功能配置等。2） 承載網(wǎng)絡(luò)切片：有軟隔離技術(shù)和硬隔離技術(shù)兩種。軟隔離是基于統(tǒng)計復用的第 2 層或更高層技術(shù)，例如基于 SR/IP/MPLS 的隧道技術(shù)和基于 VPN/VLAN 的虛擬化技術(shù)。硬隔離是基于物理剛性管道的 Layer1 或光層切片技術(shù)，例如 FlexE、OTN 和波分復用

45、(WDM)技術(shù)。3）5G 核心網(wǎng)切片：采用云原生和微服務(wù)等虛擬化技術(shù)，進行各種類型切片的構(gòu)建和部屬，如 eMBB,、URLLC、mMTC 等。同時，需要支持切片的簽約和選擇，對不同的切片進行隔離，限制非授權(quán)的 UE 訪問切片。支持切片能力開放，促進行業(yè)的發(fā)展。5G 核心網(wǎng)支持通過 UDM 為不同 UE 簽約不同的切片，支持基于 NSSF（Network Slice Selection Function）智能化選擇切片。NSSF 可通過 UE 請求的 NSSAI 和簽約的 NSSAI、位置區(qū)域、切片容量、切片當前負荷等信息進行切片的靈活選擇。在鋼鐵行業(yè)中，包含多類業(yè)務(wù)應(yīng)用，可通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)提供

46、業(yè)務(wù)隔離保障。可以根據(jù)需要部署多個切片實現(xiàn)不同的 SLA，比如可以部署： 工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)切片：安全性高，數(shù)據(jù)不出園區(qū)，可靠性高，帶寬需求低 大視頻網(wǎng)絡(luò)切片：大帶寬，低時延； 園區(qū)辦公網(wǎng)絡(luò)切片：方便接入，對時延不敏感，帶寬需求中等。2、URLLC低時延高可靠場景主要面向車聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、遠程控制等垂直行業(yè)的特殊應(yīng)用需求，這類應(yīng)用對時延和可靠性具有極高的指標要求，需要為用戶提供毫秒級的端到端時延和高可靠性的業(yè)務(wù)保證。5G 的第二版國際標準（Rel-16）已于 2020 年 6 月凍結(jié)，增強了對高可靠、低時延的 URLLC 業(yè)務(wù)場景的支持。URLLC 關(guān)鍵技術(shù)包括 mini-slot、上行免

47、授權(quán)、下行資源搶占等，受限于研發(fā)進度及終端支持情況主要在實驗室中驗證技術(shù)方案，目前現(xiàn)網(wǎng)低時延保障主要使用的是 eMBB 增強型低時延相關(guān)技術(shù)功能。無線空口時延包括空口傳輸時延，調(diào)度時延，等待時延等?？湛趥鬏敃r延遵循 NR 標準在不同頻段的幀結(jié)構(gòu)模型；調(diào)度時延主要是從調(diào)度請求到授權(quán)再到真正發(fā)送數(shù)據(jù)的過程；等待時延是 PDCP 緩存接收報文的間隔。目前對于時延保障增強可落地的技術(shù)主要從兩方面考慮：1） 減少調(diào)度時間：通過切片+5QI、資源預(yù)留、智能預(yù)調(diào)度等技術(shù)提升調(diào)度優(yōu)先級。2） 降低空口錯包率：優(yōu)化 SR/MCS/目標 BLER/HARQ 重傳次數(shù)等參數(shù)。鋼鐵業(yè)務(wù)類型繁多，對時延的要求也不近相同

48、，尤其是嵌入生產(chǎn)環(huán)節(jié)的控制類業(yè)務(wù)，對網(wǎng)絡(luò)時延要求極高，如無人行車業(yè)務(wù)的 PLC 控制指令下達要求時延小于 10ms。從實現(xiàn)時延的技術(shù)手段來看，針對端到端時延要求在 10-50ms 之間，可通過開啟上行預(yù)調(diào)度、設(shè)置 SR周期、關(guān)閉 DRX 功能等功能參數(shù)，降低調(diào)度時間來實現(xiàn)，針對時延在 5-10ms 之間，需要使用 mini-slot 等 URLLC 技術(shù)，針對時延要求 1-5ms 之間，在 URLLC 的基礎(chǔ)上還需要在幀格式、子載波間隔、雙工模式等方面進行考慮。3、MEC 技術(shù)多接入邊緣計算 MEC（Multi-Access Edge Computing）用于解決網(wǎng)絡(luò)延遲、擁塞和安全等問題。邊

49、緣計算把無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)有效融合在一起，在無線網(wǎng)絡(luò)邊緣提供計算能力和無線網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接能力。應(yīng)用服務(wù)和內(nèi)容部署在本地邊緣，可以減少數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)，提高數(shù)據(jù)安全性，降低端到端時延，減少帶寬占用，并降低功耗。邊緣計算的部署場景，可以細分為接入、普通匯聚、重要匯聚以及核心四級。在接入以及匯聚等較低的位置，設(shè)備對惡劣環(huán)境的適應(yīng)以及易維護是核心需求。而在核心等較高位置，關(guān)注點則在性能、容量以及 ICT 能力的提供上。MEC 部署在園區(qū)的典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖：圖 2-3 MEC 園區(qū)部署方案基于 SBA（Service-based Architecture）架構(gòu)的 5G 網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)元將控制面和用戶面分離，可以靈活地將用

50、戶面下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣， 一跳直達，滿足毫秒級業(yè)務(wù)需求。5G 網(wǎng)絡(luò)特征是去中心化，C/U 分離架構(gòu)與多接入邊緣計算 MEC 方向吻合。MEC 作為邊緣云數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施， 將云端或者工廠數(shù)據(jù)中心應(yīng)用下沉到位于車間的 5G 網(wǎng)絡(luò)邊緣，與用戶面 UPF 結(jié)合，既是一個資源計算平臺，又是一個無線網(wǎng)絡(luò)能力平臺， MEC 改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)分離的現(xiàn)狀，實現(xiàn)計算和網(wǎng)的融合。一方面可以改善用戶體驗，節(jié)省帶寬資源，另一方面通過將計算能力下沉到網(wǎng)絡(luò)邊緣位置，提供第三方應(yīng)用集成，為移動邊緣入口的服務(wù)創(chuàng)新提供了想象空間。適合在鋼鐵行業(yè)部署，對于降低時延，快速上線新業(yè)務(wù)，保證數(shù)據(jù)安全等有很大的價值空間。4、上行速率增強技術(shù)

51、相比于公眾業(yè)務(wù)應(yīng)用，行業(yè)應(yīng)用更關(guān)注上行帶寬，目前 5G 網(wǎng)絡(luò)以滿足下行數(shù)據(jù)傳輸需求為主。5G 上行受限于終端天線數(shù)量、發(fā)射功率及時隙配比等制約，在速率、覆蓋距離及時延方面相比下行還有優(yōu)化空間，而垂直行業(yè)應(yīng)用更多是類似高清視頻回傳、大數(shù)據(jù)采集上報等上行業(yè)務(wù)，這就要求 5G 對上行進行優(yōu)化。運用 5G 時頻雙聚合技術(shù)后，終端在小區(qū)中心（近點）可以利用 FDD+TDD 頻譜同時進行上下行傳輸，獲得大帶寬和低時延能力；終端在小區(qū)邊緣（遠點）則把上行切換到 FDD提升覆蓋，下行保持 FDD+TDD 聚合，業(yè)務(wù)體驗速率得到提升。5G 時頻雙聚合技術(shù)把 FDD和 TDD 頻譜在時域和頻域巧妙地協(xié)同起來，在充

52、分利用成熟技術(shù)和不對終端增加額外成本的基礎(chǔ)上，引入創(chuàng)新性的載波間協(xié)同與調(diào)度技術(shù)，化解 3.5GHz 單頻組網(wǎng)面臨的三大挑戰(zhàn)，實現(xiàn)容量、覆蓋和時延三方面性能的提升。時頻雙聚合方案可以充分利用 TDD 和 FDD 頻譜進行融合互補優(yōu)勢，非常適合應(yīng)用于遠程遙控、視頻監(jiān)控等上行覆蓋和帶寬需求的應(yīng)用，提升 To B 業(yè)務(wù)用戶感知。鋼鐵行業(yè)高清視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對上行大帶寬的需求，部分場景上行峰值速率要求較高，如四大車狀態(tài)檢測業(yè)務(wù)，單終端上行速率可達 30Mbps；部分場景終端密度大且上行速率高，上行容量可達 500Mbps 以上。為滿足行業(yè)客戶對上行峰值速率、上行容量、上行邊緣速率的高要求，5G 行業(yè)網(wǎng)可引入

53、 3U1D 幀結(jié)構(gòu)、上行載波聚合等增強技術(shù)。5、無線傳輸可靠性增強技術(shù)由于通信業(yè)務(wù)的特殊性，3GPP 協(xié)議規(guī)定如果通信業(yè)務(wù)沒有滿足相關(guān) QoS 要求，則通信業(yè)務(wù)被視為不可用（unavailable），即 CSA 未達成。在實踐中，鋼鐵行業(yè)現(xiàn)場大量的鋼鐵結(jié)構(gòu)，對于空口傳輸?shù)挠绊懛浅４?。所以對?5G 端到端系統(tǒng)可靠性而言，提升無線通信鏈路的魯棒性是關(guān)鍵，常用的一些通信技術(shù)，如數(shù)據(jù)鏈路層的重傳糾錯、5G URLLC 的高可靠 MCS 表、重復傳輸?shù)?。鋼鐵業(yè)務(wù)的工業(yè)控制業(yè)務(wù)，需要滿足較高的時延確定性。從需求分析，指定時延下的可 靠性要求一般是從 90% - 99.999%。對于 99.99%以下的可

54、靠性要求可以通過保守調(diào)度來實現(xiàn)；對于 99.999%及以上的可靠性要求，5G 空口進行了一系列增強設(shè)計，以冗余資源換取高可 靠性，物理層通過引入低 CQI/MCS 表格、提高了調(diào)制解調(diào)的容錯性和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕?PDCP 層通過引入 PDCP 復制等技術(shù)提高數(shù)據(jù)的冗余，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。通過結(jié) 合使用重復傳輸、PDCP 復制等冗余傳輸技術(shù)、低 CQI/MCS 表格等降低編碼效率技術(shù)，向 行業(yè)客戶提供分級的可靠性能力。6、5G+TSN 技術(shù)時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN：Time Sensitive Networking ）為標準以太網(wǎng)增加了確定性和可靠性，以確保以太網(wǎng)能夠為關(guān)鍵數(shù)據(jù)的傳輸提供穩(wěn)

55、定一致的服務(wù)，TSN 可應(yīng)用于專業(yè)音視頻、自動控制、電子以及實時控制、工業(yè)控制等領(lǐng)域，鋼鐵行業(yè)作為重要的基礎(chǔ)工業(yè)，未來也可以部署 5G+TSN 網(wǎng)絡(luò)滿足對網(wǎng)絡(luò)要求嚴苛的移動性場景業(yè)務(wù)，甚至包括現(xiàn)有的工業(yè)控制的工業(yè)以太協(xié)議會逐步演進支持 TSN。如果當工業(yè)現(xiàn)場的有線連接演進到 TSN 網(wǎng)絡(luò)時，5G 可以與其融合，實現(xiàn) TSN over 5G，進行部署距離擴展和無線化。此時，5G 系統(tǒng)中的終端，無線，核心網(wǎng)整體作為 TSN Bridge（橋接器）與 TSN 網(wǎng)絡(luò)集成部署，這個邏輯 TSN Bridge 架構(gòu)如下：圖 2-45G+TSN 架構(gòu)其中，需要部署兩個 TSN 轉(zhuǎn)換器（TSN Transla

56、tor，簡稱 TT）：在 UE 側(cè)需要設(shè)備轉(zhuǎn)換器（DS-TT），在網(wǎng)絡(luò)側(cè)需要網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器（NW-TT）。這兩個 TT 提供了 TSN 網(wǎng)絡(luò)的出口與入口，完成 5G 網(wǎng)絡(luò)與 TSN 網(wǎng)絡(luò)的互操作。而 5G 網(wǎng)絡(luò)對 TSN 網(wǎng)絡(luò)來說就是一個透明的系統(tǒng)，5G 系統(tǒng)內(nèi)部相關(guān)的業(yè)務(wù)流程，包括核心網(wǎng)與無線之間的流程，對 TSN 網(wǎng)絡(luò)來說是不可見的。5G 具有高速率、低時延、大容量的特點，是實現(xiàn)人機物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，而 TSN 具有高精度時間同步、個性化精準流量調(diào)度及智能化網(wǎng)絡(luò)管理等特性，成為 5G 網(wǎng)絡(luò)為提高業(yè)務(wù)承載能力、提供確定化的傳輸服務(wù)所借助的關(guān)鍵技術(shù)。在鋼鐵行業(yè)中 5G 與 TSN 網(wǎng)絡(luò)對接，可以將 5G 的能力擴展到更多鋼鐵應(yīng)用場景中，如移動機器人或 AGV 的安裝和控制、遠程監(jiān)控，甚至某些傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用場景。2.3 確定性技術(shù)相關(guān)的標準化現(xiàn)狀2.3.1 國際標準化相關(guān)工作（1）ITU目前，ITU-T SG13“Future networks, with focus on IMT-2020, cloud computing and trusted network infrastructures”有兩個與 5G 確定性網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的標準在研項目：中國聯(lián)通牽頭的 ITU-T Y.det-qos-reqts-lan“Framework and QoS req