为什么需要工业全要素互联

以制造业为核心的实体经济是国家经济实力和国际竞争力的具体体现。我国制造业体系健全、种类齐全，整体规模位列世界第一，GDP占比高达26.8%。但同时也存在高端制造业发展滞后、中低端制造业人工成本增加以及产值增长逐年放缓等问题。为应对以上问题，我国政府制定了实施制造强国战略第一个十年的行动纲领《中国制造2025》，以加快信息化与工业化深度融合为主线，以推进智能制造为主攻方向，促进制造业的转型升级。

实现基于两化融合的智能制造，离不开工业互联网的支撑^[1]。工业互联网将基于数据驱动的物理系统与数字空间全面互联，通过对物理过程和设备进行更深入、更全面地感知，借助边缘计算、云计算、大数据分析、人工智能等先进信息技术对生产和控制过程进行智能分析与决策，最终通过控制系统作用于物理世界，这个过程形成了一个基于信息物理系统的工业调控闭环。该闭环颠覆了传统运营技术的生产模式，通过优化资源配置、提高生产效率与灵活性，推动了数字化管理、网络化协同、个性化定制等新型生产模式的发展，使智能制造的推广普及成为可能。

工业互联网的底层架构是人员、机器、物料、法则、环境等构成的工业全要素通过网络的互联，如图1所示。基于此，借助信息技术实现的生产调控闭环才能够完全联通，物理世界才能够被全面地感知与调控。

互联对网络实时性的需求

由于工业各要素间的交互必须通过网络实现，因此网络性能对工业生产过程影响很大，一旦网络没有将数据按需传送到目的端，就可能导致控制精度下降、生产过程停滞，甚至安全生产事故等严重问题。工业场景中需要考虑的网络性能包括实时性、可靠性、抖动性等。本文重点关注网络的实时性，因为其他网络特性可通过实时性间接体现，例如当实时性的需求得到满足时，说明数据已经按时到达目的端，体现了网络可靠性得到满足传输需求；实时性的传输能够确保数据在截止期前达到，这种确定性保证有助于抖动的消除等。

不同的工业场景下，全要素互联对网络实时性有不同的需求^{[2, 3]}，如表1所示，安全生产相关的场景具有最高的实时性需求，要求数据在10 ms内完成传输，过长的数据传输会导致危险事件无法及时响应，造成无法挽回的损失，例如高炉爆炸、毒气泄漏等；控制场景中根据不同的连接要素，实时性需求存在较大差异，其中无人参与的闭环控制具有更高的实时性需求，而在人为参与的控制过程中，由于人的动作相对较慢，因此允许更为宽松的实时性数据传输；监测场景下的数据虽然能够为后续的生产决策提供依据，但并不直接作用于生产控制，因此实时性需求最低，甚至在日志更新时允许小时级的传输延时。为支撑各种实时性需求，大量先进的工业网络技术被提出，并在工业应用中取得了显著的效果。