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任何的技術(shù)，如果沒(méi)有其需求以及其應(yīng)用場(chǎng)景所帶來(lái)的商業(yè)價(jià)值，則沒(méi)有被推動(dòng)的實(shí)際意義，而闡明清楚這些問(wèn)題，對(duì)于評(píng)估和推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)是至關(guān)重要的。

TSN因何產(chǎn)生？

在工業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通常來(lái)自于需求，創(chuàng)造需求這件事情對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域就不像喬布斯當(dāng)初設(shè)計(jì)蘋(píng)果手機(jī)的時(shí)候那樣：“用戶(hù)并不知道自己想要什么”，工業(yè)中的技術(shù)都來(lái)自于需求，用于解決某個(gè)已有或潛在的問(wèn)題，因此，TSN是來(lái)自于制造業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大量數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求。

數(shù)據(jù)量大且復(fù)雜是一個(gè)需求：因?yàn)樵贗IoT的融合中，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)、數(shù)據(jù)類(lèi)型的需求千奇百怪，但是，如果無(wú)法用一個(gè)同一網(wǎng)絡(luò)來(lái)協(xié)調(diào)的話(huà)，那么就會(huì)產(chǎn)生大量的中間轉(zhuǎn)換的硬件和軟件，這對(duì)于大量的網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)說(shuō)，就會(huì)產(chǎn)生一些復(fù)雜的問(wèn)題，就必然需要一個(gè)同一網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳輸異構(gòu)數(shù)據(jù)的需求基準(zhǔn)。

其次，技術(shù)的產(chǎn)生必然有一定的繼承性，不能完全憑空開(kāi)發(fā)出一項(xiàng)新技術(shù)，TSN實(shí)際上在其初始技術(shù)上包括了基于IEEE1588的時(shí)鐘同步、IEEE802.1Q中的數(shù)據(jù)流調(diào)度，并結(jié)合原有的一些技術(shù)開(kāi)發(fā)了加強(qiáng)的整形器、數(shù)據(jù)配置工具，這些都并非全然新的，只是之前音視頻、汽車(chē)領(lǐng)域IEEE802.1Q工作組已有工作的擴(kuò)展，而其底層如IEEE802.3、IEEE802.3cg（單絞以太網(wǎng)）都是已有的標(biāo)準(zhǔn)，圖2是TSN的標(biāo)準(zhǔn)制定進(jìn)程。

因此，TSN技術(shù)的產(chǎn)生背景在于大量數(shù)據(jù)，包括機(jī)器視覺(jué)、AR/VR、運(yùn)動(dòng)控制、傳感器、音頻等數(shù)據(jù)的需求連接下，是管理與控制融合的需求，是人工智能、數(shù)字孿生技術(shù)得以高效實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

圖1 工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展歷程

圖2 TSN技術(shù)發(fā)展歷程

TSN 對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)營(yíng)的改變

今天，我們討論各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造的應(yīng)用場(chǎng)景時(shí)，大部分人都會(huì)對(duì)這些技術(shù)產(chǎn)生極大的質(zhì)疑，尤其是來(lái)自于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的人士，覺(jué)得實(shí)際上就無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)現(xiàn)在干的都是“導(dǎo)表”的事情，包括有些IT人士總是問(wèn)到底現(xiàn)場(chǎng)有多少種總線(xiàn)，不過(guò)，很多人還停留在CAN、Modbus等階段的認(rèn)識(shí)，凡此種種，經(jīng)常給人的感覺(jué)是：“如果你們了解TSN，也許你們就知道問(wèn)題該怎么辦了”——因此，客觀(guān)地說(shuō)，現(xiàn)階段的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用仍然處于初級(jí)階段，真正的連接并未被有效打通，這必須寄望于TSN和OPCUA的融合，因?yàn)椋琌PCUA解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)語(yǔ)義互操作的規(guī)范，但底層仍然需要一個(gè)同一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行連接。圖3即是一種制造現(xiàn)場(chǎng)的變化，從原來(lái)僅在垂直架構(gòu)上的集中控制，以控制任務(wù)為核心，當(dāng)然也包括了分布式控制架構(gòu)——針對(duì)流程工業(yè)為主的DCS，但新的架構(gòu)融合更多的計(jì)算任務(wù)。

（1）降低IT訪(fǎng)問(wèn)OT端的成本

若問(wèn)這個(gè)世界上到底有多少種總線(xiàn)，可以說(shuō)，這個(gè)世界上有多少個(gè)做控制器的，就有多少種總線(xiàn)，每個(gè)做過(guò)控制器的人都會(huì)根據(jù)自己的業(yè)務(wù)需求開(kāi)發(fā)一個(gè)總線(xiàn)，因?yàn)樵瓉?lái)那個(gè)以太網(wǎng)雖然標(biāo)準(zhǔn)，卻不具有實(shí)時(shí)性，后來(lái)產(chǎn)生了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。筆者很多次與IT界、包括終端用戶(hù)的朋友談到這個(gè)話(huà)題時(shí)，他們都很茫然，說(shuō)你們現(xiàn)場(chǎng)真的是太復(fù)雜了，太封閉了，而我說(shuō)其實(shí)我們也不想啊！主要是你們提供的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)不爭(zhēng)氣啊！

好吧，IT和OT的融合就是這樣，當(dāng)大家發(fā)現(xiàn)一種比較經(jīng)濟(jì)的道路時(shí)，OT一直擅長(zhǎng)于從IT借調(diào)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用，不管是今天基于IntelX86架構(gòu)的PLC的應(yīng)用，還是以太網(wǎng)，以及控制器里集成的Web服務(wù)器。OT一直擅長(zhǎng)借用IT技術(shù)，因?yàn)椋琁T應(yīng)用群眾基礎(chǔ)大，攤薄了成本，因此，借IT發(fā)展的東風(fēng)，轉(zhuǎn)向新的技術(shù)是必然，這是從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，讓TSN這樣的標(biāo)準(zhǔn)基于IEEE的以太網(wǎng)能夠擁有實(shí)時(shí)性，這就解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的問(wèn)題，因此，何樂(lè)而不為呢？

其實(shí)，TSN這一技術(shù)的發(fā)展很是利好ICT行業(yè)的人，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)很多ICT廠(chǎng)商居然不了解TSN，也沒(méi)有積極推廣之的時(shí)候，筆者表示很奇怪——為什么這么有利于你們進(jìn)入OT端的標(biāo)準(zhǔn)，卻不積極推動(dòng)呢？這是我之前為什么對(duì)那些號(hào)稱(chēng)做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的人群表示質(zhì)疑的一個(gè)重要原因，有些OT端的人還會(huì)擔(dān)心這樣會(huì)不會(huì)引狼入室呢？讓IT訪(fǎng)問(wèn)了OT，搶了我們的生意咋辦？其實(shí)，想多了，每個(gè)OT端的那些事情也不是IT想干就能干的，其實(shí)，要論機(jī)理模型的掌握、數(shù)據(jù)源、行業(yè)工藝等等，IT的兄弟們才懶得跟你拼，就自動(dòng)化這個(gè)業(yè)務(wù)規(guī)模，還需要投入懂機(jī)械、電氣、工藝、材料等跨學(xué)科所需的工程技術(shù)人才，這投資回報(bào)實(shí)在與他們的身份不符。

（2）邊緣計(jì)算的推進(jìn)

邊緣計(jì)算也正在成為各家OICT廠(chǎng)商所關(guān)注的焦點(diǎn)，互聯(lián)的初衷正在于通過(guò)全局的數(shù)據(jù)采集，來(lái)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化、策略與調(diào)度問(wèn)題，記得剛開(kāi)始老聽(tīng)I(yíng)T的朋友講“水平解耦”，一直不明白“解耦”是什么意思，還不好意思問(wèn)，后來(lái)明白了，就是通過(guò)數(shù)據(jù)連接，將全局的問(wèn)題集中，然后通過(guò)調(diào)度、優(yōu)化、策略等算法，實(shí)現(xiàn)消除其中的“不必要項(xiàng)”，合并同類(lèi)項(xiàng)，然后達(dá)到最優(yōu)的效果，就像把機(jī)器連接起來(lái)就消除了其中的不必要的時(shí)間消耗一樣，邊緣計(jì)算是立足于全局的。

而這個(gè)全局優(yōu)化，就必然會(huì)需要一個(gè)數(shù)據(jù)的全局采集，那么來(lái)自于工藝控制、管理決策相關(guān)、品質(zhì)、不確定因素、擾動(dòng)等因素都會(huì)被擊中，而這些參數(shù)類(lèi)型有大容量的視覺(jué)、AR/VR、音頻等，也有運(yùn)動(dòng)控制的位置、速度、扭矩、溫度等實(shí)時(shí)控制參數(shù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)于帶寬、周期的需求千差萬(wàn)別，那么如何在一個(gè)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)有效、有序的調(diào)度，這就是TSN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一架構(gòu)所要解決的問(wèn)題。

集中式控制與分布式計(jì)算的融合，需要一個(gè)能夠打通各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)通道，并通過(guò)OPCUA來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)義互操作，但是，OPCUA如果基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)，又缺乏實(shí)時(shí)性，因此采用了TSN來(lái)解決此問(wèn)題。

由此可見(jiàn)，OPCU Aover TSN是解決整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方案，這也是其能夠得到廣大廠(chǎng)商關(guān)注的原因。

（3）對(duì)數(shù)字化應(yīng)用的推進(jìn)

數(shù)字化的推進(jìn)中，包括新的邊緣計(jì)算、人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)、基于云計(jì)算等方案來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)層次、不同粒度的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)刷新問(wèn)題。

數(shù)字孿生與傳統(tǒng)建模仿真有一個(gè)較大的差異在于其實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)交互”，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的采集，包括不確定、非線(xiàn)性的任務(wù)中的變量采集，基于全局優(yōu)化，可以采用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)質(zhì)量相關(guān)性進(jìn)行分析，也可以對(duì)調(diào)度策略進(jìn)行全局分析，但這些分析與優(yōu)化的結(jié)果、算法與模型等，需要部署到現(xiàn)場(chǎng)控制器，并實(shí)時(shí)指導(dǎo)應(yīng)用，對(duì)于個(gè)性化生產(chǎn)而言，這種動(dòng)態(tài)交互需要“實(shí)時(shí)”的交互，由于數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，因此，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)本身的復(fù)雜性也提出了需求。由于在系統(tǒng)中計(jì)算環(huán)節(jié)需要消耗較多的時(shí)間，必須確保網(wǎng)絡(luò)的高速響應(yīng)，否則，就會(huì)整體周期較長(zhǎng)，難以達(dá)到動(dòng)態(tài)與實(shí)時(shí)效果，這也是TSN之所以用于滿(mǎn)足這些需求的原因。

通過(guò)TSN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)傳感器、控制、運(yùn)營(yíng)在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中布建，才能確保整體的運(yùn)營(yíng)一致性。如果不采用同一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，那么就會(huì)產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與交換節(jié)點(diǎn)的出現(xiàn)，并且需要在各個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間開(kāi)發(fā)轉(zhuǎn)換程序，這些使得網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜、低效，降低了系統(tǒng)的魯棒性，穩(wěn)定性。

因此，數(shù)字化的推進(jìn)必須依賴(lài)于一個(gè)大容量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范網(wǎng)絡(luò)。TSN技術(shù)用于改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、封閉、連接的困難，而采用IEEE標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，使得整個(gè)OICT融合中的效率得以提高，降低了在其中所消耗的不必要網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成本。

TSN構(gòu)建的技術(shù)生態(tài)系統(tǒng)James FMoore在著名的《競(jìng)爭(zhēng)的衰亡》（The death of competition）一書(shū)中描述了未來(lái)的企業(yè)之間將由“競(jìng)爭(zhēng)”轉(zhuǎn)向“競(jìng)合”，因此，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)則成為了關(guān)鍵，而對(duì)于工業(yè)界而言，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)必須以技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，需要一個(gè)合適的生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。

TSN是一個(gè)融合更為廣泛的陣營(yíng)而構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)，其融合了IT和OT兩側(cè)的廠(chǎng)商共同打造這一標(biāo)準(zhǔn)，IEC的會(huì)員采用企業(yè)制，參與的都是有著企業(yè)傾向性的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范；而IEEE則不同，其會(huì)員為個(gè)人制，雖然來(lái)自不同企業(yè)，并且在通用的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)制定中，IEEE作為一個(gè)開(kāi)放的，不受任何企業(yè)所主導(dǎo)的標(biāo)準(zhǔn)，具有更高的可信度，也更易于為各個(gè)產(chǎn)業(yè)界的企業(yè)所采用。

TSN不同于傳統(tǒng)各家廠(chǎng)商所開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)，被隔離為不同的陣營(yíng)，而今天，在工業(yè)互聯(lián)、智能制造的發(fā)展背景下，必須是OICT各方融合的過(guò)程，不是OT端的企業(yè)內(nèi)部劃分陣營(yíng)的合作，而是來(lái)自于IT、CT、OT多方企業(yè)建立的合作，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)必須是一個(gè)純?nèi)婚_(kāi)放、不受制于任何廠(chǎng)商的，因此，TSN就有了這個(gè)基礎(chǔ)。

在TSN技術(shù)的整個(gè)發(fā)展過(guò)程中，可以看到了IEEE組織所起到的關(guān)鍵作用，由最初的音視頻橋接網(wǎng)絡(luò)到IEEE802.1Q工作組的IEEE802.1AVB，延展到工業(yè)IEEE802.1TSN工作組將工業(yè)融入其中，再發(fā)展到IEEE60802針對(duì)工業(yè)的互操作，并與OP CUA基金會(huì)合作制定OPC UA over TSN的協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)。

芯片提供方包括：

芯片廠(chǎng)商：Intel AL TERA、XILINX、NXP、AD、Belden、Renesas等廠(chǎng)商；

技術(shù)服務(wù)商：TTTech、Sprint、Broadcom、Kalicyto等廠(chǎng)商；

IT廠(chǎng)商：Huawei、Erricsson、Cisco、Nokia等都均加入了TSN技術(shù)的研發(fā)中；

自動(dòng)化廠(chǎng)商：ABB、SIEMENS、Rockwell、B&R、Schneider、Mitsubshi、BoschRexroth、NI等；

汽車(chē)電子：Bosch、Samsung；

連接器廠(chǎng)商：Molex、TE、Harting。

這些都是生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展路徑，從時(shí)間節(jié)點(diǎn)上來(lái)看，TSN工作組在2015年成立；2016年9月召開(kāi)第一次Shaper整形器工作組，包括了ABB、貝加萊、GE、TTTech、Cisco等OICT廠(chǎng)商；2017年在NI的IIC TSN測(cè)試床架構(gòu)；2018年在SPS展、2019年Hannover展上，包括B&R、SIEMENS、三菱等自動(dòng)化廠(chǎng)商已經(jīng)有產(chǎn)品展出，華為的ECC也推出了基于TSN的測(cè)試床來(lái)連接各家的產(chǎn)品構(gòu)建系統(tǒng)。在IEEE802.1.org的官網(wǎng)上可以看到，目前參與整個(gè)TSN項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)人員包括了大量華為、愛(ài)立信、諾基亞、思科、西門(mén)子、ABB、貝加萊、施耐德等公司的專(zhuān)家代表，事實(shí)上，對(duì)照以往的技術(shù)推進(jìn)速度，TSN的發(fā)展速度堪稱(chēng)“神速”。（本文載自：“東道西說(shuō)”微信公眾號(hào)）

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