TSN技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域中的應用是什么

年前，終于完成了一篇《TSN技術(shù)綜述》的論文，從去年8月接受約稿，到完成，期間翻看了大量相關(guān)資料，目前在國內(nèi)這方面的素材還是比較少，但是，TSN技術(shù)卻正在成為熱點—然而，TSN究竟對于自動化廠商、OEM廠商、終端用戶、IT廠商意味著什么？有一些人對TSN尚未了結(jié)，也有一些質(zhì)疑的聲音，作為對TSN技術(shù)觀察已經(jīng)長達3年多的0.1個專家，我覺得有必要從并非僅僅產(chǎn)品技術(shù)角度去剖析，以獲得更深入的關(guān)注和了結(jié)。

商業(yè)價值是評估的關(guān)鍵

任何的技術(shù)，如果沒有其需求，以及其應用場景，帶來商業(yè)價值，則沒有意義被推動，而闡明清楚這些問題，對于評估和推動這項技術(shù)至關(guān)重要。

TSN因何產(chǎn)生？

在工業(yè)領(lǐng)域，技術(shù)標準通常來自于需求，創(chuàng)造需求這件事情對于工業(yè)領(lǐng)域就不像喬布斯設(shè)計蘋果的時候“用戶并不知道自己想要什么？”，工業(yè)中的技術(shù)都來自于需求，用于解決某個已有或潛在的問題，因此，TSN是來自于制造業(yè)現(xiàn)場大量的數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求。

數(shù)據(jù)量大且復雜是一個需求：因為在IIoT的融合中，數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)、數(shù)據(jù)類型的需求千奇百怪，但是，如果無法用一個同一網(wǎng)絡(luò)來協(xié)調(diào)的話，那么就會又產(chǎn)生大量的中間轉(zhuǎn)換的硬件和軟件，這對于大量的網(wǎng)絡(luò)連接來說，就會有較大的問題，這是必然需要一個同一網(wǎng)絡(luò)來傳輸異構(gòu)數(shù)據(jù)的需求基準。

圖1-工業(yè)通信技術(shù)的發(fā)展歷程

其次，技術(shù)的產(chǎn)生必然有一定的繼承性，不能憑空完全新的開發(fā)一項技術(shù)，TSN實際上在其初始技術(shù)上包括了基于IEEE1588的時鐘同步、IEEE802.1Q中的數(shù)據(jù)流調(diào)度并結(jié)合原有的一些技術(shù)開發(fā)了加強的整形器、數(shù)據(jù)配置工具，這些都并非全然新的，只是之前在音視頻、汽車領(lǐng)域IEEE802.1Q工作組已有工作的擴展，而其底層如IEEE802.3、IEEE802.3cg(單絞以太網(wǎng))都是已有的標準。

圖2是TSN的標準制定進程。

圖2-TSN技術(shù)發(fā)展歷程

因此，TSN技術(shù)的產(chǎn)生背景在于大量數(shù)據(jù)包括機器視覺、AR/VR、運動控制、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)得以高效實現(xiàn)的基礎(chǔ)技術(shù)支撐。

TSN對工業(yè)現(xiàn)場運營的改變

今天，我們討論各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造的應用場景的時候，大部分人都對這些產(chǎn)生極大的質(zhì)疑，尤其來自于工業(yè)現(xiàn)場的人士，覺得實際上就無法真正實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效傳輸，各種工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺現(xiàn)在干的都是“導表”的事情，包括有些IT人士總是問到底現(xiàn)場有多少種總線，不過，很多人還停留在CAN,Modbus等階段的認識，凡此種種，經(jīng)常給我的感覺就是，“如果你們了解TSN，也許你們就知道問題該怎么辦了”—因此，客觀的說，現(xiàn)階段的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用仍然處于初級階段，真正的連接并未被有效的打通，這必須寄望于TSN和OPC UA的融合，因為，OPC UA解決了異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)語義互操作的規(guī)范，但底層仍然需要一個同一的網(wǎng)絡(luò)標準進行連接，圖3即是一種制造現(xiàn)場的變化，從原來僅在垂直架構(gòu)上的集中控制，以控制任務為核心，當然也包括了分布式控制架構(gòu)—針對流程工業(yè)為主的DCS，但新的架構(gòu)融合更多的計算任務。

圖3-集中控制與分布式計算架構(gòu)的融合

（1）降低IT訪問OT端的成本

你若問這個世界上到底有多少種總線，我就說這個世界上有多少個做控制器的，就有多少種總線，每個做過控制器的都會根據(jù)自己的業(yè)務需求開發(fā)一個總線，因為原來那個以太網(wǎng)雖然標準卻不具有實時性，后來產(chǎn)生了實時以太網(wǎng)，很多次與IT界也包括終端用戶的朋友談到這個話題，他們都很茫然，說你們現(xiàn)場真的是太復雜了，太封閉了，我說其實我們也不想?。≈饕悄銈兲峁┑臉藴室蕴W(wǎng)不爭氣啊！

好吧，IT和OT的融合就是這樣，當大家發(fā)現(xiàn)一種比較經(jīng)濟的道路的時候，OT一直擅長于從IT借調(diào)資源來實現(xiàn)自己的應用，不管是今天基于Intel X86架構(gòu)的PLC的應用，還是以太網(wǎng)，以及控制器里集成的Web服務器，OT一直擅長借用IT技術(shù)，因為，IT應用群眾基礎(chǔ)大，攤薄了成本，因此，借IT發(fā)展的東風，轉(zhuǎn)向新的技術(shù)是必然，這是從經(jīng)濟性角度考慮，讓TSN這樣的標準基于IEEE的以太網(wǎng)能夠擁有實時性，這就解決了傳統(tǒng)以太網(wǎng)的問題，因此，何樂而不為？

其實，TSN這件事情很是有點利好ICT的人啊！因此，當發(fā)現(xiàn)很多ICT廠商居然不了解TSN并積極推廣之，我還表示很奇怪—為什么這么有利于你們進入OT端的標準你們卻不積極推動呢？這是我之前為什么對那些號稱做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的人群表示質(zhì)疑的一個重要原因，有些OT端的人還會擔心這樣會不會引狼入室呢？讓IT訪問了OT搶了我們的生意咋辦？其實，想多了，每個OT端的那些事情也不是IT想干就能干的，其實，要論機理模型的掌握、數(shù)據(jù)源、行業(yè)工藝，IT的兄弟們才懶得跟你拼，就自動化這個業(yè)務的規(guī)模，還需要投入懂機械、電氣、工藝、材料等跨學科所需的工程技術(shù)人才，這投資回報實在與他們的身份不符。

（2）邊緣計算的推進

邊緣計算也正在成為各家OICT廠商所關(guān)注的焦點，互聯(lián)的初衷正在于通過全局的數(shù)據(jù)采集來實現(xiàn)優(yōu)化、策略與調(diào)度問題，記得剛開始老聽IT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，后來明白了，就是通過數(shù)據(jù)連接，將全局的問題集中，然后通過調(diào)度、優(yōu)化、策略等算法來實現(xiàn)消除其中的“不必要項”，合并同類項，然后達到最優(yōu)的效果，就像把機器連接起來就消除了其中的不必要的時間消耗一樣，邊緣計算是立足于全局的。

而這個全局優(yōu)化，就必然會需要一個數(shù)據(jù)的全局采集，那么來自于工藝控制、管理決策相關(guān)、品質(zhì)、不確定因素、擾動等都會被擊中，而這些參數(shù)類型有大容量的視覺、AR/VR、音頻等，也有運動控制的位置、速度、扭矩、溫度等實時控制參數(shù)，這些數(shù)據(jù)對于帶寬、周期的需求千差萬別，那么如何在一個數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)有效、有序的調(diào)度，這就是TSN網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一架構(gòu)所要解決的問題，表1列出了在TSN網(wǎng)絡(luò)鎖包含的各種數(shù)據(jù)類型。

表1-TSN應對各種數(shù)據(jù)需求

集中式控制與分布式計算的融合，需要一個能夠打通各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)通道，并通過OPC UA來實現(xiàn)語義互操作，但是，OPC UA如果基于標準以太網(wǎng)又缺乏實時性，因此，采用了TSN來解決此問題。

因此，OPC UA over TSN是解決整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方案，這也是得到了廣達的廠商關(guān)注的原因。

（3）對數(shù)字化應用的推進

數(shù)字化的推進中，包括新的邊緣計算、人工智能與機器學習、基于云計算等方案來實現(xiàn)各個層次，不同粒度的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)刷新問題。

數(shù)字孿生與傳統(tǒng)建模仿真有一個較大的差異在于其實現(xiàn)“動態(tài)交互”，通過對數(shù)據(jù)的采集，包括不確定、非線性的任務中的變量采集，基于全局優(yōu)化，可以采用機器學習對質(zhì)量相關(guān)性進行分析，也可以對調(diào)度策略進行全局分析，但這些分析與優(yōu)化的結(jié)果、算法與模型需要部署到現(xiàn)場控制器，并實時指導應用，對于個性化生產(chǎn)而言，這種動態(tài)交互需要“實時”的交互，由于數(shù)據(jù)量大、網(wǎng)絡(luò)復雜，因此，對于網(wǎng)絡(luò)本身的復雜性也提出了需求，由于在系統(tǒng)中計算環(huán)節(jié)所需要消耗較多的時間，必須確保網(wǎng)絡(luò)的高速響應，否則，就會整體周期較長，難以達到動態(tài)與實時效果，這也是TSN之所以用于滿足這些需求的原因。

通過TSN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)從傳感器、控制、運營在一個網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，才能確保整體的運營一致性。

如果不采用同一網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，那么就會產(chǎn)生大量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與交換節(jié)點的出現(xiàn)，并且需要在各個網(wǎng)絡(luò)之間開發(fā)轉(zhuǎn)換程序，這些使得網(wǎng)絡(luò)變得復雜、低效，降低了系統(tǒng)的魯棒性，穩(wěn)定性。

因此，數(shù)字化的推進必須依賴于一個大容量、異構(gòu)數(shù)據(jù)的標準與規(guī)范網(wǎng)絡(luò)。

因此，TSN技術(shù)用于改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)復雜、封閉、連接的困難，而采用IEEE標準的統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)標準，使得整個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在它著名的《競爭的衰亡》（The death of competition）中描述了未來的企業(yè)之間由比對競爭轉(zhuǎn)向了“競合”，因此，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)則成為了未來的關(guān)鍵，而對于工業(yè)界而言，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)必須以技術(shù)標準作為基礎(chǔ)，需要一個合適的生態(tài)系統(tǒng)基礎(chǔ)標準。

TSN是一個融合更為廣泛的陣營而構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)通信標準，其融合了IT和OT兩側(cè)的廠商共同打造這個標準，IEC的會員采用企業(yè)制，參與的都是有著企業(yè)傾向性的標準與規(guī)范，而IEEE則不同，其會員為個人制，雖然來自不同企業(yè)，并且，在通用的網(wǎng)絡(luò)標準制定中，IEEE作為一個開放的，不受任何企業(yè)所主導的標準，具有更高的可信度，也更易于為各個產(chǎn)業(yè)界的企業(yè)所采用。

圖4-在汽車領(lǐng)域TSN被接受并由芯片廠商提供了TSN芯片組

TSN不同于傳統(tǒng)各家廠商所開發(fā)的標準，隔離為不同的陣營，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各方融合的過程，不是OT端的企業(yè)內(nèi)部劃分陣營的合作，而是來自于IT、CT、OT多方的企業(yè)建立的合作，這個生態(tài)系統(tǒng)所需的標準必須是一個純?nèi)婚_放，不受制于任何廠商的，因此，TSN有了這個基礎(chǔ)。

在TSN技術(shù)的整個發(fā)展過程中，我們看到了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，到延展到工業(yè)IEEE802.1TSN工作組將工業(yè)融入其中，再發(fā)展到IEEE60802針對工業(yè)的互操作，并與OPCUA基金會合作制定OPC UA over TSN的協(xié)同標準。

芯片提供方：

芯片廠商：Intel ALTERA、XILINX、NXP、AD、Belden、Renesas等廠商

技術(shù)服務商：TTTech、Sprint、Broadcom、Kalicyto等廠商

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

自動化廠商：ABB、SIEMENS、Rockwell、B&R、Schneider、Mitsubshi、Bosch Rexroth、NI等；

汽車電子：Bosch、Samsung

連接器廠商：Molex、TE、Harting；

圖5-自動化領(lǐng)域的“整形器”初始廠商

圖6-IIC的TSN測試床（2017年）

這些都是生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展路徑，從時間節(jié)點上來看，TSN工作組在2015年成立，2016年9月召開第一次Shaper整形器工作組，如圖5包括了ABB、貝加萊、GE、TTTech、Cisco等OICT廠商推出各自的產(chǎn)品，圖6是2017年在NI的IIC TSN測試床的架構(gòu)，到了2018年SPS、2019年Hannover展上，包括B&R、SIEMENS、三菱等自動化廠商已經(jīng)有產(chǎn)品展出，華為的ECC也推出了基于TSN的測試床來連接各家的產(chǎn)品構(gòu)建系統(tǒng)，在IEEE802.1.org的官網(wǎng)，我們可以看到參與整個TSN的廠商包括了大量的像華為、愛立信、諾基亞、思科、西門子、ABB、貝加萊、施耐德等公司的專家代表參與到整個項目中。事實上，以TSN的發(fā)展速度而言，較之以往的總線推進速度來說，這是非?？斓模虼?，有些業(yè)界朋友問是否還需較長時間，對照以往的技術(shù)推進速度，TSN的速度堪稱神速。