TSN（TimeSensitiveNetworking時間敏感網絡）技術正在成為熱點議題——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？目前業(yè)內有一些人對TSN尚未完全了解，也有一些質疑的聲音，通過筆者對TSN技術長達三年時間的學習和觀察，本文將不僅僅從產品、技術的角度去剖析TSN技術對未來工業(yè)運營的影響，以期幫助大家對這一技術獲得更深入的了解。

　　商業(yè)價值是評估的關鍵

　　任何的技術，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至關重要。

　　TSN因何產生？

　　在工業(yè)領域，技術標準通常來自于需求，創(chuàng)造需求這件事情對于工業(yè)領域就不像喬布斯設計蘋果的時候“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)場大量的數據互聯(lián)的需求。

　　數據量大且復雜是一個需求：因為在IIoT的融合中，數據網絡節(jié)點數、數據類型的需求千奇百怪，但是，如果無法用一個同一網絡來協(xié)調的話，那么就會又產生大量的中間轉換的硬件和軟件，這對于大量的網絡連接來說，就會有較大的問題，這是必然需要一個同一網絡來傳輸異構數據的需求基準。

　　圖1-工業(yè)通信技術的發(fā)展歷程

　　其次，技術的產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，TSN實際上在其初始技術上包括了基于IEEE1588的時鐘同步、IEEE802.1Q中的數據流調度并結合原有的一些技術開發(fā)了加強的整形器、數據配置工具，這些都并非全然新的，只是之前在音視頻、汽車領域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)都是已有的標準。

　　圖2是TSN的標準制定進程。

　　圖2-TSN技術發(fā)展歷程

　　因此，TSN技術的產生背景在于大量數據包括機器視覺、AR/VR、運動控制、傳感器、音頻等數據的需求連接下，是管理與控制融合的需求，是人工智能、數字孿生技術得以高效實現(xiàn)的基礎技術支撐。

　　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、智能制造的應用場景的時候，大部分人都對這些產生極大的質疑，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)數據有效傳輸，各種工業(yè)互聯(lián)網平臺現(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OPCUA的融合，因為，OPCUA解決了異構網絡語義互操作的規(guī)范，但底層仍然需要一個同一的網絡標準進行連接，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—針對流程工業(yè)為主的DCS，但新的架構融合更多的計算任務。

　　圖3-集中控制與分布式計算架構的融合

　　（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自己的業(yè)務需求開發(fā)一個總線，因為原來那個以太網雖然標準卻不具有實時性，后來產生了實時以太網，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??！主要是你們提供的標準以太網不爭氣??！

　　好吧，IT和OT的融合就是這樣，當大家發(fā)現(xiàn)一種比較經濟的道路的時候，OT一直擅長于從IT借調資源來實現(xiàn)自己的應用，不管是今天基于IntelX86架構的PLC的應用，還是以太網，以及控制器里集成的Web服務器，OT一直擅長借用IT技術，因為，IT應用群眾基礎大，攤薄了成本，因此，借IT發(fā)展的東風，轉向新的技術是必然，這是從經濟性角度考慮，讓TSN這樣的標準基于IEEE的以太網能夠擁有實時性，這就解決了傳統(tǒng)以太網的問題，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)網的人群表示質疑的一個重要原因，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、數據源、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人才，這投資回報實在與他們的身份不符。

　?。?）邊緣計算的推進

　　邊緣計算也正在成為各家OICT廠商所關注的焦點，互聯(lián)的初衷正在于通過全局的數據采集來實現(xiàn)優(yōu)化、策略與調度問題，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，就是通過數據連接，將全局的問題集中，然后通過調度、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據的全局采集，那么來自于工藝控制、管理決策相關、品質、不確定因素、擾動等都會被擊中，而這些參數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，這些數據對于帶寬、周期的需求千差萬別，那么如何在一個數據網絡中實現(xiàn)有效、有序的調度，這就是TSN網絡統(tǒng)一架構所要解決的問題，表1列出了在TSN網絡鎖包含的各種數據類型。

　　表1-TSN應對各種數據需求

　　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)的數據通道，并通過OPCUA來實現(xiàn)語義互操作，但是，OPCUA如果基于標準以太網又缺乏實時性，因此，采用了TSN來解決此問題。

　　因此，OPCUAoverTSN是解決整個工業(yè)互聯(lián)網的基礎網絡方案，這也是得到了廣達的廠商關注的原因。

　　（3）對數字化應用的推進

　　數字化的推進中，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，不同粒度的網絡數據刷新問題。

　　數字孿生與傳統(tǒng)建模仿真有一個較大的差異在于其實現(xiàn)“動態(tài)交互”，通過對數據的采集，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量相關性進行分析，也可以對調度策略進行全局分析，但這些分析與優(yōu)化的結果、算法與模型需要部署到現(xiàn)場控制器，并實時指導應用，對于個性化生產而言，這種動態(tài)交互需要“實時”的交互，由于數據量大、網絡復雜，因此，對于網絡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，必須確保網絡的高速響應，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網絡，實現(xiàn)從傳感器、控制、運營在一個網絡架構中，才能確保整體的運營一致性。

　　如果不采用同一網絡架構，那么就會產生大量的網絡設備與交換節(jié)點的出現(xiàn)，并且需要在各個網絡之間開發(fā)轉換程序，這些使得網絡變得復雜、低效，降低了系統(tǒng)的魯棒性，穩(wěn)定性。

　　因此，數字化的推進必須依賴于一個大容量、異構數據的標準與規(guī)范網絡。

　　因此，TSN技術用于改變傳統(tǒng)網絡復雜、封閉、連接的困難，而采用IEEE標準的統(tǒng)一網絡標準，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絡構建成本。

　　TSN構建的技術生態(tài)系統(tǒng)

　　JamesFMoore在它著名的《競爭的衰亡》（Thedeathofcompetition）中描述了未來的企業(yè)之間由比對競爭轉向了“競合”，因此，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)則成為了未來的關鍵，而對于工業(yè)界而言，商業(yè)生態(tài)系統(tǒng)必須以技術標準作為基礎，需要一個合適的生態(tài)系統(tǒng)基礎標準。

　　TSN是一個融合更為廣泛的陣營而構建的網絡通信標準，其融合了IT和OT兩側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，在通用的網絡標準制定中，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，也更易于為各個產業(yè)界的企業(yè)所采用。

　　圖4-在汽車領域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然開放，不受制于任何廠商的，因此，TSN有了這個基礎。

　　在TSN技術的整個發(fā)展過程中，我們看到了IEEE組織所起到的關鍵作用，由最初的音視頻橋接網絡到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OPCUAoverTSN的協(xié)同標準。

　　芯片提供方：

　　芯片廠商：IntelALTERA、XILINX、NXP、AD、Belden、Renesas等廠商

　　技術服務商：TTTech、Sprint、Broadcom、Kalicyto等廠商

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

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

　　汽車電子：Bosch、Samsung

　　連接器廠商：Molex、TE、Harting；

　　圖5-自動化領域的“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廠商推出各自的產品，圖6是2017年在NI的IICTSN測試床的架構，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有產品展出，華為的ECC也推出了基于TSN的測試床來連接各家的產品構建系統(tǒng)，在IEEE802.1.org的官網，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?，因此，有些業(yè)界朋友問是否還需較長時間，對照以往的技術推進速度，TSN的速度堪稱神速。

　　在疫情期間，請大家注意安全，但是，小心謹慎，不必恐慌，該干的動作還要前行，學習、交流與探討，歡迎留言互動，謝謝！