1、 专题：多模态网络 面向智能制造的多模态网络应用技术研究 邹涛，张慧峰，高万鑫，徐琪，沈丛麒，朱俊，潘仲夏，国兴昌（之江实验室，浙江 杭州 311121）摘 要：智能制造的兴起对网络技术提出了诸多新需求。多模态网络将网络技术体制与支撑环境相分离，支持多种不同网络技术体制在同一个网络支撑环境中的共生共存和灵活加载与运行，可为智能制造提供多样化、可自定义、高可靠的网络服务能力。研究了智能制造对网络基础环境的新需求，并以智慧工厂为例，针对其多种不同应用场景设计了基于多模态网络的技术解决方案。将不同网络模态高效适配于协同研发设计、产线生产控制、机器视觉质检、无人智能巡检、事故应急响应等应用场景，验证了
2、多模态网络在智能制造中应用的技术优势，可为推动制造业转型升级提供有力支撑。关键词：智能制造；多模态网络；应用技术 中图分类号：TP393 文献标志码：A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023131 Research on polymorphic network application technology oriented intelligent manufacturing ZOU Tao,ZHANG Huifeng,GAO Wanxin,XU Qi,SHEN Congqi,ZHU Jun,PAN Zhongxia,GUO Xingchang Zhejiang L
3、ab,Hangzhou 311121,China Abstract:The rise of intelligent manufacturing has induced many new demands on network technology.The poly-morphic network separates the network technology from the support environment,supporting the coexistence as well as flexible loading and operation of various network te
4、chnologies in the same network support environment,and can provide diversified,customizable,and highly reliable network service capabilities.The network environment re-quirements of intelligent manufacturing were studied,and smart factories were taken as an example to design effi-cient technical sol
5、utions based on the polymorphic network for various application scenarios.Different network technologies were efficiently adapted to application scenarios such as collaborative research and development design,production line control,machine vision quality inspection,unmanned intelligent inspection,a
6、ccident emergency re-sponse,etc.The study verified the technical advantages of applying polymorphic networks to intelligent manufactur-收稿日期：20230428；修回日期：20230610 通信作者：张慧峰， 基金项目：国家重点研发计划项目（No.2022YFB2901400）；国家自然科学基金资助项目（No.U22A2005）；之江实验室科研攻关项目（No.2021LE0AC02）Foundation Items:The National Key Resea
7、rch and Development Project of China(No.2022YFB2901400),The National NaturalScience Foundation of China(No.U22A2005),The Key Research Project of Zhejiang Lab(No.2021LE0AC02)专题：多模态网络 62 ing,which could provide strong support for promoting the transformation and upgrading of the manufacturing industry
8、.Key words:intelligent manufacturing,polymorphic network,application technology 0 引言 以智能制造为代表的第四次工业革命席卷而来，智能制造是我国制造业转型升级的主攻方向，是实现制造强国的战略目标。我国自 2015 年起制定了一系列指导及促进智能制造发展的政策性文件，如智能制造发展规划（2016-2020 年）等。2021 年 12 月，工业和信息化部（以下简称“工信部”）、国家发展和改革委员会、科技部等 8 部门联合发布了“十四五”智能制造发展规划，专门部署了“智能制造示范工厂建设行动”，以支持基础条件较好的企业
9、建设一批智慧工厂，推进智能制造的快速发展。1 智能制造对网络提出新需求 智能制造要求制造业全生产要素、全产业链的全面互联，需要工业控制（OT）网络、工业信息（IT）网络、通信技术（CT）和数据技术（DT）全方位、多层面的深度融合，打造新型网络基础设施，新建或改造生产线级、车间级、工厂级等生产现场，形成生产单元广泛连接、数据要素充分利用及创新应用高效赋能的先进工厂4。智能制造对网络技术提出了诸多新需求，主要包括以下几点。多样化承载：智能制造需要网络基础设施承载生产、物流、销售、服务、车间、企业、协同等全生产要素、全产业链的多样化业务与多元化网络技术体制。个性化服务：网络应根据不同业务在时延、速率
10、、安全性、抖动、移动性等方面的差异化需求，灵活提供定制化、个性化网络服务。柔性化定制：网络基础设施需支持生产线根据生产要求进行快速重构，实现同一条生产线根据市场对不同产品的需求进行快速配置优化。互联互通：工业生产终端和边缘侧需同时承接机床、传感、监控、质检等多种形态的工业设备及海量的数据采集、传输业务，其功能和性能需求复杂多变，流量特性差异显著，导致针对特定场景设计的专用协议、工业总线、技术标准繁多，互连通性、互操作性和互转换性差，网络基础设施需解决各种单体设备、系统之间的网络连通等一系列多源异构系统的融合。高安全防护：智能制造打通了设计、生产、销售等各个环节，将 IT 网络和 OT 网络融合
11、，多元化业务导致网络安全边界模糊，各种网络技术体制的互联互通为网络攻击提供了便利，需要网络具备更强大的安全防御能力。然而，现有的 IP 网络技术体制单一承载，遵循“尽力而为”的设计理念难以支撑 OT 网络高实时、高可靠、高精度的数据互通和远程控制需求，其结构僵化、网元封闭、功能分散，也难以满足智能制造领域多元化、柔性化、定制化的业务需求；其次，智能制造多样化业务共存以及各种网络技术体制互联互通带来灵活性和开放性的同时，也增大了网络攻击的概率，现有 IP网络“补丁式”“外挂式”的安全机制面临极大挑战。2 多模态网络及其在智能制造中的技术优势 2.1 多模态网络架构及运行机理 针对现有 IP 网络
12、技术体制单一、结构僵化等问题，我国邬江兴院士首次提出多模态网络的思想1-2。多模态网络是一种网络体制与技术支撑环63 电信科学 2023 年第 6 期 境解耦的网络发展范式，将各种网络技术体制以模态的形式，在多模态网络基础环境上动态加载和运行，实现多种网络模态在同一物理环境内的共生共存、独立演进或变革发展。下面依次介绍多模态网络的架构及运行机理。与传统 OSI 的 7 层参考模型不同，多模态网络的体系架构3主要划分为数据层、控制层和服务层3 个功能层次，分别提供异构互连与数据转发、多模态寻址与路由、虚实资源管理与编排等关键网络功能。多模态网络架构模型如图 1 所示，其中，服务层通过“感知、决策
13、、执行”串联的闭环反馈控制，满足面向泛在用网场景的精细化服务需求，为改善传统人工式运营管控存在的易错配、效率低和体验差等问题，服务层在网络管理、功能编排、流量调度、运维管理等方面进行智能优化，以实现复杂业务与异构网络资源的灵活、精准适配；控制层通过多模态寻址与路由技术，满足不同应用场景的多样化路由需求，兼容 IP、内容、身份、地理、工控及自定义等多种网络模态标识，支持多模态寻址路由机制共网承载、按需转换、协同互补；数据层以全维可定义、可重构、可编程的多模态网元设备为基底，支持多元异构终端通过电缆、光纤、微波等链路混合接入，通过异构接口和路径贯通多源算力、存储和通信资源，构建与技术体制解耦的开放
14、通用型数据层。同时，多模态网络引入基于动态异构冗余的拟态构造技术建立内生安全机制，将内生防御能力嵌入网络各层功能要素，以形成全方位、高稳健、高可信的安全体系架构和服务机制。多模态网络运行机制以包含服务层、控制层和数据层的 3 层功能结构为基本框架，自顶向下依次执行业务至服务、服务至路由、路由至资源的 3 级拟合映射。在服务层，首先需要对终端用户发起的业务需求进行形式化描述和量化表征。其次，采用智能算法将业务基本参数和效益期望映射为服务性能指标和网络功能需求，完成业务需求矩阵模型至服务需求矩阵的拟合，生成业务驱动的服务策略和功能实例，实现智慧化资源配置和服务定制，达到自适应业务承载。图 1 多模
15、态网络架构模型 专题：多模态网络 64 在控制层，数据层的异构网络资源和功能会被抽象整合，形成 IP、内容、身份、地理等多种标识并存且互通的多模态路由模型，并根据不同模态协议的寻址和路由等特征对上层生成的多样化服务需求进行承接拟合，实现有针对性的路由适配，完成服务需求矩阵至服务路径的映射，同时支持跨模态功能按需切换和路由动态更新。在数据层，控制层生成的服务路径需求将进一步下沉映射为物理节点的实例化资源，实现服务路径至节点状态和计算、存储、传输资源服务能力的拟合，通过数据面可编程技术，对网络拓扑、报文解析类型、处理流水线、接口等进行动态、精细化的调整和组合，实现数据面各类资源的全维可定义和柔性重
16、组。2.2 多模态网络在智能制造中的技术优势 基于多模态网络技术，可突破传统工业互联网的信息“孤岛”困境，实现开放、兼容、灵活、通用、安全的新型网络环境，支持各种工业协议共生共存，为智能制造提供高质量、多样化、高可靠、智能化的服务能力，实现各类数据共享互通、多业务共网承载、资源联动适配，达到 OT/IT自然一体、有机融合。（1）多模态网络可承载智能制造中的多样化业务和多元化网络技术体制。多模态网元的设计支持动态可编程、可重构、可弹性拓展，支持在统一的底座/基础设施上承载多样化的网络技术体制、多元化业务，实现面向多样化标识空间的协议定义与适配，支持多种网络技术体制、多业务的共生共存以及跨多种网络技术体制的资源协同分配。（2）多模态网络为智能制造中多样化业务提供个性化服务。多模态网络将智能制造中应用场景、服务能力、网络功能、网元设施和工业要素等进行横纵双向整合、重构和抽象，建立面向行业应用、网络能力和技术体制的模态体系，从应用到网络再到技术体制，实现粒度逐层细化、映射逐层深化的模态生成与适配，为不同的业务适配适合的模态，从而提供个性化服务。（3）多模态网络为智能制造中柔性化定制提供全维可定
