5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探討

郭柯灑

一、 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是工業(yè)生產(chǎn)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合的新型工業(yè)架構(gòu)，是第4次工業(yè)革命的重要部分，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)制造的網(wǎng)絡(luò)化和智能化的關(guān)鍵。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)作為當(dāng)今前沿技術(shù)，具有覆蓋廣、功耗小、時(shí)延低等優(yōu)點(diǎn)，可提供無縫業(yè)務(wù)體驗(yàn)，構(gòu)建性能優(yōu)異的5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)有力促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高速發(fā)展，加強(qiáng)此方面研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展背景

近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G技術(shù)等的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)正在邁入全新的時(shí)代，基于國(guó)家政策、市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的雙重推動(dòng)下，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”正在掀起新的熱潮。

什么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)？簡(jiǎn)單來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代通信技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域深度融合的產(chǎn)物，也是現(xiàn)代工業(yè)智能化發(fā)展的必然要求。2017年11月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，明確提出要持續(xù)提升我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平。2018～2020年是我國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)起步階段，也是關(guān)鍵階段，必須進(jìn)一步夯實(shí)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，打造多層次、系統(tǒng)化的平臺(tái)發(fā)展體系，加大關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)力度，切實(shí)實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)及推廣。

三、 5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要包括網(wǎng)絡(luò)體系、平臺(tái)體系和安全保障體系三個(gè)部分，其中網(wǎng)絡(luò)體系是重要基礎(chǔ)，構(gòu)建低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，方可真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)全要素、各環(huán)節(jié)的深度互聯(lián)。

（一）5G技術(shù)需求

為實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的穩(wěn)步發(fā)展，需積極開展相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造工作，積極利用先進(jìn)的通信技術(shù)，包括：軟件定義網(wǎng)絡(luò)、5G、低功耗廣域網(wǎng)等，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò) IP化、扁平化、柔性化發(fā)展，工廠外網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋發(fā)展。

5G需解決的不僅是人與人的連接，更是人與物、物與物的連接問題，綜合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展需求，對(duì)5G系統(tǒng)提出了以下技術(shù)需求：

1.傳輸速率需求，要求提高10～100倍，同時(shí)用戶體驗(yàn)速率、用戶峰值速率分別達(dá)0.1～1Gb/s、10Gb/s；

2.時(shí)延需求，要求時(shí)延降低5～10倍，達(dá)毫秒量級(jí)；

3.設(shè)備連接密度需求，要求提高10～100倍，達(dá)600萬個(gè)/km2；

4.流量密度需求，要求提高100～1000倍，達(dá)

20Tbps/km2；

5.移動(dòng)性需求，要求超過500km/h，提高用戶體驗(yàn)。

（二）5G關(guān)鍵技術(shù)

在5G技術(shù)發(fā)展方面，4T4R、Massive MIMO、NBIoT等幾項(xiàng)技術(shù)都表現(xiàn)出較快應(yīng)用趨勢(shì)。作為5G的起步配置，4T4R技術(shù)已經(jīng)在全球50多張網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署，Massive MIMO TDD制式也開始運(yùn)用，多個(gè)國(guó)家發(fā)布了NB-IoT商用戰(zhàn)略。

NB-IoT（Narrow band Internet of Thing），即：窄帶蜂窩物聯(lián)網(wǎng)，此技術(shù)支持海量連接，可全面提高覆蓋廣度，具有低功耗、低成本、小功耗的特點(diǎn)，與廣泛商用的2G/3G/4G 及其他無線技術(shù)相比，優(yōu)勢(shì)顯著。

2014年5月，華為、沃達(dá)豐、中國(guó)移動(dòng)、Orange、TelecomItaly等公司主導(dǎo)的3GPP NB-IoT GERAN Study Item 立項(xiàng)，2016年9月完成性能部分的標(biāo)準(zhǔn)制定，12月完成最后的一致性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，其繼承了LTE 的技術(shù)特征，物理層基本兼容 LTE 的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，有利于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)快速部署，減小改造建設(shè)成本。

四、 5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情況分析

（一）項(xiàng)目背景

本文以墻板工業(yè)生產(chǎn)制造為例，對(duì)5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情況展開分析。墻板工業(yè)生產(chǎn)過程中，模具車主要采用分布控制、集中控制兩種方法，前者主要是利用模具車PLC 控制系統(tǒng)完成，具有模具車移動(dòng)、定位、測(cè)距防碰撞等工程；后者主要是利用主控 PLC 控制系統(tǒng)完成，具有位置定位功能，可在裝模排隊(duì)、注漿排隊(duì)中指定模具車啟動(dòng)行走，在養(yǎng)護(hù)排隊(duì)中指定軌道和養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

近年來，墻板工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，上述控制方式已經(jīng)無法滿足實(shí)際生產(chǎn)需求，存在組網(wǎng)容量小、可靠性差等問題，為提高廠房通信質(zhì)量，決定引進(jìn)無線通信組網(wǎng)，采用一對(duì)多的控制—生產(chǎn)模式（圖1），并利用5G網(wǎng)絡(luò)中的 NB-IoT技術(shù)解決控制—生產(chǎn)中的通信問題。

（二） 5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用情況

在廠房生產(chǎn)中，采用NB-IoT技術(shù)的車輛檢測(cè)器，可直接將信息上報(bào)至運(yùn)營(yíng)商無線網(wǎng)絡(luò)，無需匯聚網(wǎng)關(guān)，同時(shí)可提供運(yùn)營(yíng)商級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)保障，整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可靠性、安全性均較好。

1.NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)部署

本次NB-IoT網(wǎng)絡(luò)部署情況如下圖2所示，具體可分為三個(gè)層面：終端側(cè)、運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、用戶界面，具體介紹如下：

終端側(cè)：此層面主要是在模具車中加裝中控模塊，通信模組采用Boudica芯片，具體功能包括：①監(jiān)測(cè)模具車工作狀態(tài)，包括：行駛狀態(tài)、停止?fàn)顟B(tài)、故障狀態(tài)；②控制模具車進(jìn)行預(yù)先編程的生產(chǎn)動(dòng)作；③與控制中心實(shí)現(xiàn)無線通信，上報(bào)模具車工作狀態(tài)或接收控制指令。

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)：本廠房采用的是電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，此層面包括三個(gè)部分：①NB-IoT 基站；②核心網(wǎng)元，具有網(wǎng)關(guān)交互、計(jì)費(fèi)等功能；③B-IoT 管理平臺(tái)，此部分主要負(fù)責(zé)對(duì)接用戶的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、轉(zhuǎn)發(fā)。

用戶界面工廠：本廠房采用的是自行開發(fā)的遠(yuǎn)程控制平臺(tái)軟件，具體功能包括：①狀態(tài)檢測(cè)：遠(yuǎn)程檢測(cè)廠房?jī)?nèi)模具車工作狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)報(bào)警；②軌跡監(jiān)控：實(shí)時(shí)獲取廠房?jī)?nèi)模具車運(yùn)行軌跡，并在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示；③遠(yuǎn)程控制：通過軟件算法獲取模具車最佳運(yùn)行路線，并利用無線網(wǎng)絡(luò)下發(fā)控制指令，令模具車實(shí)施相應(yīng)動(dòng)作。

2.應(yīng)用效果

本廠房通過NB-IoT技術(shù)和一對(duì)多的控制—生產(chǎn)模式的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了工廠控制中心、生產(chǎn)中心的互相分離，如下圖所示即為基于5G技術(shù)的廠房控制網(wǎng)絡(luò)，通過一個(gè)控制中心，即可管理多個(gè)廠房的模具車，大大減少了工作人員的勞動(dòng)量，極少數(shù)的工作人員即可操作海量生產(chǎn)設(shè)備，生產(chǎn)效率與精度均較高，大大提升了工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化、智能化程度。

五、 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，深入實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)的一大關(guān)鍵，將先進(jìn)的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工廠之間、企業(yè)之間、工業(yè)制造與消費(fèi)者之間的互聯(lián)，將會(huì)有力地推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)理念從狹義走向廣義，使傳統(tǒng)、單一的制造系統(tǒng)融入到現(xiàn)代電子商務(wù)的大潮中。