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

徐 健

（中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

第四次工業(yè)革命誕生了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，將互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)架構(gòu)的創(chuàng)新，使工業(yè)制造邁向智能化和網(wǎng)絡(luò)化。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋廣、延時(shí)低、功耗小等多種優(yōu)點(diǎn)促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的影響深遠(yuǎn)。在應(yīng)用該技術(shù)的過(guò)程中，需要從不同角度出發(fā)，采取有效的方法來(lái)完善相應(yīng)的工業(yè)技術(shù)體系，調(diào)整工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)組織結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)信息多層面控制的效果，使工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)結(jié)構(gòu)清晰，有效提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的使用效率。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義及內(nèi)涵

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)又被稱(chēng)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或者IIOT，簡(jiǎn)單地理解為工業(yè)與新一代通信技術(shù)的結(jié)合產(chǎn)物，是現(xiàn)代化工業(yè)朝著智能化發(fā)展的基礎(chǔ)，一些專(zhuān)家學(xué)者認(rèn)為，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的覆蓋聯(lián)接范圍比工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更加廣泛。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的重心聯(lián)接物，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還會(huì)聯(lián)接其他相關(guān)要素，在有的國(guó)家和地區(qū)將兩者統(tǒng)稱(chēng)為“工聯(lián)網(wǎng)”。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)的全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈和全價(jià)值鏈聯(lián)系在儀器，為工業(yè)智能化奠定了基礎(chǔ)，深度地將新一代信息技術(shù)融入到工業(yè)生產(chǎn)制造當(dāng)中，從而形成一種全新模式的新型工業(yè)，互聯(lián)網(wǎng)是生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間的載體，將虛擬經(jīng)濟(jì)過(guò)渡到實(shí)體經(jīng)濟(jì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是機(jī)器、人、物料、信息系統(tǒng)之間連接的基礎(chǔ)性網(wǎng)絡(luò)，全面感知工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)傳輸和實(shí)時(shí)分析，優(yōu)化制造資源配置，對(duì)企業(yè)制定科學(xué)的決策和生產(chǎn)智能化控制起到了積極的推動(dòng)作用，已經(jīng)成為企業(yè)在激烈的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)上立足的關(guān)鍵，使我國(guó)工業(yè)面向全球化發(fā)展，朝著國(guó)際化的制造大國(guó)努力。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展對(duì)5G技術(shù)的需求

5G技術(shù)除了連接著人與人之，還是物與物、人與物之間的聯(lián)系，根據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，5G系統(tǒng)需要滿(mǎn)足以下幾種技術(shù)要求：一是傳輸速率需要提高10至100倍，用戶(hù)體驗(yàn)速率達(dá)到0.1～1Gb/s，用戶(hù)峰值速率達(dá)到10Gb/s。二是延時(shí)降低5～10倍，達(dá)到毫秒量級(jí)。三是設(shè)備連接密度要求提高10～100倍，達(dá)到每平方千米600萬(wàn)個(gè)。四是流量密度要求提高100～1000倍，達(dá)到每平方千米20Tb/s。五是為了提高用戶(hù)體驗(yàn)，移動(dòng)性要求超過(guò)每小時(shí)500km。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在5G環(huán)境下的應(yīng)用情況分析

3.1 工業(yè)智能傳感器

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)射頻識(shí)別、傳感器等對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的全生命周期實(shí)現(xiàn)不同維度的信息監(jiān)控和收集，包含人員、流程、設(shè)備、原料、生產(chǎn)環(huán)境等多種數(shù)據(jù)信息，在這個(gè)過(guò)程中成千上萬(wàn)各傳感器和執(zhí)行器，功能型號(hào)隨生產(chǎn)場(chǎng)景的不同而存在一定的差異，它們之間的聯(lián)系需要依靠5G技術(shù)的支持。傳感器由轉(zhuǎn)換元件、敏感元件和轉(zhuǎn)換電路組成，分為內(nèi)部和外部?jī)煞N傳感器類(lèi)型，相當(dāng)于人體的器官。一臺(tái)工業(yè)智能化機(jī)器人身上綜合應(yīng)用了觸覺(jué)、視覺(jué)、力覺(jué)、超聲波、聽(tīng)覺(jué)等多種傳感器，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)全方位的監(jiān)視及控制，從而確保生產(chǎn)出高質(zhì)量的工業(yè)產(chǎn)品。當(dāng)生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境敏感程度要去較高時(shí)，傳感器收集信息后需要進(jìn)行極低延時(shí)的信息傳遞，信息快速到達(dá)執(zhí)行器件進(jìn)行高精度的生產(chǎn)制造，這個(gè)過(guò)程5G技術(shù)能夠很好地實(shí)現(xiàn)低延時(shí)、高可靠的需求，有效提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，為安全高效的生產(chǎn)提供保障。

3.2 云AR/VR與5G相結(jié)合

工廠(chǎng)智能化生產(chǎn)通過(guò)AR/VR大大提升生產(chǎn)效率并減少安全隱患，例如：在進(jìn)行工業(yè)裝配、工業(yè)維護(hù)的智能化制造時(shí)，進(jìn)行虛擬裝配培訓(xùn)，通過(guò)VR技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖紙向VR工廠(chǎng)的轉(zhuǎn)化。這個(gè)過(guò)程要去輔助AR設(shè)施具有極強(qiáng)的靈活性，使維護(hù)工作更加高效，僅要求AR設(shè)備具有顯示和連接的功能，借助無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將AR設(shè)備與云端聯(lián)系，在云端實(shí)現(xiàn)設(shè)備信息的處理過(guò)程，有效減小硬件成本的投入。經(jīng)過(guò)計(jì)算，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)雙向傳輸?shù)难訒r(shí)只有控制在10ms之內(nèi)，才可以有較好的實(shí)時(shí)體驗(yàn)效果，LTE網(wǎng)絡(luò)無(wú)法達(dá)到這種延時(shí)要求，將5G與VR/AR相結(jié)合能夠拓展交互性，滿(mǎn)足相關(guān)要求，這種結(jié)合方式具有較強(qiáng)的通用型，被廣泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域。

3.3 云端機(jī)器人

5G環(huán)境下的機(jī)器人是純粹的執(zhí)行器，智能處理功能都集中在云端，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)使機(jī)器人共享云端處理指令。阿爾法狗這一級(jí)別的需要176 個(gè)GPU和1202個(gè)CPU才能實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的處理能力，在每個(gè)機(jī)器人上都裝入這些是不切實(shí)際的，而5G技術(shù)將這種復(fù)雜的處理轉(zhuǎn)移到云端，將機(jī)器人獲取的信息發(fā)送至云端，然后將云端處理結(jié)果反饋到機(jī)器人本體，有效控制新增硬件的成本并提高處理效率。為了整個(gè)處理過(guò)程高質(zhì)、高效地完成，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求較為嚴(yán)格，首先要求網(wǎng)絡(luò)傳送時(shí)間和遠(yuǎn)端處理時(shí)間相加在100ms以?xún)?nèi)，其次，為了實(shí)現(xiàn)3D視覺(jué)，機(jī)器人需要安裝兩個(gè)以上的高清攝像頭，5G網(wǎng)絡(luò)的帶寬應(yīng)不低于10Gb/s。

3.4 遠(yuǎn)程操控

在危險(xiǎn)系數(shù)較高的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，通過(guò)精準(zhǔn)操控實(shí)現(xiàn)使智能設(shè)備代替人為活動(dòng)，大大降低安全風(fēng)險(xiǎn)，最典型的當(dāng)屬煤礦、油田的開(kāi)采，開(kāi)采設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)情景，輸送到后端設(shè)備，實(shí)現(xiàn)操作大型裝備的遠(yuǎn)程管理和操作。5G網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)、高可靠的特性大大提升了操控系統(tǒng)的精準(zhǔn)度，遠(yuǎn)程控制管線(xiàn)閥門(mén)，精細(xì)控制開(kāi)度。

3.5 資產(chǎn)跟蹤

在線(xiàn)購(gòu)購(gòu)物增長(zhǎng)速度越來(lái)越快，實(shí)現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤十分重要，預(yù)計(jì)到2025年，全球狀態(tài)監(jiān)測(cè)連接將達(dá)到8800萬(wàn)個(gè)。從物流角度來(lái)講，自倉(cāng)儲(chǔ)管理開(kāi)始到物流配送，覆蓋既要深入又要廣泛，且需要有效控制成本和功耗，5G環(huán)境下，這種連接成本得到有效降低，資產(chǎn)定位跟蹤效率也顯著提升。

4 結(jié)束語(yǔ)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一種新型工業(yè)架構(gòu)，是智能化工業(yè)的關(guān)鍵，當(dāng)今前沿的5G技術(shù)具有延時(shí)低、覆蓋廣、功耗小等特點(diǎn)，促進(jìn)了互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有積極的推動(dòng)作用。