淺析“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用現(xiàn)狀

岳 亮，文 佳，荊 雷（中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院，北京 100048）

0 前言

5G憑借高帶寬、海量連接、高可靠、低時(shí)延的能力特性，正面向各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域廣泛擴(kuò)展并深度結(jié)合，其應(yīng)用范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng)的通信和移動互聯(lián)網(wǎng)的范圍，把人與人之間的鏈接擴(kuò)展到了人與物以及物與物之間的鏈接。其中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被公認(rèn)為是5G技術(shù)最重要的一個(gè)應(yīng)用場景。

改革開放以來，我國工業(yè)化快速推進(jìn)，制造業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，但隨著人工成本的上漲以及人口紅利的消失，以“大批量、低成本”取勝的勞動密集型生產(chǎn)模式將面臨向“多品種、小批量、柔性化”的生產(chǎn)模式升級轉(zhuǎn)型，在未來，柔性化生產(chǎn)將成為制造業(yè)的核心競爭力，良好的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展環(huán)境是重要的基礎(chǔ)條件。

1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展

1.1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”助力企業(yè)數(shù)字化升級轉(zhuǎn)型

在制造業(yè)企業(yè)的升級轉(zhuǎn)型過程中，必須充分挖掘生產(chǎn)制造過程中數(shù)據(jù)的價(jià)值，這要求企業(yè)具備打通各種數(shù)據(jù)的能力、分析和挖掘數(shù)據(jù)的能力、將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為價(jià)值的能力，這一切的前提是必須能夠?qū)?shù)據(jù)串起來，形成無處不在的連接。但是當(dāng)前的大多數(shù)企業(yè)IT 與OT 系統(tǒng)割裂，數(shù)據(jù)在內(nèi)部系統(tǒng)孤島無法流轉(zhuǎn)，5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)與結(jié)合無疑可以解決企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)互聯(lián)的需求。隨著工廠設(shè)備和傳感器傳輸無線數(shù)據(jù)量的迅速增加，擁有超高帶寬和超低延遲等特性的5G技術(shù)能夠在數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)傳輸以及邊緣計(jì)算等方面帶來直接的應(yīng)用價(jià)值。并通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)協(xié)同，包括生產(chǎn)制造企業(yè)與下游的客戶，以及與上游的原材料商、設(shè)備制造商之間的協(xié)同。

1.2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”推動制造企業(yè)柔性化生產(chǎn)變革

實(shí)現(xiàn)快速自組織生產(chǎn)線的部署是柔性生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前大部分生產(chǎn)現(xiàn)場，設(shè)備與設(shè)備、設(shè)備與系統(tǒng)之間多為有線連接，這樣的連接方式一方面受限于線體長度、線體易纏繞等問題，移動和更換生產(chǎn)線是非常困難的，另一方面也會由于頻繁更換部署連接方式帶來生產(chǎn)安全隱患。而無線網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，在移動性、靈活性、建設(shè)及運(yùn)維成本、提高生產(chǎn)效率等方面有著明顯的優(yōu)勢。無線網(wǎng)絡(luò)承載工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，不僅可以適應(yīng)生產(chǎn)線的靈活調(diào)整和重組，充分滿足高速移動、旋轉(zhuǎn)等應(yīng)用場景，而且可以使網(wǎng)絡(luò)部署維護(hù)更加高效便捷，同時(shí)降低成本。在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的選擇方面，常見的Wi-Fi因擴(kuò)展性、低速率和抗干擾性弱等問題使得其在工業(yè)領(lǐng)域利用率僅為4%，其他無線連接利用率僅有2%。而5G 具有的低時(shí)延、高可靠性、高帶寬、大連接等特性恰好符合工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的特點(diǎn)，可滿足生產(chǎn)線的柔性調(diào)整需求。

綜上，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)建了連接生產(chǎn)各環(huán)節(jié)的人和機(jī)器為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，使任何人和物在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)彼此信息共享，同時(shí)5G利用其自身的獨(dú)特優(yōu)勢，使能各種具有差異化特征的業(yè)務(wù)需求。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，既可以滿足工業(yè)智能化發(fā)展需求，形成具有低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋特點(diǎn)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，也將是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)領(lǐng)域深度融合所形成的新興應(yīng)用模式，更會在此基礎(chǔ)上形成的全新工業(yè)生態(tài)體系?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”能夠加速傳統(tǒng)制造到個(gè)性化生產(chǎn)、柔性制造及智能制造的轉(zhuǎn)型步伐，是推動制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵因素，有利于推進(jìn)中國制造向中國創(chuàng)造轉(zhuǎn)變、制造大國向制造強(qiáng)國的轉(zhuǎn)變。

2 5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域取得的成效

5G 的高可靠性、大帶寬、低時(shí)延等特性，與智能制造中的眾多場景如工業(yè)視覺、工業(yè)控制、AR/VR 等直接相關(guān)。5G 特有的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠?qū)⑽锢砭W(wǎng)絡(luò)切分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)通道，供特定業(yè)務(wù)單獨(dú)使用，從而大大提高網(wǎng)絡(luò)的使用效率。此外，利用移動邊緣計(jì)算技術(shù)可以預(yù)先過濾和壓縮數(shù)據(jù)，節(jié)省核心網(wǎng)資源，并在網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定時(shí)保證應(yīng)用的可靠性。

中國聯(lián)通非常重視企業(yè)創(chuàng)新、技術(shù)創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新，積極探索5G 在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)揮運(yùn)營商智能連接起步的優(yōu)勢，結(jié)合中國聯(lián)通云網(wǎng)融合和數(shù)據(jù)能力，與工業(yè)企業(yè)、工業(yè)信息化企業(yè)聯(lián)合創(chuàng)新，現(xiàn)已取得以下幾方面的成果。

2.1 基于5G的智慧工廠

與中國商飛合作，在上海飛機(jī)制造有限公司園區(qū)內(nèi)完成5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋和MEC 邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)的部署，實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車間的全連接，以及復(fù)合材料全生命周期管控、工業(yè)雙相機(jī)對現(xiàn)場圖像數(shù)據(jù)與云端數(shù)模的快速對比、AR遠(yuǎn)程設(shè)備巡檢和維護(hù)等，實(shí)現(xiàn)5G在工業(yè)場景應(yīng)用的真正落地。5G 智慧工廠減少了生產(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)過程可控性，最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化，有效提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

2.2 5G智慧港口

5G 具備低延時(shí)、高可靠和大帶寬的技術(shù)特點(diǎn)與港口的業(yè)務(wù)需求匹配度高，使其應(yīng)用于港口生產(chǎn)控制成為可能。中國聯(lián)通在青島港口借助5G 網(wǎng)絡(luò)和自研網(wǎng)關(guān)設(shè)備，在實(shí)際港口作業(yè)環(huán)境下，遠(yuǎn)程操控岸橋吊完成集裝箱的抓取及自動化運(yùn)輸，滿足了毫秒級時(shí)延的工業(yè)控制要求以及超過30 路1080P 高清攝像頭視頻傳輸?shù)母劭跇I(yè)務(wù)需求，是全球首例基于5G的自動化港口試點(diǎn)；在5G 智慧港口，無人駕駛集卡可通過5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻回傳、遠(yuǎn)程遙控駕駛、車路協(xié)同等應(yīng)用；在堆場內(nèi)通過5G高精度定位、北斗等混合定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛厘米級的精準(zhǔn)?？慷ㄎ缓图b箱精確位置管理。同時(shí)，可以通過5G 網(wǎng)絡(luò)將港口環(huán)境、能源等多種檢測終端數(shù)據(jù)回傳MEC 和港口云，實(shí)現(xiàn)港口本地化物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管。5G 技術(shù)與港口實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用相結(jié)合，對現(xiàn)有港口進(jìn)行自動化改造升級，實(shí)現(xiàn)港口作業(yè)流程的全方位高效監(jiān)管，大幅度減少人力成本，降低碼頭安全事故。

2.3 基于5G的工業(yè)AR/VR

工業(yè)AR/VR 可以用于監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程、生產(chǎn)任務(wù)分步指引以及可視化作業(yè)/運(yùn)維及遠(yuǎn)程協(xié)助等場景，對于網(wǎng)絡(luò)性能有著極高的要求，這就使得5G 與AR/VR的結(jié)合成為必然。

工業(yè)AR/VR 對網(wǎng)絡(luò)的需求有：通常AR/VR設(shè)備需要最大程度具備靈活性和輕便性，因此需要將設(shè)備信息處理功能上移到云端，而AR 設(shè)備本身則僅僅具備連接和顯示的功能，AR設(shè)備和云端需要通過無線網(wǎng)絡(luò)連接；對于生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)以及故障處理指導(dǎo)等必要的信息，AR設(shè)備將通過無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取信息；AR 眼鏡的顯示內(nèi)容必須與AR 設(shè)備中攝像頭的運(yùn)動同步，以避免視覺范圍失步現(xiàn)象，通常從視覺移動到AR 圖像反應(yīng)時(shí)間低于20 ms，所以要求從攝像頭傳送數(shù)據(jù)到云端到AR 顯示內(nèi)容的云端回傳需要小于20 ms，除去屏幕刷新和云端處理的時(shí)延，則需無線網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸時(shí)延在10 ms 內(nèi)才能滿足實(shí)時(shí)性體驗(yàn)的需求。而LTE網(wǎng)絡(luò)無法滿足該時(shí)延要求。

5G 低于10 ms 的端到端時(shí)延，以及高于4G 100 倍的峰值速率，將AR/VR 的性能潛力完全釋放出來；加上邊緣計(jì)算的助力，在進(jìn)一步減小傳輸時(shí)延的同時(shí)，提供邊緣存儲和計(jì)算能力。在2018MWC 上，中國聯(lián)通聯(lián)合中興通訊、英特爾宣布Edge Cloud 邊緣云大規(guī)模試點(diǎn)正式啟動，目前已在全國15 個(gè)省進(jìn)行試點(diǎn)，并聚焦AR/VR業(yè)務(wù)場景，致力于提升AR應(yīng)用體驗(yàn)水平。

3 面臨的問題與建議

3.1 面臨的問題

相比于4G，5G 從標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)到規(guī)模部署僅1 年時(shí)間，但是面臨的各垂直行業(yè)需求時(shí)間緊、任務(wù)重。相關(guān)的配套終端、標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)成熟度還未跟上。

商業(yè)模式尚未明朗：5G 基站和功耗的成本是4G的3.5～4倍，由此帶來投資與收益的矛盾，5G 的商業(yè)模式還需在實(shí)踐中繼續(xù)探索。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)總體發(fā)展水平處于起步階段，基礎(chǔ)較薄弱；相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不完善，工業(yè)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通難；尚未分配專用頻段，不利于5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模發(fā)展。

在某些特定工業(yè)場景需保證無線網(wǎng)絡(luò)冗余：在一些高危生產(chǎn)環(huán)境下，生產(chǎn)設(shè)備會采用主備模式保證生產(chǎn)的安全有序進(jìn)行，但在無線網(wǎng)絡(luò)模式下，如何實(shí)現(xiàn)一主一備的無縫切換并且能夠避免供應(yīng)故障，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽啃?，?G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合需要重點(diǎn)考慮解決的問題。

3.2 建議

積極與垂直行業(yè)展開合作探索，快速推動實(shí)驗(yàn)開展、項(xiàng)目落地，積累經(jīng)驗(yàn)，形成成功案例盡快復(fù)制推廣，促使運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)得到廣泛應(yīng)用，以此降低整體網(wǎng)絡(luò)費(fèi)用及終端費(fèi)用，再隨之促進(jìn)行業(yè)的結(jié)合應(yīng)用，形成良性循環(huán)。

加強(qiáng)5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的跨界合作與供需對接，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)領(lǐng)域開展5G 商業(yè)試點(diǎn)示范，業(yè)界各方共同積極探索開放共贏的新型商業(yè)模式。

加強(qiáng)與工業(yè)各領(lǐng)域龍頭企業(yè)的合作溝通，明確針對不同工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的技術(shù)指標(biāo)和相關(guān)要求，推進(jìn)增強(qiáng)專網(wǎng)建設(shè)，盡早制定基于5G 的工業(yè)無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，組織開展網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、互聯(lián)互通、網(wǎng)絡(luò)資源管理等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和測試驗(yàn)證工作，切實(shí)保障工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)對高安全性、高可靠、低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)要求。

提前規(guī)劃好5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的頻譜規(guī)劃和安全保障，預(yù)留用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G 專用頻段，同步制定共用頻段下的共存規(guī)則；提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全防護(hù)的整體能力和水平，強(qiáng)化安全監(jiān)測、防護(hù)技術(shù)的手段建設(shè)，完善工控安全工作機(jī)制。

探索建立安全備用網(wǎng)絡(luò)機(jī)制，當(dāng)主網(wǎng)絡(luò)因?yàn)楦黝愒蛸|(zhì)量下降或中斷時(shí)，能夠無縫切換到安全備用網(wǎng)絡(luò)，從而為工業(yè)企業(yè)提供多重備份的網(wǎng)絡(luò)安全保障，打消工業(yè)企業(yè)、制造企業(yè)使用5G無線網(wǎng)絡(luò)作為生產(chǎn)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的顧慮。