從需求和要求兩角度分析5G工業(yè)應(yīng)用

劉 丹，魏劍嵬，趙艷領(lǐng)，王麟琨

(機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所，北京 100055)

0 引言

5G移動通信技術(shù)由于超高帶寬、超低時延和超廣連接的技術(shù)特點，可以滿足數(shù)字化生活、數(shù)字化工業(yè)、數(shù)字化社會等對于強大通信網(wǎng)絡(luò)的廣泛需求。特別是在當(dāng)前新一代信息技術(shù)與工業(yè)制造業(yè)融合引發(fā)的智能制造/工業(yè)4.0的新制造模式變革下，5G作為重要的賦能技術(shù)，受到各界的廣泛關(guān)注和推廣應(yīng)用。目前，5G工業(yè)應(yīng)用率先集中在增強移動帶寬的應(yīng)用場景，利用5G在無線、大帶寬方面的優(yōu)勢，已經(jīng)在視覺檢測、工業(yè)增強現(xiàn)實(augmented reality,AR)/虛擬現(xiàn)實(virtual reality，VR)、遠程操控、遠程運維、智能物流等應(yīng)用方面取得成功案例。但是，5G在底層實時控制、機器對機器(machine-to-machine,M2M)通信等方面的應(yīng)用還處于研究試驗階段。

然而，任何信息領(lǐng)域的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)從來都不是直接“拿來”在工業(yè)中應(yīng)用的。工業(yè)對于安裝在生產(chǎn)現(xiàn)場的通信網(wǎng)絡(luò)具有特殊要求，由此產(chǎn)生了現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)等工業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。因此，本文深入分析了5G與工業(yè)應(yīng)用 “相互成就”的關(guān)系：首先，闡明工業(yè)為何需要5G，以及在技術(shù)上還有哪些特殊要求；其次，基于5G的技術(shù)特點和組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)，分析其對于工業(yè)應(yīng)用的天然適應(yīng)性；然后，介紹幾種典型的5G工業(yè)應(yīng)用場景，以及各自對5G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的性能指標(biāo)要求；最后，提出當(dāng)前為實現(xiàn)大規(guī)模5G工業(yè)應(yīng)用還需考慮及迫切解決的問題。

1 工業(yè)對于新型通信技術(shù)的需求與要求

1.1 工業(yè)應(yīng)用需求

隨著新一代信息技術(shù)與先進制造技術(shù)的不斷融合應(yīng)用，工業(yè)應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提出了新的需求，主要包括以下4個方面。

①泛在感知互聯(lián)的需求：工廠生產(chǎn)需采集大量的生產(chǎn)績效、質(zhì)量檢測、設(shè)備狀態(tài)等現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以及人、機、料、法、環(huán)等制造資源，實現(xiàn)互聯(lián)互通。

②采用無線通信的需求：旋轉(zhuǎn)類機械裝備、老舊工廠升級改造、生產(chǎn)現(xiàn)場距離過遠，以及高溫、高濕、高腐等惡劣環(huán)境等不適合使用有線網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)場景。

③柔性制造的需求：個性化定制要求生產(chǎn)線支持柔性制造，可根據(jù)訂單變化在生產(chǎn)線上快速增加、移除、重組制造裝備。這要求現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)支持靈活多變的組網(wǎng)。

④智能化應(yīng)用的需求：遠程診斷、預(yù)測性維護等智能化工業(yè)應(yīng)用需求不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)場設(shè)備上云已成“剛需”。

因此，基于以上需求分析，亟需一種可以滿足全部需求的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G的技術(shù)特點使其能夠很好地滿足這些新需求。

1.2 工業(yè)應(yīng)用要求

對于工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場使用的通信網(wǎng)絡(luò)，其性能存在更嚴(yán)格的要求[1-2]。

①實時性(real-time)：系統(tǒng)在限定的時間內(nèi)能夠?qū)ν饨缡录鞒鎏幚砼c響應(yīng)。

②確定性(deterministic)：通信系統(tǒng)的端到端傳輸延遲具有最大限值。

③可用性(availability)：事物在預(yù)定時間或時間間隔內(nèi)執(zhí)行所要求功能的能力。

④可靠性(reliability)：報文/消息在可接受時延內(nèi)完整無損地到達目的地的能力。

正是由于這些更嚴(yán)格要求，使得工業(yè)中必須使用特定的專用網(wǎng)絡(luò)而非辦公網(wǎng)絡(luò)。例如：工業(yè)以太網(wǎng)(又稱實時以太網(wǎng))基于IEEE 802.3，工業(yè)無線網(wǎng)基于IEEE 802.15.4或IEEE 802.11。這些工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)修改了媒體訪問控制(media access control,MAC)層協(xié)議，或在其上增加一些確保實時性、確定性、可靠性等協(xié)議內(nèi)容。

此外，IEC 61784-2[3]實時以太網(wǎng)行規(guī)中規(guī)定了評估工業(yè)以太網(wǎng)的性能指標(biāo)，主要包括以下幾項。

①交付時間：信息從源節(jié)點到目的節(jié)點的傳輸時間。

②端節(jié)點數(shù)：一個控制網(wǎng)絡(luò)支持的最大節(jié)點數(shù)。

③基本網(wǎng)絡(luò)拓撲：星型、環(huán)型、線型。

④實時(real time,RT)吞吐量：每秒鏈路上通過RT數(shù)據(jù)的總字節(jié)數(shù)。

⑤非RT帶寬：鏈路上用于非RT通信的帶寬百分比。

⑥時間同步精度：任意兩個節(jié)點時鐘之間的最大偏差。

⑦非時基同步精度：任意兩個節(jié)點間周期性行為的最大抖動。

⑧冗余恢復(fù)時間：從一次故障到完全正常工作的最大恢復(fù)時間。

不同應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景的性能指標(biāo)要求不同。雖然IEC 61784-2規(guī)定的這些指標(biāo)是針對工業(yè)以太網(wǎng)的，但同樣適用于對現(xiàn)場總線、工業(yè)無線等工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的性能評估測試。5G是否適合工業(yè)應(yīng)用、適合哪些應(yīng)用領(lǐng)域和應(yīng)用場景，同樣也需通過這些指標(biāo)進行評估測試。

2 5G對工業(yè)應(yīng)用的適應(yīng)性

2.1 5G技術(shù)特點

5G技術(shù)是現(xiàn)有4G技術(shù)的延伸，比4G具有更高速率、更大帶寬、更短時延。國際電信聯(lián)盟(international telecommunication union，ITU)規(guī)定了5G的關(guān)鍵指標(biāo)，即ITU-T目標(biāo)值。

5G關(guān)鍵指標(biāo)如表1所示。

表1 5G關(guān)鍵指標(biāo)Tab.1 Key indicators of 5G

按照5G 超高帶寬、超低時延和超廣連接的特點，ITU規(guī)定了5G的三大應(yīng)用場景，具體如下。

①增強移動寬帶(enhance mobile broadband，eMBB)：在現(xiàn)有4G移動寬帶業(yè)務(wù)場景基礎(chǔ)上的大流量移動寬帶業(yè)務(wù)提升，聚焦對帶寬有極高需求的業(yè)務(wù)，例如高清視頻、VR/AR等，滿足數(shù)字化生活的應(yīng)用需求。

②超高可靠超低時延通信(ultra-reliable low latency communication，uRLLC) ：聚焦對時延極其敏感的業(yè)務(wù)，例如自動駕駛/輔助駕駛、工業(yè)遠程控制等，滿足數(shù)字化工業(yè)的應(yīng)用需求。

③大規(guī)模機器類通信(massive machine type communication，mMTC) ：針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)傳感與數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)，例如智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、智能農(nóng)業(yè)等，滿足數(shù)字化社會的應(yīng)用需求。

5G在垂直行業(yè)和工業(yè)細分領(lǐng)域的各種應(yīng)用場景，最終都可歸結(jié)到上述三大應(yīng)用場景。

在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用模塊化功能設(shè)計模式，并通過“功能組件”的組合，構(gòu)建滿足不同應(yīng)用場景需求的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)。

2.2 5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)

為適應(yīng)多應(yīng)用場景并滿足靈活多變的業(yè)務(wù)發(fā)展需求，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)更加融合、開放、靈活。因此，5G網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化和軟件定義架構(gòu)，并按照邏輯功能劃分為接入面、轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面[4]。5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)如圖1所示。

圖1 5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)Fig.1 5G network logical architecture

①接入面：引入多站點協(xié)作、多連接機制、多制式融合技術(shù)，構(gòu)建靈活的接入網(wǎng)拓撲。

②轉(zhuǎn)發(fā)面：具備分布式數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和處理功能，提供豐富的業(yè)務(wù)鏈處理能力。

③控制面：基于集中式網(wǎng)絡(luò)控制功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、軟件化、可重構(gòu)，支持網(wǎng)絡(luò)能力開放。

在此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上，采用模塊化功能設(shè)計模式，并通過“功能組件”的組合，構(gòu)建滿足不同應(yīng)用場景需求的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)。

2.3 5G對工業(yè)的適應(yīng)性

5G 網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)具有如下特征[5]：控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，靈活的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流程，多網(wǎng)多制式融合，本地化緩存/處理/轉(zhuǎn)發(fā)，靈活組網(wǎng)等。

這些特征依賴相對應(yīng)的技術(shù)，包括5G網(wǎng)絡(luò)邏輯架構(gòu)設(shè)計、軟件定義網(wǎng)絡(luò)(software defined network，SDN)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(network function virtualization，NFV)、網(wǎng)絡(luò)切片、移動邊緣計算(mobile edge computing，MEC)等。

這些關(guān)鍵技術(shù)適應(yīng)智能制造對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的新需求，例如個性化定制柔性制造對于靈活組網(wǎng)的需求、不同應(yīng)用數(shù)據(jù)傳輸對于通信資源可重構(gòu)調(diào)度的需求、多類型業(yè)務(wù)對于特定服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)的需求，以及工控網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合集成對于信息安全的更高需求等。

5G關(guān)鍵技術(shù)對于這些工業(yè)應(yīng)用需求的適應(yīng)性如表2所示。

表2 5G關(guān)鍵技術(shù)對工業(yè)應(yīng)用需求的適應(yīng)性Tab.2 Adaptability of 5G key technologies to industrial application demand

3 5G工業(yè)應(yīng)用典型場景

3.1 5G工業(yè)應(yīng)用場景分析

3GPP從應(yīng)用需求角度分析了典型工業(yè)應(yīng)用案例的性能指標(biāo)范圍及其對于5G應(yīng)用場景的訴求[6]。典型工業(yè)應(yīng)用案例的性能指標(biāo)如表3所示。其中，周期時間是指用于實時控制或數(shù)據(jù)采集的重復(fù)性數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹芷冢秳邮侵笀笪?數(shù)據(jù))到達目的地的實際時間與理想時間之間的偏差。這兩個時間指標(biāo)直接反映工業(yè)通信的實時性和確定性。

表3 典型工業(yè)應(yīng)用案例的性能指標(biāo)Tab.3 Performance indicators of typical industrial applications

表3(續(xù))

當(dāng)前，5G已經(jīng)開展的工業(yè)應(yīng)用場景主要分為兩大類：一類是在工廠車間內(nèi)，5G與視覺檢測、視頻監(jiān)控、自動導(dǎo)引車(automated guided vehicle，AGV)、工業(yè)機器人等現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備相結(jié)合，利用5G大帶寬、低時延的數(shù)據(jù)傳輸和基于云平臺的數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)產(chǎn)品檢測、生產(chǎn)與環(huán)境監(jiān)控、物料配送、預(yù)測性維護等智能制造應(yīng)用；另一類是在港口、礦山、石化管道、電力輸送等室外開闊場景，5G與無人機、挖掘機、工業(yè)機器人、運輸車等工業(yè)設(shè)備相結(jié)合，利用5G的無線通信、大帶寬數(shù)據(jù)傳輸和遠程的操控平臺，實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控、設(shè)備遠程遙控與巡檢、物流運輸調(diào)度等遠距離操控作業(yè)。在這些應(yīng)用場景中，上行數(shù)據(jù)主要包括從終端(設(shè)備)上傳至云端的視頻圖像、測量數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)等，下行數(shù)據(jù)主要包括從云端下傳至終端(設(shè)備)的配置參數(shù)、優(yōu)化控制和操作指令等。因此，上行數(shù)據(jù)和下行數(shù)據(jù)傳輸對于帶寬、時延的要求不同。表4給出了幾個當(dāng)前典型的5G工業(yè)應(yīng)用場景，以及這些場景對于時延、數(shù)據(jù)速率關(guān)鍵指標(biāo)的要求[7-9]。

表4 典型工業(yè)應(yīng)用場景及相應(yīng)需求Tab.4 Typical industrial application scenarios and corresponding requirements

3.2 5G工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署

不同于4G，5G不僅可提供“盡力而為”的移動寬帶服務(wù)，還可通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，使運營商按照與用戶約定的SLA為其提供關(guān)于時延、移動性、可靠性、帶寬等網(wǎng)絡(luò)性能的差異化定制。其實質(zhì)就是用戶需求與網(wǎng)絡(luò)能力的“對接”。第三代合作計劃(3rd generation partnership project,3GPP)定義了網(wǎng)絡(luò)切片的SLA要求，網(wǎng)絡(luò)切片SLA的部分關(guān)鍵屬性如表5所示。

5G工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署，一般需要制造企業(yè)用戶、移動通信運營商、咨詢機構(gòu)(如需要)和設(shè)備供應(yīng)商共同完成。用戶了解自己的生產(chǎn)制造工藝，可與咨詢機構(gòu)一起提出網(wǎng)絡(luò)通信需求，并建成后運行維護工廠內(nèi)的5G網(wǎng)絡(luò)。運營商按需部署宏基站、微基站和MEC，劃分網(wǎng)絡(luò)切片。

咨詢機構(gòu)跨界連接工業(yè)和5G，提供5G與工廠內(nèi)其他網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的集成解決方案。設(shè)備供應(yīng)商提供5G模組、5G通信模塊、5G與其他工業(yè)協(xié)議適配器、5G集成網(wǎng)關(guān)等。

表5 網(wǎng)絡(luò)切片SLA的部分關(guān)鍵屬性Tab.5 Partial key attributes of network slicing SLA

用戶和運營商的5G工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署過程如圖2所示。

圖2 5G工業(yè)應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)部署過程Fig.2 5G industrial application network deployment process

4 結(jié)論

智能制造/工業(yè)4.0對工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提出了更多、更高的要求，除了滿足原來的工業(yè)自動化控制外，還有更大量甚至海量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)要直接上傳到邊緣側(cè)和云端。個性化定制柔性制造要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持即插即用的組網(wǎng)方式，機器視覺和VR/AR等新興技術(shù)應(yīng)用使得生產(chǎn)現(xiàn)場還要實時傳送大帶寬數(shù)據(jù)，給IT/OT融合也帶來了更多的信息安全風(fēng)險。這些給工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)帶來了新的需求。5G超高帶寬、超低時延和超廣連接的技術(shù)特點與靈活可重構(gòu)的組網(wǎng)能力，使其能夠很好地滿足工業(yè)通信的新需求。

當(dāng)前，在國家政策的大力倡導(dǎo)下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”創(chuàng)新應(yīng)用如火如荼地展開，業(yè)界也將二者視為推動制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級的重要手段。然而，目前5G工業(yè)應(yīng)用場景還是以政府項目支持的試點示范為主，距離企業(yè)內(nèi)生動力產(chǎn)生的大規(guī)模應(yīng)用，在技術(shù)上和經(jīng)濟上還存在一些問題亟待解決。

從技術(shù)角度，5G技術(shù)引入工業(yè)，可能為企業(yè)帶來新的安全問題和更多對數(shù)據(jù)存儲、傳輸、計算的要求。因此，還需對5G網(wǎng)絡(luò)在實際工業(yè)應(yīng)用場景中的實時性、確定性、安全性等性能進行專業(yè)的測試驗證。從經(jīng)濟角度來看，目前5G核心器件和通信模組還未形成大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化，導(dǎo)致市場供應(yīng)不足而硬件成本較高，而且企業(yè)專網(wǎng)又是運行在運營商公網(wǎng)之上，大量設(shè)備的5G通信成本對于企業(yè)用戶而言也是必須要考慮的額外開銷。

5G在工業(yè)應(yīng)用無論為5G還是為工業(yè)，都帶來了新的機遇與挑戰(zhàn)，需要OT領(lǐng)域和IT領(lǐng)域共同協(xié)作實現(xiàn)。