5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思考與實踐

趙維鐸/ZHAO Weiduo

蔣伯章/JIANG Bozhang2

（1.中興通訊股份有限公司，中國 深圳 518057；2.中國電信杭州分公司，中國 杭州 321000）

(1. ZTE Corporation, Shenzhen 518057, China;2. China Telecom Hangzhou Branch, Hangzhou 321000, China)

工業(yè)制造是中國經(jīng)濟發(fā)展和參與大國競爭的基石，也是振興實體經(jīng)濟的重要抓手。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是實現(xiàn)工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈連接和支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式，是互聯(lián)網(wǎng)從消費領(lǐng)域向生產(chǎn)領(lǐng)域、從虛擬經(jīng)濟向?qū)嶓w經(jīng)濟拓展的核心載體[1]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、全新工業(yè)生態(tài)和新型應(yīng)用模式，其精髓及優(yōu)勢在于規(guī)模化的資源調(diào)度與共享。如圖1所示，通過人、機、 物的全面互聯(lián)，和全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在不斷改變傳統(tǒng)的制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推動傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級，加速新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。

▲圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體示意圖

在5G為工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)流動提供重要無線網(wǎng)絡(luò)保障的同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為5G提供了廣闊的應(yīng)用場景。目前，5G＋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計、工業(yè)制造、質(zhì)檢、運維、控制、營銷展示等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，并形成了工業(yè)三維圖像、移動視覺、遠程運維與遠程操控、無人巡檢、數(shù)據(jù)采集等系列化的典型應(yīng)用場景。未來，5G將逐步向工廠現(xiàn)場控制層面延伸。

1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨的問題和挑戰(zhàn)

當(dāng)前，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)仍面臨諸多問題，這主要體現(xiàn)在以下3個方面：（1）不夠開放和友好，這是由傳統(tǒng)工業(yè)廠家的格局和市場來決定的。大多數(shù)的工業(yè)協(xié)議都是封閉化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，擁有嚴格控制的對外接口。（2）不夠彈性和靈活，擴展和調(diào)整的難度比較大。（3）不適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，部署和運維的成本比較高。由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)涉及到有線和各類無線，加之在現(xiàn)場都有應(yīng)用，所以它難以融合新技術(shù)的變革，對現(xiàn)有技術(shù)和架構(gòu)產(chǎn)生了很大的阻礙影響。

在無線網(wǎng)絡(luò)方面，現(xiàn)有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)尚存在以下幾個方面的挑戰(zhàn)：（1）可靠性和穩(wěn)定性。工業(yè)場合對可靠性和穩(wěn)定性的要求比較高，而無線傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性與有線的方式相比還不具備突出優(yōu)勢。（2）刷新速度。工業(yè)系統(tǒng)對刷新速度要求比較高，而無線通信較難實現(xiàn)高速刷新，同時難以實現(xiàn)大量終端的同時在線連接。（3）網(wǎng)絡(luò)安全。無線網(wǎng)絡(luò)被入侵和干擾的風(fēng)險較高，網(wǎng)絡(luò)安全得不到保障。（4）傳感器無線供電。雖然無線網(wǎng)絡(luò)縮短了通信的線路，但是仍解決不了供電線的問題。對傳感器進行無線供電目前仍是一個無法產(chǎn)業(yè)化的問題。（5）無線工業(yè)領(lǐng)域協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)。有線領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議歷經(jīng)幾十年才被逐漸規(guī)范，在無線工業(yè)領(lǐng)域，這些協(xié)議又被重新定義一遍。（6）電磁輻射和干擾。由于很多無線網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生電磁輻射，在面向特殊行業(yè)（石油、井工礦等）時，必須考慮防爆和隔爆的特殊要求。

2 5G在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用特點和優(yōu)勢

除了人們熟知的3個特點之外，5G在工業(yè)領(lǐng)域[2]的幾個比較重要特征包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)不同于其他網(wǎng)絡(luò)的一個重要的特征，也就是說，一張物理網(wǎng)絡(luò)可以虛擬出不同的子網(wǎng)絡(luò)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景要求。整個5G網(wǎng)絡(luò)還支持端到端的編排管理，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求進行彈性擴張或者收縮。

（2）在工業(yè)領(lǐng)域的超可靠低時延通信（URLLC）。目前，R16標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被凍結(jié)，URLLC標(biāo)準(zhǔn)在原有的增強移動寬帶（eMBB）的基礎(chǔ)上，時延得到了進一步降低。

如圖2所示，在eMBB場景下跨核心網(wǎng)網(wǎng)元時，整個端到端時延在理想情況下為20 ms左右。即使是單向的控制指令，從云端發(fā)到終端，時延也需要6 ms左右。在URLLC標(biāo)準(zhǔn)出來之后，整個端到端時延可以達到5 ms。如果單向地從云端向終端發(fā)射指令，時延可以小于1 ms。URLLC奠定了5G在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的地位。

（3）除了低時延之外，5G還有一個更重要的特點：時延抖動和確定性[3]。與其他消費領(lǐng)域應(yīng)用不同，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用要求不僅時延要低，還要保證時延的確定性，即同樣一個指令，這次1 ms送達，下次還要1 ms送達，而不是這次1 ms送達，下次20 ms才送達。這是因為時延抖動和不確定性將對工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)造成很大影響，甚至可能會造成災(zāi)難性的事故。通過5G面向傳輸隧道時間標(biāo)簽技術(shù)和控制技術(shù)，可以把時延抖動控制到微秒級，以保證報文次序的收發(fā)，這對工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。

如圖3所示，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式方面，5G面向企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的建設(shè)大概有3種模式：（1）純粹的專網(wǎng)模式。這種模式的好處是企業(yè)的數(shù)據(jù)是完全自由的，與外界是不發(fā)生關(guān)系的，安全性也是最高的，但是目前中國還沒有專用的5G頻段。（2）企業(yè)自建核心網(wǎng)，基站與公網(wǎng)共享模式。在這種網(wǎng)絡(luò)的布局架構(gòu)下，終端的登記、注冊以及數(shù)據(jù)流都是在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。目前，中興通訊在寶武湛江鋼鐵完成的中國首家5G核心網(wǎng)就是這種模式的的典型案例。（3）核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）下沉模式。這也是現(xiàn)在90%以上的企業(yè)都采用的建網(wǎng)模式，也就是說核心網(wǎng)和基站都是與運營商共享的。共享時，企業(yè)在終端登記時要到公網(wǎng)去，但是它的數(shù)據(jù)流不會到公網(wǎng)去，而是在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。這種模式也是目前業(yè)界通過運營商網(wǎng)絡(luò)來建設(shè)的主流模式。

3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模商用思考

如圖4所示，5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模商用將經(jīng)過3個主要階段：

▲圖2 5G時延對比示意圖

▲圖3 5G建網(wǎng)模式

（1）在短期內(nèi)，要完成5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)?；ㄔO(shè)。但是現(xiàn)在面臨的問題是建了網(wǎng)絡(luò)之后誰來用？怎么樣去吸引工業(yè)企業(yè)來使用5G網(wǎng)絡(luò)？這時就需要利用有特色的業(yè)務(wù)引導(dǎo)這些企業(yè)來使用5G網(wǎng)絡(luò)。

（2）在中期，要逐步取代車間現(xiàn)有的有線或無線IP網(wǎng)絡(luò)。這是因為5G本身就是一個高速可靠又能夠適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需求的無線網(wǎng)絡(luò)。

（3）在遠期，要在這個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上尋求一些突破，比如替代現(xiàn)在的現(xiàn)場總線、促進改變一些工控現(xiàn)場的產(chǎn)品形態(tài)等。這就好比之前在4G出現(xiàn)時我們并沒有想到微信、抖音和移動支付像今天這么流行一樣，在中遠期希望通過5G技術(shù)，來產(chǎn)生更多工業(yè)領(lǐng)域的“抖音”“微信”或者“移動支付”。

4 中興通訊對5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實踐探索

▲圖4 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)階段發(fā)展

▲圖5 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用

在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景方面，經(jīng)過近兩年的探索，中興通訊已經(jīng)探索出很多的5G+工業(yè)應(yīng)用。如圖5所示,這些應(yīng)用總體上可分為6大類。

在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，中興通訊已經(jīng)與運營商及其他合作伙伴聯(lián)合打造了幾十個5G示范或商用項目。比如：（1）在南京濱江制造基地，中興通訊中標(biāo)2020年首批中國發(fā)展和改革委員會新基建工程，規(guī)劃了16大類40種應(yīng)用場景。目前該工程第一階段已經(jīng)完成了10個場景的應(yīng)用，包括機器視覺、遠程AR指導(dǎo)、云化自動導(dǎo)引運輸車（AGV）、小站數(shù)字孿生以及園區(qū)巡檢、無人巡邏及清掃等。（2）在鞍山鋼鐵，中興通訊建設(shè)中國首個4.9 GHz企業(yè)專網(wǎng)，在鋼鐵行業(yè)進行帶鋼的表面檢測、電機的監(jiān)測以及皮帶通廊的監(jiān)視和監(jiān)測等。（3）在湛江寶武，中興通訊已經(jīng)歸納了30余種應(yīng)用場景，目前這些場景正在逐步實施落地，同時湛江寶武也是中國第一個企業(yè)自建5G核心網(wǎng)的典型案例。

通過前期5G在工業(yè)領(lǐng)域的實踐應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)目前仍有一些問題亟待完善。首先，在技術(shù)層面，5G在eMBB階段下的時延及抖動無法滿足涉及現(xiàn)場控制方面的要求，需要將來URLLC標(biāo)準(zhǔn)落地驗證；其次，在容量和帶寬方面，對于集中部署或運行的機器視覺及云化AGV等應(yīng)用，以5G上行為主，5G的帶寬及容量仍面臨挑戰(zhàn)；再者，在終端的多樣性上，由于5G的模組、芯片、產(chǎn)業(yè)鏈仍處于發(fā)展階段，后續(xù)隨著5G在消費領(lǐng)域及垂直行業(yè)領(lǐng)域的整體推進，終端的多樣性將會進一步滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求；最后，在商業(yè)模式層面，運營商、通信設(shè)備商及工業(yè)企業(yè)都一直在積極探索新的商業(yè)模式。我們建議通過分析問題，找到不同企業(yè)的剛需，挖掘5G新業(yè)務(wù)，來促進商業(yè)模式的逐步明晰。

5 結(jié)束語

當(dāng)前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從單點局部的特色業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧苫⑾到y(tǒng)化的應(yīng)用。5G本身是一張網(wǎng)，這張網(wǎng)可以承載不同的業(yè)務(wù)，如基于5G的車間管理和倉儲物流；但同時5G不僅僅是一張網(wǎng)，5G如果想發(fā)揮它的價值，就需要與運營商、工業(yè)方案提供商、工業(yè)現(xiàn)場的自動化裝備提供商等一起合作。發(fā)揮5G優(yōu)勢，使之真正服務(wù)于工業(yè)企業(yè)，從而促進中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級。