基于5G技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探討

趙帥男，袁 朋，釗劉杰，郝建華，王璟瑞

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450000）

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)需求

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心產(chǎn)業(yè)涉及數(shù)字化裝備、自動(dòng)化、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以及工業(yè)軟件5個(gè)方面[1]。其中，數(shù)字化裝備和自動(dòng)化屬于邊緣控制層，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)屬于網(wǎng)絡(luò)連接層，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)和工業(yè)軟件屬于數(shù)據(jù)應(yīng)用層，而互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)又涉及邊緣控制、網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)匯聚以及數(shù)據(jù)應(yīng)用3大層級(jí)[2-4]。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)及安全可歸結(jié)為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的3大體系，其中平臺(tái)是核心，安全是后盾和保障，而網(wǎng)絡(luò)則是重要基礎(chǔ)[5]。

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)逐漸向產(chǎn)品個(gè)性化、制造服務(wù)化、連接泛在化以及智能化生產(chǎn)方向發(fā)展[6]。從本質(zhì)上看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可分為工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)和工廠外網(wǎng)絡(luò)。工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)主要用于連接工廠內(nèi)各種生產(chǎn)要素，支撐工廠內(nèi)業(yè)務(wù)應(yīng)用，而工廠外網(wǎng)絡(luò)包括分廠之間的通信、廠區(qū)和數(shù)據(jù)分析中心之間的通信等，用于連接智能工廠、分支機(jī)構(gòu)、上下游協(xié)作企業(yè)、工業(yè)云數(shù)據(jù)中心以及智能產(chǎn)品與用戶等主題[7]。

目前，工業(yè)領(lǐng)域中使用的絕大多數(shù)通信技術(shù)仍然是有線技術(shù)，包括各種專用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)。在一些特殊的工業(yè)場(chǎng)景下，無線技術(shù)以其良好的移動(dòng)性成為有線技術(shù)的重要補(bǔ)充[8]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)傳輸和通信主要采用短距無線、WiFi、工業(yè)專用無線以及傳統(tǒng)蜂窩無線4種模式[9]。上述4種模式各有優(yōu)劣，其特點(diǎn)如表1所示。

從表1可以看出，雖然無線通信技術(shù)眾多，但各有不足且相對(duì)封閉，無法滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)連接的上述需求，亟需新一代無線技術(shù)補(bǔ)充短板。

表1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)有數(shù)據(jù)傳輸和通信模式對(duì)比

2 5G技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)景

5G的3大特性分別是eMBB增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬、mMTC大規(guī)模機(jī)器通信以及URLLC高可靠低延時(shí)，分別實(shí)現(xiàn)上下行速率倍速提升、海量機(jī)器鏈接以及超低時(shí)延和高可靠等性能[10]。

基于5G技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)特性，總結(jié)了9大主流工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。一是云設(shè)計(jì)云仿真，主要可應(yīng)用的工業(yè)行業(yè)有航空航天、工程機(jī)械以及汽車電子等?？衫?G、邊緣云及虛擬桌面等，針對(duì)工業(yè)產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)的方案進(jìn)行快速設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證。二是5G遠(yuǎn)程操控，主要可應(yīng)用的工業(yè)行業(yè)有礦山、港口、爆破以及危險(xiǎn)品等。在危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境安裝高精定位器、傳感器、激光雷達(dá)、高清攝像頭以及智能終端，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制。在遠(yuǎn)程操作臺(tái)對(duì)礦車、鉆機(jī)即電鏟等設(shè)備發(fā)送指令完成作業(yè)。5G遠(yuǎn)程操控網(wǎng)絡(luò)示意如圖1所示。三是自動(dòng)駕駛/無人駕駛，主要可應(yīng)用的工業(yè)行業(yè)有消防、礦山以及勘探等，5G無人駕駛網(wǎng)絡(luò)示意如圖2所示。四是機(jī)器視覺檢測(cè)/無人機(jī)巡檢，主要可應(yīng)用的工業(yè)行業(yè)有醫(yī)療器械、食品、汽配、鋼鐵、紡織、機(jī)器加工以及電子制造等。通過在生產(chǎn)設(shè)備和生產(chǎn)線安裝高清智能攝像頭，識(shí)別包裝和產(chǎn)品表面缺陷，檢測(cè)噴碼缺失等。結(jié)合5G+AI技術(shù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)，不斷提高檢出率，降低人工成本。五是工藝優(yōu)化和效能優(yōu)化，主要可應(yīng)用的的工業(yè)行業(yè)有機(jī)械加工、鋼鐵、冶金、水泥、化工以及制藥等。打造一個(gè)5G、數(shù)據(jù)采集、邊緣云以及工業(yè)大數(shù)據(jù)為一體的解決方案，通過構(gòu)建缺陷識(shí)別和工藝參數(shù)相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫(kù)，分析產(chǎn)品缺陷與工藝的必然聯(lián)系，從而優(yōu)化工藝，提高良品率。通過大數(shù)據(jù)計(jì)算，對(duì)耗能管理和優(yōu)化，巧妙運(yùn)用波峰波谷，優(yōu)化效能。六是云MES/供應(yīng)鏈協(xié)同，主要可應(yīng)用的工業(yè)場(chǎng)景有食品、汽配、家具以及水泥等。針對(duì)有很多生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的企業(yè)，對(duì)企業(yè)提供數(shù)據(jù)管理，合理計(jì)劃排程、生產(chǎn)調(diào)度以及庫(kù)管理等，實(shí)現(xiàn)手機(jī)端和PC端無縫對(duì)接，靈活部署，實(shí)時(shí)掌控工廠情況，提升管理效率。云MES系統(tǒng)框架如圖3所示。七是5G智能監(jiān)控和設(shè)備防御性維護(hù)，主要涵蓋行業(yè)有制造業(yè)、食品、藥品以及裝備等多數(shù)機(jī)械設(shè)備的行業(yè)。通過各類傳感器監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況，采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，形成有效大數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)設(shè)備故障進(jìn)行早期預(yù)警，支撐遠(yuǎn)程運(yùn)維，預(yù)測(cè)性運(yùn)維，指導(dǎo)合理備件，減少設(shè)備故障率，縮短維護(hù)時(shí)間，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，提升設(shè)備回報(bào)率。八是AR設(shè)備點(diǎn)檢/VR成品展示，主要涵蓋行業(yè)包括機(jī)械制造、鋼鐵、電子制造、汽車制造以及機(jī)器加工等有大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的行業(yè)?？筛咝?shí)現(xiàn)電氣設(shè)備遠(yuǎn)程AR點(diǎn)檢、大型復(fù)雜機(jī)械設(shè)備巡檢以及設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維等?？舍槍?duì)汽車、儀器、機(jī)械或者電子產(chǎn)品進(jìn)行VR演示和成品展銷。九是個(gè)性化定制，適用于各類工業(yè)行業(yè)，將產(chǎn)品模型化、模塊化、參數(shù)化，打造數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品方案、生產(chǎn)、銷售以及物流等全業(yè)務(wù)鏈的數(shù)據(jù)集成與共享。基于需求建立工業(yè)企業(yè)面向用戶的信息服務(wù)通道，支持用戶對(duì)產(chǎn)品定制、體驗(yàn)并掌握實(shí)時(shí)信息。

圖1 5G遠(yuǎn)程操控網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖2 5G無人駕駛網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖3 云MES系統(tǒng)框架圖

3 5G技術(shù)下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展

3.1 破解設(shè)備互聯(lián)互通難題

受通信技術(shù)的制約，當(dāng)前我國(guó)工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通難，嚴(yán)重制約了設(shè)備上云。通過將5G技術(shù)與工業(yè)PON、MEC等相結(jié)合，能夠降低工業(yè)場(chǎng)景協(xié)議轉(zhuǎn)換和設(shè)備接入難度，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)異構(gòu)數(shù)據(jù)接入能力，有效解決數(shù)據(jù)孤島的問題。

3.2 破解海量工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步傳輸難題

大量工業(yè)企業(yè)現(xiàn)有內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)無法支撐海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和網(wǎng)絡(luò)同步，亟需進(jìn)行基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸帶寬。5G能夠提供端到端毫秒級(jí)時(shí)延和接近100%的高可靠性通信保障，滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)無線傳輸需求和大量即時(shí)處理需求。

3.3 拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的廣度和深度

5G技術(shù)可助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素和全環(huán)節(jié)高效互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)以數(shù)據(jù)流帶動(dòng)技術(shù)流、資金流、人才流以及物資流，有效提升傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展質(zhì)量與效益。同時(shí)，5G將推進(jìn)人工智能和AR/VR等新興前沿技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與探索，催生形成新產(chǎn)品、新模式及新業(yè)態(tài)，拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展空間。同時(shí)，可加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在一、二、三產(chǎn)業(yè)中的融合應(yīng)用，整體帶動(dòng)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的提升。

4 結(jié) 論

作為新一代的移動(dòng)通信技術(shù)，5G技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型為智能制造企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求的不足，必將成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)，能將離散的機(jī)器、人以及設(shè)備全部連接起來。使工廠全方面升級(jí)，機(jī)器輔助、預(yù)判，萬(wàn)物信息交互，實(shí)現(xiàn)按需生產(chǎn)和個(gè)性化生產(chǎn)，大大改善勞動(dòng)條件，提高生產(chǎn)效率，提高企業(yè)產(chǎn)能效能，深程度地改變社會(huì)。

例：文人墨客生活中的“琴棋書畫詩(shī)酒茶”Chinese scholar’s seven daily necessities,namely music,chess,calligraphy,painting,poetry,wine and tea增加了 “seven daily necessities”。句子順序不變但通過增減詞匯，表達(dá)比漢語(yǔ)更簡(jiǎn)潔。遵循能直譯盡量直譯的原則。