基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探析

黃雪靈 陳云選

中國信息通信研究院西部分院，重慶 401336

21世紀(jì)，我國已躍居世界第一制造業(yè)大國，逐漸構(gòu)建了門類齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。而近幾年飛速發(fā)展的智能制造及相關(guān)產(chǎn)業(yè)，成為我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的主要動力。作為新一代移動通信技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以為圍繞物聯(lián)網(wǎng)、垂直行業(yè)的眾多熱門使用場景搭建提供幫助，特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)特有的低時延、高速率、移動性、大容量特性，可以搭建高度安全、可擴展的工業(yè)場景，為工業(yè)制造領(lǐng)域競爭力的增強提供依據(jù)。因此，探究分析以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 5G網(wǎng)絡(luò)背景

5G網(wǎng)絡(luò)是第五代移動通信技術(shù)，是移動通信延續(xù)著每10年一代技術(shù)發(fā)展規(guī)律，在1G、2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新技術(shù)，致力于解決未來移動數(shù)據(jù)流量暴漲的需求，為用戶提供虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等身臨其境的高水準(zhǔn)業(yè)務(wù)體驗，并滲透到經(jīng)濟社會的各個行業(yè)、各個領(lǐng)域，滿足車聯(lián)網(wǎng)、移動醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)需求。從2019年的首次商用開始，作為新一代移動通信技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)在全球呈蓬勃發(fā)展之勢，全球已有70多個國家的169個運營商發(fā)布5G，5G最高速率可達到1 Gbps～2 Gbps之間，甚至超過4 Gbps，5G主流頻譜為n77（3300～4200 MHz）、n78（3300～3800 MHz），還包括n257、n258、n261幾個毫米波頻段。我國聯(lián)通公司、電信公司主要將2100 MHz作為深度覆蓋層，將3.5 GHz與2.6 GHz作為容量層，主流頻譜為n78、n41以及FDD頻段n1，移動公司與廣電公司則將700 MHz作為廣覆蓋層。從網(wǎng)絡(luò)部署來看，5G部署網(wǎng)絡(luò)的主流是NSA，其增長數(shù)量處于趨于平緩狀態(tài)。與此同時，SA網(wǎng)絡(luò)逐年增長，為我國5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署提供了充足動力。而隨著5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的快速發(fā)展，必將催化SA生態(tài)的進一步成熟，形成良性循環(huán)，最終實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念于2012年首次提出，由美國通用電氣公司（GE）在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)：打破智慧與機器的邊界》白皮書上公布，其是由數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全、平臺構(gòu)成的全新工業(yè)制造與服務(wù)體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成基礎(chǔ)為新一代信息通信技術(shù)、工業(yè)經(jīng)濟深度融合，其三要素是人、機器、數(shù)據(jù)，可以面向全部產(chǎn)業(yè)鏈、價值鏈，其本質(zhì)上是依托開放性、全球化的通信網(wǎng)絡(luò)平臺，將人員、貨物、機具、系統(tǒng)有效連接，使其網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化、自動化，為工業(yè)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。

作為互聯(lián)網(wǎng)概念的進一步延伸的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的基石，狹義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特指面向工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)的發(fā)達網(wǎng)絡(luò)；而廣義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則覆蓋了農(nóng)林牧漁、制造、采礦、能源、建筑以及服務(wù)業(yè)、零售業(yè)、交通運輸、金融等行業(yè)，與每一個民眾的社會生活息息相關(guān)。

3 基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 移動邊緣計算

移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC），是5G網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的一個網(wǎng)元或用戶側(cè)無線局域網(wǎng)內(nèi)私有云，具有多接入的特點。在基于5G邊緣云計算技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中可以將其作為邊緣基礎(chǔ)設(shè)施的云計算系統(tǒng)，經(jīng)邊緣云計算技術(shù)進行邊緣位置的核算、網(wǎng)絡(luò)傳輸與存儲[2]。在邊緣處理網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、核算與存儲業(yè)務(wù)的同時，幫助工業(yè)用戶將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下沉到邊緣，滿足分布式架構(gòu)運行要求。在移動邊緣計算技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時，需要依托C/U分離架構(gòu)（網(wǎng)元/數(shù)據(jù)錨點），進行MEC基本架構(gòu)以及服務(wù)管理API、無線信息開放向API的定義。進而推進MEC架構(gòu)與NFV架構(gòu)的融合，并利用應(yīng)用遷移機制，進行固網(wǎng)、Wi-Fi接入API的定義，明確MEC與5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。在這個基礎(chǔ)上，與5GAA、ITS等垂直行業(yè)合作，開展面向工業(yè)的平臺能力構(gòu)想，如故障定位、機器視覺質(zhì)量檢測、智能巡檢等。根據(jù)各場景時延需求的差異，對應(yīng)的部署戰(zhàn)略也具有一定差異，對于遠(yuǎn)程問題診斷、自動駕駛等時延需求在1.0～5.0 ms內(nèi)的場景，可選擇基于專用硬件站點機房或接入機房部署策略，實現(xiàn)一次部署、迭代拓展；而對于移動視頻監(jiān)控等時延需求在5.0～10.0 ms內(nèi)的場景，可以選擇基于通用硬件的匯聚部署策略，實現(xiàn)低成本、少帶寬骨干網(wǎng)傳輸。

3.1.2 時間敏感網(wǎng)絡(luò)

時間敏感網(wǎng)絡(luò)即TSN，是“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息交互的基礎(chǔ)，可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中確定性信息交互、柔性制造問題的解決提供支持。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，5G TSN技術(shù)主要作用于控制器與控制器、控制器與現(xiàn)場設(shè)備、信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與運營技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之間，面向現(xiàn)場生產(chǎn)線設(shè)備控制（立體倉庫、數(shù)控機床）、AGV控制、機器人控制需求，打通現(xiàn)場生產(chǎn)設(shè)備與集中控制中心、機器人與機械臂環(huán)境感知、視覺雷達與AGV運動的數(shù)據(jù)鏈路，助力工業(yè)生產(chǎn)智能化、自動化的實現(xiàn)[3]。

從應(yīng)用架構(gòu)上來看，5G TSN可以通過TSN轉(zhuǎn)換器（設(shè)備側(cè)DS-TT、網(wǎng)絡(luò)側(cè)NW-TT），將網(wǎng)絡(luò)用戶層、控制層進行轉(zhuǎn)換、互通。整個過程中，需要首先利用延時關(guān)鍵可保障比特速率、用戶面下沉分流、切片等技術(shù)，控制傳輸時延、無線側(cè)時延。其中延時關(guān)鍵可保障比特速率負(fù)責(zé)結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流特征進行業(yè)務(wù)類別劃分，如Best Effort（對時延無特殊要求）、周期性低時延的同步實時流、Motion Control等；而用戶面下沉分流負(fù)責(zé)根據(jù)場內(nèi)產(chǎn)現(xiàn)身控制要求，將核心網(wǎng)專用UPF下沉到園區(qū)，降低時延；切片技術(shù)負(fù)責(zé)在高隔離、低時延的業(yè)務(wù)中，以物理資源承載預(yù)留配合以太網(wǎng)硬切片的形式，減少網(wǎng)絡(luò)時延[4]。進而結(jié)合時延敏感通信輔助信息，借助保持與轉(zhuǎn)發(fā)機制，實現(xiàn)低時延、低抖動敏感通信。

3.2 應(yīng)用場景

3.2.1 遠(yuǎn)程操控

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)管理主要是進入現(xiàn)場進行生產(chǎn)設(shè)備、能源、原材料的管理，而利用5G與邊緣計算、自動控制技術(shù)，以數(shù)據(jù)采集終端上部署5G網(wǎng)關(guān)、內(nèi)置5G模組的形式，可以推進設(shè)備操控系統(tǒng)升級，實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與攝像頭、傳感網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集終端的遠(yuǎn)程管理[5]。在遠(yuǎn)程設(shè)備操控場景中，操控人員可以經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離、實時獲取生產(chǎn)現(xiàn)場全景高清視頻畫面及多種類別終端數(shù)據(jù)，并經(jīng)操控系統(tǒng)進行現(xiàn)場設(shè)備的精準(zhǔn)化、實時操控，可以助力企業(yè)實現(xiàn)無人化、少人化，降低企業(yè)生產(chǎn)成本。如礦山領(lǐng)域可以利用5G技術(shù)，推進無人礦卡駕駛、井下開采挖掘，降低生產(chǎn)事故發(fā)生率以及對應(yīng)的成本。

3.2.2 無損檢測

無損檢測主要是以內(nèi)嵌5G模組、5G網(wǎng)關(guān)部署的形式，將工業(yè)相機接入5G網(wǎng)絡(luò)，獲取高清圖像后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至專家系統(tǒng)，由專家系統(tǒng)對比既有規(guī)則判斷物料、產(chǎn)品是否存在缺陷。機器視覺檢測、設(shè)備故障檢測等無損檢測場景可以促使企業(yè)良品率顯著上升。如鋼鐵領(lǐng)域可以借助5G+8K表面檢測系統(tǒng)，優(yōu)化當(dāng)前抽檢模式，面向全部產(chǎn)品進行無損檢測，將鋼材缺陷檢出率、缺陷識別率分別提高到90.0%、85.0%以上。

3.2.3 智能分析

對于數(shù)控機床、其他自動化工業(yè)設(shè)備、物料自動存儲運輸設(shè)備，可以通過5G網(wǎng)關(guān)、5G模組部署的形式，將設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)[6]。在無線化連接環(huán)境中，將5G網(wǎng)絡(luò)、多接入邊緣計算系統(tǒng)結(jié)合，完成柔性生產(chǎn)制造應(yīng)用部署，并為基于生產(chǎn)要求的生產(chǎn)線快速重構(gòu)提供支持。設(shè)備智能分析等場景可以支撐企業(yè)進行生產(chǎn)流程優(yōu)化，為企業(yè)生產(chǎn)效率提升奠定基礎(chǔ)。如港口領(lǐng)域可以借助“5G+人工智能技術(shù)”，進行集裝箱理貨環(huán)節(jié)自動分析，尋找物流最優(yōu)路徑，將配載效率提高到15倍甚至20倍。

3.2.4 主動防御

由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺安全防護要求》可知，無線安全主動防御是5G基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用場景的關(guān)鍵部分。無線安全主動防御包括訪問控制、安全準(zhǔn)入、行為監(jiān)測、白名單等多個部分。其中，訪問控制主要是通過5G連接邊緣管理區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)域邊界，經(jīng)工業(yè)防火墻完成對協(xié)議工藝參數(shù)、地址范圍、功能碼的深度檢測，阻止惡意指令、非法訪問、數(shù)據(jù)，并進行地址訪問控制設(shè)備的限定。安全準(zhǔn)入主要是借助準(zhǔn)入控制機制，完成對接入內(nèi)網(wǎng)移動終端的身份驗證[7]。同時利用遠(yuǎn)程方式，監(jiān)控移動設(shè)備非法使用、遺失/被盜竊、入侵等行為，并執(zhí)行銷毀數(shù)據(jù)留存、擦除、重啟等操作。行為監(jiān)測主要指將工業(yè)安全審計系統(tǒng)部署在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，開展流量回溯分析或者針對系統(tǒng)漏洞的攻擊行為。并對工控系統(tǒng)特有的PLC、SCADA、DCA等設(shè)備脆弱性進行檢測。白名單主要是結(jié)合主機最基本環(huán)境，將特定應(yīng)用程序、端口列入白名單目錄。并從應(yīng)用管控、安全管理、性能資源等方面，開展全方位防護。

3.3 未來發(fā)展

雖然5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成效已初步顯現(xiàn)，但仍然存在深入推進問題。作為首批5G商用的國家之一，我國基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無先例可遵循、無路徑可依靠，導(dǎo)致技術(shù)開發(fā)能力不足、芯片模組產(chǎn)業(yè)分散等問題較為突出。其中技術(shù)開發(fā)能力不足主要表現(xiàn)為：工業(yè)場景下基于機器視覺的5G商用較多，上行傳輸數(shù)據(jù)需求較為顯著，而面向消費者應(yīng)用的5G公網(wǎng)下行傳輸帶寬顯著高于上行，制約了5G基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進程。針對這一問題，應(yīng)致力于借助成熟模式的復(fù)制推廣手段，為5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由試點到普及助力。未來將打造基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)樣板，構(gòu)建涵蓋工業(yè)典型應(yīng)用場景的產(chǎn)品，并加強重點行業(yè)實踐指導(dǎo)，為更多的企業(yè)應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新提供“一站式”“菜單式”借鑒服務(wù)，為基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更高水平、更深程度的發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)。

芯片模組產(chǎn)業(yè)分散主要體現(xiàn)為：當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域需求多元化，對5G工業(yè)終端芯片性能、模組協(xié)議支持具有更加嚴(yán)格的要求，但是現(xiàn)今時期5G芯片模組產(chǎn)業(yè)呈碎片化分布，短期內(nèi)價格高昂，規(guī)模推廣受限。針對這一問題，未來可以在開展工業(yè)5G專網(wǎng)試點全連接工廠建設(shè)的基礎(chǔ)上，對接信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)人融合部署需求，加快定制化、經(jīng)濟型工業(yè)5G芯片、終端、模組產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進程。同時進行融合應(yīng)用先導(dǎo)區(qū)發(fā)展建設(shè)指南的制定，打造若干個全連接工廠示范標(biāo)桿，奠定基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

綜上所述，5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)領(lǐng)域具有突出的強化效果，不僅可以成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息應(yīng)用能力“倍增器”，而且可以提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全性。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)主要有移動邊緣計算，適用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程維護、無損檢測、無人巡檢等多個場景。未來以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必將衍生更加多樣化的應(yīng)用場景，如邊緣設(shè)備跟蹤管理、工業(yè)智能采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控及生產(chǎn)管理、工業(yè)質(zhì)控機器人等，助推中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級。