基于5G技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究

【摘要】為促進(jìn)5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步深度融合，加速推進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，迅速向智慧化生產(chǎn)發(fā)展，基于近年來(lái)國(guó)家提出的“新基建”的主要內(nèi)涵與核心領(lǐng)域，本文分析了5G技術(shù)可實(shí)現(xiàn)的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及可與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合的可能性，探討了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，指出了其發(fā)展過(guò)程中現(xiàn)存的問(wèn)題，分析了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)與未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，并建設(shè)性的提出了一系列促進(jìn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)深度融合發(fā)展的建議，以達(dá)到進(jìn)一步提高5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量，加速推進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級(jí)，有效提高產(chǎn)品品質(zhì)與生產(chǎn)效率的目的。

【關(guān)鍵詞】5G技術(shù);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);融合;挑戰(zhàn);建議

中圖分類(lèi)號(hào)：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.06.001

1. “新基建”概述

國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)于2020年4月20日正式解釋了“新基建”的范圍，解釋中指出“新基建”的引領(lǐng)的核心是新發(fā)展理念，驅(qū)動(dòng)的核心是技術(shù)的創(chuàng)新，同時(shí)也是基于信息網(wǎng)絡(luò)邁向高質(zhì)量的發(fā)展，其中高質(zhì)量的發(fā)展需要一些服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系，這些基礎(chǔ)設(shè)施體系中包含數(shù)字轉(zhuǎn)型的提供，智能化升級(jí)以及創(chuàng)新的融合。大方向上包括三個(gè)大方面的內(nèi)容（如圖一顯示）：第一，通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的建立，它大體包含5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等;信息基礎(chǔ)設(shè)施范疇內(nèi)包括新技術(shù)和算力基礎(chǔ)設(shè)施。新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施包括人工智能、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等，算力基礎(chǔ)設(shè)置的建立包括數(shù)據(jù)中心和智能計(jì)算中心等。第二，傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型的融合基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)采用對(duì)大數(shù)據(jù)或者互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)方式來(lái)進(jìn)行的。第三，使用具有公益形式的設(shè)施通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析，采用科學(xué)的研究方式作為基礎(chǔ)。5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的集合是屬于“狹義”的新基建，這些相關(guān)領(lǐng)域都是目前“新基建”中的主要核心部分;但是從廣義上講，除了狹窄的“新基建”外，還應(yīng)該包括傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化改造等相關(guān)領(lǐng)域，此領(lǐng)域就是傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)過(guò)新一代信息技術(shù)進(jìn)而的改造升級(jí)的設(shè)施。

2. 5G是“新基建”中的核心領(lǐng)域

5G在現(xiàn)如今應(yīng)用的過(guò)程中，相比之前使用的4G具有明顯優(yōu)勢(shì)，如高速、大容量、小延遲和高可靠性。當(dāng)面對(duì)特定需求的行業(yè)，可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)切片等相關(guān)技術(shù)對(duì)專(zhuān)網(wǎng)進(jìn)行個(gè)人要求建立，這樣一來(lái)，就可以達(dá)到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、安全隔離等的相關(guān)問(wèn)題不同能力需求的目的。因此，可以對(duì)行業(yè)進(jìn)行某些方面的深層次賦能，其中包括信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及智能化方向。

2.1 5G賦能數(shù)字社會(huì)

在過(guò)去傳統(tǒng)的社會(huì)生活中，實(shí)體設(shè)備與人們的生活緊密聯(lián)系，滿足人們的日常生活需要，然而，面對(duì)以后的信息化時(shí)代需要通過(guò)數(shù)據(jù)來(lái)體現(xiàn)社會(huì)對(duì)象的關(guān)聯(lián)狀態(tài)。人們?yōu)榱艘兄涂刂粕鐣?huì)的各種功能，因此需要使用更智能的手段，這也同時(shí)保證先進(jìn)的信息手段能夠?qū)崟r(shí)的將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。由于人們開(kāi)始明白怎樣將電磁波運(yùn)用在無(wú)線通信的過(guò)程中，就在努力提高通信質(zhì)量。通信質(zhì)量的某些指標(biāo)是影響無(wú)線通信技術(shù)發(fā)展的核心因素，這些指標(biāo)包括通信時(shí)延、傳輸帶寬以及網(wǎng)絡(luò)容量等指標(biāo)。然而5G的高帶寬、低時(shí)延和大規(guī)模連接網(wǎng)絡(luò)的特性，將有效助力數(shù)字社會(huì)，因?yàn)樗梢越鉀Q這些發(fā)展的限制。

2.2 5G推動(dòng)萬(wàn)物互聯(lián)

當(dāng)想到上幾代移動(dòng)通信技術(shù)，人們之間的“行走的通話”是第一代移動(dòng)通信技術(shù)依靠模擬電路來(lái)時(shí)實(shí)現(xiàn)的。

數(shù)字化以及為個(gè)人化通信的普及是第二代移動(dòng)通信技術(shù)做出的貢獻(xiàn)，正因如此，通話質(zhì)量當(dāng)時(shí)被很大程度上改善了，同時(shí)也控制了相應(yīng)的成本。

移動(dòng)互聯(lián)是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的增填特性，人們不僅可以語(yǔ)音交流，同時(shí)也可以分享圖片以及視頻等?？偠灾?，多元化信息交互是第三代移動(dòng)通信技術(shù)的貢獻(xiàn)。

隨著第四代移動(dòng)通訊的發(fā)展，人們的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)需求將得到更充分的滿足，不同的感覺(jué)將變得前所未有的舒適和流暢。然而，從目前為止的4代相關(guān)技術(shù)層面來(lái)講，僅僅滿足了人與人、人與物、物與物之間的相互信號(hào)傳輸，然而當(dāng)5G技術(shù)出現(xiàn)時(shí)，萬(wàn)物互聯(lián)將不會(huì)再停滯于概念階段。

2.3 5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可有機(jī)融合

如上提到5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效進(jìn)行人工智能、數(shù)據(jù)中心和其他領(lǐng)域的應(yīng)用，所以面對(duì)特定區(qū)域，不能僅僅簡(jiǎn)單的運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，但也必須與各種行業(yè)進(jìn)行更大程度上的融合以及制定5G一體化數(shù)字等相關(guān)措施。

因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運(yùn)用，能夠滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、算法一體化的目的，并發(fā)揮重要作用。有機(jī)集成5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵方式。由于5G提供的新技術(shù)，服務(wù)類(lèi)型發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，由過(guò)去使用的數(shù)字化生產(chǎn)轉(zhuǎn)為“元素+能力”相結(jié)合的方式，如圖2所示。5G技術(shù)的運(yùn)用，能夠使得云計(jì)算相關(guān)技術(shù)在對(duì)大量數(shù)據(jù)的有效準(zhǔn)確分析中有力地支持了制造業(yè)。生產(chǎn)鏈?zhǔn)侵悄苌a(chǎn)的核心，從而能夠有效增強(qiáng)在人工智能方面需應(yīng)運(yùn)的相關(guān)技術(shù)精準(zhǔn)性，更好的協(xié)助智能生產(chǎn)制造進(jìn)行研究，且提出針對(duì)性的方案。

3. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在的問(wèn)題

3.1.1 基礎(chǔ)能力不足

數(shù)字化發(fā)展不平衡且不充分是我們國(guó)家現(xiàn)有的制造業(yè)的特征。我們國(guó)家的大部分企業(yè)都是處于2.0階段，少數(shù)的一些企業(yè)達(dá)到了3.0階段。大部分的企業(yè)都是在某些方面基礎(chǔ)薄弱，其中包括網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及智能化演進(jìn)方面。

嚴(yán)重依賴外部世界的方面主要是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)行業(yè)等方面，沒(méi)有單一的標(biāo)準(zhǔn)，功能兼容性薄弱;工廠的外部網(wǎng)絡(luò)主要依賴于公共網(wǎng)絡(luò)，很難提供安全和可靠兼并的工作環(huán)境，無(wú)法達(dá)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所需的要求，因此，中小公司的管理層人員應(yīng)該理解建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是首要考慮的，我們國(guó)家在構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面的認(rèn)識(shí)與資金投入需要提高，尤其是我們國(guó)家的中小型企業(yè)。

3.1.2 引領(lǐng)發(fā)展能力不足

我們國(guó)家缺少具有綜合決策和全面覆蓋能力的領(lǐng)先企業(yè)。我們國(guó)家的大部分公司存下的現(xiàn)象是：技術(shù)水平不完善，對(duì)企業(yè)發(fā)展沒(méi)有長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃，所以不能夠在國(guó)際發(fā)展中起到領(lǐng)先作用。不管從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的角度來(lái)考慮，還是需要制定出針對(duì)性的方案，我們國(guó)家的發(fā)展水平與西方國(guó)家存在明顯的差距，應(yīng)該大幅優(yōu)化和改善國(guó)家核心發(fā)展能力。

3.1.3 要素保障能力不足

我資本投入和專(zhuān)業(yè)人才是我們國(guó)家的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)保障能力的依靠。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的資本投資不足，阻礙了規(guī)模經(jīng)濟(jì)的發(fā)展;從職業(yè)培訓(xùn)的角度來(lái)看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要滿足將產(chǎn)業(yè)、通信和IT相互聯(lián)系起來(lái)進(jìn)行，將軟件開(kāi)發(fā)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)融入到實(shí)際發(fā)展過(guò)程中，除了建立應(yīng)用程序之外，確保在工業(yè)發(fā)展中對(duì)相關(guān)技術(shù)的掌握。然而，人才方面的短缺一直是需要處理的問(wèn)題。

3.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

一般情況下，5G+工業(yè)技術(shù)的引進(jìn)存在一些問(wèn)題，比如：規(guī)模較小、商業(yè)模式不明顯、價(jià)值體現(xiàn)不明確等。將問(wèn)題整理可具體分為以下三個(gè)方面：

3.2.1 成本結(jié)構(gòu)未清晰

無(wú)線電頻譜成本價(jià)格是大家都可以看到的，因?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋仍比4G網(wǎng)絡(luò)低，除了部署5G網(wǎng)絡(luò)及其所需組件的成本價(jià)格外，相關(guān)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、后期得運(yùn)營(yíng)不能夠很好的深入研究。

3.2.2 安全可靠未明確

因?yàn)橐苿?dòng)連接方面的實(shí)際運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)不足，有很大一部分的商家無(wú)法對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠性產(chǎn)生信心，而對(duì)于那些對(duì)技術(shù)鏈條的時(shí)間要求比較嚴(yán)格的相關(guān)企業(yè)，若采用中斷網(wǎng)絡(luò)的措施是不行的。僅僅是技術(shù)優(yōu)勢(shì)能夠達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)時(shí)，且能夠很好的控制風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生，生產(chǎn)商才能夠?qū)Ｗ⒂?G網(wǎng)絡(luò)。

3.2.3 通信模組未成熟

幾乎沒(méi)有5G工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施能夠真正獨(dú)立并經(jīng)受時(shí)間的考驗(yàn)。然而，工業(yè)鏈條缺乏工業(yè)兼容的通信組件。僅僅只有少數(shù)模塊制造企業(yè)慢慢的開(kāi)始為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域生產(chǎn)5G模塊，但到目前為止還沒(méi)有達(dá)到規(guī)模效應(yīng)。

3.3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢(shì)

正如上面所提到的，雖然5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在實(shí)際運(yùn)用的過(guò)程中難免還是有一些問(wèn)題，但是相比于過(guò)去的技術(shù)來(lái)講，整體得到了改善。根據(jù)具體任務(wù)，“深化5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2021-2023）》中提到，其針對(duì)性措施分為以下：

確定與5G工廠能夠相連接，鼓勵(lì)從外圍輔助通道滲入到主要生產(chǎn)渠道的5G應(yīng)用，并加速示范場(chǎng)景的推進(jìn);

研究專(zhuān)用5G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造和運(yùn)行方式，建設(shè)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特定頻率，且開(kāi)始投入建設(shè)5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)站點(diǎn);

創(chuàng)建一個(gè)公共服務(wù)平臺(tái)來(lái)改造5G網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)應(yīng)用程序，測(cè)試和驗(yàn)證和其他服務(wù)。

從應(yīng)用的角度來(lái)看，它將繼續(xù)從外部滲透到內(nèi)部，形成一個(gè)完全連接的5G環(huán)境。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時(shí)，5G技術(shù)將決定數(shù)據(jù)隱私的關(guān)鍵點(diǎn)。安全與可靠性將逐漸成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過(guò)程中需要滿足的條件。此外，由于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不兼容，需要對(duì)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行不斷的優(yōu)化和修改，且提出針對(duì)性的解決辦法。

4. 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)建議

4.1 5G全連接

5G的延遲更低，更快的速度，更多的訪問(wèn)和更大的穩(wěn)定性，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，5G獨(dú)有的性能能夠?yàn)榘l(fā)展提供動(dòng)力。依照各個(gè)相關(guān)公司對(duì)網(wǎng)絡(luò)索引提出的期望，5G技術(shù)能夠在近三分之二的企業(yè)中進(jìn)行運(yùn)用。

大多數(shù)現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序具有明確的要求，僅僅在外圍輔助的情況下進(jìn)行，其中重要環(huán)節(jié)少。相比過(guò)去的數(shù)字工廠，新引進(jìn)的5G技術(shù)能夠支持高效的數(shù)據(jù)管理。生產(chǎn)單位能夠?qū)⒃朴?jì)算、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)的技術(shù)相互聯(lián)系起來(lái)，形成一體化的模式，將工廠的所有生產(chǎn)因素結(jié)合起來(lái)，以確保車(chē)間的靈活性。這將大大提高生產(chǎn)效率。

4.2 5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)

基于公共網(wǎng)絡(luò)的專(zhuān)網(wǎng)5G和基于NPN的專(zhuān)網(wǎng)5G是兩種模式。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，PNI-NPN和SNPN是基于NPN的專(zhuān)網(wǎng)5G的兩種類(lèi)型。NPN服務(wù)是通過(guò)PLMN網(wǎng)絡(luò)提供，也就是采用普通大眾使用的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。在非公共網(wǎng)絡(luò)功能使用情況下，采用對(duì)NPN規(guī)劃多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)體，然而分配的多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片無(wú)法對(duì)終端進(jìn)行限制，導(dǎo)致嘗試采用沒(méi)有經(jīng)過(guò)授權(quán)的情形下對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問(wèn)，所以，針對(duì)該問(wèn)題可以采用封閉的訪問(wèn)組進(jìn)行。獨(dú)立于PLMN的網(wǎng)絡(luò)功能，也就是對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立建設(shè)。

在這種情況下，采用專(zhuān)網(wǎng)5G架設(shè)時(shí)，通過(guò)依照不同的要求針對(duì)性的選擇構(gòu)建模式。面對(duì)需要采用低成本的方案且能夠在短時(shí)間能建設(shè)時(shí)，采用共享運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)措施;當(dāng)需要不同的服務(wù)來(lái)促進(jìn)SNPN和PLMN之間的切換時(shí)，應(yīng)該使用PNI-NPN。當(dāng)對(duì)隱私有很高的要求，相關(guān)的生產(chǎn)單位具有較雄厚的資本和技術(shù)水平下，可以通過(guò)采用SNPN方案提高保密性。

4.3 5G網(wǎng)絡(luò)化改造

工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)的主要兩種形式，工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)適合訪問(wèn)具有高帶寬、實(shí)時(shí)可靠性和相對(duì)固定位置的設(shè)備

總線協(xié)議包括Modbus.Profibus.10-link. CAN/CANopen. CC-link等在內(nèi)的幾十種是用于生產(chǎn)的現(xiàn)場(chǎng)，而這些現(xiàn)場(chǎng)更多的是用于PLC模擬量接入，由于在運(yùn)用過(guò)程中，出現(xiàn)傳輸距離不長(zhǎng)，且在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)速度較慢，并且安全性不能保證。其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存在相關(guān)的協(xié)議數(shù)量，體現(xiàn)在DeviceNet.Profinet.EtherCAT.EtherNet/IP.Modbus TCP協(xié)議。大多數(shù)用于北向輸出PLC。通信速度高，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活，但協(xié)議之間存在相互作用，很難針對(duì)性建設(shè)和短時(shí)間運(yùn)行。

能夠明顯了解到，通信協(xié)議在工業(yè)中應(yīng)用是非常廣泛且多種多樣，每一項(xiàng)都有其缺點(diǎn)和相對(duì)封閉，而工業(yè)設(shè)備之間相互聯(lián)系是困難的，這大大阻礙了設(shè)備上云?？焖傩枰鄳?yīng)的解決辦法能夠?qū)崿F(xiàn)不同協(xié)議能夠相互聯(lián)系進(jìn)行的無(wú)線系統(tǒng)，所以采用5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，創(chuàng)建突出的5G+互聯(lián)網(wǎng)程序，且進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。

5. 結(jié)束語(yǔ)

在“十四五”計(jì)劃中，2021年作為首年，應(yīng)該確保我國(guó)能夠大力對(duì)5G技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)運(yùn)營(yíng)，加速5G在上游和下游的行業(yè)中成為成熟。未來(lái)5年內(nèi)是我國(guó)在5G技術(shù)發(fā)展重要時(shí)間段，目標(biāo)是能夠確保實(shí)現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速運(yùn)營(yíng)，向成熟化發(fā)展方向進(jìn)行，從而能夠形成網(wǎng)絡(luò)合作、數(shù)字管理等新型模式。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉佳樂(lè).5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜述[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).2021，11（12）：10-12.

作者簡(jiǎn)介：張向輝，河北省元氏縣人，北京郵電大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)，工程師，研究方向：通信工程。