5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用與探討

吳 艷，張 婷，賈燕燕

（1.寧夏職業(yè)技術(shù)學(xué)院，寧夏 銀川 751600；2.中國(guó)電信集團(tuán)有限公司，寧夏 銀川 751600）

0 引 言

隨著制造業(yè)智能化改造步伐的快速推進(jìn)，傳統(tǒng)的人工操作模式已向智能化轉(zhuǎn)型。在這個(gè)過(guò)程中，工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)引導(dǎo)車（Automated Guided Vehicle，AGV）等智能化設(shè)備開始代替工人完成一些工作，能夠減輕人力勞動(dòng)，提高企業(yè)生產(chǎn)效率[1]。目前，企業(yè)機(jī)械化設(shè)備大部分以單片機(jī)的方式進(jìn)行工作，在操作上采用的是人機(jī)結(jié)合的模式，生產(chǎn)過(guò)程數(shù)字化程度不高。隨著科技的革新，智能制造已融入新通信、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，使設(shè)備具有自感知、自決策、自執(zhí)行能力，緩解了企業(yè)人力資源匱乏的現(xiàn)狀。當(dāng)前，4G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模擴(kuò)張上還不能提供有效的技術(shù)支撐，而新一代5G技術(shù)作為設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠在智能制造中解決生產(chǎn)車間的實(shí)際傳輸問(wèn)題[2]。

1 5G技術(shù)概述

從2013年成立5G推進(jìn)組，2018年底基本完成5G技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)、技術(shù)方案和組網(wǎng)的測(cè)試驗(yàn)證，到2019年推出5G手機(jī)，這標(biāo)志著我國(guó)正式進(jìn)入5G時(shí)代。

5G技術(shù)的典型特征是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、低延時(shí)、高速率、高可靠性以及海量的物聯(lián)網(wǎng)通信。規(guī)劃中，5G的最高速率可以達(dá)到10～50 Gb·s-1，具有更大的帶寬。5G的終端設(shè)備數(shù)量呈爆炸性增長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)海量終端全覆蓋，接入網(wǎng)采用微基站技術(shù)，特點(diǎn)是布設(shè)密度較大、基站輻射小、終端功耗降低，傳送時(shí)延小[3]。

《中國(guó)制造2025》規(guī)劃綱要明確指出，要全面突破第五代移動(dòng)通信（5G）技術(shù)；5G與其他行業(yè)融合，加速行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)；2020—2035年，工業(yè)在5G創(chuàng)造的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中占比將達(dá)28%。

2 5G的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商針對(duì)不同的資源，將一套物理網(wǎng)絡(luò)切分出多個(gè)端到端的虛擬邏輯網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片在縱向上從接入網(wǎng)、承載網(wǎng)到核心網(wǎng)子切片完成自身的邏輯隔離，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)影響其他虛擬網(wǎng)絡(luò)，這樣就可以一網(wǎng)多用，不用為每項(xiàng)業(yè)務(wù)另建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)切片在橫向上組成各個(gè)功能端到端的連接[4]。

2.2 多址接入技術(shù)

5G采用了多種多址接入技術(shù)方案，通過(guò)在空/時(shí)/頻/碼域的信號(hào)發(fā)送的疊加方案，提升不同場(chǎng)景下的接入能力和頻譜效率；采用多用戶共享接入技術(shù)實(shí)現(xiàn)低功耗、低成本和海量連接；采用稀疏編碼多址接入技術(shù)，完成物理層資源映射功能；采用非正交多址接入技術(shù)，可大幅度提升未來(lái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的計(jì)算能力；采用圖樣分割多址接入技術(shù)，實(shí)現(xiàn)通信系統(tǒng)的性能優(yōu)化和聯(lián)合檢測(cè)。5G系統(tǒng)的新型多址技術(shù)能夠滿足智能制造的大規(guī)模連接需要。

2.3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算（Multi-access Edge Computing，MEC）是將云計(jì)算、云存儲(chǔ)部署到接入側(cè)的網(wǎng)絡(luò)邊緣，提供業(yè)務(wù)處理和云計(jì)算等功能。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，業(yè)務(wù)可以部署在基站附近，能夠降低端到端的時(shí)延。將核心網(wǎng)用戶面放到企業(yè)園區(qū)，能夠?qū)崿F(xiàn)園區(qū)數(shù)據(jù)閉環(huán)管理，保障業(yè)務(wù)安全。針對(duì)工業(yè)網(wǎng)大量視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，MEC可以將數(shù)據(jù)存在本地并運(yùn)算，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)開銷和商業(yè)成本。5G網(wǎng)絡(luò)支持靈活地在傳輸路徑上插入分流點(diǎn)，引導(dǎo)數(shù)據(jù)流進(jìn)入對(duì)應(yīng)的邊緣節(jié)點(diǎn)，提供傳輸路徑優(yōu)化和加速服務(wù)[5]。

2.4 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

5G利用高精準(zhǔn)的時(shí)間同步技術(shù)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)上信息處理的時(shí)間敏感性（Time-Sensitive Network，TSN），從根本上保障了智能工廠業(yè)務(wù)傳輸?shù)蜁r(shí)延的需求。

3 5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的主要應(yīng)用場(chǎng)景

在未來(lái)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的推進(jìn)，5G將逐步向超高清視頻、AR/VR、無(wú)人機(jī)、機(jī)器視覺(jué)、遠(yuǎn)程控制、云化機(jī)器人、云化AGV和智能制造等場(chǎng)景切入，最終對(duì)工業(yè)制造生態(tài)和商業(yè)模式產(chǎn)生影響，技術(shù)路線如圖1所示。針對(duì)各種場(chǎng)景差異化的性能要求，5G將面臨更多的挑戰(zhàn)。5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用包括以下六種場(chǎng)景。每個(gè)場(chǎng)景都對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)提出了新的要求。

圖1 智能制造系統(tǒng)技術(shù)路線圖

3.1 超高清視頻

5G技術(shù)最早的應(yīng)用場(chǎng)景就是高清視頻，推動(dòng)了超高清視頻產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，促進(jìn)了我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)和文化產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步?，F(xiàn)在，高清視頻被用在對(duì)清晰度以及流暢度要求更高的智能識(shí)別方向，還有現(xiàn)在流行的超高清4K、8K視頻技術(shù)。在工業(yè)環(huán)境下，智慧園區(qū)的人員管理、安防等場(chǎng)景，通過(guò)信息采集或監(jiān)控，進(jìn)行視頻、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，增強(qiáng)了風(fēng)險(xiǎn)管控，提高了作業(yè)的安全性。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）是將真實(shí)的世界通過(guò)軟件建模與虛擬的世界有機(jī)結(jié)合的技術(shù)，而虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）更注重沉浸式的用戶體驗(yàn)?，F(xiàn)在，AR技術(shù)已經(jīng)融入設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、營(yíng)銷、物流及服務(wù)的很多環(huán)節(jié)，借助5G技術(shù)協(xié)助專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)工程，能夠提高工業(yè)生產(chǎn)效率。VR技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)已經(jīng)快人一步，遠(yuǎn)程會(huì)診、遠(yuǎn)程手術(shù)等方面已有不少案例。在工業(yè)領(lǐng)域，虛擬裝配、虛擬展廳等場(chǎng)景設(shè)置，比教科書里抽象的平面圖和難以理解的文字更加直觀，還能給人帶來(lái)身臨其境的體驗(yàn)感。

3.3 無(wú)人機(jī)

目前，無(wú)人機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛。在工業(yè)領(lǐng)域，電力巡線無(wú)人機(jī)已經(jīng)被大范圍使用，為電力行業(yè)節(jié)省了大量的人力和物力。還有一些無(wú)人機(jī)被用在智慧園區(qū)、智慧物流、設(shè)備巡檢等領(lǐng)域。5G的上行速率最高可達(dá)200 Mb·s-1，可以支持無(wú)人機(jī)拍攝的4K、8K視頻回傳，此外還支持精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的定位。

3.4 云化機(jī)器人

近年來(lái)，由于人力成本不斷提高，企業(yè)利潤(rùn)持續(xù)走低。企業(yè)用工荒、員工技能層次不齊等問(wèn)題，很不利于企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。因此，機(jī)器人替代人力成本成為新動(dòng)能。隨著云計(jì)算和人工智能技術(shù)的不斷成熟，人們將機(jī)器人的控制“大腦”放在云端?！按竽X”可以將機(jī)器人所需的信息進(jìn)行整合，自主學(xué)習(xí)和自動(dòng)優(yōu)化，本地機(jī)器人根據(jù)工作內(nèi)容有針對(duì)性地控制、自主服務(wù)與自主判斷。

3.5 遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制主要解決工業(yè)生產(chǎn)中環(huán)境與人的關(guān)系，比如大型港口的貨物裝卸，煤礦的無(wú)人駕駛和遠(yuǎn)程調(diào)度等。在生產(chǎn)中，不僅需要提供高清視頻信息，還要保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性和靈敏度。而5G的最大優(yōu)勢(shì)就在于速度快、延時(shí)小。

3.6 云化AGV（自動(dòng)引導(dǎo)車）

自動(dòng)引導(dǎo)車（Automated Guided Vehicle，AGV）是能沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛，具有移載功能的運(yùn)輸車。云化AGV將感知和計(jì)算等功能都轉(zhuǎn)移到5G的邊緣服務(wù)器上，AGV仍保留運(yùn)動(dòng)控制等功能，相當(dāng)于在云端給AGV安裝一個(gè)大腦，并讓其具有一些人工智能（Artificial Intelligence，AI）的功能。AGV一般戶外覆蓋范圍約2 km，能滿足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

4 5G融入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

從產(chǎn)業(yè)整體應(yīng)用狀況看，當(dāng)前5G應(yīng)用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中還受制于產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化水平，存在跨行業(yè)對(duì)接的壁壘、產(chǎn)業(yè)的商業(yè)模式還沒(méi)有具體可行的案例等挑戰(zhàn)。具體表現(xiàn)為以下三點(diǎn)。

（1）工業(yè)環(huán)境的數(shù)字化改造有待增強(qiáng)。數(shù)字化水平制約了5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。全國(guó)各省工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率在快速增長(zhǎng)，而企業(yè)的智能制造進(jìn)度卻非常緩慢。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)規(guī)模以上企業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率為47%，而企業(yè)智能制造就緒率僅為7.6%。

（2）工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度和廣度有待拓展。5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合發(fā)展在快速推進(jìn)中，已有一些成功的案例。比如，浙江正泰集團(tuán)首個(gè)5G+MEC智能車間，上海寶鋼股份首次投入工業(yè)化應(yīng)用的最大載重公路無(wú)人駕駛車輛，還有共享智能鑄造產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心有限公司5G+智能制造車間等。然而，這些應(yīng)用都集中在生產(chǎn)的特定環(huán)節(jié)。工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜，給5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合提出了更高的挑戰(zhàn)，因此，探索出完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，還需要很長(zhǎng)的路要走。

（3）網(wǎng)絡(luò)融合應(yīng)用的商業(yè)模式不清晰。完整的通信產(chǎn)業(yè)鏈都是從消費(fèi)者到代理商或集成商，最后到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商。5G應(yīng)用80%的價(jià)值在于B2B的垂直行業(yè)。工業(yè)領(lǐng)域的5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運(yùn)營(yíng)投入非常大，服務(wù)場(chǎng)景的不同，對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)用等也不相同。同時(shí)，企業(yè)在建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)前期一次性的投入成本和后期使用的成本都很高，回收資金的周期長(zhǎng)，目前沒(méi)有有效的、合理的商業(yè)模式能帶動(dòng)各方參與建設(shè)的積極性。

5 結(jié) 語(yǔ)

在萬(wàn)物互聯(lián)的5G時(shí)代，5G技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是發(fā)展的大勢(shì)所趨，是各國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的核心。5G技術(shù)將助力企業(yè)的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，滿足工業(yè)制造中的設(shè)備互聯(lián)、遠(yuǎn)程交互、遠(yuǎn)程控制等需求，在超高清視頻傳輸、AR/VR、云化機(jī)器人、云化AGV等應(yīng)用中起著重要的支撐作用，必將是“中國(guó)制造2025”產(chǎn)業(yè)融合的重要方向。新技術(shù)發(fā)展勢(shì)態(tài)良好，已初見成效，但仍有許多問(wèn)題要解決。只要克服目前的存在的挑戰(zhàn)，5G技術(shù)必將涌現(xiàn)更多的應(yīng)用場(chǎng)景，促進(jìn)制造業(yè)更高質(zhì)量的發(fā)展。