5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展探討

［黃勁安 蔣紹杰 林東云］

1 “新基建”概述

在2018 年中央經(jīng)濟工作會議上，“新基建”（新興基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)）的概念首次被提出。“新基建”的提出有著深層次的思考和訴求：一方面是基于當下全球的低增長經(jīng)濟態(tài)勢、科技發(fā)展和創(chuàng)新領(lǐng)域的相對低潮期和逆全球化風(fēng)險劇增等問題，為有效解決這些不利因素創(chuàng)造條件；另一方面是希望能從需求側(cè)推動產(chǎn)業(yè)的數(shù)字化發(fā)展和轉(zhuǎn)型升級，營造數(shù)字經(jīng)濟進一步發(fā)展的優(yōu)越環(huán)境，保證數(shù)字產(chǎn)業(yè)的持續(xù)競爭力。事實上，全球超過170 個國家都發(fā)布了數(shù)字發(fā)展的相關(guān)戰(zhàn)略，包括美國的先進制造戰(zhàn)略、德國的工業(yè)4.0、日本的制造業(yè)創(chuàng)新3.0 戰(zhàn)略等，由此可見，全球各國都把數(shù)字經(jīng)濟看作其國民經(jīng)濟的重要組成部分。我國在改革開放以來，在制造業(yè)取得的成績享譽全球，但近年來受到勞動人口紅利、土地資源供給等方面的制約，加上外部市場的不確定性，因此無法以傳統(tǒng)的規(guī)模擴張模式繼續(xù)發(fā)展經(jīng)濟新動能。

2020 年4 月20 日，國家發(fā)展和改革委員會對“新基建”的范圍正式做出了解讀，指出“新基建”是以新發(fā)展理念為引領(lǐng)，以技術(shù)創(chuàng)新為驅(qū)動，以信息網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，面向高質(zhì)量發(fā)展需要，提供數(shù)字轉(zhuǎn)型、智能升級、融合創(chuàng)新等服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系，包括三個方面的內(nèi)容（如圖1所示）：一是包括以5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為代表的通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施；以人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等為代表的新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施，以數(shù)據(jù)中心、智能計算中心為代表的算力基礎(chǔ)設(shè)施等在內(nèi)的信息基礎(chǔ)設(shè)施；二是以深度應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)為基礎(chǔ)支撐傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型的融合基礎(chǔ)設(shè)施；三是能夠支撐科學(xué)研究、技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品研制的具有公益屬性的基礎(chǔ)設(shè)施。

圖1 “新基建”的內(nèi)涵

狹義的新基建包括5G 網(wǎng)絡(luò)、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、充電樁等領(lǐng)域的集合，這也是當前新基建最為核心的部分；廣義的新基建除狹義的“新基建”外，還可包括利用新一代信息技術(shù)對傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的改造升級，即傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化改造領(lǐng)域。

2 5G 是“新基建”中的核心領(lǐng)域

5G 作為當前信息基礎(chǔ)設(shè)施的核心引領(lǐng)技術(shù)，具有高速率、大容量、低時延、高可靠等諸多優(yōu)勢。利用5G 網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計算、超級上級等關(guān)鍵技術(shù)，可以面向特定行業(yè)的需求構(gòu)建定制專網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延、網(wǎng)絡(luò)速率、QoS 保障、安全隔離等重點因素的差異化能力，為垂直行業(yè)的信息化、智能化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型進行深層次賦能。

2.1 5G 賦能數(shù)字社會

人類一直生活工作在傳統(tǒng)的物理社會中，所處環(huán)境包含著大量的實體設(shè)備以及生活生產(chǎn)要素，但未來的數(shù)字社會將通過數(shù)據(jù)來反映傳統(tǒng)物理社會中的物體相關(guān)狀態(tài)，并通過更智能的手段來感知與控制社會中的各項功能，因此需要新一代信息技術(shù)為其提供基礎(chǔ)保障，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸與實時交互映射。人類自從懂得利用電磁波進行無線通信以來，一直在為如何讓通信質(zhì)量變得更好而努力，所謂的通信質(zhì)量，包括了傳輸帶寬、通信時延和網(wǎng)絡(luò)容量等，這些指標一直成為制約無線通信應(yīng)用發(fā)展的瓶頸。5G 的高帶寬、低時延和大連接網(wǎng)絡(luò)特性，正好解決了這些發(fā)展瓶頸，因此將有效地賦能于數(shù)字社會。

2.2 5G 推動萬物互聯(lián)

回顧人類前幾代移動通信技術(shù)，第一代移動通信技術(shù)主要通過模擬電路實現(xiàn)了人類間“行走的通話”；第二代移動通信技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)字化，大幅度提升了通話的質(zhì)量，也降低了移動終端的成本，為個人化通信的普及作出了貢獻；第三代移動通信技術(shù)則實現(xiàn)了移動互聯(lián)，人類通過手機除了可以語音交流之外，還可拓展到看圖片和看視頻等多元化的信息交互方式；第四代移動通信則更好地滿足了人類在移動互聯(lián)方面的需求，各項感知上比以往更流暢更舒適。但縱觀前四代移動通信技術(shù)，僅僅實現(xiàn)了人與人之間的互聯(lián)，并為轉(zhuǎn)變到人與物、物與物之間的通信。5G的出現(xiàn)，使萬物互聯(lián)不再停留在概念階段。

2.3 5G 成為我國名片

我國的移動通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展起步較晚，曾經(jīng)歷了“1G空白、2G 跟隨、3G 突破、4G 同步”的階段，在多年的積累中，已具備“5G 引領(lǐng)”的基礎(chǔ)。在標準方面，3GPP Rel-16 標準已于2020 年7 月凍結(jié)，我國在3GPP 文稿中占比超過32%，5G 標準必要專利占比超過30%，是在標準與專利方面占比最高的國家。此外，在5G 基站建設(shè)數(shù)量上，我國也處于全球領(lǐng)先地位。據(jù)統(tǒng)計，2020 年，全國累計建成5G 基站超過71.8 萬個，5G 網(wǎng)絡(luò)已覆蓋全國地級以上城市，5G 終端連接數(shù)超過2 億。再者，在系統(tǒng)設(shè)備方面，目前已形成了以歐洲和我國為主的產(chǎn)業(yè)格局，華為目前已成為全球獲得商業(yè)合同最多的企業(yè)。

2.4 5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可有機融合

如上文所述，5G 能推動人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心應(yīng)用等領(lǐng)域的發(fā)展，因此在面向具體領(lǐng)域時，不能簡單粗暴地將5G 作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)那溃枧c各行業(yè)深度融合，制定5G 與各行業(yè)的一體化數(shù)字解決方案和智能解決方案。

在5G 網(wǎng)絡(luò)的加持下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)+數(shù)據(jù)+算法的有機融合，發(fā)揮出更大的價值。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的有機融合是實現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵途徑，在5G 為代表的新技術(shù)推動下，制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型從單一要素需求轉(zhuǎn)向“要素+能力”一站式服務(wù)，如圖2 所示，通過5G 的融合，以云計算、邊緣計算為代表的計算技術(shù)，為制造業(yè)高效、準確地分析大量數(shù)據(jù)提供了有力支撐；產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)是驅(qū)動智能制造提高精準度的核心；以人工智能、機理模型等為代表的算法技術(shù)幫助智能制造發(fā)現(xiàn)規(guī)律并提供智能決策支撐。

圖2 5G 賦能制造業(yè)體系架構(gòu)變革

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)展存在的問題

與主流發(fā)達國家相比，我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在基礎(chǔ)能力、產(chǎn)業(yè)應(yīng)用水平和要素保障能力上仍然存在一定差距，需加速突破。

（1）基礎(chǔ)能力不足

我國現(xiàn)有的制造業(yè)顯現(xiàn)出數(shù)字化發(fā)展不平衡不充分的特點，雖然有部分企業(yè)達到了3.0 水平，但大部分企業(yè)仍然處于2.0 階段，數(shù)字化水平較低，網(wǎng)絡(luò)化、智能化演進基礎(chǔ)薄弱；工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標準、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)對外依賴度較高，且未形成統(tǒng)一標準，互通性較弱；工廠外網(wǎng)主要依賴于公網(wǎng)，難以滿足工業(yè)生產(chǎn)的安全、實時和可靠要求；IPv4 資源接近枯竭，難以應(yīng)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大量地址需求；中小企業(yè)經(jīng)營者對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)的重要性認識和投入均有待提高。

（2）引領(lǐng)發(fā)展能力不足

我國缺乏具備綜合解決方案和全領(lǐng)域覆蓋能力的龍頭企業(yè)，企業(yè)的前瞻性、系統(tǒng)性和技術(shù)含量不足，難以引領(lǐng)國際發(fā)展；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品和解決方案與發(fā)達國家領(lǐng)先水平存在一定差距；國內(nèi)平臺的核心能力和生態(tài)建設(shè)仍然有待提高。

（3）要素保障能力不足

我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要素保障能力主要體現(xiàn)在資金投入和專業(yè)人才兩方面。針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的資金投入不足，難以造成規(guī)模效應(yīng)；在專業(yè)人才培養(yǎng)方面，由于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展涉及工業(yè)、IT 和通信等領(lǐng)域的多維度整合，適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的專業(yè)人才除了需要精通軟件開發(fā)和應(yīng)用開發(fā)之外，還需同時對工業(yè)和ICT 領(lǐng)域有深入了解，目前人才缺口依然巨大。

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

從產(chǎn)業(yè)整體觀察，當前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨著規(guī)模小、價值不清晰、試驗性示范多、應(yīng)用創(chuàng)新碎片化、商業(yè)模式不明朗等挑戰(zhàn)，具體可歸結(jié)為以下三點：

（1）成本結(jié)構(gòu)未清晰

雖然無線電頻譜的使用成本是透明的，但由于當前5G 網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率比起4G 網(wǎng)絡(luò)仍然處于較低水平，此外制造企業(yè)對于5G 網(wǎng)絡(luò)與其必需組件的部署費用、新系統(tǒng)新應(yīng)用的開發(fā)、操作以及后續(xù)運營維護成本等仍然缺乏了解。

（2）安全可靠未明確

大部分制造企業(yè)目前由于缺乏移動連接的使用經(jīng)驗，企業(yè)對于5G 網(wǎng)絡(luò)安全可靠方面的信心尚未建立，對于當今對工序鏈時序要求嚴格的企業(yè)而言，網(wǎng)絡(luò)連接中斷是不可接受的。只有當技術(shù)效益和成本優(yōu)勢明顯，并且風(fēng)險被證明處于可控范圍時，制造企業(yè)對5G 網(wǎng)絡(luò)的需求才會開始增加。

（3）通信模組未成熟

目前能真正獨立且通過時間檢驗的工業(yè)5G 基礎(chǔ)設(shè)施仍然較少，同時產(chǎn)業(yè)鏈上也缺乏足夠的工業(yè)兼容通信組件可用，只有少數(shù)模塊制造商已經(jīng)開始為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域生產(chǎn)了5G 模組，但尚未形成規(guī)模效應(yīng)。

3.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的政策現(xiàn)狀

近年來，我國政府相關(guān)部門對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了較堅實的政策后盾，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展提供了指引。2018年6月，《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展行動計劃（2018-2020）》提出，到2020 年底我國將實現(xiàn)“初步建成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和產(chǎn)業(yè)體系”的發(fā)展目標，包括了建成5 個左右標識解析國家頂級節(jié)點、遴選10 個左右跨行業(yè)跨領(lǐng)域平臺、推動30 萬家以上工業(yè)企業(yè)上云、培育超過30 萬個工業(yè)APP 等內(nèi)容。

經(jīng)歷了三年的發(fā)展，2021 年1 月，工業(yè)和信息化部再次印發(fā)了《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023年）》，提出到2023 年，我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量質(zhì)并進，新模式、新業(yè)態(tài)大范圍推廣，產(chǎn)業(yè)綜合實力顯著提升；新型基礎(chǔ)設(shè)施進一步完善、融合應(yīng)用成效進一步彰顯、技術(shù)創(chuàng)新能力進一步提升、產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)進一步健全、安全保障能力進一步增強。新版本的行動計劃明確將開展網(wǎng)絡(luò)體系強基行動、標識解析增強行動、平臺體系壯大行動、數(shù)據(jù)匯聚賦能行動、新型模式培育行動、融通應(yīng)用深化行動、關(guān)鍵標準建設(shè)行動、技術(shù)能力提升行動、產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展行動、安全保障強化行動、開放合作深化行動等11 項重點任務(wù)。其中，在“網(wǎng)絡(luò)體系強基行動”該項重點任務(wù)中，特別提及了需深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，這為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)后續(xù)的推進和發(fā)展提供了明確的政策指引方向。

3.4 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

如前文所述，盡管目前仍存在著一些挑戰(zhàn)，但5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)仍然有著良好的發(fā)展前景。依照《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃（2021-2023 年）》中提及的“深化‘5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)’”的具體任務(wù)，后續(xù)的推進措施包括了如下三方面：

（1）支持工業(yè)企業(yè)建設(shè)5G 全連接工廠，推動5G應(yīng)用從外圍輔助環(huán)節(jié)向核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)滲透，加快典型場景推廣；

（2）探索5G 專網(wǎng)建設(shè)及運營模式，規(guī)劃5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專用頻率，開展工業(yè)5G 專網(wǎng)試點；

（3）建設(shè)公共服務(wù)平臺，提供5G 網(wǎng)絡(luò)化改造、應(yīng)用孵化、測試驗證等服務(wù)。

由此可見，在應(yīng)用范圍上將不斷從外到內(nèi)滲透形成5G 全連接的環(huán)境，在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境構(gòu)建上通過5G 專網(wǎng)解決制造企業(yè)對數(shù)據(jù)隱私安全和實時可靠的痛點，將成為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。此外，由于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和目前制造企業(yè)主流的網(wǎng)絡(luò)標準存在兼容度不足的問題，因此也需不斷進行測試驗證，持續(xù)迭代，逐步完善解決方案。

4 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進建議

4.1 5G 全連接

5G 具備更低的時延、更高的速率、更大接入數(shù)量、更高穩(wěn)定性，有望成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基石。按制造企業(yè)不同場景的網(wǎng)絡(luò)指標要求（如表1 所示），5G 預(yù)計能滿足70%以上的工業(yè)控制場景。

表1 制造企業(yè)不同場景的網(wǎng)絡(luò)指標要求

現(xiàn)有的大部分制造企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用只著眼于外圍輔助功能，較少涉及核心的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。5G 全連接與現(xiàn)有的傳統(tǒng)數(shù)字工廠最大的區(qū)別，在于以數(shù)據(jù)來驅(qū)動管理。制造企業(yè)可結(jié)合人工智能、大數(shù)據(jù)和云計算等新技術(shù)，通過5G 工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)連接工廠內(nèi)部的全生產(chǎn)要素，包括人、機、料、法、環(huán)等，實現(xiàn)車間內(nèi)的柔性化連接，從而大幅度提升生產(chǎn)效率。

4.2 5G 專網(wǎng)建設(shè)

5G 專網(wǎng)可分為兩種模式，一類是基于公網(wǎng)的5G 專網(wǎng)，另一類是基于NPN（Non-Public Network）的5G 專網(wǎng)。按照3GPP Rel-16 的定義，基于NPN 的5G 專網(wǎng)也包含兩種類型：PNI-NPN（Public Network Integrated NPN）和SNPN（Standalone NPN），如圖3 所示。PNI-NPN通過PLMN 網(wǎng)絡(luò)來提供NPN 服務(wù)，相當于利用運營商的公網(wǎng)來部署5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，例如通過為NPN 分配一個或多個網(wǎng)絡(luò)切片實體來實現(xiàn)非公共網(wǎng)絡(luò)功能，但由于網(wǎng)絡(luò)切片不能限制終端在其未授權(quán)的網(wǎng)絡(luò)切片區(qū)域中嘗試接入網(wǎng)絡(luò)，因此可以選擇閉合接入組（CAG，Cell Access Group）用于接入控制。SNPN 則不依賴于PLMN 的網(wǎng)絡(luò)功能，相當于獨立部署5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，因此不支持SNPN 和PLMN 網(wǎng)絡(luò)間的切換，無法在小區(qū)選擇和重選階段控制不同類型用戶接入。

圖3 5G 專網(wǎng)的建設(shè)模式

因此，在5G 專網(wǎng)建設(shè)的選擇上，可根據(jù)不同需求使用不同的建設(shè)模式。在側(cè)重于低建設(shè)與維護成本，需要快速部署時，應(yīng)選擇基于運營商公網(wǎng)部署的方案；在對差異化服務(wù)有要求時，為便于在SNPN 和PLMN 網(wǎng)絡(luò)間實現(xiàn)切換，應(yīng)選擇PNI-NPN 方案；在對保密性有較高要求時，且對應(yīng)的制造企業(yè)有較強的經(jīng)濟實力和技術(shù)能力的情況下，應(yīng)選擇獨立部署的SNPN 方案。

4.3 5G 網(wǎng)絡(luò)化改造

工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)主要分為現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)，適合于帶寬、可靠性、實時性要求高且位置相對固定的設(shè)備接入。用于生產(chǎn)的現(xiàn)場總線協(xié)議多達幾十種，包括主流 的Modbus、Profibus、IO-link、CAN/CANopen、CClink 等，主要用于PLC 南向的簡單數(shù)據(jù)量和模擬量接入，傳輸距離一般較短，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，抗干擾能力、安全性相對較差。工業(yè)以太網(wǎng)同樣協(xié)議數(shù)量眾多，主流協(xié)議有DeviceNet、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus-TCP，多數(shù)用于PLC 北向輸出，其優(yōu)點是通信速率高、網(wǎng)絡(luò)拓撲靈活，但存在協(xié)議間互聯(lián)互通性較差等問題，難以進行靈活部署與快速擴展。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)主要包括WiFi、LoRa、ZigBee、ISA 100.11a、Wireless Hart、WIA FA/PA 等，適用于廣覆蓋、移動性強但可靠性、帶寬要求不高的場景。在各種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中，WiFi 部署容易、組網(wǎng)靈活，但可靠性和安全性難以滿足工業(yè)級需求；ZigBee 等技術(shù)受限于傳輸距離或傳輸速率。

由此可見，工業(yè)制造領(lǐng)域使用的無線通信協(xié)議眾多、各有不足且相對封閉，工業(yè)設(shè)備互聯(lián)互通難，嚴重制約了設(shè)備上云，亟需構(gòu)建能夠兼容多種協(xié)議的新一代無線技術(shù)體系，因此需進行5G 網(wǎng)絡(luò)化改造，在此基礎(chǔ)上孵化新的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并對新應(yīng)用進行測試驗證。

5 結(jié)束語

2021 年是“十四五”的開局之年，預(yù)計我國將繼續(xù)通過5G 的增強試驗加快推進5G 上下游產(chǎn)業(yè)的成熟。未來5 年將進入我國5G 發(fā)展的關(guān)鍵時期，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)也將大大提速，形成智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)化延伸、個性化定制、數(shù)字化管理等新模式。