5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用研究

蔣勇?朱力量

摘要：5G技術(shù)具有高速率、低時延和大連接等優(yōu)勢。隨著工業(yè)從數(shù)字化向智能化的發(fā)展，5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用，促進(jìn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展進(jìn)程。文章對5G技術(shù)及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行闡述，構(gòu)建出基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，并對5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中打造的工業(yè)機器視覺、無人機巡檢、AGV、工業(yè)AR、遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作等典型應(yīng)用場景進(jìn)行了簡單闡述，最后提出了5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的建議。

關(guān)鍵詞：5G；工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是傳統(tǒng)工業(yè)向智能化方向發(fā)展的新階段。從應(yīng)用形式上講，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)具有自動化、智能化、實時性等特點。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，傳感器技術(shù)、設(shè)備兼容技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息處理技術(shù)、安全技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。特別是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的一大核心。隨著5G技術(shù)商用的發(fā)展，5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用逐漸深入，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)發(fā)展的智能化步伐。文章主要對5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景進(jìn)行了分析，為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和應(yīng)用發(fā)展提供參考。

一、5G技術(shù)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概念

（一）5G技術(shù)

5G技術(shù)，即第五代移動通信技術(shù)，是新一代的寬帶移動通信技術(shù)，具有高速率、低時延和大連接等優(yōu)勢，不僅解決了人與人的通信，也解決了人與物、物與物的通信[1]。5G技術(shù)峰值速率最高為10～20Gbit/s，具有超大連接實現(xiàn)了萬物互聯(lián)，基于超低延時實現(xiàn)的實時交互等讓5G技術(shù)能夠滿足大數(shù)據(jù)量傳輸、物聯(lián)網(wǎng)通信的需求。隨著5G技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)不斷滲透到社會公共領(lǐng)域和行業(yè)中，在工業(yè)、車聯(lián)網(wǎng)與自動駕駛、能源、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域和行業(yè)中應(yīng)用廣泛，5G技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了數(shù)字化、智能化支持。將5G技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，促進(jìn)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的萬物互聯(lián)，為工業(yè)產(chǎn)業(yè)的智能化、規(guī)?；l(fā)展奠定基礎(chǔ)。

（二）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是在工業(yè)生產(chǎn)中融入各種具有感知、監(jiān)控功能的傳感器、控制器或最新的技術(shù)，以提高工業(yè)生產(chǎn)效率和水平，促進(jìn)工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量提升，最終達(dá)到工業(yè)智能化發(fā)展的目的[2]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在制造業(yè)供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)工藝優(yōu)化、生產(chǎn)設(shè)備監(jiān)控、安全生產(chǎn)管理、環(huán)保監(jiān)測等方面。

在信息時代下，工業(yè)智能化發(fā)展是工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。工業(yè)智能化發(fā)展能夠幫助工業(yè)企業(yè)降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，滿足工業(yè)流程中信息傳輸需求，協(xié)同工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)水平。因此工業(yè)智能化發(fā)展解決了當(dāng)今時代下工業(yè)企業(yè)發(fā)展中的瓶頸和痛點。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，由于多種先進(jìn)技術(shù)的融合，因此發(fā)展中技術(shù)問題是面臨的最大問題。5G技術(shù)則為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。在5G技術(shù)的支持下，工業(yè)生產(chǎn)中的所有流程和環(huán)節(jié)都實現(xiàn)了信息流的互通，對工業(yè)生產(chǎn)來講，這是一次重大顛覆。因此就有了4G改變的是生活，5G改變的是生產(chǎn)的說法。

二、5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

（一）基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺

基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)，平臺是核心，安全是保障。如圖1所示為基于5G的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺。

在基于5G的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺中，主要包括應(yīng)用層、支撐層、網(wǎng)絡(luò)層、感知層四個層次。其中應(yīng)用層中主要是5G技術(shù)在工業(yè)運營決策、需求分析、智能設(shè)計等工業(yè)生產(chǎn)運營中的具體應(yīng)用層次；支撐層則是為工業(yè)生產(chǎn)提供了工業(yè)大數(shù)據(jù)支持、數(shù)據(jù)分析等，將各種先進(jìn)的技術(shù)如人工智能、云計算等融入工業(yè)生產(chǎn)中；網(wǎng)絡(luò)層主要是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)即5G技術(shù)，在5G技術(shù)的支持下為工業(yè)發(fā)展提供實時交互、超大連接的支持；感知層中則通過工業(yè)控制軟件、傳感器等實現(xiàn)對工業(yè)中各類設(shè)備的支持，滿足工業(yè)生產(chǎn)。除了網(wǎng)絡(luò)和平臺外，基于5G工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺還離不開網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的支持，以為平臺運行提供安全防御能力。

（二）5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

當(dāng)前5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時，從工業(yè)設(shè)計到工業(yè)質(zhì)檢，再到工業(yè)營銷展示等，衍生出工業(yè)機器視覺、無人機巡檢、AGV、工業(yè)AR、遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作等典型應(yīng)用場景，為實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)流程的智能化奠定了基礎(chǔ)。如圖1所示為5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用概覽。

1.5G+工業(yè)機器視覺

在人工智能的發(fā)展促進(jìn)下，融合了圖像處理、控制技術(shù)、傳感器等多種技術(shù)的機器視覺，替代了人眼完成了測量和判斷。機器視覺的發(fā)展和應(yīng)用，提高了工業(yè)生產(chǎn)的靈活性和自動化，特別是一些環(huán)境惡劣、危險的工作中，人工視覺工作難度較大，就需要機器視覺來代替人工視覺。通過機器視覺對物體進(jìn)行識別、定位、測量和檢測。在工業(yè)中經(jīng)常用機器視覺進(jìn)行產(chǎn)品檢測。5G技術(shù)的發(fā)展更為機器視覺發(fā)展和應(yīng)用提供了加持作用。工業(yè)中的機器視覺，已經(jīng)成為當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)中的重要構(gòu)成，而5G技術(shù)則為機器視覺提供了必要的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，促進(jìn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實現(xiàn)。如圖3所示為5G+工業(yè)機器視覺應(yīng)用場景示意圖。在5G技術(shù)的支持下，機器視覺的數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)協(xié)同都實現(xiàn)了云化，促使機器視覺朝著云計算的方向發(fā)展[3]。

在汽車制造業(yè)中5G+工業(yè)機器視覺應(yīng)用較多。5G+工業(yè)機器視覺的應(yīng)用，取代了產(chǎn)品質(zhì)檢中人工抽檢的模式，在高清圖像拍攝、云平臺數(shù)據(jù)快速處理下實現(xiàn)了機器質(zhì)檢，使人工抽檢變成為全量檢測，降低了汽車制造業(yè)的人工成本。此外。有些5G+工業(yè)機器視覺系統(tǒng)還能對產(chǎn)品檢測的總數(shù)、缺陷總數(shù)、缺陷類型等信息進(jìn)行統(tǒng)計，并將之上傳到云端，為市場需求提供數(shù)據(jù)支持。

2.5G+無人機巡檢

巡檢作為工業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營中的重要環(huán)節(jié)，是保證工業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量的有效途徑。傳統(tǒng)方式中，巡檢大多依靠人工實現(xiàn)。人工巡檢，費時費力，還存在著安全隱患。近年來無人機巡檢應(yīng)用廣泛。如管道巡檢、廠區(qū)巡檢等領(lǐng)域，紛紛開啟了無人機巡檢的新模式。但傳統(tǒng)中的無人機是利用無線遙控、程序控制的飛行器，一般通過Wi-Fi、藍(lán)牙連接，存在著通訊距離有限、圖傳清晰度受限、定位不精確等弊端。而5G技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，則擴寬了無人機的應(yīng)用范圍。5G+無人機巡檢，結(jié)合5G技術(shù)的高速度、低功耗、低時延性特點，首先讓遠(yuǎn)程巡檢范圍更廣闊，提高了遠(yuǎn)程控制飛行的安全性；其次滿足了實時傳輸高清巡檢畫面的需求。5G和無人機的結(jié)合，提升了通信寬帶，數(shù)據(jù)傳輸速度提升到1Gbps以上，相比4G網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸速度提升10倍。在這一傳輸速度下，無人機不僅能承載高清圖像數(shù)據(jù)等的傳送，還能滿足超清、實時的直播畫面需求。第三在5G通信系統(tǒng)的支持下提高了無人機的定位精確度，滿足了對無人機的實時準(zhǔn)確定位[4]。

在5G+無人機巡檢應(yīng)用方面，神東煤炭集團(tuán)的5G+無人機智能巡檢系統(tǒng)最為典型。神東煤炭集團(tuán)通過和中國電信合作，在上灣煤礦深達(dá)500米的井下覆蓋了5G網(wǎng)絡(luò)，打造了5G SA MEC專網(wǎng)架構(gòu)，制定了5G智慧礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，滿足5G基站建設(shè)的安全性需要。再利用帶有激光掃描定位的5G無人機實現(xiàn)了對上灣煤礦井下500米的實時巡檢，并通過5G無人機將巡檢到的井下畫面及時傳輸?shù)奖O(jiān)測中心處，提高了煤礦生產(chǎn)的安全性。

3.5G+AGV

AGV，自動導(dǎo)引運輸車，主要依靠充電式蓄電池為其提供動力，無需駕駛員通過自動駕駛實現(xiàn)運輸。AGV小車集環(huán)境感知、無人駕駛、規(guī)劃決策等多功能于一身，并融合了計算機、信息、傳感、導(dǎo)航等多種高新技術(shù)。近年來隨著AGV技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用場景也不斷拓寬，倉儲物流、工廠搬運等領(lǐng)域中都能看到AGV的應(yīng)用身影。隨著產(chǎn)品運輸要求日益嚴(yán)格，在5G技術(shù)的支持下，AGV應(yīng)用也將更加廣泛。5G+AGV中，將雷達(dá)、傳感器、視頻等設(shè)備加載在AGV小車上，AGV小車在運作過程中能夠?qū)χ車h(huán)境中的信息進(jìn)行收集，并通過5G路由器將信息傳輸?shù)胶笈_中。5G路由器通過和雷達(dá)的等設(shè)備的連接達(dá)到萬物互通的目的，也能對AGV小車進(jìn)行精準(zhǔn)定位，讓AGV小車在預(yù)定的道路上行駛[5]。

4.5G+工業(yè)AR

AR是一種利用三維建模、多媒體等技術(shù)將虛擬信息和真實世界融合在一起的技術(shù)，以達(dá)到對真實世界增強的目的。近年來AR技術(shù)應(yīng)用廣泛，在工業(yè)、醫(yī)療、教育等領(lǐng)域中應(yīng)用較多。5G技術(shù)的高速率、低時延性、工業(yè)切片等優(yōu)勢為AR產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入了新活力，促進(jìn)了AR進(jìn)一步發(fā)展，在工業(yè)領(lǐng)域中，5G+工業(yè)AR的應(yīng)用，借助5G技術(shù)無需終端計算的優(yōu)勢，有效降低了工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營成本。同時借助5G技術(shù)的低延遲、高度精準(zhǔn)定位等，AR技術(shù)能夠為工業(yè)企業(yè)提供更穩(wěn)定的體驗[6]。具體應(yīng)用方面，中國電信協(xié)同廣東省第二人民醫(yī)院完成5G手術(shù)直播，助力安徽省立醫(yī)院實現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療。通過遠(yuǎn)程直播可指導(dǎo)醫(yī)生遠(yuǎn)程手術(shù)，使用5G技術(shù)建立醫(yī)療3D模型，提升醫(yī)療急救能力。

5.5G+遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作

工業(yè)生產(chǎn)中，隨著企業(yè)規(guī)模的擴大，降低生產(chǎn)運營中的維修控制成本是降低生產(chǎn)成本的一條重要路徑。隨著網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的應(yīng)用，工業(yè)自動控制、無人值守遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成熟，在有線或無線網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度下能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)運維及操作的遠(yuǎn)程控制。數(shù)據(jù)傳播速度快、數(shù)據(jù)傳輸延遲小的5G技術(shù)，也在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作中進(jìn)行應(yīng)用。在5G技術(shù)的支持下，實現(xiàn)設(shè)備之間、維修人員與設(shè)備等之間的互聯(lián)，通過遠(yuǎn)程運維為工業(yè)生產(chǎn)自動化控制奠定基礎(chǔ)，降低設(shè)備發(fā)生故障概率，促進(jìn)設(shè)備生產(chǎn)效率的提高。在采煤、采礦、工業(yè)制造等領(lǐng)域中，5G+遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作應(yīng)用廣泛?；?G技術(shù)，將先進(jìn)技術(shù)如視頻、毫米波雷達(dá)等和工業(yè)生產(chǎn)中的設(shè)備設(shè)施連接在一起，在工業(yè)環(huán)境分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程操作[7]。

如兗礦集團(tuán)利用5G技術(shù)實現(xiàn)了采煤的遠(yuǎn)程開采。兗礦集團(tuán)在礦井中覆蓋了5G網(wǎng)絡(luò)，彌補了4G網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)难訒r性，將數(shù)據(jù)延遲壓縮在20毫秒內(nèi)。工作人員在地面集控中心中按下按鈕就能實現(xiàn)距離地面四百多米的地下采掘設(shè)備的操作。在瓦斯超限等危險環(huán)境下均可以采用這種遠(yuǎn)程操作實現(xiàn)無人煤炭開采。這種5G+遠(yuǎn)程運維及遠(yuǎn)程操作，大大減少了煤炭開采中的危險系數(shù)，降低了開采工人的工作難度。同時借助于遠(yuǎn)程操作，實現(xiàn)了人員成本的節(jié)約，雖然工人減少到只有原來的一半，但工作效率卻翻了一倍。

三、關(guān)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的建議

當(dāng)前5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用正在從點狀示范向面狀應(yīng)用方向發(fā)展。要加快5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，需要工業(yè)產(chǎn)業(yè)圈企業(yè)之間的協(xié)同合作和配合，共同探索和實踐，擴大5G技術(shù)的應(yīng)用范圍，強化應(yīng)用深度，促進(jìn)5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的良性發(fā)展[8]。

（一）加強對成本管理的重視

5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用時，5G網(wǎng)絡(luò)的部署及運營需要有較高的成本做支撐。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用5G技術(shù)發(fā)展時，應(yīng)重視5G技術(shù)應(yīng)用中的成本管理，通過多種途徑和手段降低建設(shè)成本。

（二）鼓勵工業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈中的更多企業(yè)參與到5G生態(tài)圈打造中來

當(dāng)前打造5G產(chǎn)業(yè)生態(tài)已經(jīng)成為很多行業(yè)的共識。5G技術(shù)要想在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中大放異彩，需要產(chǎn)業(yè)鏈中各企業(yè)的參與，在眾多的合作下以客戶為中心，以能力為半徑，以賦能為抓手，打造出5G生態(tài)圈。打造5G生態(tài)圈，鼓勵產(chǎn)業(yè)鏈上更多伙伴的參與，也有利于降低5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提高整個行業(yè)的智能化發(fā)展。

（三）工業(yè)企業(yè)應(yīng)加強生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)線的數(shù)字化改造

5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，也是生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)線數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方向。工業(yè)企業(yè)應(yīng)通過內(nèi)網(wǎng)改造，實現(xiàn)公共移動通信和專網(wǎng)的融合，發(fā)揮出5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

四、結(jié)束語

5G技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，改變了生產(chǎn)，對實現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域的萬物相連提供了網(wǎng)絡(luò)支持，也是促使工業(yè)第四次革命發(fā)展的重要推力。當(dāng)前5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用還有待繼續(xù)深入和探索，工業(yè)企業(yè)也應(yīng)加強合作，不斷對5G技術(shù)進(jìn)行探索和應(yīng)用，才能發(fā)揮出5G技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的作用。

作者單位：蔣勇 朱力量 中國電信股份有限公司湖州分公司

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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