5G與工業互聯網融合發展的思考

寧夏

一、引言

工業互聯網是第四次工業革命的重要基石。隨著新一代網絡信息技術快速發展并與制造業深度融合，工業互聯網應運而生，由網絡、平臺、安全三部分構成，網絡是基礎、平臺是核心、安全是保障。5G通信技術的快速發展，為工業互聯網提供了大帶寬、低時延、高可靠的網絡基礎，為工業互聯網的發展提供了有力支撐。同時，工業互聯網的建設將為5G的產業化落地拓展出更多的垂直行業應用場景，使5G商用進程不僅僅面向傳統的公眾電信需求。

本文針對工業互聯網發展的垂直行業應用需求進行系統梳理，分析5G關鍵技術以及核心性能指標，總結5G技術與工業互聯網應用場景的匹配程度，提出5G與工業互聯網融合發展路徑。

二、工業互聯網的典型場景梳理與需求分析

傳統的工業應用主要面向工廠自動化、流程自動化、HMI和IT系統、物流和倉儲自動化、監控與維護自動化。隨著第四次工業革命的到來，工業現場的需求顯著拓寬，工業應用需求從傳統的功能需求向全面拓展的功能需求和全面細化的性能需求拓展。當前，各垂直行業領域的共性需求場景主要包括超高清視頻、機器視覺、AR/VR、遠程控制、AGV、無人機等。本文針對上述典型應用場景進行梳理，分析主要的需求指標。

（一）超高清視頻

超高清視頻的傳輸應用需求是工業互聯網垂直行業的共性需求。超高清視頻可用于常規的監控安防、錄像回放，但更重要的意義在于提供智能化、自動化圖像分析的功能應用，包括基于圖像識別的人臉識別、字符識別、物體識別和行為分析等，以支持工業現場精細化、自動化的安全管理、流程管理、事故預警等。

對于圖片視頻的采集和傳輸（1080P），一般應支持2-10Mbps的上行傳輸速率和不超過30ms的通信時延；對于用于人臉識別等應用的高清視頻，一般需要4K分辨率圖像，應支持12-40Mbps上行傳輸速率和不超過30ms的通信時延；而對于行為分析等8K分辨率視頻傳輸，一般應支持48-160Mbps的上行傳輸速率和低于20ms 的通信時延。基于4G的傳輸由于受限于上行傳輸速率的限制，一般能支持 1080P信號的單鏈路傳輸和多鏈路并發傳輸，但對于4K、8K視頻的傳輸，則僅能支持4K的單鏈路傳輸，且受限于核心網側的通信時延，難以滿足30ms以下的通信時延。

（二）機器視覺

工業場景中機器視覺主要用于生產過程中的精細化管理，與工業現場的生產信息化管理系統相結合，實現產品識別和檢測，物料、生產設備以及產品等物體的定位、測量、分揀等。

對于機器視覺的前端圖像信息實時上傳，一般應支持不低于50Mbps的上行速率、以確保8K視頻能夠實時完整傳輸，還應支持20ms以下的通信時延。對于后端生產信息化管理系統的信息反饋，則一般為相應的管理和調度指令，應支持不低于1Mbps的下行傳輸速率和100ms以下時延。基于4G的傳輸目前不能支持機器視覺前端圖像信息的實時上傳需求。

（三）AR/VR

AR/VR一般用于支持工業現場的實況感知和監測、遠程協助、輔助裝配、樣品展示等。AR/VR的應用對于低時延的需求顯著。

對于工業現場的實況感知、遠程監測、樣品展示等應用，一般應支持不低于50Mbps的上行傳輸速率和不低于20Mbps的下行傳輸速率，時延應低于20ms；對于設備輔助裝配、遠程協助等應用，一般應支持不低于50Mbps的上行傳輸速率，時延應低于10ms。基于4G的傳輸目前無法支持上述時延要求，且難以滿足多鏈路并發傳輸的上行傳輸速率。

（四）遠程控制

遠程控制在工業現場的典型應用主要有建筑挖掘機、開采設備、港口岸橋吊、園區運輸車等，在低時延和上行傳輸速率均有較高要求。

對于遠程控制前端設備的視頻回傳，一般應支持8K視頻傳輸需求，支持不低于50Mbps的上行傳輸速率、時延應低于20ms；遠程控制后端控制指令的發送應支持不低于50kbps的下行傳輸速率、時延應低于10ms。基于4G的傳輸目前無法支持上述時延要求，且無法滿足8K視頻傳輸的需求。

（五）AGV

云化AGV可實現工業現場的自動化物流、貨物裝卸、物體搬運、物體分揀等應用。AGV應用由于需要實時感知和決策，對于上行速率和時延均有顯著要求。

對于常規調度通信和設備狀態管理的應用，一般應支持1Mbps的上行傳輸速率、時延低于100ms；對于采用激光雷達等方式、需要與云端交互的實時感知、路徑規劃和決策相關信息，應支持最高200Mbps的上行傳輸速率，時延應支持20ms-40ms；對于采用其他基于視覺方式需要與云端交互的應用，一般應支持最高1Gbps的上行傳輸速率，時延應支持10ms-100ms。基于4G的傳輸目前僅可支持AGV前端預處理方式的應用，對于云端進行計算處理的傳輸需求難以支持。

（六）無人機

無人機可用于工業園區的安防、設備巡檢、事故監測預警、智能化物流等，主要的通信需求是低時延和上行較高的傳輸速率。

對于無人安防等常規監測類應用，應支持不低于25Mbps的上行傳輸速率（4K）和不低于600kpbs的下行傳輸速率，時延應小于10ms。對于無人巡檢、事故監測預警等精細化應用，應支持不低于100Mbps的上行傳輸速率（8K）和不低于600kps的下行傳輸速率，時延應小于10ms。基于4G的傳輸目前無法滿足無人機實時操控的時延需求，僅能支持4K單鏈路的上行傳輸。

綜上，通過對超高清視頻、機器視覺、AR/VR、遠程控制、AGV、無人機等工業互聯網垂直行業的共性需求場景分析，工業互聯網對于無線通信的需求主要為：上行傳輸速率應可支持8K視頻傳輸，單鏈路上行速率應支持50Mbps-200Mbps，多點并發時上行傳輸速率可達1Gbps以上；多數時延需要要求在40ms以下，控制類應用的時延應低于10ms。此外，工業互聯網的高階應用需要支持物理空間與數字孿生空間的全面映射和實時交互，需要對多應用場景的進行系統工程建模和融合應用，傳輸速率等需求將會線性增長。通過本節分析，上述通信需求無法通過4G通信支持，5G成為工業互聯網典型共性應用場景的支撐手段。