基于5G技術的工業互聯網應用探討

趙帥男，袁 朋，釗劉杰，郝建華，王璟瑞

（中國移動通信集團設計院有限公司 河南分公司，河南 鄭州 450000）

1 工業互聯網的通信技術需求

工業互聯網的核心產業涉及數字化裝備、自動化、工業互聯網網絡、工業互聯網平臺以及工業軟件5個方面[1]。其中，數字化裝備和自動化屬于邊緣控制層，工業互聯網網絡屬于網絡連接層，工業互聯網平臺和工業軟件屬于數據應用層，而互聯網平臺又涉及邊緣控制、網絡平臺匯聚以及數據應用3大層級[2-4]。同時，網絡、平臺及安全可歸結為工業互聯網的3大體系，其中平臺是核心，安全是后盾和保障，而網絡則是重要基礎[5]。

隨著工業技術的不斷進步，工業互聯網逐漸向產品個性化、制造服務化、連接泛在化以及智能化生產方向發展[6]。從本質上看，工業互聯網絡可分為工廠內網絡和工廠外網絡。工廠內網絡主要用于連接工廠內各種生產要素，支撐工廠內業務應用，而工廠外網絡包括分廠之間的通信、廠區和數據分析中心之間的通信等，用于連接智能工廠、分支機構、上下游協作企業、工業云數據中心以及智能產品與用戶等主題[7]。

目前，工業領域中使用的絕大多數通信技術仍然是有線技術，包括各種專用工業以太網技術和現場總線技術。在一些特殊的工業場景下，無線技術以其良好的移動性成為有線技術的重要補充[8]。工業互聯網中數據傳輸和通信主要采用短距無線、WiFi、工業專用無線以及傳統蜂窩無線4種模式[9]。上述4種模式各有優劣，其特點如表1所示。

從表1可以看出，雖然無線通信技術眾多，但各有不足且相對封閉，無法滿足工業互聯網對網絡連接的上述需求，亟需新一代無線技術補充短板。

表1 工業互聯網現有數據傳輸和通信模式對比

2 5G技術特點及應用場景

5G的3大特性分別是eMBB增強型移動帶寬、mMTC大規模機器通信以及URLLC高可靠低延時，分別實現上下行速率倍速提升、海量機器鏈接以及超低時延和高可靠等性能[10]。

基于5G技術及網絡特性，總結了9大主流工業應用場景。一是云設計云仿真，主要可應用的工業行業有航空航天、工程機械以及汽車電子等。可利用5G、邊緣云及虛擬桌面等，針對工業產品和生產系統的方案進行快速設計與仿真驗證。二是5G遠程操控，主要可應用的工業行業有礦山、港口、爆破以及危險品等。在危險作業環境安裝高精定位器、傳感器、激光雷達、高清攝像頭以及智能終端，通過5G網絡實現實時控制。在遠程操作臺對礦車、鉆機即電鏟等設備發送指令完成作業。5G遠程操控網絡示意如圖1所示。三是自動駕駛/無人駕駛，主要可應用的工業行業有消防、礦山以及勘探等，5G無人駕駛網絡示意如圖2所示。四是機器視覺檢測/無人機巡檢，主要可應用的工業行業有醫療器械、食品、汽配、鋼鐵、紡織、機器加工以及電子制造等。通過在生產設備和生產線安裝高清智能攝像頭，識別包裝和產品表面缺陷，檢測噴碼缺失等。結合5G+AI技術，通過機器學習，不斷提高檢出率，降低人工成本。五是工藝優化和效能優化，主要可應用的的工業行業有機械加工、鋼鐵、冶金、水泥、化工以及制藥等。打造一個5G、數據采集、邊緣云以及工業大數據為一體的解決方案，通過構建缺陷識別和工藝參數相關聯的數據庫，分析產品缺陷與工藝的必然聯系，從而優化工藝，提高良品率。通過大數據計算，對耗能管理和優化，巧妙運用波峰波谷，優化效能。六是云MES/供應鏈協同，主要可應用的工業場景有食品、汽配、家具以及水泥等。針對有很多生產制造環節的企業，對企業提供數據管理，合理計劃排程、生產調度以及庫管理等，實現手機端和PC端無縫對接，靈活部署，實時掌控工廠情況，提升管理效率。云MES系統框架如圖3所示。七是5G智能監控和設備防御性維護，主要涵蓋行業有制造業、食品、藥品以及裝備等多數機械設備的行業。通過各類傳感器監控設備運行狀況，采集設備運行數據，形成有效大數據庫，對設備故障進行早期預警，支撐遠程運維，預測性運維，指導合理備件，減少設備故障率，縮短維護時間，延長設備壽命，提升設備回報率。八是AR設備點檢/VR成品展示，主要涵蓋行業包括機械制造、鋼鐵、電子制造、汽車制造以及機器加工等有大型復雜機械設備的行業。可高效實現電氣設備遠程AR點檢、大型復雜機械設備巡檢以及設備遠程運維等。可針對汽車、儀器、機械或者電子產品進行VR演示和成品展銷。九是個性化定制，適用于各類工業行業，將產品模型化、模塊化、參數化，打造數據共享平臺，實現產品方案、生產、銷售以及物流等全業務鏈的數據集成與共享。基于需求建立工業企業面向用戶的信息服務通道，支持用戶對產品定制、體驗并掌握實時信息。

圖1 5G遠程操控網絡示意圖

圖2 5G無人駕駛網絡示意圖

圖3 云MES系統框架圖

3 5G技術下的工業互聯網發展

3.1 破解設備互聯互通難題

受通信技術的制約，當前我國工業設備互聯互通難，嚴重制約了設備上云。通過將5G技術與工業PON、MEC等相結合，能夠降低工業場景協議轉換和設備接入難度，提升工業互聯網異構數據接入能力，有效解決數據孤島的問題。

3.2 破解海量工業數據實時同步傳輸難題

大量工業企業現有內部網絡無法支撐海量數據實時傳輸和網絡同步，亟需進行基礎網絡升級改造，提升網絡傳輸帶寬。5G能夠提供端到端毫秒級時延和接近100%的高可靠性通信保障，滿足工業大數據無線傳輸需求和大量即時處理需求。

3.3 拓展工業互聯網應用的廣度和深度

5G技術可助力工業互聯網全要素和全環節高效互聯互通，實現以數據流帶動技術流、資金流、人才流以及物資流，有效提升傳統產業的發展質量與效益。同時，5G將推進人工智能和AR/VR等新興前沿技術在工業領域的應用與探索，催生形成新產品、新模式及新業態，拓展工業互聯網發展空間。同時，可加快工業互聯網在一、二、三產業中的融合應用，整體帶動國民經濟的提升。

4 結 論

作為新一代的移動通信技術，5G技術彌補了傳統工業轉型為智能制造企業對網絡的應用需求的不足，必將成為支撐智能制造轉型的關鍵技術，能將離散的機器、人以及設備全部連接起來。使工廠全方面升級，機器輔助、預判，萬物信息交互，實現按需生產和個性化生產，大大改善勞動條件，提高生產效率，提高企業產能效能，深程度地改變社會。

例：文人墨客生活中的“琴棋書畫詩酒茶”Chinese scholar’s seven daily necessities,namely music,chess,calligraphy,painting,poetry,wine and tea增加了 “seven daily necessities”。句子順序不變但通過增減詞匯，表達比漢語更簡潔。遵循能直譯盡量直譯的原則。