基于5G環境的工業互聯網應用分析

湯敏

中國移動通信集團江蘇有限公司網絡部 江蘇 南京 210012

引言

工業企業內部目前存在工控網絡、生產物聯網、視頻監控網、移動辦公網等復雜的多元化網絡。現有的工業總線存在產業封閉、發展緩慢、技術落后等問題，嚴重制約了企業的發展。隨著人工成本的快速增加，企業自動化、智能化轉型迫在眉睫。5G 可憑借高帶寬、高可靠、低時延等一些特點助力企業向無線化、自動化、智能化、柔性制造方向演進。

1 工業互聯網概述

工業互聯網可以實現人、機、物全要素的網絡互聯。工業互聯網平臺則可以把設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G 是工業互聯網的關鍵使能技術，而工業互聯網是5G 的重要應用場景之一，5G+ 工業互聯網是賦能智慧工廠數字化、無線化、智能化的重要方向。5G 網絡的大帶寬、低時延、高可靠特性，可以滿足工業設備的靈活移動性和差異化業務處理能力需求，推動各類增強現實（AR）/ 虛擬現實（VR）終端、Robot、自動導引運輸車（AGV）、場內產線設備等的無線化應用，助力工廠柔性化生產大規模普及。工業互聯網給5G 帶來了廣泛的應用場景，同時也帶來了前所未有的挑戰。例如，有的工業應用可能需要網絡具備1 ms時延、1 μs 抖動和99.999999% 的網絡傳輸質量。時間敏感網絡（TSN）是工業互聯實現低時延、高可靠和確定性傳輸的重要技術之一，5G+TSN 是未來實現工業互聯網無線化和柔性制造的重要基礎。TSN 在做數據轉發時，可以針對工業互聯網不同優先級的業務數據進行隊列調度，從而實現質量差異化保證。在工業互聯網場景下，TSN 可以針對各類工業應用涉及的業務流特性進行建模和定義，并在此基礎上，提供不同的優先級與調度機制[1]。

2 基于5G通信的工業互聯網應用

2.1 工業智能傳感器系統

工業互聯網使用射頻識別，傳感器等來監視和收集整個工業生產周期中各種信息，例如人員，過程，設備，原材料和生產環境。在工業互聯網的發展中，任何階段的微小錯誤都可能造成嚴重損害，因此將具有低延遲和高速傳遞性的5G網絡應用于其中，可以提高相應設備的精度和準度，在這個過程中有成千上萬的傳感器和執行器，其功能模型取決于生產場景，它們之間的連接依靠5G技術支持，集成了觸覺，視覺，聲學等功能，使整個過程可以達到智能化的高水平，可以全方位監控生產過程中產生的各種參數，從而確保高質量的工業產品[2]。

2.2 云端機器人技術

在5G通信環境中，機器人有條件被廣泛利用。通過5G網絡，機器人可以共享云處理命令，當然，這需要高度集成化和科技化的芯片制造技術的支撐，例如Alpha Dog需要176個視覺處理器和1202個中央處理器才能實現該處理能力，在我國現階段的制造環境和科技水平下將其安裝在每個機器人上是不切實際的，但是這種趨勢會促使國產芯片技術得到提升。5G技術會將機器人內部的復雜的處理過程轉移到云端，云處理結果反饋到機器人主體，有效控制了新硬件的成本，提高了處理效率。由于5G網絡帶寬至少為10Gb/s，大大提高了數據傳輸速度，因此可以順利完成機器人云端整個處理過程，即網絡數據傳送和遠程處理時間控制在100ms內，機器人需安裝2個或更多高清攝像頭以實現3D視覺效果，因此，5G環境可以滿足上述要求[3]。

2.3 工業VR/AR

VR/AR 技術在工業中的應用主要包括智能巡檢以及遠程專家系統，利用5G專網聯通工廠設備和指揮中心，實現設備數據的實時傳輸和在線分析，檢修人員或專家可通過佩戴AR 眼鏡獲取設備數據，實現遠程檢修，提高檢修效率。經分析，VR/AR 技術存在兩大難點：一是計算量巨大，導致VR/AR 眼鏡硬件成本過高，需要將大量計算遷移到邊緣側或者云端，即云化VR/AR；二是VR/AR 的云化依賴大量數據和計算的遷移，導致傳輸數據量增大、網絡時延加大，從而引發用戶的眩暈感。因此，工業VR/AR 場景對時延有超高要求，端到端時延≤10ms，時鐘同步＜1μs，可靠性＞99.9%，定位延時＜15ms，同時支持無縫切換[4]。

2.4 智能診斷維護

智能診斷維護利用大數據分析、機器學習和人工智能等技術，通過知識學習和問題分析，完成設備的智能監測、診斷與預測，給出改進策略，包括設備日常監測、維護及改進，以及發生異常時，對異常位置、原因、程度的判斷和維修指導。當設備正常運行或者出現異常時，實時采集設備數據，通過5G 專網快速傳送到云端進行數據分析，并給出維護、改進決策，通過5G 專網把決策結果發送到設備端，實現設備的智能診斷和維護[5]。

3 結束語

目前，我國制造業正處于由大變強、實現高質量發展的關鍵階段，如何尋找突破點、成功實現轉型升級，是當前面臨的主要任務。借助5G 在工業互聯網中的應用，深化互聯網+ 先進制造業發展，賦能制造業提質增效，有望推動我國制造業在部分領域實現創新突破和引領。考慮到工業互聯網應用場景多樣、需求千差萬別、復雜化和個性化程度高，且企業規模形態各異，工業生產將需要更高的上行速率、更低的時延特性、更可靠的網絡運作模式、更安全的數據傳輸方式、更直接的終端數據互傳來支撐更多業務拓展。