基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用研究

賴小龍 胡慶 鄧華陽(yáng)

（重慶移通學(xué)院，重慶 401520）

0.引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（Industrial Internet of Things, IIoT)是指將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動(dòng)通信、智能分析等技術(shù)不斷融入工業(yè)生產(chǎn)過程各個(gè)環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產(chǎn)品質(zhì)量，降低產(chǎn)品成本和資源消耗，最終實(shí)現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段[1]。隨著5G技術(shù)逐步成熟以及在我國(guó)大規(guī)模商用，人工智能、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)融合，正在改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)、生活方式[2]。而5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其優(yōu)越的性能在大規(guī)模高速率場(chǎng)景、AR/VR、物聯(lián)網(wǎng)等方面優(yōu)勢(shì)，直接將工業(yè)中設(shè)計(jì)、制造、管理、運(yùn)輸、銷售等全流程帶入數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。

1.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用需求

1.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）是將在工業(yè)設(shè)備當(dāng)中的傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺(tái)中，并以可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。在當(dāng)前的工業(yè)體系當(dāng)中大部分的設(shè)備擁有大量各類傳感器，而在一些老舊設(shè)備或者特殊場(chǎng)景下的設(shè)備也另外部署傳感器得以采集數(shù)據(jù)[3]。在數(shù)據(jù)傳輸方面根據(jù)所處環(huán)節(jié)的情況采用有線或者無線的方式連接到服務(wù)器或者云平臺(tái)上。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在困難一般有：環(huán)境的復(fù)雜和外部的干擾；設(shè)備一般為不同廠商、不同型號(hào)的設(shè)備，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的難以兼容；數(shù)據(jù)的可視化以提高管理人員的工作效率。

1.2 數(shù)據(jù)分析與管理

目前絕大部分的工廠都會(huì)采用云服務(wù)平臺(tái)，將采集到的數(shù)據(jù)在云上進(jìn)行處理分析，并附有對(duì)應(yīng)軟件應(yīng)用，如指標(biāo)異常的告警、故障提示以及原因關(guān)聯(lián)分析等。這類數(shù)據(jù)分析還只是專家系統(tǒng)的分析階段，并不設(shè)計(jì)垂直領(lǐng)域下的行業(yè)數(shù)據(jù)分析。

1.3 深度數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

通過大量數(shù)據(jù)和人工智能相結(jié)合，采用強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)的方法，根據(jù)設(shè)備和數(shù)據(jù)特性建立數(shù)據(jù)模型，用以解決行業(yè)疼點(diǎn)，如分析出分子原子級(jí)的變化、升級(jí)制造工藝、優(yōu)化生產(chǎn)流程、提高設(shè)備使用效率和壽命。

1.4 工業(yè)控制

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的其中重要的目的就是在工業(yè)過程中的精細(xì)化控制和管理。基于數(shù)據(jù)采集和監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析與管理、建模和深度數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用等環(huán)節(jié)形成最終的決策，并對(duì)相對(duì)應(yīng)的設(shè)備發(fā)出指令并執(zhí)行。但傳統(tǒng)工業(yè)收到通信技術(shù)和執(zhí)行所限制，在智能化工業(yè)方面還難以滿足理想工業(yè)體系的發(fā)展。通過我國(guó)將5G技術(shù)作為新基建建設(shè)的投入，可以滿足工業(yè)界對(duì)工業(yè)控制等方面的要求。

2.基于5G下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)

感知層主要是采集各環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)流，包括壓力、重力、溫度、速度、流量、偏移、電流、電壓等信息。通過相關(guān)模塊單元、軟硬件等實(shí)體設(shè)備設(shè)施進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和收集。

網(wǎng)絡(luò)層主要是5G技術(shù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)中的接入網(wǎng)、邊緣計(jì)算、核心網(wǎng)和SDN/NFV等系統(tǒng)組成。面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供對(duì)應(yīng)場(chǎng)景的接入和數(shù)據(jù)傳輸和交換的能力，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連接等能力。

支撐層主要完成數(shù)據(jù)處理、分析、儲(chǔ)存和工業(yè)建模等人工智能方面的應(yīng)用，提供足夠的算力和存儲(chǔ)力。

應(yīng)用層是針對(duì)于特定領(lǐng)域下的具體應(yīng)用，包括智能分析、制造、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、加工、供應(yīng)鏈和管理等反面提供最優(yōu)決策。通過應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)全流程的智能化改造和升級(jí)。

2.2 基于5G的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署

基于5G的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署可分網(wǎng)絡(luò)切片、企業(yè)專網(wǎng)兩類部署。

（1）網(wǎng)路切片部署。通過運(yùn)營(yíng)商的5G公網(wǎng)，根據(jù)廠區(qū)的不同活動(dòng)區(qū)域的不同需求，采用網(wǎng)絡(luò)切片方式，按需求覆蓋，滿足工廠通信的需求。通過經(jīng)濟(jì)、快捷的部署，實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)要求，適合于初創(chuàng)的工廠需求。

（2）企業(yè)專網(wǎng)部署。針對(duì)大中型企業(yè)的需要，通過獨(dú)立組網(wǎng)的方式，部署5G基站、邊緣計(jì)算、企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心，建設(shè)具有獨(dú)立管理能力的應(yīng)用系統(tǒng)和管理網(wǎng)絡(luò)。

2.3 5G邊緣計(jì)算部署方案

邊緣計(jì)算是核心網(wǎng)功能的下沉的表現(xiàn)，將計(jì)算、存儲(chǔ)、處理更接近于用戶，滿足低時(shí)延要求。具體包括邊緣節(jié)點(diǎn)、邊緣云、邊緣網(wǎng)關(guān)和邊緣應(yīng)用。

2.4 5G工業(yè)應(yīng)用平臺(tái)

針對(duì)于工業(yè)過程中設(shè)計(jì)到的設(shè)計(jì)、制造、生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)、供應(yīng)鏈、培訓(xùn)指導(dǎo)等工作流程，建立實(shí)現(xiàn)其功能的工業(yè)化應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全流程、全生命周期的數(shù)字化管理，建設(shè)虛擬化設(shè)計(jì)、無人工廠，以“數(shù)據(jù)為核心”，不斷深化人工智能，優(yōu)化人機(jī)料法環(huán)等環(huán)節(jié)。

2.5 網(wǎng)絡(luò)安全

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全問題一直是重中之重的問題，

我國(guó)和其他國(guó)家都面臨過各種人為或者為人為的侵害，而后果是不堪想象的，針對(duì)安全問題，應(yīng)積極的從物理環(huán)境、通信網(wǎng)絡(luò)、硬件平臺(tái)、病毒入侵等方面建立起綜合防御體系，以免造成巨大的損失和傷害。

3.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方面

3.1 物料供應(yīng)管理方面

在物料供應(yīng)中，對(duì)于裝配物料感應(yīng)設(shè)備的智能貨架，在通過附加5G通信模塊，采用無線接入方式，將物料管理數(shù)據(jù)上傳云端相應(yīng)應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)互通，貨架清點(diǎn)和及時(shí)補(bǔ)充，貨源溯源。打通整個(gè)供應(yīng)鏈，實(shí)現(xiàn)智能物料供需處理，完成實(shí)時(shí)性和安全性的要求。

3.2 環(huán)境監(jiān)控管理

環(huán)境監(jiān)控設(shè)備通常連接大量物聯(lián)網(wǎng)傳感器如光照、溫度、顆粒等器件，通過加裝5G物聯(lián)網(wǎng)通信模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)或者周期性上傳到云端。在云端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、建模、管理、計(jì)算等聯(lián)動(dòng)操作，實(shí)現(xiàn)環(huán)境檢查的實(shí)時(shí)性。

3.3 工業(yè)自動(dòng)化控制

在自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備（機(jī)器人、傳送帶、閥門開關(guān)、儀器儀表）中加裝5G通信模塊。將實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠的控制和監(jiān)控功能。

3.4 工廠全過程智能化改造

通過深度學(xué)習(xí)和5G物聯(lián)網(wǎng)通信相結(jié)合，將工業(yè)中各種業(yè)務(wù)場(chǎng)景和生產(chǎn)管理流程進(jìn)行優(yōu)化升級(jí)，形成具有極高生產(chǎn)效率的無線智能化工廠。

4.結(jié)語(yǔ)

5G技術(shù)的普及讓傳統(tǒng)通信以人與人的相連到物與物相連的巨大轉(zhuǎn)變，直接推動(dòng)這個(gè)工業(yè)化第四次革命的到來，將單一工廠升級(jí)為網(wǎng)絡(luò)化工廠；自動(dòng)化工廠升級(jí)為智能化工廠；實(shí)體工廠升級(jí)為虛擬工廠。實(shí)現(xiàn)工廠智能化還存在很多問題和挑戰(zhàn)，工業(yè)在網(wǎng)絡(luò)化、智能化、虛擬化的經(jīng)常也是信息系統(tǒng)建設(shè)的過程，伴隨5G技術(shù)的不斷發(fā)展，基于5G技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)勢(shì)必得到充分發(fā)展和應(yīng)用。