摘要：雖然當(dāng)前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，但是5G技術(shù)本身也在不斷地發(fā)展和完善中。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在從點(diǎn)狀示范應(yīng)用逐步向面狀應(yīng)用和系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)展。這一過程需要產(chǎn)業(yè)生態(tài)圈內(nèi)各類企業(yè)協(xié)同合作，共同發(fā)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)需求、創(chuàng)新應(yīng)用和交付項(xiàng)目，探索并踐行商業(yè)模式，以實(shí)現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的良性發(fā)展。

關(guān)鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；5G；智能制造

工業(yè)制造是中國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和參與大國競爭的基石，也是振興實(shí)體經(jīng)濟(jì)的重要抓手。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是實(shí)現(xiàn)工業(yè)全系統(tǒng)、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值 鏈連接和支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應(yīng)用模式，是互聯(lián)網(wǎng)從消費(fèi)領(lǐng)域向生產(chǎn)領(lǐng)域、從虛擬經(jīng)濟(jì)向?qū)嶓w經(jīng)濟(jì)拓展的核心載體[1]。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施、全新工業(yè)生態(tài)和新型應(yīng)用模式，其精髓及優(yōu)勢在于規(guī)?；馁Y源調(diào)度與共享。如圖1所示，通過人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，和全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全面連接，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在不斷改變傳統(tǒng)的制造模式、生產(chǎn)組織方式和產(chǎn)業(yè)形態(tài)，推動(dòng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)加快轉(zhuǎn)型升級(jí)，加速新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大。

在5G為工業(yè)互聯(lián)數(shù)據(jù)流動(dòng)提供重要無線網(wǎng)絡(luò)保障的同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為5G提供了廣闊的應(yīng)用場景。目前，5G＋工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)、工業(yè)制造、質(zhì)檢、運(yùn)維、控制、營銷展示等關(guān)鍵環(huán)節(jié)中，并形成了工業(yè)三維圖像、移動(dòng)視覺、遠(yuǎn)程運(yùn)維與遠(yuǎn)程操控、無人巡檢、數(shù)據(jù)采集等系列化的典型應(yīng)用場景。未來，5G將逐步向工廠現(xiàn)場控制層面延伸。

1 工業(yè)網(wǎng)絡(luò)面臨的問題和挑戰(zhàn)

當(dāng)前，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)仍面臨諸多問題，這主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）不夠開放和友好，這是由傳統(tǒng)工業(yè)廠家的格局和市場來決定的。大多數(shù)的工業(yè)協(xié)議都是封閉化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，擁有嚴(yán)格控制的對(duì)外接口。

（2）不夠彈性和靈活，擴(kuò)展和調(diào)整的難度比較大。

（3）不適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需要，部署和運(yùn)維的成本比較高。由于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)涉及到有線和各類無線，加之在現(xiàn)場都有應(yīng)用，所以它難以融合新技術(shù)的變革，對(duì)現(xiàn)有技術(shù)和架構(gòu)產(chǎn)生了很大的阻礙影響。

在無線網(wǎng)絡(luò)方面，現(xiàn)有工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)尚存在以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

（1）可靠性和穩(wěn)定性。工業(yè)場合對(duì)可靠性和穩(wěn)定性的要求比較高，而無線傳輸?shù)目煽啃?、穩(wěn)定性與有線的方式相比還不具備突出優(yōu)勢。

（2）刷新速度。工業(yè)系統(tǒng)對(duì)刷新速度要求比較高，而無線通信較難實(shí)現(xiàn)高速刷新，同時(shí)難以實(shí)現(xiàn)大量終端的同時(shí)在線連接。

（3）網(wǎng)絡(luò)安全。無線網(wǎng)絡(luò)被入侵和干擾的風(fēng)險(xiǎn)較高，網(wǎng)絡(luò)安全得不到保障。

（4）傳感器無線供電。雖然無線網(wǎng)絡(luò)縮短了通信的線路，但是仍解決不了供電線的問題。對(duì)傳感器進(jìn)行無線供電目前仍是一個(gè)無法產(chǎn)業(yè)化的問題。

（5）無線工業(yè)領(lǐng)域協(xié)議及標(biāo)準(zhǔn)。有線領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議歷經(jīng)幾十年才被逐漸規(guī)范，在無線工業(yè)領(lǐng)域，這些協(xié)議又被重新定義一遍。

（6）電磁輻射和干擾。由于很多無線網(wǎng)絡(luò)會(huì)產(chǎn)生電磁輻射，在面向特殊行業(yè)（石油、井工礦等）時(shí)，必須考慮防爆和隔爆的特殊要求。

2 5G在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢

除了人們熟知的3個(gè)特點(diǎn)之外，5G在工業(yè)領(lǐng)域[2] 的幾個(gè)比較重要特征包括：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)不同于其他網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要的特征，也就是說，一張物理網(wǎng)絡(luò)可以虛擬出不同的子網(wǎng)絡(luò)，以滿足工業(yè)領(lǐng)域不同業(yè)務(wù)的應(yīng)用場景要求。整個(gè)5G 網(wǎng)絡(luò)還支持端到端的編排管理，可以根據(jù)不同的業(yè)務(wù)要求進(jìn)行彈性擴(kuò)張或者收縮。

（2）在工業(yè)領(lǐng)域的超可靠低時(shí)延通信（URLLC）。目前，R16 標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被凍結(jié)，URLLC 標(biāo)準(zhǔn)在原有的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）的基礎(chǔ)上，時(shí)延得到了進(jìn)一步降低。

如圖2 所示，在eMBB 場景下跨核心網(wǎng)網(wǎng)元時(shí)，整個(gè)端到端時(shí)延在理想情況下為20 ms 左右。即使是單向的控制指令，從云端發(fā)到終端，時(shí)延也需要6 ms 左右。在URLLC 標(biāo)準(zhǔn)出來之后，整個(gè)端到端時(shí)延可以達(dá)到5 ms。如果單向地從云端向終端發(fā)射指令，時(shí)延可以小于1 ms。URLLC 奠定了5G在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的地位。

（3）除了低時(shí)延之外，5G 還有一個(gè)更重要的特點(diǎn)：時(shí)延抖動(dòng)和確定性[3]。與其他消費(fèi)領(lǐng)域應(yīng)用不同，工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用要求不僅時(shí)延要低，還要保證時(shí)延的確定性，即同樣一個(gè)指令，這次1 ms 送達(dá)，下次還要1 ms 送達(dá)，而不是這次1 ms 送達(dá)，下次20 ms 才送達(dá)。這是因?yàn)闀r(shí)延抖動(dòng)和不確定性將對(duì)工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)造成很大影響，

甚至可能會(huì)造成災(zāi)難性的事故。通過5G 面向傳輸隧道時(shí)間標(biāo)簽技術(shù)和控制技術(shù)，可以把時(shí)延抖動(dòng)控制到微秒級(jí)，以保證報(bào)文次序的收發(fā)，這對(duì)工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)是非常重要的。

如圖3 所示，在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式方面，5G 面向企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的建設(shè)大概有3種模式：

（1）純粹的專網(wǎng)模式。這種模式的好處是企業(yè)的數(shù)據(jù)是完全自由的，與外界是不發(fā)生關(guān)系的，安全性也是最高的，但是目前中國還沒有專用的5G 頻段。

（2）企業(yè)自建核心網(wǎng)，基站與公網(wǎng)共享模式。在這種網(wǎng)絡(luò)的布局架構(gòu)下，終端的登記、注冊(cè)以及數(shù)據(jù)流都是在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。目前，中興通訊在寶武湛江鋼鐵完成的中國首家5G 核心網(wǎng)就是這種模式的的典型案例。

（3）核心網(wǎng)用戶面功能（UPF）下沉模式。這也是現(xiàn)在90% 以上的企業(yè)都采用的建網(wǎng)模式，也就是說核心網(wǎng)和基站都是與運(yùn)營商共享的。共享時(shí)，企業(yè)在終端登記時(shí)要到公網(wǎng)去，但是它的數(shù)據(jù)流不會(huì)到公網(wǎng)去，而是在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。這種模式也是目前業(yè)界通過運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)來建設(shè)的主流模式。

3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模商用思考

如圖4 所示，5G 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模商用將經(jīng)過3個(gè)主要階段：

（1）在短期內(nèi)，要完成5G網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模化建設(shè)。但是現(xiàn)在面臨的問題是建了網(wǎng)絡(luò)之后誰來用？怎么樣去吸引工業(yè)企業(yè)來使用5G網(wǎng)絡(luò)？這時(shí)就需要利用有特色的業(yè)務(wù)引導(dǎo)這些企業(yè)來使用5G 網(wǎng)絡(luò)。

（2）在中期，要逐步取代車間現(xiàn)有的有線或無線IP 網(wǎng)絡(luò)。這是因?yàn)?G 本身就是一個(gè)高速可靠又能夠適應(yīng)工業(yè)應(yīng)用需求的無線網(wǎng)絡(luò)。

（3）在遠(yuǎn)期，要在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上尋求一些突破，比如替代現(xiàn)在的現(xiàn)場總線、促進(jìn)改變一些工控現(xiàn)場的產(chǎn)品形態(tài)等。這就好比之前在4G出現(xiàn)時(shí)我們并沒有想到微信、抖音和移動(dòng)支付像今天這么流行一樣，在中遠(yuǎn)期希望通過5G 技術(shù)，來產(chǎn)生更多工業(yè)領(lǐng)域的“抖音”“微信”或者“移動(dòng)支付”。

4 中興通訊對(duì)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐探索

在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景方面，經(jīng)過近兩年的探索，中興通訊已經(jīng)探索出很多的5G+工業(yè)應(yīng)用。

如圖5 所示,這些應(yīng)用總體上可分為6大類。在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，中興通訊已經(jīng)與運(yùn)營商及其他合作伙伴聯(lián)合打造了幾十個(gè)5G示范或商用項(xiàng)目。

比如：

（1）在南京濱江制造基地，中興通訊中標(biāo)2020 年首批中國發(fā)展和改革委員會(huì)新基建工程，規(guī)劃了16 大類40 種應(yīng)用場景。目前該工程第一階段已經(jīng)完成了10 個(gè)場景的應(yīng)用，包括機(jī)器視覺、遠(yuǎn)程AR 指導(dǎo)、云化自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）、小站數(shù)字孿生以及園區(qū)巡檢、無人巡邏及清掃等。

（2）在鞍山鋼鐵，中興通訊建設(shè)中國首個(gè)4.9 GHz 企業(yè)專網(wǎng)，在鋼鐵行業(yè)進(jìn)行帶鋼的表面檢測、電機(jī)的監(jiān)測以及皮帶通廊的監(jiān)視和監(jiān)測等。

（3）在湛江寶武，中興通訊已經(jīng)歸納了30 余種應(yīng)用場景，目前這些場景正在逐步實(shí)施落地，同時(shí)湛江寶武也是中國第一個(gè)企業(yè)自建5G 核心網(wǎng)的典型案例。

通過前期5G 在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)踐應(yīng)用，我們發(fā)現(xiàn)目前仍有一些問題亟待完善。

首先，在技術(shù)層面，5G 在eMBB 階段下的時(shí)延及抖動(dòng)無法滿足涉及現(xiàn)場控制方面的要求，需要將來URLLC 標(biāo)準(zhǔn)落地驗(yàn)證；其次，在容量和帶寬方面，對(duì)于集中部署或運(yùn)行的機(jī)器視覺及云化AGV 等應(yīng)用，以5G上行為主，5G 的帶寬及容量仍面臨挑戰(zhàn)；再者，在終端的多樣性上，由于5G 的模組、芯片、產(chǎn)業(yè)鏈仍處于發(fā)展階段，后續(xù)隨著5G 在消費(fèi)領(lǐng)域及垂直行業(yè)領(lǐng)域的整體推進(jìn)，終端的多樣性將會(huì)進(jìn)一步滿足工業(yè)領(lǐng)域的要求；最后，在商業(yè)模式層面，運(yùn)營商、通信設(shè)備商及工業(yè)企業(yè)都一直在積極探索新的商業(yè)模式。

我們建議通過分析問題，找到不同企業(yè)的剛需，挖掘5G 新業(yè)務(wù)，來促進(jìn)商業(yè)模式的逐步明晰。

5 結(jié)束語

當(dāng)前5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從單點(diǎn)局部的特色業(yè)務(wù)逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榧苫?、系統(tǒng)化的應(yīng)用。5G 本身是一張網(wǎng)，這張網(wǎng)可以承載不同的業(yè)務(wù)，如基于5G的車間管理和倉儲(chǔ)物流；但同時(shí)5G 不僅僅是一張網(wǎng)，5G 如果想發(fā)揮它的價(jià)值，就需要與運(yùn)營商、工業(yè)方案提供商、工業(yè)現(xiàn)場的自動(dòng)化裝備提供商等一起合作。發(fā)揮5G 優(yōu)勢，使之真正服務(wù)于工業(yè)企業(yè)，從而促進(jìn)中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 陸平, 李建華, 趙維鐸. 5G 在垂直行業(yè)中的應(yīng)用 [J]. 中興通訊技術(shù), 2019, 25(1): 67-74. DOI:10.12142/ZTETJ.201901011

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責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思考與實(shí)踐

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