一個(gè)真正的智慧工廠，到底需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)？

近日的武漢，從高規(guī)格的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，傳來幾組數(shù)據(jù)，既讓ICT業(yè)和制造業(yè)感到振奮，又感到了更艱巨的挑戰(zhàn)。

在全國(guó)5G基站已建成70萬座的快速布網(wǎng)下，應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G基站也達(dá)到了3.2萬個(gè)，而且在建的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目超過了1100個(gè)。運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商，都已經(jīng)強(qiáng)烈意識(shí)到了5G在toB市場(chǎng)的重大意義。

但各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境如何一一應(yīng)對(duì)、工業(yè)環(huán)境上行帶寬的需求尚不能被滿足、安全性與經(jīng)濟(jì)性有待協(xié)同、產(chǎn)業(yè)支撐體系待完善等，都是決定5G能否真正融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的幾大待解難題。

北京科技大學(xué)國(guó)家“萬人計(jì)劃”領(lǐng)軍人才王健全教授團(tuán)隊(duì)牽頭承擔(dān)的研究課題，就是“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點(diǎn)專項(xiàng)，也是本年度國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃中5G研究領(lǐng)域唯一由高校牽頭承擔(dān)的項(xiàng)目。

結(jié)合上述問題，在“預(yù)見2021”專欄中，王健全教授接受了紫金山科技的采訪。他的一席話，讓我們茅塞頓開。

5G+工業(yè)，大機(jī)遇下的大挑戰(zhàn)

紫金山科技：5G應(yīng)用于制造業(yè)，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，是去年到今年的一個(gè)大趨勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商今年也在很多工廠做了不少5G案例，但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，每一個(gè)細(xì)分領(lǐng)域都有其工業(yè)/制造特性，您認(rèn)為，2020年國(guó)內(nèi)在5G進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域方面，還處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)什么發(fā)展水平？與國(guó)際上相對(duì)進(jìn)展較快的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署案例相比，我們主要該提高哪些方面進(jìn)度或者意識(shí)？

王健全：經(jīng)過一年多的發(fā)展，5G+行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有了很多成功的案例，如5G+高清攝像的遠(yuǎn)程醫(yī)療， 5G+視覺檢測(cè)的故障缺陷自動(dòng)檢測(cè)，5G+遠(yuǎn)程操控的集中遠(yuǎn)程操控，有了很多實(shí)際應(yīng)用。5G拓寬了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，改變了工業(yè)互聯(lián)的感知與計(jì)算。

但當(dāng)前開展的5G行業(yè)示范應(yīng)用，仍然以大帶寬能力示范為主，是5G+應(yīng)用， 是大管道+應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主體是工業(yè)，要從工業(yè)生產(chǎn)效率提升、工業(yè)投資有效率提升、安全生產(chǎn)性能提升等工業(yè)自身角度看賦能的效果，5G+雖然已經(jīng)解決了不少應(yīng)用場(chǎng)景，但是5G與行業(yè)的深化融合發(fā)展尚面臨不少挑戰(zhàn)，從工業(yè)思考角度也面臨不少挑戰(zhàn)。

一是服務(wù)對(duì)象的理解有待加強(qiáng)。5G之前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)主要的服務(wù)對(duì)象為人，是to C的服務(wù)，5G要賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其服務(wù)的對(duì)象是機(jī)器，或者廣義上說是人、機(jī)、物、料的混合體，這個(gè)to B可不僅簡(jiǎn)單等同于原先基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的to B，這個(gè)變化不僅是商業(yè)模式上有很大的變化，對(duì)技術(shù)層面也提出了具體的挑戰(zhàn)。

二是投資回報(bào)不明朗。to C的收入模型很簡(jiǎn)單，但在to B領(lǐng)域，由于機(jī)器、物、料等涉及到大量的連接，無法按照簡(jiǎn)單的to C思路進(jìn)行照搬，所以5G的投資回報(bào)是個(gè)問題，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的to B商業(yè)模式上存在兩個(gè)層面的問題。一個(gè)是從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的角度，誰來承擔(dān)相關(guān)費(fèi)用的問題，因?yàn)橐酝蠖鄶?shù)場(chǎng)景下由運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一承擔(dān)建網(wǎng)和維護(hù)費(fèi)用，顯然完全照搬這種方式，運(yùn)營(yíng)商壓力太大，所服務(wù)的企業(yè)也必須分擔(dān)相關(guān)費(fèi)用；二是在第一個(gè)層面確定的情況下，對(duì)人、機(jī)、物、料如何收費(fèi)的問題，這兩個(gè)問題是一個(gè)整體，目前還沒有特別成熟的參考模式。

三是技術(shù)和產(chǎn)品還不夠成熟和完善。工廠級(jí)的終端功能還有所欠缺，終端不僅能接入移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，還要求能適配多種工業(yè)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與感知的融合；此外，終端性能上穩(wěn)定性、可靠性要求更高，要能耐高溫，防粉塵，抗強(qiáng)電磁干擾。網(wǎng)絡(luò)功能也要可定制化/可裁剪化，可結(jié)合MEC及部分核心網(wǎng)功能的下移，根據(jù)服務(wù)的對(duì)象（人、機(jī)、物、料）的性質(zhì)，簡(jiǎn)化工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的按需定制化，降低網(wǎng)絡(luò)投資。

同時(shí)，制造業(yè)內(nèi)部有很多復(fù)雜的流程，對(duì)不同工序或者機(jī)器設(shè)備之間提出了很高的時(shí)間同步和指令傳遞確定性的要求，5G技術(shù)雖然在低時(shí)延方面已經(jīng)相比前幾代移動(dòng)通信技術(shù)有了大幅提升，但是由于其本質(zhì)服務(wù)對(duì)象是人，在實(shí)現(xiàn)機(jī)理上就沒有考慮確定性的保障，因此，為了能夠滿足特定場(chǎng)景的需求，必須提升自身網(wǎng)絡(luò)性能，或者與確定性網(wǎng)絡(luò)融合來解決。

所以，一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，要想實(shí)現(xiàn)真正的智能化，能實(shí)現(xiàn)感知、控制、執(zhí)行及通信的一體化，還有很多工作需要去做。

四是缺乏相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。目前5G+行業(yè)應(yīng)用還在試用和示范階段，具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接口、技術(shù)方案、終端方面還缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，無法形成規(guī)模效應(yīng)，急需制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

五是缺乏產(chǎn)學(xué)研用的體系化銜接。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合賦能智能制造，主要推動(dòng)者還是傳統(tǒng)的IT和CT企業(yè)，還是從平臺(tái)化和網(wǎng)絡(luò)化的角度各自側(cè)重，還缺乏體系化、理論化的頂層設(shè)計(jì)，需要政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合推動(dòng)，才能加速其進(jìn)程。

所以，2020年5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要是在用To C 產(chǎn)品服務(wù)to B市場(chǎng)的一年，是逐步摸索賦能智能制造和發(fā)現(xiàn)問題的一年。

紫金山科技：工業(yè)尤其是制造業(yè)，對(duì)時(shí)延的要求非常敏感，理論上，5G無線傳輸速率高達(dá)每秒10G比特，時(shí)延不到1毫秒，據(jù)您了解，5G方案在真正解決制造業(yè)的時(shí)延要求方面還有哪些問題？

王健全：對(duì)于工廠內(nèi)遠(yuǎn)程操控類、AGV及移動(dòng)監(jiān)控類業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延的要求是很高的，5G的傳輸時(shí)延是指空口側(cè)，而這些業(yè)務(wù)的時(shí)延要求是端到端的要求，所以為了降低時(shí)延要求，必須采用用戶面下沉的方式，最大化的降低基站到核心網(wǎng)，傳輸時(shí)延，同時(shí)進(jìn)一步降低空口的時(shí)延。

除了時(shí)延以外，對(duì)于工業(yè)系統(tǒng)，更重要的是實(shí)現(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的確定性，網(wǎng)絡(luò)具有確定性時(shí)延這一特征對(duì)工業(yè)業(yè)務(wù)傳輸尤為重要，意味著整個(gè)系統(tǒng)的可行與可靠，是工業(yè)系統(tǒng)安全可控的基礎(chǔ)。雖然5G在R16版本中針對(duì)低時(shí)延和超高可靠技術(shù)方面做了較大提升，但在滿足工業(yè)實(shí)時(shí)類、工業(yè)自動(dòng)控制類業(yè)務(wù)確定性傳輸需求方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

紫金山科技：您所在的團(tuán)隊(duì)正在研發(fā)攻關(guān)的“適配工業(yè)自動(dòng)化的5G與TSN協(xié)同傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)”項(xiàng)目，在工業(yè)自動(dòng)化與智能化領(lǐng)域的交叉融合上，主要側(cè)重點(diǎn)是什么？

王健全：3GPP在2020年8月發(fā)布的R16版本中，已經(jīng)對(duì)5G與TSN的適配做了部分的規(guī)范，其主要是將5G作為TSN的橋接功能做了相關(guān)的規(guī)定，側(cè)重點(diǎn)是5G如何適配TSN，但5G橋接TSN并不等同于5G與TSN的融合，我們牽頭承擔(dān)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“適配工業(yè)自動(dòng)化的5G與TSN協(xié)同傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)”是在R16的基礎(chǔ)上，從5G與TSN交互的全局信息共享與端到端統(tǒng)一管控、5G與TSN的雙向柔性適配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的全局優(yōu)化與高效協(xié)同三個(gè)角度進(jìn)行研究。此外，我們的研究將著重面向工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景，力爭(zhēng)將提升了確定性保障能力的5G系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)制造場(chǎng)景中。

紫金山科技：在基礎(chǔ)理論研究之外，TSN與5G新技術(shù)協(xié)同傳輸，在研制核心設(shè)備，搭建試驗(yàn)床， 并為智能工廠提供完備網(wǎng)絡(luò)支撐方面是如何與產(chǎn)業(yè)各方合作的？

王健全：承擔(dān)國(guó)家研發(fā)項(xiàng)目的團(tuán)隊(duì)中，除了高校之外，我們的團(tuán)隊(duì)還有中興通訊、東土科技、中國(guó)聯(lián)通合作，在協(xié)同架構(gòu)與關(guān)鍵理論指引下，中興通訊負(fù)責(zé)適配TSN的5G核心設(shè)備升級(jí)改造的研發(fā)，東土科技負(fù)責(zé)自主TSN設(shè)備的研發(fā)，雙方合作搭建試驗(yàn)床進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證，并適時(shí)在湛江鋼鐵或者唐山鋼鐵的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

當(dāng)然，除了上述國(guó)家項(xiàng)目的合作伙伴之外，我們還會(huì)積極和新型的移動(dòng)通信設(shè)備商如京信、佰才邦一同推進(jìn)基于軟件定義的適配工業(yè)環(huán)境的移動(dòng)設(shè)備的研發(fā)，同時(shí)也會(huì)和工業(yè)TSN廠家開展兩方面的工作，一方面是推動(dòng)TSN設(shè)備在工業(yè)場(chǎng)景，尤其是鋼鐵冶金等自動(dòng)化程度較高的場(chǎng)景的應(yīng)用；另一方面是發(fā)揮高校橋梁的作用，聯(lián)合TSN生產(chǎn)廠商、儀器儀表廠商及5G產(chǎn)業(yè)廠商一起研究5G與TSN協(xié)同傳輸?shù)脑O(shè)備、無線TSN設(shè)備等的研發(fā)，并一同推進(jìn)相關(guān)技術(shù)方案的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

紫金山科技：具體來說，基于5G與TSN協(xié)同能給工廠帶來哪方面質(zhì)的變化？

王健全：智能工廠的重要特征是數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)控制決策的智能化。傳統(tǒng)工廠中，由于網(wǎng)絡(luò)能力的不足，感知、執(zhí)行與控制都在靠近設(shè)備側(cè)來完成，導(dǎo)致了設(shè)備間、產(chǎn)線間的協(xié)同協(xié)作較難完成。隨著智能化工業(yè)設(shè)備的逐步成熟，大規(guī)模機(jī)器間協(xié)作、機(jī)械臂協(xié)作生產(chǎn)、跨產(chǎn)線協(xié)同等場(chǎng)景需求日趨強(qiáng)烈，這對(duì)單體化、煙囪化的工業(yè)自動(dòng)化控制體系提出了挑戰(zhàn)。

基于5G與TSN的協(xié)同，或者說基于確定性網(wǎng)絡(luò)，可以使得傳統(tǒng)制造行業(yè)的感知、執(zhí)行與控制分離，改變現(xiàn)在感知、執(zhí)行、控制融合的單體化、煙囪化的現(xiàn)狀，控制集中化，接口標(biāo)準(zhǔn)化，決策全局化，大大提高控制效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，還可以打破傳統(tǒng)控制設(shè)備受國(guó)外控制的局面，逐步實(shí)現(xiàn)國(guó)有化。

與運(yùn)營(yíng)商合作，是智慧工廠的必然方式嗎？

紫金山科技：此前德國(guó)、日本等地為工廠自建5G提供了政策或分配了頻率，一些先進(jìn)的汽車企業(yè)已經(jīng)開始自建5G專網(wǎng)，但國(guó)內(nèi)似乎是運(yùn)營(yíng)商與工廠合作為主，您認(rèn)為國(guó)內(nèi)更適合那種方式來構(gòu)建基于5G的智慧工廠？是否需要專門的頻段來支撐？

王健全：專有頻率問題不僅是技術(shù)問題，更是國(guó)家政策方面的問題，在目前沒有給工廠自建5G分配專有頻率的情況下，制造企業(yè)必須選擇與運(yùn)營(yíng)商合作（不包括煤礦井下封閉系統(tǒng)直接與設(shè)備商合作的情況，因?yàn)榫碌念l率不會(huì)對(duì)地面上公網(wǎng)造成影響）。

單從技術(shù)和市場(chǎng)角度來看，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象是工廠（人、機(jī)、物），也就是工廠運(yùn)營(yíng)方，他們希望用最盡量少的花費(fèi)來達(dá)到智慧效果，這些花費(fèi)包括建網(wǎng)投資、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)和設(shè)備維護(hù)費(fèi)等。是否有專門的頻段其差別就在于是否有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)，而這個(gè)也是影響工廠建網(wǎng)積極性的關(guān)鍵因素，無論這張網(wǎng)絡(luò)是誰來建，其建設(shè)和維護(hù)成本都是必要的支出，如果是和運(yùn)營(yíng)商合作，除了分?jǐn)偨ňW(wǎng)成本、設(shè)備維護(hù)外包（部分有實(shí)力的）外，還需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費(fèi)（包括人、機(jī)、物的連接服務(wù)）。從這方面看，如果有單獨(dú)的頻點(diǎn)，自己獨(dú)立組網(wǎng)，對(duì)一些有資金實(shí)力的工廠主動(dòng)意愿會(huì)更強(qiáng)，此外，自己建網(wǎng)如果不和公網(wǎng)相連，本質(zhì)上還是一個(gè)物理專網(wǎng)，其安全性也會(huì)高。

但從另一個(gè)層面看，如果企業(yè)獨(dú)立建網(wǎng)的話，所有的建設(shè)和維護(hù)費(fèi)用都需要企業(yè)自己負(fù)責(zé)，這不是一般性企業(yè)能夠負(fù)擔(dān)的，此外，運(yùn)營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)（端管邊云集成服務(wù)）方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，而且有專業(yè)的維護(hù)隊(duì)伍，傳統(tǒng)企業(yè)很難在這方面快速形成能力，即使形成能力也需要不小的花費(fèi)，所以從實(shí)際效果來看，和運(yùn)營(yíng)商或者和有集成方案能力的廠家合作，對(duì)于工廠也是很好的選擇。

建議對(duì)于專有頻率，可以小范圍開展試點(diǎn)，從試點(diǎn)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，來評(píng)估是否發(fā)放專用頻率。

紫金山科技：2021年，您認(rèn)為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能發(fā)展到一個(gè)什么階段？會(huì)有哪些明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)出現(xiàn)？

王健全：5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的進(jìn)程，取決于是否真正解決企業(yè)的實(shí)際問題、痛點(diǎn)問題。2020年各方都在大力推進(jìn)，在進(jìn)入工廠內(nèi)部、與工業(yè)內(nèi)部需求對(duì)接的時(shí)候就會(huì)發(fā)現(xiàn)真正的問題，而遇到問題并不可怕，沒遇到問題才說明是“真的問題”，說明5G還沒有真正與工業(yè)生產(chǎn)融合。

所以經(jīng)過2020年5G大規(guī)模、高起點(diǎn)的行業(yè)推進(jìn)建設(shè)，2021-2025年之間都是5G加速向行業(yè)滲透的發(fā)展期，而且會(huì)變得更務(wù)實(shí)、更貼近企業(yè)生產(chǎn)流程、更靠近企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，將逐步實(shí)現(xiàn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)上的突破、商業(yè)模式上新的創(chuàng)新、技術(shù)上的改進(jìn)和革新，包括適配多種工業(yè)協(xié)議的終端、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的高效覆蓋方案，低成本的可定制化的網(wǎng)絡(luò)方案，5G如何與TSN、DetNET等確定性網(wǎng)絡(luò)的融合，綜合考慮終端、網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、智能化等解決方案。

基于上述各個(gè)方面問題的解決或者解決方案的升級(jí)，可以真正推動(dòng)智能工廠一些技術(shù)上的革新或者升級(jí)，從以大帶寬提供監(jiān)控類服務(wù)走向可實(shí)現(xiàn)控制與感知執(zhí)行分離的云化PLC、可遠(yuǎn)程管理和控制的智能化的AGV等。
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