摘要：雖然當前5G+工業(yè)互聯(lián)網仍存在一些問題和挑戰(zhàn)，但是5G技術本身也在不斷地發(fā)展和完善中。5G+工業(yè)互聯(lián)網正在從點狀示范應用逐步向面狀應用和系統(tǒng)應用發(fā)展。這一過程需要產業(yè)生態(tài)圈內各類企業(yè)協(xié)同合作，共同發(fā)現(xiàn)產業(yè)需求、創(chuàng)新應用和交付項目，探索并踐行商業(yè)模式，以實現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網的良性發(fā)展。

關鍵詞：工業(yè)互聯(lián)網；5G；智能制造

工業(yè)制造是中國經濟發(fā)展和參與大國競爭的基石，也是振興實體經濟的重要抓手。工業(yè)互聯(lián)網則是實現(xiàn)工業(yè)全系統(tǒng)、全產業(yè)鏈、全價值 鏈連接和支撐工業(yè)智能化發(fā)展的關鍵基礎設施，是新一代信息技術與制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)和應用模式，是互聯(lián)網從消費領域向生產領域、從虛擬經濟向實體經濟拓展的核心載體[1]。

工業(yè)互聯(lián)網作為關鍵基礎設施、全新工業(yè)生態(tài)和新型應用模式，其精髓及優(yōu)勢在于規(guī)?；馁Y源調度與共享。如圖1所示，通過人、機、物的全面互聯(lián)，和全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈的全面連接，工業(yè)互聯(lián)網正在不斷改變傳統(tǒng)的制造模式、生產組織方式和產業(yè)形態(tài)，推動傳統(tǒng)產業(yè)加快轉型升級，加速新興產業(yè)發(fā)展壯大。

在5G為工業(yè)互聯(lián)數(shù)據流動提供重要無線網絡保障的同時，工業(yè)互聯(lián)網為5G提供了廣闊的應用場景。目前，5G＋工業(yè)互聯(lián)網主要應用在工業(yè)設計、工業(yè)制造、質檢、運維、控制、營銷展示等關鍵環(huán)節(jié)中，并形成了工業(yè)三維圖像、移動視覺、遠程運維與遠程操控、無人巡檢、數(shù)據采集等系列化的典型應用場景。未來，5G將逐步向工廠現(xiàn)場控制層面延伸。

1 工業(yè)網絡面臨的問題和挑戰(zhàn)

當前，工業(yè)網絡仍面臨諸多問題，這主要體現(xiàn)在以下3個方面：

（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)議都是封閉化的結構設計，擁有嚴格控制的對外接口。

（2）不夠彈性和靈活，擴展和調整的難度比較大。

（3）不適應業(yè)務發(fā)展的需要，部署和運維的成本比較高。由于工業(yè)網絡涉及到有線和各類無線，加之在現(xiàn)場都有應用，所以它難以融合新技術的變革，對現(xiàn)有技術和架構產生了很大的阻礙影響。

在無線網絡方面，現(xiàn)有工業(yè)無線網絡尚存在以下幾個方面的挑戰(zhàn)：

（1）可靠性和穩(wěn)定性。工業(yè)場合對可靠性和穩(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)對刷新速度要求比較高，而無線通信較難實現(xiàn)高速刷新，同時難以實現(xiàn)大量終端的同時在線連接。

（3）網絡安全。無線網絡被入侵和干擾的風險較高，網絡安全得不到保障。

（4）傳感器無線供電。雖然無線網絡縮短了通信的線路，但是仍解決不了供電線的問題。對傳感器進行無線供電目前仍是一個無法產業(yè)化的問題。

（5）無線工業(yè)領域協(xié)議及標準。有線領域的標準協(xié)議歷經幾十年才被逐漸規(guī)范，在無線工業(yè)領域，這些協(xié)議又被重新定義一遍。

（6）電磁輻射和干擾。由于很多無線網絡會產生電磁輻射，在面向特殊行業(yè)（石油、井工礦等）時，必須考慮防爆和隔爆的特殊要求。

2 5G在工業(yè)領域應用特點和優(yōu)勢

除了人們熟知的3個特點之外，5G在工業(yè)領域[2] 的幾個比較重要特征包括：

（1）網絡切片。網絡切片是5G網絡不同于其他網絡的一個重要的特征，也就是說，一張物理網絡可以虛擬出不同的子網絡，以滿足工業(yè)領域不同業(yè)務的應用場景要求。整個5G 網絡還支持端到端的編排管理，可以根據不同的業(yè)務要求進行彈性擴張或者收縮。

（2）在工業(yè)領域的超可靠低時延通信（URLLC）。目前，R16 標準已經被凍結，URLLC 標準在原有的增強移動寬帶（eMBB）的基礎上，時延得到了進一步降低。

如圖2 所示，在eMBB 場景下跨核心網網元時，整個端到端時延在理想情況下為20 ms 左右。即使是單向的控制指令，從云端發(fā)到終端，時延也需要6 ms 左右。在URLLC 標準出來之后，整個端到端時延可以達到5 ms。如果單向地從云端向終端發(fā)射指令，時延可以小于1 ms。URLLC 奠定了5G在工業(yè)領域應用的地位。

（3）除了低時延之外，5G 還有一個更重要的特點：時延抖動和確定性[3]。與其他消費領域應用不同，工業(yè)領域應用要求不僅時延要低，還要保證時延的確定性，即同樣一個指令，這次1 ms 送達，下次還要1 ms 送達，而不是這次1 ms 送達，下次20 ms 才送達。這是因為時延抖動和不確定性將對工業(yè)領域的生產造成很大影響，

甚至可能會造成災難性的事故。通過5G 面向傳輸隧道時間標簽技術和控制技術，可以把時延抖動控制到微秒級，以保證報文次序的收發(fā)，這對工業(yè)現(xiàn)場網絡是非常重要的。

如圖3 所示，在網絡建設模式方面，5G 面向企業(yè)內網的建設大概有3種模式：

（1）純粹的專網模式。這種模式的好處是企業(yè)的數(shù)據是完全自由的，與外界是不發(fā)生關系的，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，基站與公網共享模式。在這種網絡的布局架構下，終端的登記、注冊以及數(shù)據流都是在企業(yè)內網。目前，中興通訊在寶武湛江鋼鐵完成的中國首家5G 核心網就是這種模式的的典型案例。

（3）核心網用戶面功能（UPF）下沉模式。這也是現(xiàn)在90% 以上的企業(yè)都采用的建網模式，也就是說核心網和基站都是與運營商共享的。共享時，企業(yè)在終端登記時要到公網去，但是它的數(shù)據流不會到公網去，而是在企業(yè)內網。這種模式也是目前業(yè)界通過運營商網絡來建設的主流模式。

3 5G+工業(yè)互聯(lián)網規(guī)模商用思考

如圖4 所示，5G 在工業(yè)互聯(lián)網的規(guī)模商用將經過3個主要階段：

（1）在短期內，要完成5G網絡的規(guī)?；ㄔO。但是現(xiàn)在面臨的問題是建了網絡之后誰來用？怎么樣去吸引工業(yè)企業(yè)來使用5G網絡？這時就需要利用有特色的業(yè)務引導這些企業(yè)來使用5G 網絡。

（2）在中期，要逐步取代車間現(xiàn)有的有線或無線IP 網絡。這是因為5G 本身就是一個高速可靠又能夠適應工業(yè)應用需求的無線網絡。

（3）在遠期，要在這個網絡的基礎之上尋求一些突破，比如替代現(xiàn)在的現(xiàn)場總線、促進改變一些工控現(xiàn)場的產品形態(tài)等。這就好比之前在4G出現(xiàn)時我們并沒有想到微信、抖音和移動支付像今天這么流行一樣，在中遠期希望通過5G 技術，來產生更多工業(yè)領域的“抖音”“微信”或者“移動支付”。

4 中興通訊對5G+工業(yè)互聯(lián)網的實踐探索

在5G+工業(yè)互聯(lián)網應用場景方面，經過近兩年的探索，中興通訊已經探索出很多的5G+工業(yè)應用。

如圖5 所示,這些應用總體上可分為6大類。在5G+工業(yè)互聯(lián)網領域，中興通訊已經與運營商及其他合作伙伴聯(lián)合打造了幾十個5G示范或商用項目。

比如：

（1）在南京濱江制造基地，中興通訊中標2020 年首批中國發(fā)展和改革委員會新基建工程，規(guī)劃了16 大類40 種應用場景。目前該工程第一階段已經完成了10 個場景的應用，包括機器視覺、遠程AR 指導、云化自動導引運輸車（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，中興通訊建設中國首個4.9 GHz 企業(yè)專網，在鋼鐵行業(yè)進行帶鋼的表面檢測、電機的監(jiān)測以及皮帶通廊的監(jiān)視和監(jiān)測等。

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

通過前期5G 在工業(yè)領域的實踐應用，我們發(fā)現(xiàn)目前仍有一些問題亟待完善。

首先，在技術層面，5G 在eMBB 階段下的時延及抖動無法滿足涉及現(xiàn)場控制方面的要求，需要將來URLLC 標準落地驗證；其次，在容量和帶寬方面，對于集中部署或運行的機器視覺及云化AGV 等應用，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、產業(yè)鏈仍處于發(fā)展階段，后續(xù)隨著5G 在消費領域及垂直行業(yè)領域的整體推進，終端的多樣性將會進一步滿足工業(yè)領域的要求；最后，在商業(yè)模式層面，運營商、通信設備商及工業(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，來促進商業(yè)模式的逐步明晰。

5 結束語

當前5G+ 工業(yè)互聯(lián)網已經從單點局部的特色業(yè)務逐步轉變?yōu)榧苫⑾到y(tǒng)化的應用。5G 本身是一張網，這張網可以承載不同的業(yè)務，如基于5G的車間管理和倉儲物流；但同時5G 不僅僅是一張網，5G 如果想發(fā)揮它的價值，就需要與運營商、工業(yè)方案提供商、工業(yè)現(xiàn)場的自動化裝備提供商等一起合作。發(fā)揮5G 優(yōu)勢，使之真正服務于工業(yè)企業(yè)，從而促進中國制造業(yè)的轉型升級。

參考文獻

[1] 工業(yè)互聯(lián)網產業(yè)聯(lián)盟. 工業(yè)互聯(lián)網體系架構2.0[EB/OL]. (2019-02)[2020-09-16]. http://www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c7886657/content.html

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

[3] 趙福川, 劉愛華, 周華東. 5G 確定性網絡的應用和傳送技術 [J]. 中興通訊技術, 2019, 25(5): 62-67. DOI: 10.12142/ZTETJ.201905010

責任編輯：xj

原文標題：5G+工業(yè)互聯(lián)網的思考與實踐

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