近日，中國信息通信研究院、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟共同發(fā)布《5G全連接工廠建設(shè)白皮書（征求意見稿）》（以下簡稱“白皮書”）。

白皮書在《5G全連接工廠建設(shè)指南》的指引下，在深入研究企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中遇到的問題、探索5G在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮的作用、論述當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)情況、總結(jié)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展成效等工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討5G全連接工廠創(chuàng)新發(fā)展的重要意義，分析5G全連接工廠內(nèi)涵，研究提出5G全連接工廠建設(shè)框架和建設(shè)實(shí)施方案等，為各地方、各企業(yè)開展5G全連接工廠建設(shè)提供參考。

后續(xù)，聯(lián)盟將和大家一起深入研讀白皮書中部分精華內(nèi)容。

5G全連接工廠建設(shè)實(shí)施方案——廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)

5G全連接工廠相對(duì)傳統(tǒng)工廠而言，重點(diǎn)從現(xiàn)場(chǎng)裝備、IT /OT融合應(yīng)用、生產(chǎn)服務(wù)等三方面進(jìn)行升級(jí)。

01

現(xiàn)場(chǎng)裝備網(wǎng)絡(luò)化改造

當(dāng)前，工廠內(nèi)仍然存在大量的設(shè)備、系統(tǒng)、物料等不具備聯(lián)網(wǎng)能力，這將導(dǎo)致設(shè)備使用情況、系統(tǒng)使用情況、物料信息等不能及時(shí)獲取，導(dǎo)致生產(chǎn)資源的浪費(fèi)、生產(chǎn)效率的低下、運(yùn)營管理的粗放等問題。企業(yè)可通過有線網(wǎng)絡(luò)或無線網(wǎng)絡(luò)，將人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等接入到網(wǎng)絡(luò)中，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)或獲取相關(guān)信息。工廠內(nèi)的數(shù)控機(jī)床、壓縮機(jī)、電動(dòng)機(jī)、精密檢測(cè)、離心泵等沒有移動(dòng)需求的設(shè)備可采用有線方式。而AGV、叉車、機(jī)器人、碼垛機(jī)、工業(yè)相機(jī)、挖掘機(jī)等有移動(dòng)需求的設(shè)備可采用無線聯(lián)網(wǎng)方式。

圖1：5G全連接工廠人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容示例

5G作為無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的一種，在工業(yè)生產(chǎn)中可替代原有七國八制的多種工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。5G對(duì)其他工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可替代性分析如表1所示。

表1：5G對(duì)其他工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可替代性分析

設(shè)備或系統(tǒng)可進(jìn)行5G化改造的特征有以下三種：

（1）部署需求：具有可移動(dòng)、靈活化等部署需求的設(shè)備.

（2）作業(yè)需求：具有擺動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等作業(yè)需求的設(shè)備。

（3）性能需求：數(shù)據(jù)流量大、高可靠、低時(shí)延等性能需求的設(shè)備或系統(tǒng)。

設(shè)備的5G化改造方式有以下兩種：

（1）可以采用外接5G終端/網(wǎng)關(guān)的方式，完成設(shè)備的5G化改造?，F(xiàn)階段主要是通過連接5G CPE或5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行改造。其中5G CPE適用于現(xiàn)場(chǎng)有移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)設(shè)備，有無線連接需求的工業(yè)場(chǎng)景；5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)適用于在工廠邊緣側(cè)對(duì)于數(shù)據(jù)有匯聚、處理需求，作為邊緣網(wǎng)關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景。

（2）內(nèi)置帶有5G功能的芯片、模組、傳感器等，完成設(shè)備的5G化改造。伴隨著5G URLLC技術(shù)的發(fā)展，5G模組將提供類似于傳統(tǒng)工業(yè)模組的功能，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（如IO/變頻器/PLC等）可內(nèi)置集成5G URLLC模組，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)工業(yè)模組向5G模組平滑過度。

在人、機(jī)、料、環(huán)、環(huán)、測(cè)等全面聯(lián)網(wǎng)后，便可通過人工輸入、系統(tǒng)導(dǎo)入、自動(dòng)感知、設(shè)備讀取、視頻采集、系統(tǒng)生成等方式，對(duì)研發(fā)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、運(yùn)維數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、外部數(shù)據(jù)等各類生產(chǎn)運(yùn)營管理所需的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集到的數(shù)據(jù)應(yīng)包含但不限于海量的關(guān)鍵價(jià)值數(shù)據(jù)、接口數(shù)據(jù)、信息化數(shù)據(jù)以及文檔、圖片、音頻、視頻等類型數(shù)據(jù)。

圖7 5G全連接工廠人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等數(shù)據(jù)采集內(nèi)容示例

其中可通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)特征如下：

? 視頻

? 聲音

? 質(zhì)量較高的圖片

? 海量的文字?jǐn)?shù)據(jù)

? 時(shí)延、可靠性要求較高得指令信息

02

IT/OT應(yīng)用融合化部署

在傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)中，IT系統(tǒng)應(yīng)用和OT系統(tǒng)應(yīng)用是由不同的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行建設(shè)和管理，其中IT系統(tǒng)應(yīng)用一般由具有計(jì)算機(jī)、軟件等背景知識(shí)的人員組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)，主要是實(shí)現(xiàn)企業(yè)的信息化，提高生產(chǎn)管理運(yùn)營能力。OT系統(tǒng)應(yīng)用一般由工業(yè)控制等背景知識(shí)的人員組成團(tuán)隊(duì)進(jìn)行研發(fā)，主要是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)制造的自動(dòng)化。IT與OT之間存在一個(gè)物理或虛擬的“墻”進(jìn)行隔離，相對(duì)獨(dú)立。近年來，企業(yè)在推動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中，亟需實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、服務(wù)、管理等全環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)共享與快速流轉(zhuǎn)，以滿足提高產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)生產(chǎn)效率、降低企業(yè)運(yùn)營成本、快速響應(yīng)市場(chǎng)需求等。

在5G全連接工廠建設(shè)中，建議改變?cè)泄S內(nèi)IT-OT系統(tǒng)應(yīng)用建設(shè)運(yùn)營方式，組織IT-OT融合團(tuán)隊(duì)，對(duì)IT-OT進(jìn)行一體化部署，通過應(yīng)用軟件或系統(tǒng)功能的云化部署，研發(fā)面向工廠生產(chǎn)、運(yùn)營、管理等需要的各類移動(dòng)端應(yīng)用程序（APP），建立起扁平化、靈活化 “云-邊”協(xié)同架構(gòu)，形成IT-OT應(yīng)用的統(tǒng)籌建設(shè)、統(tǒng)一運(yùn)維、統(tǒng)一管理，并促進(jìn)形成工廠內(nèi)同時(shí)要加快推進(jìn)云網(wǎng)融合，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、計(jì)算資源、平臺(tái)資源等橫向打通，提升工廠生產(chǎn)運(yùn)營管理效率。

圖8 5G全連接工廠IT/OT應(yīng)用“云-邊”協(xié)同架構(gòu)

將應(yīng)用軟件或系統(tǒng)功能的云化部署，可實(shí)現(xiàn)本地設(shè)備、系統(tǒng)的輕量化。云化部署的對(duì)象包含設(shè)備功能、生產(chǎn)控制系統(tǒng)、工業(yè)軟件、企業(yè)信息化管理系統(tǒng)及軟件等。云化功能的特征包含具有遠(yuǎn)程調(diào)用、資源共享、高算力性能等需求的功能，如云化AGV、云化機(jī)器人、云化PLC、云化SCADA、云化MES、云化機(jī)器視覺檢測(cè)平臺(tái)、云化企業(yè)資產(chǎn)管理系統(tǒng)等。

企業(yè)可根據(jù)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)需要將應(yīng)用部署在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)和企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上。建議對(duì)高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高安全性的應(yīng)用按需部署在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)上，通過邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)，為生產(chǎn)的端側(cè)就近提供智能化服務(wù)，提升企業(yè)的生產(chǎn)效率。對(duì)需要海量數(shù)據(jù)支持、高算力的應(yīng)用及相關(guān)管理系統(tǒng)功能等部署在企業(yè)級(jí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，可通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)，對(duì)設(shè)備、產(chǎn)品、生產(chǎn)工藝、企業(yè)管理等模型進(jìn)行訓(xùn)練，持續(xù)優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)工廠各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。

03

生產(chǎn)服務(wù)智能化升級(jí)

工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展的過程中，對(duì)生產(chǎn)服務(wù)提出了新要求，如平臺(tái)化設(shè)計(jì)、智能化制造、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸、數(shù)字化管理等，這些新型的生產(chǎn)應(yīng)用模式，需要基于海量工業(yè)數(shù)據(jù)，通過端到端的數(shù)據(jù)深度集成與建模分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能應(yīng)用。

工業(yè)數(shù)據(jù)建模是工業(yè)經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)科學(xué)的有機(jī)結(jié)合，通過工業(yè)問題定義、工業(yè)數(shù)據(jù)選擇、數(shù)據(jù)預(yù)處理、特征工程、算法選擇、模型訓(xùn)練、模型評(píng)估、模型應(yīng)用、模型迭代優(yōu)化、模型變更等環(huán)節(jié)，循序漸進(jìn)的逐步建立起數(shù)據(jù)模型，并隨著技術(shù)演進(jìn)和生產(chǎn)運(yùn)營管理所需，形成螺旋式上升的方式持續(xù)優(yōu)化模型。其中工業(yè)問題定義，是將工業(yè)問題轉(zhuǎn)化為清晰的數(shù)據(jù)問題。特征工程與算法選擇，是將復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景抽象化并與恰當(dāng)算法進(jìn)行匹配。模型化迭代優(yōu)化，是基于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果和海量數(shù)據(jù)，不斷優(yōu)化模型，提升應(yīng)用能力。

在工業(yè)數(shù)據(jù)建模與分析中，建議不斷積累和沉淀專業(yè)領(lǐng)域知識(shí)、工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、已知工業(yè)機(jī)理等，構(gòu)建工業(yè)機(jī)理模型，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，并綜合利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、機(jī)器學(xué)習(xí)、人工智能算法等，實(shí)現(xiàn)面向歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、時(shí)序數(shù)據(jù)的聚類、關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)分析。當(dāng)前工業(yè)數(shù)據(jù)高級(jí)分析算法主要以機(jī)器學(xué)習(xí)為主，可基于回歸算法、貝葉斯算法、關(guān)聯(lián)規(guī)則算法、聚類算法、決策樹算法、深度學(xué)習(xí)算法等。數(shù)據(jù)分析工具主要以集成算法包的開源數(shù)據(jù)工具為主，如Python、R或兩者的結(jié)合等。

白皮書目錄

一、 5G全連接工廠發(fā)展的重要意義

(一) 企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展加速

(二) 5G全連接工廠創(chuàng)新發(fā)展的重要意義

二、 5G全連接工廠內(nèi)涵

三、 5G全連接工廠建設(shè)框架

四、 5G全連接工廠建設(shè)實(shí)施方案

(一) 基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)

(二) 廠區(qū)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)

(三) 關(guān)鍵環(huán)節(jié)應(yīng)用

(四) 網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

五、 5G全連接工廠建設(shè)發(fā)展路徑

六、 5G全連接工廠生態(tài)建設(shè)

附件1 5G全連接工廠評(píng)價(jià)關(guān)鍵要素

附件2 縮略語

審核編輯 ：李倩