5G技術在工業互聯網領域的應用研究

5G 不僅僅是一次信息通信技術的升級換代，更是一場影響深遠的全方位變革。5G 無線和網絡的一些關鍵技術特性十分契合工業互聯網的應用需求，能夠促進工業、交通、金融等垂直行業迅速轉型升級。5G 與4G技術對比來說，５G峯值速率會提高几十倍，從４G的最高值100Ｍb/s提升至數十Gb/s，端到端延時將從４G的十幾毫秒減少到５G的幾毫秒。另外5G網絡系統在網絡域安全、用戶域安全、應用域安全、安全可見性等協議設計方面都有增強。

5G技術的應用場景主要有：增強移動寬帶場景（eMBB），聚焦對帶寬有極高要求的業務，提供每秒Gbit級的高傳輸速率，主要是針對手機、移動終端提供服務，包括5G+VR/AR、5G+超高清視頻等，能夠給直播、影視、遊戲社交領域及遠程教育方面帶來新的商機市場；超可靠低時延通信（URLLC），以5G的低時延、高可靠爲特性，提供<1ms的極低時延，主要聚焦輔助駕駛/自動駕駛、工業控制、遠程手術、無人機控制等對時延極其敏感的業務，助力企業降本增效。低功耗大連接場景（MMTC），以5G採用的NB-IOT及eMTC技術，能夠滿足低功耗廣覆蓋的場景需求，主要覆蓋智慧城市、智慧農業、抄表業務等具有高連接密度的場景，提供每平方公里百萬連接，助力物聯網加速發展。

當前5G已成爲引領融合創新、激發新型信息消費的新動力，成爲促進產業升級、驅動經濟持續增長的新引擎。相比4G網絡，5G技術在無線和系統架構上的革新，使其能夠更好地滿足工業應用的高性能要求。5G與工業互聯網的深度融合發展正在加速工業經濟的數字化、網絡化、智能化轉型，將對我國經濟社會發展產生深遠影響。目前我國也正在積極開展5G與工業的深度融合，面向工業互聯網、智慧能源等重點行業，打造多個5G應用場景，推出一系列5G示範項目，進一步推動5G融入百業。

二、工業互聯網概述

2020年政府工作報告提出，“新基建”主要包括5G基站建設、特高壓、城際高速鐵路和城市軌道交通、新能源汽車充電樁、大數據中心、人工智能、工業互聯網七大領域。工業互聯網作爲“新基建”的核心部分，是基於雲計算、大數據、物聯網、人工智能等技術與工業技術相融合，爲工業企業提供數字化、網絡化、智能化服務，實現人、機、物全面互聯的新型網絡基礎設施。它將改變工業發展的模式，爲第四次工業革命打下堅實的基礎，也是中國製造業轉型升級的重要支柱。

根據工業互聯網的產業鏈來劃分，可將其分爲五部分：企業硬件設備層、數據採集層、平臺層、工業APP及涉及所有層面的工業安全防護體系。當前工業互聯網應用場景不斷豐富，已廣泛應用於智能設備製造、新材料研發、生物醫藥研發、食品研發、汽車零部件製造等多個領域。工業互聯網各層之間通過構建專屬的企業專網連接機器、物料、人、信息系統，以此實現工業數據的全面感知、動態傳輸、實時分析，形成科學決策與智能控制，提高製造資源配置效率。工業互聯網的“骨架”要靈活運作起來，企業專網很關鍵，企業專網幫助實現工業互聯網平臺各層之間數據互通，實現人、物、資金和信息“四流”的集中匯聚和高效協同。

5G網絡可以通過構建5G企業專網來承載企業、行業和許多其他垂直行業對覆蓋範圍、性能、安全性和可靠性有很高要求的場景。5G網絡資源可針對特定用戶進行邏輯及物理隔離，可以從基站到核心網應用全部只服務於一個用戶，同時向用戶開放網絡運維管理能力。5G企業專網屬於電信級加密無線網，安全級別高，確保了數據的私密性，確保網絡可管可控，可實現數據不出本地局域網。對工業互聯網來說，給企業園區部署的5G企業專網能夠保證企業數據私密性和生產安全性。

三、5G技術在工業互聯網中的應用

1. 工業互聯網對5G 網絡的要求

工業互聯網平臺會產生並使用大量數據，從提高效率、降低成本的角度考慮，傳統光纖對企業來講成本太高，而且工廠內的網絡也需要實現無線化。無線化減少了機器之間的線路成本，又能夠在各種場景中平滑切換，使得工廠模塊化生產和柔性製造成爲可能。

隨着工廠規模的擴大和工業工程的複雜化，傳統Wi-Fi在覆蓋範圍、安全性及穩定性方面存在欠缺；而4G網絡最高下載速率爲100Mbit/s、上傳爲50Mbit/s，音頻、視頻和高清圖像等大容量數據難以實時發送，無法滿足工業互聯網平臺實時性要求，這也決定了企業關鍵工序不能全面使用Wi-Fi和4G網絡。5G網絡的快速性、高可靠性，與工業互聯網低時延、高可靠、廣覆蓋的特性十分契合，工業生產過程中產生的各種數據可通過5G局域網實時彙集到邊緣終端或雲平臺上。此外，面對不同企業的生產場景對網絡QoS的要求不同，有的工序環節需要低時延，有的環節需要高可靠，有的需要高帶寬速率，5G網絡的切片技術，可以在通用的網絡平臺上根據需要靈活調整QoS。可以說5G的到來不僅提升了硬件軟件化、軟件數字化的速度，還推動了通信行業與各行各業的深度融合。

2. 5G與工業互聯網融合應用場景

工業互聯網是5G最主要的應用場景之一，已成爲5G賦能行業的典型代表，“5G+工業互聯網”的融合發展有利於推動工業化與信息化在更廣範圍、更深程度、更高水平實現融合發展，是經濟社會高質量發展的有力抓手。近年來，各地、各企業結合最新技術和實際業務場景，圍繞工業互聯網進行了充分的研究和討論，5G已在AR/VR、無人機、遠程控制、機器視覺等方面融合衍生出一些通用型應用場景，積累了不少工業互聯網解決方案和最佳實踐。

5G與雲端機器人的融合應用：該場景主要應用於智慧工廠/工業園區，通過5G的低時延、高帶寬特性使得把複雜的處理力放在雲端的架構成爲可能，減少了新增控制功能的硬件成本和效率。基於5G+MEC邊緣平臺可以滿足超低延時、高可靠、本地化部署的要求，準確及時掌控生產現場實時信息，實現上行下行信息流的閉環；針對安全隔離要求較高、交換時延要求較高的生產數據，採用5G切片技術構建專網，單項隔離，低時延傳輸；針對非實時、長週期分析的管理數據，可將數據通過公網回傳集控中心遠程處理、智能運維。如2019年8月，青島移動聯合華爲集團，共同爲海爾打造基於MEC本地分流的5G企業專網，對5G+機器視覺、5G+柔性製造等一系列5G工業互聯網應用場景展開驗證，實現了企業生產數據的隔離化，核心生產數據不出園區，爲5G工業互聯網應用打下了良好的基礎。

5G與遠程控制的融合應用：該場景主要應用於煤礦、港口、建築、跨地域跨工廠等作業環境複雜、危險程度高的場景，通過在機械設備、儀器工具等傳感器加裝5G物聯網通信模塊，利用5G網絡低時延高可靠特性，操作人員根據接受的信息進行分析決策併發布指令，遠程設備執行相應動作完成整個流程，從而達到提升企業設備裝配效率的目的。如基於5G專網，山東移動聯合山東黃金集團下屬黃金裝備公司，成功實現了5G遠程控制鏟運車、5G遠程控制電機車、5G遠程控制碎石機等創新應用；青島港通過5G無線網絡的連接與控制，遠程控制抓取集裝箱成功，實現了作業現場的無人化操作，提升了操作的靈活性和可靠性，作業效率顯著提高。

5G+雲VR/AR: 是利用5G網絡的低時延、大帶寬、廣連接能力將雲計算、雲渲染的技術引入VR/AR用戶終端，實現高質量VR/AR內容處理。同時，在工廠應用時，5G 將支持AR大規模傳輸三維信息，滿足遠程觀看低時延的急迫需求。通過AR技術遊客佩戴AR眼鏡對景區環境進行掃描獲取旅遊數據。如在大明湖、臺兒莊、泰山、趵突泉等重點5A級景區部署5G網絡，利用全景攝像頭全方位多角度監控各個景區內部的全景視頻。

5G MEC+視覺識別：通過在工業現場或生產線部署工業相機，利用視頻圖像分析處理技術，利用5G網絡低時延特點，把拍攝的高清視頻圖像回傳至邊緣計算節點，依託高性能服務器和識別算法，對工業生產的過程質量檢測、成品缺陷檢驗等，提升檢測效率和質量。同時生產人員也能通過佩戴 AR 眼鏡對產線設備進行掃描實時獲取生產數據，快速瞭解產線的生產狀況，實現在線快速檢測，保證零件的質量。如海爾集團5G+機器視覺場景，在深入瞭解海爾特種電冰箱生產線實際過程後，通過現場安裝工業相機，基於5G+邊緣計算能力，通過端邊雲協同，實現檢測結果共享更便捷、檢測數據更安全，滿足客戶生產線工業質檢、劃痕檢測等生產需求，提高了檢測效率。

5G+高清視頻融合：該項能力主要用於體育賽事直播、旅遊宣傳、醫療手術協同及高清視頻會議等場景。8K視頻分辨率是1080P高清視頻的16倍，是4K視頻的4倍,它可以帶來影院級別的臨場感和融入感，提供沉浸式的視覺新體驗。如2018年9月，青島移動聯合海信集團，基於5G高速傳輸能力，完成了首次5G+8K片源的無線傳輸；2019年2月，青島移動與青島電視臺合作，使用5G技術對青島傳統民俗活動“糖球會”進行直播，市民們可以在視頻APP上直接體驗5G服務；2019年4月，青島移動利用5G網絡，助力央視首次實現了人民海軍建軍70週年的5G端到端的高清視頻直播，本次直播使用5G手機直接連接5G基站，使用普通4G卡，模擬了未來的5G商用環境。

四、5G +工業互聯網融合當前存在的挑戰

5G 是新一代信息通信技術升級的重要方向，工業互聯網是製造業轉型升級的發展趨勢。儘管5G+工業互聯網融合在汽車、船舶重工、煤礦等工業領域應用效果顯著，但當前5G相關技術的複雜度越來越高，5G網絡的開放程度也越來越高。如何確保5G網絡的安全和隱私保護，對於5G融合工業互聯網的發展至關重要。另外工業互聯網平臺的技術要求高，資金投入大、標準體系不成熟、安全體系也尚未建立起來，這也會導致5G在工業互聯網領域的應用不規範，市場紊亂等問題。尤其是在當前工業互聯網大力發展的背景下，如何讓我們的5G通信網絡與工業互聯網融合釋放出乘數效應，實現人、物、資金和信息“四流”的集中匯聚和高效協同，助力企業信息化轉型。這些問題需要各方共同努力，完善頂層設計，加快技術研發和標準制，以5G獨有的技術優勢在工業互聯網領域形成轉型升級新模式，培育新增長點，實現生產要素重構纔能有效解決。

五、結論

工業互聯網已成爲當前製造業的發展趨勢，如何把5G網絡與工業互聯網進行融合已成爲當前研究的重點。本文詳細介紹了5G技術及5G網絡在工業互聯網中的作用，並結合5G融合工業互聯網的應用場景提出過了下一步應該重點關注的問題，讓5G助力工業互聯網更好的發展。