基于5G技术的工业互联网应用探讨

赵帅男，袁 朋，钊刘杰，郝建华，王璟瑞

（中国移动通信集团设计院有限公司 河南分公司，河南 郑州 450000）

1 工业互联网的通信技术需求

工业互联网的核心产业涉及数字化装备、自动化、工业互联网网络、工业互联网平台以及工业软件5个方面[1]。其中，数字化装备和自动化属于边缘控制层，工业互联网网络属于网络连接层，工业互联网平台和工业软件属于数据应用层，而互联网平台又涉及边缘控制、网络平台汇聚以及数据应用3大层级[2-4]。同时，网络、平台及安全可归结为工业互联网的3大体系，其中平台是核心，安全是后盾和保障，而网络则是重要基础[5]。

随着工业技术的不断进步，工业互联网逐渐向产品个性化、制造服务化、连接泛在化以及智能化生产方向发展[6]。从本质上看，工业互联网络可分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络主要用于连接工厂内各种生产要素，支撑工厂内业务应用，而工厂外网络包括分厂之间的通信、厂区和数据分析中心之间的通信等，用于连接智能工厂、分支机构、上下游协作企业、工业云数据中心以及智能产品与用户等主题[7]。

目前，工业领域中使用的绝大多数通信技术仍然是有线技术，包括各种专用工业以太网技术和现场总线技术。在一些特殊的工业场景下，无线技术以其良好的移动性成为有线技术的重要补充[8]。工业互联网中数据传输和通信主要采用短距无线、WiFi、工业专用无线以及传统蜂窝无线4种模式[9]。上述4种模式各有优劣，其特点如表1所示。

从表1可以看出，虽然无线通信技术众多，但各有不足且相对封闭，无法满足工业互联网对网络连接的上述需求，亟需新一代无线技术补充短板。

表1 工业互联网现有数据传输和通信模式对比

2 5G技术特点及应用场景

5G的3大特性分别是eMBB增强型移动带宽、mMTC大规模机器通信以及URLLC高可靠低延时，分别实现上下行速率倍速提升、海量机器链接以及超低时延和高可靠等性能[10]。

基于5G技术及网络特性，总结了9大主流工业应用场景。一是云设计云仿真，主要可应用的工业行业有航空航天、工程机械以及汽车电子等。可利用5G、边缘云及虚拟桌面等，针对工业产品和生产系统的方案进行快速设计与仿真验证。二是5G远程操控，主要可应用的工业行业有矿山、港口、爆破以及危险品等。在危险作业环境安装高精定位器、传感器、激光雷达、高清摄像头以及智能终端，通过5G网络实现实时控制。在远程操作台对矿车、钻机即电铲等设备发送指令完成作业。5G远程操控网络示意如图1所示。三是自动驾驶/无人驾驶，主要可应用的工业行业有消防、矿山以及勘探等，5G无人驾驶网络示意如图2所示。四是机器视觉检测/无人机巡检，主要可应用的工业行业有医疗器械、食品、汽配、钢铁、纺织、机器加工以及电子制造等。通过在生产设备和生产线安装高清智能摄像头，识别包装和产品表面缺陷，检测喷码缺失等。结合5G+AI技术，通过机器学习，不断提高检出率，降低人工成本。五是工艺优化和效能优化，主要可应用的的工业行业有机械加工、钢铁、冶金、水泥、化工以及制药等。打造一个5G、数据采集、边缘云以及工业大数据为一体的解决方案，通过构建缺陷识别和工艺参数相关联的数据库，分析产品缺陷与工艺的必然联系，从而优化工艺，提高良品率。通过大数据计算，对耗能管理和优化，巧妙运用波峰波谷，优化效能。六是云MES/供应链协同，主要可应用的工业场景有食品、汽配、家具以及水泥等。针对有很多生产制造环节的企业，对企业提供数据管理，合理计划排程、生产调度以及库管理等，实现手机端和PC端无缝对接，灵活部署，实时掌控工厂情况，提升管理效率。云MES系统框架如图3所示。七是5G智能监控和设备防御性维护，主要涵盖行业有制造业、食品、药品以及装备等多数机械设备的行业。通过各类传感器监控设备运行状况，采集设备运行数据，形成有效大数据库，对设备故障进行早期预警，支撑远程运维，预测性运维，指导合理备件，减少设备故障率，缩短维护时间，延长设备寿命，提升设备回报率。八是AR设备点检/VR成品展示，主要涵盖行业包括机械制造、钢铁、电子制造、汽车制造以及机器加工等有大型复杂机械设备的行业。可高效实现电气设备远程AR点检、大型复杂机械设备巡检以及设备远程运维等。可针对汽车、仪器、机械或者电子产品进行VR演示和成品展销。九是个性化定制，适用于各类工业行业，将产品模型化、模块化、参数化，打造数据共享平台，实现产品方案、生产、销售以及物流等全业务链的数据集成与共享。基于需求建立工业企业面向用户的信息服务通道，支持用户对产品定制、体验并掌握实时信息。

图1 5G远程操控网络示意图

图2 5G无人驾驶网络示意图

图3 云MES系统框架图

3 5G技术下的工业互联网发展

3.1 破解设备互联互通难题

受通信技术的制约，当前我国工业设备互联互通难，严重制约了设备上云。通过将5G技术与工业PON、MEC等相结合，能够降低工业场景协议转换和设备接入难度，提升工业互联网异构数据接入能力，有效解决数据孤岛的问题。

3.2 破解海量工业数据实时同步传输难题

大量工业企业现有内部网络无法支撑海量数据实时传输和网络同步，亟需进行基础网络升级改造，提升网络传输带宽。5G能够提供端到端毫秒级时延和接近100%的高可靠性通信保障，满足工业大数据无线传输需求和大量即时处理需求。

3.3 拓展工业互联网应用的广度和深度

5G技术可助力工业互联网全要素和全环节高效互联互通，实现以数据流带动技术流、资金流、人才流以及物资流，有效提升传统产业的发展质量与效益。同时，5G将推进人工智能和AR/VR等新兴前沿技术在工业领域的应用与探索，催生形成新产品、新模式及新业态，拓展工业互联网发展空间。同时，可加快工业互联网在一、二、三产业中的融合应用，整体带动国民经济的提升。

4 结 论

作为新一代的移动通信技术，5G技术弥补了传统工业转型为智能制造企业对网络的应用需求的不足，必将成为支撑智能制造转型的关键技术，能将离散的机器、人以及设备全部连接起来。使工厂全方面升级，机器辅助、预判，万物信息交互，实现按需生产和个性化生产，大大改善劳动条件，提高生产效率，提高企业产能效能，深程度地改变社会。

例：文人墨客生活中的“琴棋书画诗酒茶”Chinese scholar’s seven daily necessities,namely music,chess,calligraphy,painting,poetry,wine and tea增加了 “seven daily necessities”。句子顺序不变但通过增减词汇，表达比汉语更简洁。遵循能直译尽量直译的原则。