基于5G环境的工业互联网应用分析

汤敏

中国移动通信集团江苏有限公司网络部 江苏 南京 210012

引言

工业企业内部目前存在工控网络、生产物联网、视频监控网、移动办公网等复杂的多元化网络。现有的工业总线存在产业封闭、发展缓慢、技术落后等问题，严重制约了企业的发展。随着人工成本的快速增加，企业自动化、智能化转型迫在眉睫。5G 可凭借高带宽、高可靠、低时延等一些特点助力企业向无线化、自动化、智能化、柔性制造方向演进。

1 工业互联网概述

工业互联网可以实现人、机、物全要素的网络互联。工业互联网平台则可以把设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接且并融合起来。5G 是工业互联网的关键使能技术，而工业互联网是5G 的重要应用场景之一，5G+ 工业互联网是赋能智慧工厂数字化、无线化、智能化的重要方向。5G 网络的大带宽、低时延、高可靠特性，可以满足工业设备的灵活移动性和差异化业务处理能力需求，推动各类增强现实（AR）/ 虚拟现实（VR）终端、Robot、自动导引运输车（AGV）、场内产线设备等的无线化应用，助力工厂柔性化生产大规模普及。工业互联网给5G 带来了广泛的应用场景，同时也带来了前所未有的挑战。例如，有的工业应用可能需要网络具备1 ms时延、1 μs 抖动和99.999999% 的网络传输质量。时间敏感网络（TSN）是工业互联实现低时延、高可靠和确定性传输的重要技术之一，5G+TSN 是未来实现工业互联网无线化和柔性制造的重要基础。TSN 在做数据转发时，可以针对工业互联网不同优先级的业务数据进行队列调度，从而实现质量差异化保证。在工业互联网场景下，TSN 可以针对各类工业应用涉及的业务流特性进行建模和定义，并在此基础上，提供不同的优先级与调度机制[1]。

2 基于5G通信的工业互联网应用

2.1 工业智能传感器系统

工业互联网使用射频识别，传感器等来监视和收集整个工业生产周期中各种信息，例如人员，过程，设备，原材料和生产环境。在工业互联网的发展中，任何阶段的微小错误都可能造成严重损害，因此将具有低延迟和高速传递性的5G网络应用于其中，可以提高相应设备的精度和准度，在这个过程中有成千上万的传感器和执行器，其功能模型取决于生产场景，它们之间的连接依靠5G技术支持，集成了触觉，视觉，声学等功能，使整个过程可以达到智能化的高水平，可以全方位监控生产过程中产生的各种参数，从而确保高质量的工业产品[2]。

2.2 云端机器人技术

在5G通信环境中，机器人有条件被广泛利用。通过5G网络，机器人可以共享云处理命令，当然，这需要高度集成化和科技化的芯片制造技术的支撑，例如Alpha Dog需要176个视觉处理器和1202个中央处理器才能实现该处理能力，在我国现阶段的制造环境和科技水平下将其安装在每个机器人上是不切实际的，但是这种趋势会促使国产芯片技术得到提升。5G技术会将机器人内部的复杂的处理过程转移到云端，云处理结果反馈到机器人主体，有效控制了新硬件的成本，提高了处理效率。由于5G网络带宽至少为10Gb/s，大大提高了数据传输速度，因此可以顺利完成机器人云端整个处理过程，即网络数据传送和远程处理时间控制在100ms内，机器人需安装2个或更多高清摄像头以实现3D视觉效果，因此，5G环境可以满足上述要求[3]。

2.3 工业VR/AR

VR/AR 技术在工业中的应用主要包括智能巡检以及远程专家系统，利用5G专网联通工厂设备和指挥中心，实现设备数据的实时传输和在线分析，检修人员或专家可通过佩戴AR 眼镜获取设备数据，实现远程检修，提高检修效率。经分析，VR/AR 技术存在两大难点：一是计算量巨大，导致VR/AR 眼镜硬件成本过高，需要将大量计算迁移到边缘侧或者云端，即云化VR/AR；二是VR/AR 的云化依赖大量数据和计算的迁移，导致传输数据量增大、网络时延加大，从而引发用户的眩晕感。因此，工业VR/AR 场景对时延有超高要求，端到端时延≤10ms，时钟同步＜1μs，可靠性＞99.9%，定位延时＜15ms，同时支持无缝切换[4]。

2.4 智能诊断维护

智能诊断维护利用大数据分析、机器学习和人工智能等技术，通过知识学习和问题分析，完成设备的智能监测、诊断与预测，给出改进策略，包括设备日常监测、维护及改进，以及发生异常时，对异常位置、原因、程度的判断和维修指导。当设备正常运行或者出现异常时，实时采集设备数据，通过5G 专网快速传送到云端进行数据分析，并给出维护、改进决策，通过5G 专网把决策结果发送到设备端，实现设备的智能诊断和维护[5]。

3 结束语

目前，我国制造业正处于由大变强、实现高质量发展的关键阶段，如何寻找突破点、成功实现转型升级，是当前面临的主要任务。借助5G 在工业互联网中的应用，深化互联网+ 先进制造业发展，赋能制造业提质增效，有望推动我国制造业在部分领域实现创新突破和引领。考虑到工业互联网应用场景多样、需求千差万别、复杂化和个性化程度高，且企业规模形态各异，工业生产将需要更高的上行速率、更低的时延特性、更可靠的网络运作模式、更安全的数据传输方式、更直接的终端数据互传来支撑更多业务拓展。