5G如何由浅入深赋能工业互联网

5G是驱动工业互联网蓬勃开展的要害使能技能之一，而工业互联网也是加快5G商用规划布置的重要突破口之一，二者相得益彰。到2035年，工业将占有5G发明的悉数经济活动中的最大比例，完结约3.4万亿美元产出，占5G总产出的28%。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网，从工业企业OT+IT架构底层向上层逐渐延伸、从辅佐功用向出产进程操控逐渐延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐渐延伸、从5G无线衔接技能向5G网络技能边际核算/网络切片/TSN等逐渐延伸。

01 工业互联网及其体系架构

工业互联网是运用根底科学、工业、信息技能、互联网等范畴的归纳优势，从大数据运用等软服务切入，重视软件、网络、大数据、安全，促进工业化和信息化交融带动工业全流程、全环节竞争力的全体进步。

为满意工业智能化开展需求，工业互联网迫切需求具有低时延、高牢靠、广掩盖特色的要害网络根底设施，5G开展恰逢当时。“5G+工业互联网”将构成新一代信息通讯技能与先进制作业深度交融的新式业态与运用形式。

我国高度重视工业互联网和5G工业开展，聚集化工、机械、船只、飞机制作、电力等工业范畴，活跃推进5G与工业互联网的交融运用和立异开展。

世界上，“5G工业主动化联盟”（5G-ACIA：The 5G Alliance for Connected Industries and Automation）于2018年中在德国电气和电子制作商协会（ZVEI）根底上正式建立，该联盟旨在推进5G在工业出产范畴落地。5G-ACIA安排成员即包含了传统主动化和制作业代表如博世、西门子、ABB、三菱等，又包含了信息和通讯技能职业抢先企业如DT、Vodafone、我国移动等。

工业互联网体系架构包含“两大联接场景+三大事务闭环+四大运用形式”。

两大联接场景：工厂内和工厂外全面联接。其间工厂内网络首要选用有线方法，包含单对双绞线以太网、时刻灵敏网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络布置供给更大或许性。工厂外网络首要包含互联专线（完结分支机构或许上下游企业及用户互联）、上云专线（完结工厂与工业云渠道互联）、上网衔接（完结工厂和互联网衔接）等。

三大事务闭环：面向机器设备运转优化的闭环、面向出产运营优化的闭环、面向企业体系/用户交互/产品服务优化的闭环。

四大运用形式：智能化出产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其间智能化出产包含猜测性运维、产品良率、财物优化、虚拟仿真、智能操控、智能办理等；网络化协同包含规划协作、供给协作、制作协作等；个性化定制包含C2B定制、B2B定制等；服务化延伸包含智能服务等。

依据5G-ACIA白皮书《5G for Connected Industries and Automation》，5G运用场景贯穿了工业制作的全进程，掩盖了供给链办理、AGV、柔性制作、出产进程操控、机器协作、库存办理、产品交给办理等各个环节。5G将成为未来工厂的中枢神经，为工业出产带来推翻性的改变。

02 5G由浅入深赋能工业互联网

未来工业互联网开展将面对三个典型阶段。当下仍旧处于工业数字化转型阶段，活跃探索工业企业数字化深化运用，完结工业企业各项活动全进程数字化集成；2025年进入全面互联阶段，完结企业全生命周期互联；2030年进入自主智能阶段，完结工况自感知、工艺自学习、配备自履行、体系自安排。

工业互联网渠道的开展需求依托于完结工业数字化、工业互联化、工业智能化。因而，工业互联网渠道开展也将是个长周期的进程。

我国5G于2019年正式商用，通讯每一代标准大约有十年黄金开展周期，5G恰好将助力工业互联网完结从工业数字化转型阶段到全面互联阶段，再到自主智能阶段的不断跨过。详细5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网。

1. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐渐延伸

工业企业OT和IT底层网络一般是依据有线网络，占比高达90%。跟着工业现场环境的杂乱化、改变多端、灵敏性等影响，许多的工业通讯逐渐采纳无线传输方法。但在工业范畴运用到的无线通讯协议和通讯职业比较，存在协议很多，标准缺失，难以互联互通等坏处。

传统工业无线网络包含如下四类：Wifi网络，用于AGV调度、巡查机器人通讯、仓储移动扫码等，可是很显着Wifi掩盖规模小，功用不安稳，尤其是存在十分高的安全隐患；蓝牙、Zigbee、超宽频(UWB)、RFID射频技能等，用于财物办理和定位、传感器数据收集等，可是该类技能一般存在掩盖规模受限的短板；工业无线技能三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准，ISA世界主动化协会（原美国仪器仪表协会）发布的ISA100.11a标准、和我国自主研制的WIA-PA和WIA-FA标准，均作业在2.4GHz，可是该类技能的工业链相对较窄，价格贵重；蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT，用于车辆长途监控等场景，但该类技能很难完结大带宽、广衔接和实时性要求高的场景。

5G网络自身具有的大带宽、广衔接、高牢靠低时延特性，令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。尽管当时工业通讯衔接中无线衔接占比仅10%，但在未来几年会进入高速开展期。估计到2026年，工业通讯衔接中无线衔接占比将达58%，其间5G将发挥重要效果。

工业企业的OT（Operation Technology）和IT（Information Technology）体系采纳分级架构。其间OT体系从下往上包含Level 0级外部仪器、传感器、履行器等；Level 1级操控体系PLC，DCS等；Level 2级监督操控和数据收集SCADA。IT体系从下往上包含Level 3级出产办理体系MES、PMS；Level 4级商业和物流体系办理ERP、MRP、CRM等；Level 5级云核算、数据剖析和AI等。5G的无线接入技能和网络技能对OT和IT体系的支撑，将从架构底层向上层逐渐延伸。

别的，现有的OT和IT体系分层架构，数据难以跨层交互，存在显着坏处。未来5G网络技能，尤其是网络切片、边际核算、TSN等的运用，将加快工业企业OT和IT体系深度交融，从传统的分级架构过渡到依据微服务的新式网状交互架构。

2. 从辅佐功用向出产进程操控逐渐延伸

当时进行的5G工业运用，大多聚集在辅佐功用上，比方依据5G的长途监控、AR安装辅佐、运维和巡检辅佐等。

长途监控：例如钢铁出产工厂，出产环境杂乱，移动设备多，数据回传设备线路铺设难度大、本钱高。另一方面，出产设备监控体系需求依据出产使命，合作产线频频地进行调整，因而选用有线组网的方法极为杂乱，且工期长。可以将出产视频监控数据和设备运转状况数据经过5G网络进行回传。

AR安装辅佐：例如飞机制作工厂，安装工艺杂乱，工人需求经过严厉训练认证。而AR眼镜及其后台技能，可完结依据空间定位和物体辨认的数模全息显现，运用在飞机安装的辅佐安装、线缆端接、支架拆装、虚拟测验等各个环节。如可以做到主动辨认线缆，然后直观地在衔接器上指示这根线缆对应的孔位，工人依据指示直接插入即可。运用该处理计划，本来需求一起作业的3个工人将会缩减为1个，安装时刻大幅缩短，而安装准确性也会进一步进步，一起整个安装进程会经过视频主动记载在云端，便利后续查验。

AR运维和巡检辅佐：例如电站运维长途协作和水利项目巡检，在传统的售后形式下，存在检测数据信息相对孤立，对问题判别准确率及处理问题功率不高级问题。凭借AR长途帮忙体系，可由经历丰富的技能专家，帮忙一线运维人员进行“面对面”的长途辅导服务。不只可以帮忙作业人员进行设备巡检、毛病排查和修理，削减专业人员贵重差旅费用，还可以节约时刻，大幅进步作业功率。一起，还可以对测验输出成果进行主动判别，并逐渐扩展到智能专家体系。

依据5G的长途监控、AR安装辅佐、运维和巡检辅佐等都是起到辅佐效果，而并非代替出产进程操控。比方出产进程中常常碰到的机器间操控场景，要完结多操控器/多台独立机器间帮忙完结一个功用，那么高功率、零停机、低时延和高安稳牢靠是刚需，因而现在工厂里根本选用有线网络，而还没有选用5G。未来，跟着5G网络布置的完善，将从辅佐功用向出产进程操控逐渐延伸。

3. 从eMBB向mMTC和uRLLC逐渐延伸

典型的工业运用场景符合了5G三大场景（eMBB、mMTC、uRLLC），5G其他功用如移动性、QoS、安全性等也促进了5G在工业运用场景中的运用。

大带宽：5G将支撑下行速率达20Gb/s和上行速率达10Gb/s；广衔接：每平方公里100万衔接；低时延牢靠性：可以完结0.5~1ms的时延以及超越99.999%的牢靠性；移动性：关于AGV、机器人等在内的移动设备和非固定式产线，5G供给了极强的灵敏性；QoS：5G供给了灵敏的QoS结构支撑在同一网络内的数据流转；安全性：5G具有较高的端到端安全性，支撑终端和网络之间的相互认证。

依据eMBB和移动性场景包含依据视觉的照相检测、AGV、云化机器人等。依据mMTC场景包含海量衔接和室内定位等。依据uRLLC场景包含工业机械长途操控、柔性机械臂等。

依据视觉的照相检测：例如发动机质量检测，传统的出产进程质量检测依靠人工和经历，标准化程度低，人力本钱高，且易受主观因素影响，全体功率低，准确度不高。经过产线布置内置5G通讯模组的工业相机和边际核算网关，可以进行移动丈量和道边检测。

AGV：例如在智能库房中，依据单机智能进行视觉导航的AGV单台本钱高，不利于大规划运用。而除视觉导航以外的其他方法均需对AGV作业环境进行改造，灵敏性较差，布置和改造困难。别的，Wifi信号简单被搅扰，且带宽不足以支撑视觉导航，而激光导航在高密度运转时相互存在搅扰。而将5G技能运用于AGV，将彻底处理Wifi计划引起的接入受限、切换失利、小车停驶等难题，进步库房的全体运营功率和安稳性。

云化机器人：例如物流仓储范畴，选用无线网络将脱节线缆捆绑，机器人可以装上轮子（或其它设备）为所欲为地自在移动，工厂可以完结敏捷且低本钱地在不同品种的产品出产线之间转化出产。云化机器人经过5G衔接到云端操控中心，经过大数据和人工智能对出产制作进程进行实时运算操控，由自安排和协同机器人来满意柔性出产的需求。

海量衔接：例如轿车出产线，每台发动机都刻上编号和条码，每个工序都经过传感器进行数据查验，并对产品从上线到包装各个环节的一切信息进行记载。经过归入5G R16标准的NB-IOT技能，可以削减人工干预、及时收集出产数据，合理编列出产计划，出产线人员将大幅削减，作业主动化率和主动纠错防错才能将大幅进步，人均产出功率也将明显进步。

室内定位：室内定位是工业范畴的遍及需求，现在室内定位根本是蓝牙、激光、UWB三分全国。从算法上看首要有两类，一类TOF/TDOA算法，经过光速乘时刻来测距；一类AOA算法，经过智能天线判别信源方向，依据场强视点定位，两种算法的精度差不多，都是分米等级。5G运用新式编码调制、大规划天线阵列等带来的大带宽特性，有利于参数估计，为高精度间隔丈量供给支撑；大规划天线技能，5G基站可完结128个天线阵子，为高精度视点丈量供给支撑；别的，5G将完结超密布组网（UDN），用户信号可被多个基站一起接纳，将有利于多基站协作完结高精度定位。经过布置很多5G低功耗定位标签将应战蓝牙、激光、UWB室内定位位置。

工程机械长途操控：例如针对工程机械，在偏僻、有毒、有害等特别场景作业时人员本钱高、危险性高级问题，运用5G SA（Stand Alone）网络大带宽、高牢靠、低时延等特性，经过“工程机械驾驭室长途操控台”和“实在工程机械现场实景屏幕”来对远端工程机械进行长途驾驭和操控。

柔性机械臂：经过5G完结对工厂内主动化配备的实时操控，代替有线网络， 节约线缆及布线作业量，大大节约出产线调整时刻，支撑工厂越来越柔性化。操控体系部分功用上移至边际核算设备（MEC）进行操控，下降单体自身及后续保护晋级本钱。

5G3GPPR15版别中拟定了依据NSA和SA的eMBB标准，后续版别中才会持续拟定mMTC和uRLLC标准。从5G在工业互联网范畴事务运用来看，将从eMBB向mMTC和uRLLC逐渐延伸。未来5G将有或许去争夺工业标准话语权，推翻工控及部分配备产品形状，如无线机械臂。

4. 从5G无线衔接技能向5G网络技能边际核算、网络切片、TSN等逐渐延伸

5G触及的核心技能，首要包含无线衔接技能和网络技能两大类。无线衔接技能方面，首要包含MassiveMIMO，超密布组网（UDN），D2D，灵敏双工/全双工，新式多址技能，新式编码调制，高频段通讯等。网络技能方面，首要包含网络切片（Network Slicing），移动边际核算（MEC），SDN/NFV，C-RAN架构、TSN（Time Sensitive Networking）等。

在工业互联网运用中，将从5G无线衔接技能向5G网络技能边际核算、网络切片、TSN等逐渐延伸。

移动边际核算（MEC）：运用MEC可将密布型移动核算使命迁移到邻近的网络边际服务器，其触及到网络、核算、存储和安全四大方面核心技能。

以机械制作职业为例，数据开放性差且工业协议标准不一致，存在罗克韦尔主动化的EtherNet/IP、西门子的Profinet、德国倍福的EtherCAT、贝加莱的Powerlink、以及施耐德的ModBus-TCP等多种工业协议标准，各个主动化设备出产商和集成商还会自己开发各种私有工业协议，各种协议标准不一致、互不兼容，导致协议适配、协议解析和数据互联互通困难；别的一方面，工业数据收集实时性要求难以得到确保，传统数据收集技能关于高精度、低时延的工业场景难以确保重要的信息实时收集和上传，无法满意出产进程的实时监控需求。

运用MEC，处理多设备接入和协议转化问题。一起，MEC依据典型职业数据接入特色，依据流式数据剖析对数据即来即处理，快速呼应事情和不断改变的事务条件与需求。

网络切片（Network Slicing）：网络切片是SDN/NFV技能运用于5G网络的要害服务，一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，包含一切网段，包含无线网络、有线网络、传输网、核心网、事务运用，按切片需求方的需求灵敏地供给一种或多种网络服务。

关于工业企业而言，网络切片首要表现三大功用。资源阻隔保证了不同事务环节以及工厂内外部的数据安全与独立；功用定制使得不同环节/场景的特定需求可以以低本钱方法得到满意；质量保证则意味着工业互联网在工厂内部的运用将高牢靠。

TSN（Time Sensitive Networking）：时刻灵敏网络作为一组坐落数据链路层的协议簇，从底层网络架构中改变了一般以太网数据传输的不确定性，将它转变为确定性网络，一起为不同协议网络之间的互操作供给了或许性。将可以快速打通工业通讯协议和现场总线，成为OT和IT交融的根底。

明显现有的工业以太网协议EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、Powerlink、ModBus-TCP等不会马上消失，可喜的是简直一切工业以太网安排都供给了与TSN设备结合的模型。其间包含罗克韦尔主动化、西门子、ABB、CISCO、施耐德、NI、三菱电机等主动化与IT厂商。

在5G网络上交融TSN服务，要害的问题便是5G网络与TSN的互通。在3GPP R16规划中，3GPP现已开端对5G NR支撑工业互联网进行新的研讨规划。依据需求标准，关于时刻灵敏的工业运用场景，或许需求到达0.5 ms的推迟和99.9999%的牢靠性。时刻灵敏网络TSN over 5G NR将在分组分发、主动寻址和服务质量QoS等范畴满意工业企业需求，以更好地集成5G和TSN。

微信大众号“5G职业运用”的《5G开展的五大动力和四大应战》一文剖析了5G开展面对的首要应战。5G工业互联网开展也相同存在商业形式不明晰、运用场景碎片化、工业企业和ICT企业跨界交融壁垒高级许多应战。经过从工业企业OT+IT架构底层向上层逐渐延伸、从辅佐功用向出产进程操控逐渐延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐渐延伸、从5G无线衔接技能向5G网络技能边际核算/网络切片/TSN等逐渐延伸将有助于5G赋能工业互联网良性开展。

（微信大众号：about 5G)