5G技术在工业互联网领域的应用研究

5G技术在工业互联网领域的应用研究

5G 不仅仅是一次信息通信技术的升级换代，更是一场影响深远的全方位变革。5G 无线和网络的一些关键技术特性十分契合工业互联网的应用需求，能够促进工业、交通、金融等垂直行业迅速转型升级。5G 与4G技术对比来说，５G峰值速率会提高几十倍，从４G的最高值100Ｍb/s提升至数十Gb/s，端到端延时将从４G的十几毫秒减少到５G的几毫秒。另外5G网络系统在网络域安全、用户域安全、应用域安全、安全可见性等协议设计方面都有增强。

5G技术的应用场景主要有：增强移动宽带场景（eMBB），聚焦对带宽有极高要求的业务，提供每秒Gbit级的高传输速率，主要是针对手机、移动终端提供服务，包括5G+VR/AR、5G+超高清视频等，能够给直播、影视、游戏社交领域及远程教育方面带来新的商机市场；超可靠低时延通信（URLLC），以5G的低时延、高可靠为特性，提供<1ms的极低时延，主要聚焦辅助驾驶/自动驾驶、工业控制、远程手术、无人机控制等对时延极其敏感的业务，助力企业降本增效。低功耗大连接场景（MMTC），以5G采用的NB-IOT及eMTC技术，能够满足低功耗广覆盖的场景需求，主要覆盖智慧城市、智慧农业、抄表业务等具有高连接密度的场景，提供每平方公里百万连接，助力物联网加速发展。

当前5G已成为引领融合创新、激发新型信息消费的新动力，成为促进产业升级、驱动经济持续增长的新引擎。相比4G网络，5G技术在无线和系统架构上的革新，使其能够更好地满足工业应用的高性能要求。5G与工业互联网的深度融合发展正在加速工业经济的数字化、网络化、智能化转型，将对我国经济社会发展产生深远影响。目前我国也正在积极开展5G与工业的深度融合，面向工业互联网、智慧能源等重点行业，打造多个5G应用场景，推出一系列5G示范项目，进一步推动5G融入百业。

二、工业互联网概述

2020年政府工作报告提出，“新基建”主要包括5G基站建设、特高压、城际高速铁路和城市轨道交通、新能源汽车充电桩、大数据中心、人工智能、工业互联网七大领域。工业互联网作为“新基建”的核心部分，是基于云计算、大数据、物联网、人工智能等技术与工业技术相融合，为工业企业提供数字化、网络化、智能化服务，实现人、机、物全面互联的新型网络基础设施。它将改变工业发展的模式，为第四次工业革命打下坚实的基础，也是中国制造业转型升级的重要支柱。

根据工业互联网的产业链来划分，可将其分为五部分：企业硬件设备层、数据采集层、平台层、工业APP及涉及所有层面的工业安全防护体系。当前工业互联网应用场景不断丰富，已广泛应用于智能设备制造、新材料研发、生物医药研发、食品研发、汽车零部件制造等多个领域。工业互联网各层之间通过构建专属的企业专网连接机器、物料、人、信息系统，以此实现工业数据的全面感知、动态传输、实时分析，形成科学决策与智能控制，提高制造资源配置效率。工业互联网的“骨架”要灵活运作起来，企业专网很关键，企业专网帮助实现工业互联网平台各层之间数据互通，实现人、物、资金和信息“四流”的集中汇聚和高效协同。

5G网络可以通过构建5G企业专网来承载企业、行业和许多其他垂直行业对覆盖范围、性能、安全性和可靠性有很高要求的场景。5G网络资源可针对特定用户进行逻辑及物理隔离，可以从基站到核心网应用全部只服务于一个用户，同时向用户开放网络运维管理能力。5G企业专网属于电信级加密无线网，安全级别高，确保了数据的私密性，确保网络可管可控，可实现数据不出本地局域网。对工业互联网来说，给企业园区部署的5G企业专网能够保证企业数据私密性和生产安全性。

三、5G技术在工业互联网中的应用

1. 工业互联网对5G 网络的要求

工业互联网平台会产生并使用大量数据，从提高效率、降低成本的角度考虑，传统光纤对企业来讲成本太高，而且工厂内的网络也需要实现无线化。无线化减少了机器之间的线路成本，又能够在各种场景中平滑切换，使得工厂模块化生产和柔性制造成为可能。

随着工厂规模的扩大和工业工程的复杂化，传统Wi-Fi在覆盖范围、安全性及稳定性方面存在欠缺；而4G网络最高下载速率为100Mbit/s、上传为50Mbit/s，音频、视频和高清图像等大容量数据难以实时发送，无法满足工业互联网平台实时性要求，这也决定了企业关键工序不能全面使用Wi-Fi和4G网络。5G网络的快速性、高可靠性，与工业互联网低时延、高可靠、广覆盖的特性十分契合，工业生产过程中产生的各种数据可通过5G局域网实时汇集到边缘终端或云平台上。此外，面对不同企业的生产场景对网络QoS的要求不同，有的工序环节需要低时延，有的环节需要高可靠，有的需要高带宽速率，5G网络的切片技术，可以在通用的网络平台上根据需要灵活调整QoS。可以说5G的到来不仅提升了硬件软件化、软件数字化的速度，还推动了通信行业与各行各业的深度融合。

2. 5G与工业互联网融合应用场景

工业互联网是5G最主要的应用场景之一，已成为5G赋能行业的典型代表，“5G+工业互联网”的融合发展有利于推动工业化与信息化在更广范围、更深程度、更高水平实现融合发展，是经济社会高质量发展的有力抓手。近年来，各地、各企业结合最新技术和实际业务场景，围绕工业互联网进行了充分的研究和讨论，5G已在AR/VR、无人机、远程控制、机器视觉等方面融合衍生出一些通用型应用场景，积累了不少工业互联网解决方案和最佳实践。

5G与云端机器人的融合应用：该场景主要应用于智慧工厂/工业园区，通过5G的低时延、高带宽特性使得把复杂的处理力放在云端的架构成为可能，减少了新增控制功能的硬件成本和效率。基于5G+MEC边缘平台可以满足超低延时、高可靠、本地化部署的要求，准确及时掌控生产现场实时信息，实现上行下行信息流的闭环；针对安全隔离要求较高、交换时延要求较高的生产数据，采用5G切片技术构建专网，单项隔离，低时延传输；针对非实时、长周期分析的管理数据，可将数据通过公网回传集控中心远程处理、智能运维。如2019年8月，青岛移动联合华为集团，共同为海尔打造基于MEC本地分流的5G企业专网，对5G+机器视觉、5G+柔性制造等一系列5G工业互联网应用场景展开验证，实现了企业生产数据的隔离化，核心生产数据不出园区，为5G工业互联网应用打下了良好的基础。

5G与远程控制的融合应用：该场景主要应用于煤矿、港口、建筑、跨地域跨工厂等作业环境复杂、危险程度高的场景，通过在机械设备、仪器工具等传感器加装5G物联网通信模块，利用5G网络低时延高可靠特性，操作人员根据接受的信息进行分析决策并发布指令，远程设备执行相应动作完成整个流程，从而达到提升企业设备装配效率的目的。如基于5G专网，山东移动联合山东黄金集团下属黄金装备公司，成功实现了5G远程控制铲运车、5G远程控制电机车、5G远程控制碎石机等创新应用；青岛港通过5G无线网络的连接与控制，远程控制抓取集装箱成功，实现了作业现场的无人化操作，提升了操作的灵活性和可靠性，作业效率显著提高。

5G+云VR/AR: 是利用5G网络的低时延、大带宽、广连接能力将云计算、云渲染的技术引入VR/AR用户终端，实现高质量VR/AR内容处理。同时，在工厂应用时，5G 将支持AR大规模传输三维信息，满足远程观看低时延的急迫需求。通过AR技术游客佩戴AR眼镜对景区环境进行扫描获取旅游数据。如在大明湖、台儿庄、泰山、趵突泉等重点5A级景区部署5G网络，利用全景摄像头全方位多角度监控各个景区内部的全景视频。

5G MEC+视觉识别：通过在工业现场或生产线部署工业相机，利用视频图像分析处理技术，利用5G网络低时延特点，把拍摄的高清视频图像回传至边缘计算节点，依托高性能服务器和识别算法，对工业生产的过程质量检测、成品缺陷检验等，提升检测效率和质量。同时生产人员也能通过佩戴 AR 眼镜对产线设备进行扫描实时获取生产数据，快速了解产线的生产状况，实现在线快速检测，保证零件的质量。如海尔集团5G+机器视觉场景，在深入了解海尔特种电冰箱生产线实际过程后，通过现场安装工业相机，基于5G+边缘计算能力，通过端边云协同，实现检测结果共享更便捷、检测数据更安全，满足客户生产线工业质检、划痕检测等生产需求，提高了检测效率。

5G+高清视频融合：该项能力主要用于体育赛事直播、旅游宣传、医疗手术协同及高清视频会议等场景。8K视频分辨率是1080P高清视频的16倍，是4K视频的4倍,它可以带来影院级别的临场感和融入感，提供沉浸式的视觉新体验。如2018年9月，青岛移动联合海信集团，基于5G高速传输能力，完成了首次5G+8K片源的无线传输；2019年2月，青岛移动与青岛电视台合作，使用5G技术对青岛传统民俗活动“糖球会”进行直播，市民们可以在视频APP上直接体验5G服务；2019年4月，青岛移动利用5G网络，助力央视首次实现了人民海军建军70周年的5G端到端的高清视频直播，本次直播使用5G手机直接连接5G基站，使用普通4G卡，模拟了未来的5G商用环境。

四、5G +工业互联网融合当前存在的挑战

5G 是新一代信息通信技术升级的重要方向，工业互联网是制造业转型升级的发展趋势。尽管5G+工业互联网融合在汽车、船舶重工、煤矿等工业领域应用效果显著，但当前5G相关技术的复杂度越来越高，5G网络的开放程度也越来越高。如何确保5G网络的安全和隐私保护，对于5G融合工业互联网的发展至关重要。另外工业互联网平台的技术要求高，资金投入大、标准体系不成熟、安全体系也尚未建立起来，这也会导致5G在工业互联网领域的应用不规范，市场紊乱等问题。尤其是在当前工业互联网大力发展的背景下，如何让我们的5G通信网络与工业互联网融合释放出乘数效应，实现人、物、资金和信息“四流”的集中汇聚和高效协同，助力企业信息化转型。这些问题需要各方共同努力，完善顶层设计，加快技术研发和标准制，以5G独有的技术优势在工业互联网领域形成转型升级新模式，培育新增长点，实现生产要素重构才能有效解决。

五、结论

工业互联网已成为当前制造业的发展趋势，如何把5G网络与工业互联网进行融合已成为当前研究的重点。本文详细介绍了5G技术及5G网络在工业互联网中的作用，并结合5G融合工业互联网的应用场景提出过了下一步应该重点关注的问题，让5G助力工业互联网更好的发展。