5G環境下的工業互聯網應用探討

郭柯灑

一、 引言

工業互聯網是工業生產與互聯網技術相互結合的新型工業架構，是第4次工業革命的重要部分，是實現工業制造的網絡化和智能化的關鍵。5G移動通信系統作為當今前沿技術，具有覆蓋廣、功耗小、時延低等優點，可提供無縫業務體驗，構建性能優異的5G網絡將會有力促進互聯網應用的高速發展，加強此方面研究具有重要的現實意義。

二、“工業互聯網”發展背景

近年來，隨著大數據、云計算、物聯網、5G技術等的發展，互聯網正在邁入全新的時代，基于國家政策、市場經濟的雙重推動下，“工業互聯網”正在掀起新的熱潮。

什么是工業互聯網？簡單來說，工業互聯網是新一代通信技術與工業領域深度融合的產物，也是現代工業智能化發展的必然要求。2017年11月，國務院印發《深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》，明確提出要持續提升我國工業互聯網發展水平。2018～2020年是我國工業互聯網建設起步階段，也是關鍵階段，必須進一步夯實網絡基礎，打造多層次、系統化的平臺發展體系，加大關鍵共性技術攻關力度，切實實現工業互聯網平臺建設及推廣。

三、 5G環境下的工業互聯網關鍵技術

工業互聯網主要包括網絡體系、平臺體系和安全保障體系三個部分，其中網絡體系是重要基礎，構建低時延、高可靠、廣覆蓋的網絡結構，方可真正實現工業全要素、各環節的深度互聯。

（一）5G技術需求

為實現工業互聯網的穩步發展，需積極開展相關基礎設施升級改造工作，積極利用先進的通信技術，包括：軟件定義網絡、5G、低功耗廣域網等，實現工廠內網絡 IP化、扁平化、柔性化發展，工廠外網絡低時延、高可靠、廣覆蓋發展。

5G需解決的不僅是人與人的連接，更是人與物、物與物的連接問題，綜合工業互聯網未來發展需求，對5G系統提出了以下技術需求：

1.傳輸速率需求，要求提高10～100倍，同時用戶體驗速率、用戶峰值速率分別達0.1～1Gb/s、10Gb/s；

2.時延需求，要求時延降低5～10倍，達毫秒量級；

3.設備連接密度需求，要求提高10～100倍，達600萬個/km2；

4.流量密度需求，要求提高100～1000倍，達

20Tbps/km2；

5.移動性需求，要求超過500km/h，提高用戶體驗。

（二）5G關鍵技術

在5G技術發展方面，4T4R、Massive MIMO、NBIoT等幾項技術都表現出較快應用趨勢。作為5G的起步配置，4T4R技術已經在全球50多張網絡規模部署，Massive MIMO TDD制式也開始運用，多個國家發布了NB-IoT商用戰略。

NB-IoT（Narrow band Internet of Thing），即：窄帶蜂窩物聯網，此技術支持海量連接，可全面提高覆蓋廣度，具有低功耗、低成本、小功耗的特點，與廣泛商用的2G/3G/4G 及其他無線技術相比，優勢顯著。

2014年5月，華為、沃達豐、中國移動、Orange、TelecomItaly等公司主導的3GPP NB-IoT GERAN Study Item 立項，2016年9月完成性能部分的標準制定，12月完成最后的一致性測試標準，其繼承了LTE 的技術特征，物理層基本兼容 LTE 的技術標準，有利于實現網絡快速部署，減小改造建設成本。

四、 5G環境下的工業互聯網應用情況分析

（一）項目背景

本文以墻板工業生產制造為例，對5G環境下的工業互聯網應用情況展開分析。墻板工業生產過程中，模具車主要采用分布控制、集中控制兩種方法，前者主要是利用模具車PLC 控制系統完成，具有模具車移動、定位、測距防碰撞等工程；后者主要是利用主控 PLC 控制系統完成，具有位置定位功能，可在裝模排隊、注漿排隊中指定模具車啟動行走，在養護排隊中指定軌道和養護時間。

近年來，墻板工業生產規模進一步擴大，上述控制方式已經無法滿足實際生產需求，存在組網容量小、可靠性差等問題，為提高廠房通信質量，決定引進無線通信組網，采用一對多的控制—生產模式（圖1），并利用5G網絡中的 NB-IoT技術解決控制—生產中的通信問題。

（二） 5G環境下的工業互聯網應用情況

在廠房生產中，采用NB-IoT技術的車輛檢測器，可直接將信息上報至運營商無線網絡，無需匯聚網關，同時可提供運營商級別的網絡保障，整個工業互聯網可靠性、安全性均較好。

1.NB-IoT 網絡部署

本次NB-IoT網絡部署情況如下圖2所示，具體可分為三個層面：終端側、運營商網絡、用戶界面，具體介紹如下：

終端側：此層面主要是在模具車中加裝中控模塊，通信模組采用Boudica芯片，具體功能包括：①監測模具車工作狀態，包括：行駛狀態、停止狀態、故障狀態；②控制模具車進行預先編程的生產動作；③與控制中心實現無線通信，上報模具車工作狀態或接收控制指令。

運營商網絡：本廠房采用的是電信運營商網絡，此層面包括三個部分：①NB-IoT 基站；②核心網元，具有網關交互、計費等功能；③B-IoT 管理平臺，此部分主要負責對接用戶的物聯網業務，實現數據存儲、轉發。

用戶界面工廠：本廠房采用的是自行開發的遠程控制平臺軟件，具體功能包括：①狀態檢測：遠程檢測廠房內模具車工作狀態，一旦發現異常及時報警；②軌跡監控：實時獲取廠房內模具車運行軌跡，并在人機界面上實時顯示；③遠程控制：通過軟件算法獲取模具車最佳運行路線，并利用無線網絡下發控制指令，令模具車實施相應動作。

2.應用效果

本廠房通過NB-IoT技術和一對多的控制—生產模式的應用，有效實現了工廠控制中心、生產中心的互相分離，如下圖所示即為基于5G技術的廠房控制網絡，通過一個控制中心，即可管理多個廠房的模具車，大大減少了工作人員的勞動量，極少數的工作人員即可操作海量生產設備，生產效率與精度均較高，大大提升了工業生產的自動化、智能化程度。

五、 結語

綜上所述，深入實施工業互聯網建設是實現我國產業發展發的一大關鍵，將先進的5G網絡應用于工廠之間、企業之間、工業制造與消費者之間的互聯，將會有力地推動工業互聯網理念從狹義走向廣義，使傳統、單一的制造系統融入到現代電子商務的大潮中。