5G在工業領域的應用及運營商發展策略探討

0 前言

工業互聯網是互聯網和新一代信息技術與工業系統全方位深度融合所形成的產業和應用生態，是工業智能化發展的關鍵綜合信息基礎設施［1］。工業互聯網助力工業制造企業發揮生產設備的潛能、優化資源配置的效率、增加產品的個性化特征以及提供增值性服務，推動面向工業制造的生產過程優化、面向企業運營的管理決策優化［2］、面向產業協同的資源配置優化和面向產品全生命周期的服務管理優化。

無線通信技術在工廠環境中的應用范圍正不斷加大。相比于有線通信技術，無線通信技術的應用可突破線纜部署的空間限制，有效擴充工廠網絡的覆蓋范圍，降低網絡部署及后期調整的成本，實現生產要素的靈活聯網，為柔性的生產模式提供基礎。

運營商針對工業企業的業務目前主要停留在專線接入等模式，還未涉及生產流程層面，需要開展面向工業領域的多元化業務創新。國際電信聯盟無線電通信局（ITU—R）定義了5G 的三大應用場景：增強型移動寬帶（eMBB）、低功耗大連接（mMTC）、低時延高可靠（uRLLC）［3］，將大幅提升移動互聯網用戶的業務體驗，并滿足工業環境下的設備互聯和遠程控制等業務需求。5G 技術的發展正契合了傳統企業進行智能制造轉型時對無線網絡的應用需求，成為行業業務創新的關鍵驅動。

1 關鍵技術

1.1 5G LAN

傳統工業網絡，工廠內部主要采用局域網，各分廠之間多通過專線互聯。3GPP R16 標準引入的5G LAN 技術類似局域網和VPN，并保持5G 高性能、遠距離接入、移動性和安全性的優勢。

5G LAN 支持在一組接入終端間構建二層轉發網絡，每組對應一個VLAN，并通過會話管理功能（SMF）與用戶面功能（UPF）的交互實現終端組內數據交換和用戶面路徑選擇。終端之間的通信可以在同一個UPF內發生，也可以跨UPF，或UE 和DN 之間［4］。借助5G接入網和核心網的支持，多個園區間可以構建廣域局域網，實現企業不同車間、不同工廠之間跨地域協作。

1.2 邊緣計算

邊緣計算是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的分布式開放體系［5］，可按需承載部分工業智能應用，實時處理現場業務數據，并快速反饋結果至現場。滿足制造企業實時業務、數據優化、應用智能等需求。

在5G 網絡中，UPF 可以提供分流功能，并可按需部署于網絡的不同位置。例如對于uRLLC 低時延場景，可將UPF 和MEC 部署于靠近基站側的無線接入云；對于eMBB 場景的大流量熱點地區，可部署于邊緣云；對于mMTC 場景，可部署于位置較高的匯聚云，以覆蓋更大區域的業務需求。

1.3 網絡切片

工廠環境中，通過端到端的5G 網絡切片技術，實現同一個物理網絡虛擬出不同服務質量的子網，可按需靈活調整網絡服務，滿足各種具有差異化特征的業務需求。

5G 接入網可采用有源天線單元（AAU）、集中單元（CU）、分布單元（DU）的靈活部署模式，同時基于統一的空口框架和靈活的幀結構設計進行無線資源切片分配。5G承載網運用虛擬化技術，同時SDN架構的層次化控制器可實現物理網絡和切片網絡的端到端統一控制和管理。5G核心網采用高內聚、低耦合的服務化架構，將網絡功能解耦為服務化組件，組件之間使用輕量級開放接口通信，支持實現按需構建、動態部署和高可靠的網絡切片服務。

1.4 上行增強技術

在個人消費領域，數據傳輸一般以下行為主，而在工業應用領域，如視頻監控及無人機巡檢等場景對網絡上行速率要求更高。5G靈活的空口資源設置、上下行解耦技術和超級上行技術可以有效地保障上行數據傳輸的業務需求。

NR 引入了更靈活的空口設置，包括可變的子載波間隔和靈活的幀結構，可通過調整時隙配比滿足不同上下行容量配比需求。上下行解耦技術用LTE 低頻空閑頻譜共享給NR 上行使用，彌補了C-Band 以及高頻在上行覆蓋上的不足。超級上行技術主要通過TDD與FDD這2種雙工模式的協同，高頻與低頻互補，時域與頻域聚合，提升5G網絡的上行覆蓋及上行帶寬能力，同時縮短時延。

1.5 安全

5G 與4G 相比，在安全分層方面一樣，分為傳送層、歸屬層/服務層和應用層；在安全分域方面，增加了服務域安全。5G 采用完善的服務注冊、發現、授權安全機制及安全協議來保障服務域安全。

5G 統一的認證框架支持不同場景的接入終端及接入方式，避免非法用戶接入，以及非法利用偽基站、偽熱點進行詐騙或者竊取用戶信息。5G 終端唯一標識符（SUPI）經公私鑰加密的方式加密為SUCI，且5G算法采用128 位密鑰長度，只有運營商可以解密終端真正的身份信息。5GC 各網元間使用IPSec 保護傳遞信息安全，歸屬域與漫游域之間通過安全邊緣保護代理功能（SEPP）保證安全，服務功能間使用HTTPS協議保障信息傳遞安全，并部署安全網關保證與2G/3G/4G核心網間的漫游安全。

1.6 定位

目前的無線定位技術主要分為室外和室內定位技術，終端側需配有相應的定位模塊，而5G 定位技術可以實現通信和定位一體化，及室內外定位一體化服務。3GPP R16 標準定義了對定位精度要求高的場景的精度要求，需要滿足80%的UE 在室外水平定位精度達到10 m，室內定位精度達到3 m，并且垂直定位精度達到3 m。

5G 基站定位可通過終端與基站之間信號傳輸的往返時間、到達角和出發角來計算用戶所處的位置。5G大帶寬特點可為高精度測距提供支持，相對應的時域信號更窄，定位信號的傳播首徑更容易被檢測到。大規模天線技術和波束賦形技術可實現高精度角度測量，不同用戶間的信道相互獨立，信號干擾和衰落的概率相對降低，且對無線空間在水平和垂直維度的劃分更為精確。此外基站的密集組網有利于實現多基站協作的高精度定位。

2 典型場景

2.1 大帶寬場景

2.1.1 視頻監控

a）固定場景視頻監控。通過高清視頻監控系統，可全面且實時地掌握企業生產的狀況，從而進行有效的安全管理，減輕安保人員的投入，并可對偷盜、火災等事件狀況起到有效的監管作用，避免給企業帶來人員傷亡及財產損失。

b）移動場景視頻監控。通過配備高分辨率相機的無人機或者移動機器人，可在復雜環境下進行視頻監控。具體應用如能源基礎設施巡檢以及無人機施工現場測繪等，其作業內容包括對基礎設施的周期性監測維護以及對周邊環境的勘探等，可以大幅減少人力成本和安全風險。

2.1.2 工業AR/VR

a）AR輔助裝配/維修。在高級技術人員緊張的情況下，普通工人可佩戴AR 眼鏡，根據畫面指導進行標準化裝配/維修操作，包括工作步驟指引、設備或物品的信息查閱以及工作行動路線導引等。還可根據需求連線遠程專家尋求實時指導，這樣可保障維修任務的完成以及過程的標準化和規范化。

b）AR/VR 輔助營銷。通過AR/VR 技術可突破環境限制因素，生動且準確地將培訓課程要求和操作指引規范化和可視化，配合場景互動訓練讓學員學習理論知識的同時體驗實操感覺，也可以輔助營銷人員將產品更直觀地展示給客戶，無需提供物理樣品即可實現線上和線下渠道的打通。

2.1.3 工業AI應用

a）基于圖像的視覺檢測。應用場景主要包括對物件分類、定位以及缺陷檢測等。通過高清工業相機實時采集現場圖像數據并上傳至處理平臺，借助AI技術實現檢測分析。或者在自動化生產線中安裝高清攝像頭，結合云端數據分析技術使得機械手臂/傳動設備擁有視覺能力，保證各零件快速、準確安裝到位。

b）基于視頻的數據分析應用。針對車間產線工人會出現流動串崗和操作行為不規范等現象，可以在產線視頻監控的基礎上，增加對產線人員的人臉識別、崗位匹配檢測、不規范操作行為分析等功能。產線實時視頻監控也可用于記錄各環節之間銜接流暢度并分析生產效率，提高視頻監控的工業應用價值。

2.2 數據采集場景

2.2.1 能耗管理

通過各類專業傳感器采集工業企業電、水、氣、熱、煤等能源資源使用數據，根據能耗情況調整設備運行狀態，并結合產量等生產數據，對工廠能耗指標進行管理，降低生產成本，提高企業利潤。

2.2.2 生產過程優化

通過各類檢測終端對生產設備運行參數和生產環境信息進行自動化采集、統計、分析和反饋，并將結果用于改善制造過程，提高制造過程的柔性和加工過程的集成性，提高生產效率和產品質量。

2.2.3 預測性維護

在對生產設備進行數據采集的基礎上，結合AI等智能技術，可充分掌握甚至預測設備的運行狀況。

a）生產設備預測性維護。布置大量監測傳感器和更加高效的通信網絡對生產設備關鍵運行數據進行采集和傳輸，通過對后臺數據的實時分析，輔助工業企業判斷設備運行狀態、優化設備維護管理。

b）智能產品預測性維護。采用無線通信技術傳輸智能產品關鍵運行參數，結合云計算和大數據進行在線分析，預測設備運行狀態趨勢，及時發現可能存在的安全隱患并反饋，為售后服務提供決策依據。

2.3 無線控制場景

2.3.1 固定場景控制

通過云端控制可有效降低機器人終端硬件成本及功耗，采用無線數據傳輸方式使機器人擺脫線纜束縛，實現自由移動，滿足柔性制造需求，同時可結合云計算、大數據、人工智能等技術對生產制造過程進行實時運算控制。

2.3.2 移動場景控制

隨著商品迭代周期的縮短以及消費者個性化需求的增多，柔性化生產成為備受推崇的新生產模式，工業企業對于設備的移動性和連接的無線化有了越來越多的需求。

a）協同控制。在智能生產過程中要求多移動機器人之間協同和無碰撞作業，所以移動機器人之間、移動機器人和周邊協同設施之間需要進行實時數據交換滿足該需求。

b）遠程控制。工業生產場景中常存在高溫、高壓、有毒、易爆等危險因素，通過遠程控制機器人或智能設備進行危險區域作業可有效保證作業人員安全，提高作業標準和勞動效率，保障安全穩定生產。

2.4 定位場景

2.4.1 人員定位

可對全廠范圍內所有工作人員進行定位監管，可在后臺實時查看其位置，是否在崗，并追蹤其活動軌跡，有助于優化作業流程，提高人員管理效率。

2.4.2 物資管理

通過對特殊物品或者貴重資產實施定位監控，可在后臺查看其實時位置和歷史軌跡，同時可結合電子圍欄功能，當物品超出設定范圍或者人員誤入危險區域時，第一時間發出警報，以確保物資安全。

2.4.3 智能巡檢

管理人員可通過后臺直接下發巡檢任務給巡檢員。巡檢員通過終端APP 接收任務后，可查看當日巡檢路徑、待檢物品位置、完成程度、是否漏檢、注意事項等信息，實現更安全、高效、快速的巡檢。

3 問題挑戰

3.1 行業壁壘

在工業互聯網領域中，傳感設備、控制器、生產線、產品、客戶等要素的互聯互通是實現智能生產的關鍵基礎。光有5G通信技術而無傳感器、工業設備和工業自動化等相關知識，無法真正實現工業網絡的全聯通。對于工業數據價值的應用需要基于生產工藝、流程和工業機理的總結和提煉，應用的部署也涉及到現場實施操作。工業企業在工控、設備連接領域具備成熟的經驗，而運營商較難介入底層的生產現場連接及控制體系，需要進一步挖掘5G在工業互聯網領域的應用價值。

3.2 產品運營

運營商在宣傳5G 產品的時候側重于從網絡角度出發，突出技術和指標方面的升級。對于工業企業來說，5G 是一種工具，其價值在于是否契合實際場景的業務需求。如何將網絡性能指標轉換為工業應用的實際業務指標，是運營商在設計5G產品和部署、測試、驗收等環節中需要明確的問題。工業企業需要的是成熟穩定的產品，且運維頻率和復雜度不能過高，能夠直接解決生產過程中的效率、質量、成本等相關問題，同時安全可靠，降低部署實施后對工廠現有系統的影響。

3.3 接受成本

運營商的創新探索只有在滿足工業企業核心需求的基礎上才具有落地價值，強調技術性的同時也應該考慮工業企業對于不確定性的顧慮。當前5G 仍處于快速發展的階段，技術、產品以及商業模式尚未進入成熟階段，其對工業生產過程的智能化改善結果也缺乏大量的實例驗證。當前切入工業互聯網領域意味著大量的成本投入，包括針對不同場景的定制化研發、實施、推廣成本以及可能對工業企業現有生產體系造成不穩定影響的試錯成本。

4 發展策略

4.1 技術能力強化

工業互聯網產業主要包括工業互聯網網絡（含標識解析）、工業互聯網平臺與工業軟件、工業互聯網安全、工業數字化裝備（采集、計算、連接相關部分）、工業互聯自動化（含傳感、工控、邊緣計算）等五大產業。對于工業企業來說，網絡作為智能化升級的基礎設施，其價值更多地體現在其承載的業務。除單純的網絡連接服務之外，運營商應充分利用自身的ICT 能力，加強在終端、網絡和應用方面的布局，積極參與中國工業互聯網的技術演進。

工業互聯網終端包括傳感設備、控制器、機器設備、工業網關、智能可穿戴設備和工業相機等。運營商應加強與工業企業和終端供應商的合作，研究工業場景下5G 終端設備，如5G 工業路由器、5G 工業網關，實現工業生產和遠程服務過程的基礎資源數據采集。

網絡方面，運營商通過邊緣計算、網絡切片等技術，可針對不同企業規模和需求，建設相應的5G專網，實現對工廠內部傳感器、智能機器、在制品等要素的互聯互通。對于行業龍頭企業可以建設獨立專網提供全方位專屬通信服務，對于中、小企業可根據場景特點及投資預算建設混合專網或者虛擬專網，并通過5G 公網，實現工廠外部海量的智能產品的無線接入。另外可結合云網服務，為企業提供云專線、云間組網等產品，實現企業內外部信息集成以及產業價值鏈的信息集成。

應用方面，運營商可結合5G大帶寬、大連接、低時延、靈活組網、能力開放等特性，與工業互聯網領域合作伙伴共同開展工業互聯網應用研發，以滿足企業對于網絡的多樣化承載需求和數據的多樣化處理需求。運營商可提供ICT 能力在線訂購服務、全方位的大數據業務服務、不同工業場景的解決方案、智能應用開發環境、需求方與供給方資源能力交易環境等綜合服務，構建工業互聯網生態體系。

4.2 人才體系構建

運營商可以加大行業復合型人才體系的建設，除傳統的網絡研究、規劃、建設、運維團隊之外，發展行業解決方案團隊，探索工業領域各垂直行業的5G 需求，結合運營商自身資源及技術，孵化相應的行業應用。同時針對遍布全國的政企客戶團隊開展行業認知培訓，充分培養現有一線員工的綜合素質，提高運營商對于行業垂直領域的理解以及參與能力。

除內部人才培養，運營商也可以通過產學研用相結合，與國內外知名高等院校、科研機構、骨干企業等開展長期合作，基于企業實際場景需求開展創新應用研究和落地工作，為工業互聯網的發展探索方向，同時擴大各方的行業影響力。

運營商積累的不同場景的解決方案以及相關軟硬件產品在經過實際項目的測試驗證之后，可以借由全國的政企渠道進行推廣，對于部分經濟價值較大的產品可以成立專業運作的運營服務團隊，甚至是孵化工業互聯網子公司進行市場化運作。

4.3 商業模式分析

4.3.1 基礎網絡服務

運營商具有豐富的網絡建設經驗、運維及售后服務能力，同時運營商擁有大范圍的工業企業客戶基礎，可針對工業行業的業務需求提供多樣化、定制化的網絡支撐能力。5G 多樣化的組網架構以及靈活配置的功能設計可將網絡能力開放給工業行業，提升企業的端到端體驗、變現網絡價值、使能更個性化的業務場景。

4.3.2 行業業務使能

信息集成是工業企業轉型升級的關鍵要素，主要解決企業內部信息互通、產業價值鏈資源整合以及產品全生命周期的信息管理。運營商可提供不同層級的ICT 設施和服務來滿足工業企業對于連接管理、數據處理、協同制造和智能應用的相關需求。例如對于下沉至生產現場的ICT 需求，運營商可以提供邊緣計算平臺基礎設施，或者構建行業PaaS 平臺，其上承載第三方服務商的應用或者企業自研應用。

4.3.3 行業業務服務

除單純地將自有的新技術和服務銷售給工業企業之外，運營商可將技術能力融入工業企業的各作業環節中，提供端到端解決方案，或者更深入地參與行業應用研發。例如基于5G 加AI 圖像處理的工業質量檢測系統，自動識別在制品的工藝缺陷、外觀損傷、包裝瑕疵等不合格情況以及基于物聯網的工廠能源管控系統，監測作業環境以及生產設備的能耗情況，這類應用可滿足工業企業對自身生產過程的質量改善、效率提高和成本降低等需求。

5 結束語

相比于4G，5G 在網絡架構、空口、安全、定位等方面均引入了新的技術，擴充了蜂窩網絡在工業行業的應用范圍。從技術成熟度、產業鏈完備度和企業接受度來看5G在工業領域的應用，視頻、AR等大帶寬業務場景需求明確且發展迅速；物聯網數據采集應用需要考慮終端性能和成本；無線控制等低時延應用核心在于性能穩定和網絡安全。

由于行業背景知識缺乏，運營商進入工業互聯網領域時必然存在一定的門檻。同時，面向2B領域的創新應用和2C 領域的應用在產品設計、推廣、運營等環節有所不同。針對目前發展5G工業應用遇到的問題，運營商除不斷發展壯大自身實力外，也可以積極開展與行業伙伴的合作，從網絡管道提供者轉為工業互聯網賦能者，加強端到端的技術實力，構建全方位綜合性的人才隊伍，探索出更具市場價值的商業模式。