5G專網背景下的工業物聯網架構研究

◆黃廣山

（山西省郵電建設工程有限公司 山西 030012）

1 工業物聯網技術的基本應用需求

（1）數據采集

工業控制系統會對工業生產過程中的各類事件及數據信息進行采集，包括但不限于各種物理量、定位、標識、圖像這類數據信息，通過數據采集能夠有機地結合計算、感知、通信、物理、驅動等各類系統，以此來盡可能地實現數字化發展。但在4G 網絡下的工業控制系統在進行數據采集時效率相對較低，數據傳輸及轉化成效不佳，無法有效迎合不斷變化的時代發展需求。而在5G專網R16uRLLC 場景之下的時延僅為0.5 至1ms，且具備無限趨近于100%的可靠性，這就讓工業控制系統能夠在低時延、高可靠性、海量連接的網絡之中開展數據采集工作，利用無線網絡連接來達成閉環控制這一目的。并且由于時延達到了毫秒級別，機器人之間或者機器人和生產設備之間的互動及協調更為便利，工業控制以及數據采集更為高效且精準，有力推動了工業生產的良好發展。

（2）工業AR

在工業物聯網之中引入5GAR 技術，能夠有效應用于人機協作、生產流程監控、數字設計與協同、質量檢測、遠程運營維護、新入職員工崗前培訓等場景之中。例如某一設備出現了故障，工業物聯網會向總控制中心發送警報，提示工作人員及時維修。此時工程師就能夠在5G專網之中對工作人員進行遠程指導，由于這類工作人員配備了相應的AR 設施，能夠清晰接收到來自工程師的指令，因此工作人員可以更為快速且精準地完成對設備的維修[1]。當前在R15 協議下的5G專網能夠達到每一位用戶1Gbps 的峰值吞吐率，而正在研發的R16 協議將會大幅增強原有系統的性能，進而有效提升了工業物聯網的網絡帶寬。

（3）智能機器人

目前工業領域已經應用了機器視覺技術，極大地提升了工業生產的智能化程度。但機器視覺要想順利完成檢測任務，必須要以較高的網絡帶寬作為支撐，而5G 邊緣計算技術以及大帶寬數據的傳輸則能夠有效迎合這一要求。在5G專網下，智能機器人的移動將打破過去在區域方面的限制，能夠根據實際需求及時到達相應的地點，平滑轉換工作狀態，改變工作內容，且整個工作將無間斷進行。同時5G技術也能夠實現對工作人員與機器人的有機連接，并以此為中心構建一個完善的全方位信息生態系統，進而對整個工廠的生產工作進行實時監控，有效保障相關設備的穩定運轉。

（4）物料跟蹤

在5G專網下，會給工廠中的全體員工及各類設備確定一個“身份”，這樣一來工業生產所需要的原材料就具備一定的信息屬性，工作人員可以通過5G 邊緣計算技術以及網絡定位技術將跟蹤供應鏈中的各類物料可視化，并及時傳輸實時物料信息。

2 5G 背景下工業物聯網的架構

（1）總體架構設計

5G 背景下工業物聯網總體架構將通信、數據、傳感、軟件、計算、算法、安全這類技術進行了有機的融合，具體如圖1所示。其中感知層主要是智能化處理工業裝備，對不同環節的數據信息進行采集，主要有移動、速度、識別、重力、環境、流量、定位、壓力、檢測、速度、人機交互這類信息，利用工業處理單元、控制軟件以及智能傳感器來讓工業生產中的各類設備數字化與智能化。網絡層則說明了工業物聯網的網絡載體，主要是指5G專網，包含了5GC、MEC、NR這類實體單元和網絡切片管理系統、SDN/NFV 系統。網絡層能夠讓工業物聯網連接到uRLLC、eMBB、mMTC 這類業務應用場景之中，進而快速傳輸數據信息，有效達成M2M 的大規模連接。支撐層則能夠讓工業物聯網對所采集的數據信息進行處理、分析、儲存，并將其應用至各個環節之中，從而構建一個完整的工業數學模型，建立可視化水平較高的3D 引擎。應用層則是為了實現智能供應鏈、智能設計、智能生產、智能制造、智能加工以及需求分析等目的，最大化地迎合工業在智能方面的應用需求。

圖1 5G 背景下工業物聯網的總體架構

（2）物聯網部署方案

5G專網背景下的工業物聯網部署方案主要包含了網絡切片部署以及企業專網部署，其中網絡切片部署主要是與運營商達成一致，根據工廠的工業生產需求，在內部相應位置部署邊緣計算服務器以及5G 基站。通過5GC 所具備的網絡切片作用，能夠讓工業物聯網順利完成網絡的組合，相比之下成本支出較低，且效率極高，能夠應用于部分對數據信息敏感程度相對較低的企業之中。企業專網部署主要指的是在企業內部完成獨立5G 網絡的部署，需要用到5G 基站、服務器、企業核心網以及邊緣計算等相關設備。企業專網部署能夠應用于規模較大的工業企業，且對技術人員的專業水平以及管理人員的管理水平有著較高的要求。

（3）邊緣計算部署方案

邊緣計算主要遵循了就近原則，為開放平臺的最近端提供相應的服務。相比于云端計算，邊緣計算的響應速度更快，有效提升了處理效率，極大地降低了云端計算的負荷。工業物聯網在部署邊緣計算時應當從邊緣節點、云邊緣、邊緣網關、本地邊緣、邊緣負載、邊緣應用等方面出發，讓邊緣計算所產生的效果最大化。

（4）工業應用平臺方案

工業應用平臺主要是將數據作為核心，能夠將種類繁多的應用開放給全體用戶，進而完成對工業產品的全過程數字化管理[2]。工業應用平臺具備自動控制、輔助裝配、協同設計、倉儲管理、培訓指導、柔性生產、質量控制、物流供應以及遠程運維等功能，工廠可以利用工業應用平臺來構建一個全新的產品及服務生產模式，通過對虛擬化工廠、3D 可視化、無人車間以及人機交互等方法的應用來讓工業生產更為智能化，有效提升工廠的工業生產力。

（5）網絡安全方案

在5G專網背景之下，工業物聯網應當對感知設備、網絡基礎設施、工業控制系統、AGV 服務器、OPC 服務器、傳感器網關這類設備采取有效的安全防護措施，按照《信息安全技術網絡安全等級保護定級指南》中的相關要求來明確各類設備的安全保護等級，并分別從安全通信網絡、安全計算環境、安全物理環境、物聯網安全拓展要求、安全區域邊界等方面來構建一個完善的安全管理體系以及安全技術體系，以此來有效保障整個工業物聯網的網絡安全。

3 5G 應用于工業物聯網的兩種模式

（1）以“移”換“固”，解放生產

將5G技術應用于工業物聯網之中，能夠完美代替傳統固線，讓之前與生產設備相連接的復雜通信電纜得以移除，使工業生產具備更強的靈活性，簡而言之便是以無線代替了有線。在這樣的模式之下，能夠完成對各類數據信息的移動采集，一般應用在部分旋轉、滑動頻率較高、速度較快的設備之中，諸如涉及溫度、視頻、風速、振動等因素的風機等[3]。根據相關數據能夠得知，引入5G技術之后，單臺風機能夠在一天時間之內達到85GB 的數據量。風機在機艙的前半部分一般是處于旋轉狀態，對軸承、葉片、滑環等配件進行固線操作有著較高的難度，通過移動采集方式的應用則能夠有效解決這一問題。柔性產線也是應用5G技術后的創新手段，能夠有效滿足離散制造企業的“小批量、多批次”這一基本需求。在傳統固線部署方式下，產線的優化與改良受到了較大幅度的限制，例如設備商在對一次生產的基站板卡型號進行調整時，往往需要耗費一天的時間來重新進行接線，極大地降低了工作效率。通過5G 無線技術的應用，能夠實現對固線現場總線的完美代替，有效促進了柔性生產的高速發展，相關工作人員能夠在最短的時間之內完成對生產批量以及生產批次的調整，同時也能夠優化不同生產階段的產能，讓各生產階段能夠緊密銜接。

（2）從“集”到“分”，創新模式

通過5G技術的應用，能夠讓邊緣布局得以加強，使得工廠能夠在傳輸匯聚節點、基站局房以及本地數據中心中完成對邊緣云的部署，這樣一來5G 的虛擬網元能夠得到有效的承載，且能夠在行業內部進行開放，推動工業領域實現從集中控制模式轉變至分布控制模式，進而有效增強處理效率[4]。例如部分有著較大能耗的企業一般會自建一個微電廠，通過5G 邊緣云的應用就能夠對微電廠的實際生產狀況及設備運轉狀態進行實時監控，有效提升了工業生產效率。

綜上所述，5G技術在工業智能化進程之中做出了突出的貢獻，5G專網能夠讓工業物聯網更為完善，具備更佳的性能，有效助力高質量、高效率的工業生產。當前5G專網技術仍處于一個持續發展階段，能夠預見在5G專網背景下的工業物聯網勢必在未來得到更為廣泛的普及與應用，工業生產也將邁向更高的臺階，從而有效推動工業經濟的高速發展。