5G在工業互聯網領域的應用進展

黃穎，于青民，李宗祥，王哲

（中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

工業互聯網是第四次工業革命的重要基石[1-3]，5G的高速率、低時延和大連接三大新特性與工業互聯網無線網絡需求十分契合，是工業互聯網的關鍵使能技術。5G 作為新一代信息通信技術的重要演進方向，在各領域的應用落地成為商用發展的關鍵環節，工業互聯網的垂直行業為5G 提供了廣闊的市場空間。5G 與工業互聯網融合創新有利于我國5G 技術優勢與工業需求的融合發展，目前已成為產業界探索的重要方向。

“5G+工業互聯網”是指利用以5G 為代表的新一代信息通信技術，構建與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態。通過以5G 為代表的新一代信息技術對人、機、物、系統等的全面連接，構建起覆蓋全產業鏈、全價值鏈的全新制造和服務體系，為工業乃至產業數字化、網絡化、智能化發展提供了新的實現途徑，助力企業實現降本、提質、增效、綠色、安全發展。“5G+工業互聯網”涉及面廣、參與主體多、資源投入大，覆蓋5G 網絡建設、工業互聯網基礎設施建設、融合產品開發、行業應用落地等方方面面，其融合創新發展需要產業界持續探索和推進。

1 5G技術賦能工業企業數字化轉型

1.1 5G技術助力工業設備實現應連盡連

我國工業企業數字化水平參差不齊，數據采集和互聯互通難度較大[4]。傳統工廠網絡主要采用封閉局域網方案，在工廠數字化轉型過程中存在傳輸協議分散、設備差異大且信息化水平普遍較低、網絡管控水平低、信息孤島現象嚴重等問題[5]。工業企業原有相關系統采集的數據有限，在生產管控質檢、物流物料跟蹤、人員行為監測、環境信息采集等眾多環節存在數據采集漏點，難以支撐工業企業數字化轉型過程中的大數據分析需求。5G 技術作為重要的無線網絡技術，傳輸速率提升10 到100 倍，峰值傳輸速率達到10 Gbit/s，端到端時延達到ms 級，連接設備密度增加10 到100 倍，流量密度提升1 000 倍，頻譜效率提升5到10 倍[6-8]。通過5G 無線連接方式能夠有效支撐填補原有系統的數據采集漏點，實現設備應連盡連。

1.2 5G技術催化工業企業全環節數據打通

5G 與人工智能、云計算等新技術結合，在邊緣側創新5G 云化控制、云化運維、云化診斷等業務形態，實現與現有業務系統的聯動和協作，為企業全流程數據打通、智能化發展奠定了良好的基礎，同時也帶動了5G+PLC（Programmable Logic Controllers，可 編 程 控制器）、5G+DCU（Distributed Control Unit，分布式控制單元）、5G+SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監控和數據采集系統）等新的設備形態不斷涌現。如圖1 所示，5G 技術助力實現人、機、料、法、環等全方位互聯，通過生產全環節數據打通，促進5G 應用場景的落地。

圖1 5G助力工業全環節數據采集及互通

2 5G加速與工業互聯網垂直行業融合

2.1 5G網絡建設模式持續演進

經過近兩年的5G 企業網絡建設探索，工業企業部署5G 網絡主要形成了虛擬專網（公網切片方式）、混合虛擬專網（用戶面核心網元下沉部署至企業側）、獨立專網（工業企業自建自用專用5G 網絡）三種模式，如圖2所示，（1）5G 虛擬專網：利用5G 切片等技術在面向公眾服務的網絡中為企業用戶提供網絡質量（時延、帶寬等）定制化的專用通道服務，可實現不同用戶不同業務間的邏輯隔離；（2）5G 混合虛擬專網：原有在運營商核心網側部署的UPF（用戶面功能）等下沉部署在企業園區內或鄰近企業園區，以保障企業業務數據本地存儲，具有較高的安全性和實時性；（3）5G 獨立專網：構建工業企業專用的5G 網絡，只承載企業自有業務，與公網隔離。現階段，綜合考慮業務需求、成本、安全性等因素，大中型企業普遍選擇5G 混合專網的方式進行網絡升級改造[9]。

圖2 “5G+工業互聯網”企業融合組網模式

隨著工業企業5G 網絡改造步伐的加速，現有的專網建設模式也暴露了不足：5G 在大帶寬、低時延、大連接等技術特性方面考慮了工業場景的需求，但建網模式、運營模式等方面仍延續2G、3G、4G 的面向C 端用戶的大網模式，網絡設備功能齊備、系統龐大，在工業企業部署存在成本高、運營維護不開放、商業模式不清晰等問題，難以完全滿足工業企業實際需求。為此，產業界也不斷在探索功能、性能、容量可按需定制，及多樣化、簡單化、自主化的5G 網絡使用和運維等模式。在基站設備方面，“宏微”結合成為5G 在工業互聯網領域基站部署的主要方式，面向工業企業的小站和微站涌現。在核心網建設方面，面向工業企業低成本、可定制的5G 核心網技術開始探索應用[10]。

2.2 5G+MEC賦能工業邊緣智能

5G 網絡部署方式靈活，核心網架構原生支持MEC（邊緣云等基礎設施）功能，控制面和用戶面可完全分離，支持UPF（用戶面功能）下沉部署在企業側，使得5G 與工業的融合除了網絡傳輸外，在基本業務實現、業務安全保障、商業模式支撐等方面都具備價值。

在網絡傳輸方面，通過引入MEC 技術，在通信網絡邊緣對數據進行預處理，避免無效數據對網絡資源的占用，可對用戶數據進行高速分發縮短響應時間，同時可承載工業控制中邊緣層的計算應用服務[11]。在業務實現方面，UPF 下沉到邊緣配合MEC 部署后，業務應用可以直接部署在離基站較近的位置，可降低網絡時延，支撐低時延高可靠業務應用。另外，ETSI 定義的MEC（對應3GPP 的local UPF 本地用戶面網元）支持無線網絡能力和運營能力開放，有助于電信行業和垂直行業的快速深度業務融合及創新。在業務安全方面，UPF 下沉部署在企業側，可以實現企業業務數據不出工廠，為企業提供更高的安全保障。在商業模式方面，MEC 可以節省傳輸資源，尤其針對存在大量數據傳輸需求的視頻類應用，數據能夠實現在園區內的本地存儲和運算，節省邊緣到核心網和Internet 的傳輸資源開銷及商業成本[12]。

2.3 5G融合終端加速匹配行業需求

目前，在5G 發展初期市場上，芯片和模組價位較高，且出貨量難以滿足日益增長的工業市場上融合終端生產的需求。目前市場上能提供5G 商用芯片的企業為華為海思、紫光展銳、聯發科、高通和三星，能提供5G 商用芯片及模組的方案為華為海思和高通，基于這兩家方案，長虹、移遠通信、日海智能、廣和通、聞泰科技等企業推出了相應的5G 模組產品。

現階段的融合終端多以網關等數據終端形態出現在工業場景中。5G 與工業應用融合建設的方式有多種，一種是采用5G 模組（工業設備嵌入5G 通信模組），通過集成到設備內部，實現5G 與工業通信的深層融合應用；另一種采用集成網關、CPE 等，可實現5G 與現有工業體系的無縫連接和互通互操作。第二種方式是現階段工業企業普遍采用的方式。

行業應用和專網需求將加速5G 融合終端成熟及多樣化。隨著AR/VR 輔助裝配、機器視覺質檢、遠程操控、智能物流、無人巡檢等對于網絡速率要求高、時延敏感的工業互聯網場景的廣泛應用，融合類5G 工業終端形態將逐步從現有的網關等數據終端形態向各種5G 行業終端擴展。

2.4 融合應用逐步向核心生產環節延伸

5G 助力工業體系變革，使工業企業生產模式、組織方式和生產經營模式發生變革[7]。在工業互聯網領域實踐逐步從生產外圍輔助性應用向涉及生產核心環節的應用發展，有望開辟出一條5G 技術與工業深度融合創新發展的嶄新路徑。

5G+超高清視頻監控、移動無人巡檢等輔助型應用：在現有工廠網絡應用基礎上疊加5G 網絡應用，在非核心生產和管理業務方面有效補充、增強工廠管理能力。如，將5G+高清視頻融入到園區的安防監控之中，實現采集監測視頻/圖像實時回傳。

5G+機器視覺檢測、AR/VR 輔助裝配等業務融合型應用：通過部署5G MEC（邊緣計算基礎設施），將5G 技術與人工智能（AI）等新技術在邊緣側進行融合，解決原來AI 技術受限于終端的處理能力及成本等問題，全面提升工業企業裝備的智能化水平。如，利用5G+4K/8K+機器視覺技術，實現鋼帶表面的智能質檢等。

5G+工業控制等應用：5G 與工業裝備深度融合，在工業核心生產環節發揮助力作用。例如，在生產線上，使用集成5G 模組的MES（制造執行系統）工業網關。隨著5G 技術及工業體系的不斷升級，5G 工業終端將越來越多地在生產中使用。

3 5G R16將激活工業控制應用創新

當前，“5G+工業互聯網”應用主要基于5G R15 增強移動寬帶（eMBB）特性，以大帶寬傳輸類融合應用為主。隨著5G R16 及后續版本的發布，5G 超可靠低延遲通信（URLLC）特性逐步成熟，并逐步深入工業自動化控制（移動控制/ 現場控制/ 運動控制等）場景，可以全面支撐PLC、機器人控制等的南向接口無線化，滿足工業企業生產線“剪辮子”的應用需求，助力工業端側設備的軟件化部署、算力上移等應用，5G/5G Advanced URLLC 場景中（移動控制/ 現場控制/ 運動控制），結合軟化PLC、云化機器人、機器視覺、邊緣AI 等技術，將會重新定義未來的產線架構。圖3 為5G 技術梯進發展。

圖3 5G技術梯進發展

為加快5G 在工業自動化方向探索，工業互聯網產業聯盟（AII）“5G+工業互聯網”特設任務組，組織“5G URLLC 工業應用創新先鋒營”活動，聚合5G 廠商、電信運營商、工業企業、工業解決方案服務商以及研究機構，基于5G URLLC 特性，明確5G/5G Advanced uRLLC 能力基線，定義創新場景，開展測試驗證，打通技術和產業瓶頸，形成可推廣的典型應用和產業生態。

4 “5G+工業互聯網”標準化工作加速推進

當前“5G+工業互聯網”的產業應用處于探索初期，急需推進落實標準化工作，夯實“5G+工業互聯網”發展基礎。“5G+工業互聯網”技術產業化和標準化的需求主要涵蓋融合關鍵技術、產品、管理及應用等方面，涉及網絡、終端、安全、應用等內容，需要不斷完善建立統一、綜合、開放的“5G+工業互聯網”融合標準體系[15]。本著急用先行的原則，工業互聯網產業聯盟（AII）及中國通信標準化協會（CCSA）在2020 年5 月組織了“5G+工業互聯網”標準立項工作，首批面向航空、礦山、港口、高端裝備、電網、鋼鐵、工業園區、水泥等領域的“5G+工業互聯網”應用場景、技術要求和技術標準啟動研制，截至目前，共有12 項標準工業互聯網產業聯盟立項，其中6 項已同步在中國通信標準化協會工業聯網特設組（CCSA ST8）立項研制。標準列表如表1 所示。

表1 “5G+工業互聯網”標準列表

5 結束語

“5G+工業互聯網”具有典型的跨領域綜合性特征，包涵新一代信息通信技術及工業技術兩大領域。除技術跨界外，還涉及與云計算、大數據、邊緣計算等新型技術間的融合。“5G 與工業互聯網”融合創新發展場景正貫穿工業制造的全過程，將顯著降低企業運營成本，提高生產效率，優化制造資源配置，為構建工業經濟體系提供有力保障。5G 與工業互聯網融合創新既是產業發展的必然趨勢，也是推動新舊動能轉換的重要動力，在產、學、研各界共同努力下，必將形成倍增疊加、融通發展的良好生態。