5G 在工業互聯網中的融合應用現狀及問題分析

李永萍，賈 佳

［工信通（北京）信息技術有限公司，北京 100036］

0 引言

工業互聯網是第四次工業革命的關鍵支撐，5G 是新一代信息通信技術演進升級的重要方向，二者都是實現經濟社會數字化轉型的重要驅動力量。作為新基建的重要內容，黨和國家高度重視5G 和工業互聯網的深度融合，習近平總書記多次作出重要指示，要求加快5G、工業互聯網等新型基礎設施建設，強調5G與工業互聯網的融合將加速數字中國、智慧社會建設，加速中國新型工業化進程，為中國經濟發展注入新動能。

5G 憑借高帶寬、海量連接、高可靠、低時延的能力特性，正面向各個行業和領域廣泛擴展并深度結合，把人與人之間的鏈接擴展到了人與物以及物與物之間的鏈接。其中，工業互聯網被公認為是5G 技術最重要的一個應用場景。“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。

1 我國5G+工業互聯網產業政策分析

黨中央、國務院高度重視5G 和工業互聯網發展。近幾年，國家以及相關部委相繼出臺一系列政策，支持和推動“5G+工業互聯網”發展，為更好地促進我國“5G+工業互聯網”融合發展創造了良好的政策環境。

2017 年11 月，國務院發布《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》[1]，確立了工業互聯網的戰略發展地位，明確了工業互聯網發展的主要任務和路徑，提出要在5G研究中開展工業互聯網應用的網絡技術試驗，協同推進5G 在工業企業的應用部署。

2018 年6 月，工業和信息化部發布《工業互聯網發展行動計劃（2018—2020 年）》[2]，《行動計劃》提出，到2020 年底，初步建成工業互聯網基礎設施和產業體系。

2019 年11 月，工業和信息化部下發《“5G+工業互聯網”512工程推進方案》[3]，提出打造5 個產業公共服務平臺，加快垂直領域“5G+工業互聯網”的先導應用，加快內網建設改造覆蓋10 個重點行業，提煉形成至少20 大典型應用場景，培育形成5G 與工業互聯網融合共進的生態體系。

2020 年3 月，工業和信息化部印發《關于推動5G 加快發展的通知》[4]《關于推動工業互聯網加快發展的通知》[5]兩個文件，通知中再次強調實施“5G+工業互聯網”512 工程，突破一批面向工業互聯網特定需求的5G 關鍵技術，加快垂直領域“5G+工業互聯網”的先導應用，打造一批“5G+工業互聯網”內網建設改造標桿網絡、樣板工程，總結形成可持續、可復制、可推廣的創新模式和發展路徑，促進“5G+工業互聯網”融合創新發展。

2020 年12 月，工業和信息化部發布《工業互聯網創新發展行動計劃（2021—2023 年）》[6]，提出要深化“5G+工業互聯網”明確了未來三年我國工業互聯網發展目標，提出要深化“5G+工業互聯網”。

2021 年7 月，工業和信息化部等十部門印發《5G 應用“揚帆”行動計劃（2021—2023 年）》[7]，《“揚帆”行動計劃》在“行業融合應用深化行動”中就5G+工業互聯網發展提出：推進5G 模組與AR/VR、遠程操控設備、機器視覺、AGV 等工業終端的深度融合，加快利用5G 改造工業內網，打造5G 全連接工廠標桿，形成信息技術網絡與生產控制網絡融合的網絡部署模式，推動“5G+工業互聯網”服務于生產核心環節。

2021 年11 月16 日，工業和信息化部正式印發《“十四五”信息通信行業發展規劃》[8]，就“5G+工業互聯網”發展，《規劃》提出：到2025 年，基本建成覆蓋各地區、各行業的高質量工業互聯網網絡，打造一批“5G+工業互聯網”標桿。持續深化5G+工業互聯網融合創新，加快典型應用場景推廣。支持基礎電信企業與工業企業對接合作，利用新型網絡技術、先進適用技術建設改造企業內網，面向重點行業打造企業內網升級改造標桿和5G 全連接工廠。完善多層次的工業互聯網平臺體系，培育一批跨行業跨領域的綜合型平臺，建設面向重點行業的特色型工業互聯網平臺，支持發展面向特定技術領域的專業型工業互聯網平臺，加快工業設備和業務系統上云上平臺。

2 5G 技術助力工業企業數字化轉型

5G 網絡建設加快推進。截至2021 年底，我國累計建成并開通5G 基站142.5 萬個，建成全球最大5G 網，實現覆蓋全國所有地級市城區、超過98%的縣城城區和80%的鄉鎮鎮區，并逐步向有條件、有需求的農村地區逐步推進。我國5G 基站總量占全球60%以上。電信運營商為“5G+工業互聯網”的5G 虛擬專網模式、5G 混合虛擬專網模式、5G 獨立專網模式的三大組網模式基本形成，有效滿足工業內網的需求。5G 作為基礎性技術、聚合性技術、融合性技術，正在推動數字產業化、產業數字化的快速發展，而工業互聯網將為5G 發展開辟廣闊空間。

制造業數字化升級過程中，5G 可保證工業系統的穩定運行。在制造業企業的升級轉型過程中，必須充分挖掘生產制造過程中數據的價值，這要求企業具備打通各種數據的能力、分析和挖掘數據的能力、將數據轉換為價值的能力，這一切的前提是必須能夠將數據串起來，形成無處不在的連接。但是當前的大多數企業IT 與OT 系統割裂，數據在內部系統孤島無法流轉，5G 與工業互聯網的出現與結合無疑可以解決企業內部數據互聯的需求。①5G 的大帶寬、低時延、廣連接的技術特性，可有效解決工廠多樣化的海量、異構數據的傳輸需求，在現有工廠復雜環境下，5G 可有效解決傳統無線通信存在的傳輸不可靠、不穩定、易干擾等難題，滿足工業大數據蓬勃的傳輸需求，從而有效減少因網絡狀況不佳而導致工業系統癱瘓等情況的出現。②5G 的邊緣計算技術、切片技術和QoS 機制可更好的幫助工廠實現數據的可靠傳輸與安全隔離，助力制造業在轉型升級中實現對工業現場的實時監測與控制，及時掌握工業現場的情況并反饋，從而提高生產效率和安全性。

在柔性變革的趨勢下，5G 可滿足工業現場網絡的靈活組網需求。實現快速自組織生產線的部署是柔性生產的關鍵。目前大部分生產現場，設備與設備、設備與系統之間多為有線連接，這樣的連接方式一方面受限于線體長度、線體易纏繞等問題，移動和更換生產線是非常困難的，另一方面也會由于頻繁更換部署連接方式帶來生產安全隱患。而無線網絡作為工業互聯網網絡的重要組成部分，在移動性、靈活性、建設及運維成本、提高生產效率等方面有著明顯的優勢。①在制造企業中，個性化定制要求生產線可根據訂單變化和業務需求而快速增加、靈活調整、重組生產線。5G 技術可輔助實現產線重構下生產數據傳輸的快速恢復與性能調整，并實時、動態地預測客戶需求，對產品進行智能化生產制造。②在機械裝備、老舊工廠升級改造、高溫高濕高腐等生產環境下，有線網絡易出現線路老化、壞點頻繁、不易維護等問題。5G 支持遠程實時收集的工業現場數據上傳到云端平臺進行分析，預測設備故障等隱患并提前維護，節約柔性生產改造過程的通信成本。如中興通訊在南京濱江打造了5G 智能制造示范基地，為5G 和工業互聯網結合做了深入探索。

3 “5G+工業互聯網”融合應用現狀

在“新基建”背景和“512 工程”等政策推動下，我國的“5G+工業互聯網”發展取得了顯著進展。我國在5G 與工業互聯網融合應用實踐方面積極開展探索，目前“5G+工業互聯網”在建項目已超過1800 個，覆蓋航空、礦山、鋼鐵、港口、電力等22 個國民經濟重要行業，在實體經濟數字化、網絡化、智能化轉型升級進程中發揮了重要作用。

2021 年，工業和信息化部發布了第一批、第二批“5G+工業互聯網”十大重點行業20 個典型應用場景，已經覆蓋了比較主要的行業，5G 在工業領域的應用范圍逐步擴展，5G 與生產環境的結合更加緊密，標桿示范帶動作用日益凸顯。10 個重點行業包括電子設備、石化化工、裝備制造、建材、鋼鐵、港口、采礦、紡織、電力、家電；20 個典型應用場景包括協同研發、生產單元模擬、設備預測維護、設備故障診斷、精準動態作業、場區智能管理、企業協同、工藝合規校驗等等，應用和產業的相互帶動促進了5G 產業的繁榮發展。如格力利用5G 技術部署了機器視覺質檢場景的應用，在格力電器的總裝車間，聯通以一套獨立MEC 為格力打造了工業虛擬專網，實現生產控制網與生產管理網融合，在模擬場景中基于樣本訓練建立數據模型，在需要自動檢測的工位上安裝5G 高清攝像頭，與自動化生產線同頻聯調，在實際生產中利用5G 網絡將待檢內容自動拍照，實現設備自動識別，自動化生產線與質檢系統關聯做出不良品分離操作；上海市外高橋造船有限公司搭建5G 專網，融合MEC 技術，實現了基于5G 的機器視覺檢測場景的應用。使用工業相機+靶點的測量模式進行大型鋼結構精度測量，通過5G 專網及邊緣云，實時回傳、解算現場拍攝圖片，生成點位文件，基于5G 的視覺精度測量替換了傳統的全站儀離線測量方式，測量效率提升了400%；廣東新華粵石化股份有限公司開展了“能耗在線監測”項目建設，通過5G 網絡傳輸至企業綜合能源管理平臺，并按時按需上傳到廣東省能耗在線監管平臺，采集頻率從分鐘級提升到了秒級，顯著提升了數據采集的效率。基于大數據分析技術挖掘風機、泵等耗能重點設備節能空間，減少無效運行時間，提高了生產能耗信息化管理水平，降低了生產成本；山東港口青島港集團有限公司開展了“青島港5G 智慧港口”項目建設，通過5G 網絡，將溫感、電感、液壓、煙感等傳感器采集的數據實時回傳到智能集成管理平臺，實現船岸兩端63 個設備、350 個能耗指標的實時管控。通過大數據分析對船舶動力系統進行節能評估，動態調整船舶的經濟航速，實現削峰填谷、節能減排。通過自動化采集設備運行數據，提升了危險環境下的安全生產管理能力，提高安全生產預測效率和管理水平。每年節省拖輪運維費用100 萬元，節省人工檢測成本40萬元，檢測效率提升30%；艾萊依時尚股份有限公司開展“艾萊依5G+工業互聯網云平臺”項目建設，通過數采模塊對縫紉機實時數據進行采集，經過5G 網絡傳輸至艾萊依“5G+工業互聯網”云平臺。云平臺將采集的縫紉機實際數據進行融合分析，生成設備實時針動波形圖及各類生產報表。利用云平臺建模，精確分析出每一個員工、每一個工作站、每一臺縫紉機在任何時刻、任何地點、任意周期的工作狀態，計算每臺機器、每條產線的工藝精準度，及時發現異常，減少跳針、串針、針距偏差導致的串色等工藝問題。根據分析調配最優參數，進一步提升產品質量，為數字工廠的精益生產夯實基礎。

4 面臨的問題

在各方努力下，我國的“5G+工業互聯網”建網模式逐漸清晰、典型應用場景逐漸形成、產業生態不斷壯大、提質增效降本成效初顯，進一步加速數字中國、網絡強國、智慧社會的建設，促進中國新型工業化進程，為中國經濟發展注入新動能。不過，我們仍需看到，5G 與工業互聯網融合應用雖然對工業轉型升級起到顯著作用，但應認識到工業互聯網的整體進程還處于探索與建設階段，且本身的發展受到一定因素制約，還需要一段時間才能實現大規模推廣落地。目前，我國5G 與工業互聯網融合應用面臨以下挑戰。

（1）我國工業企業的數字化水平參差不齊。國內制造業的90%以上是中小企業，多數工業企業數字化水平較低，企業缺乏5G應用的積極性，現有業務提供商和行業用戶對5G 技術特性和應用價值理解也不夠透徹，導致產業還未能開發出可規模化使用的典型產品與解決方案。

（2）發展工業互聯網投資成本高，資金壓力大。近兩年受疫情沖擊，很多中小企業存在缺人員、缺市場、缺供給、缺資金等情況，制造企業普遍利潤率不高，成本壓力大。

（3）商業模式尚不清晰，產業鏈有待成熟。“5G+工業互聯網”市場需求沒有真正爆發，產品不易進行規模化復制推廣；“5G+工業互聯網”多元化盈利模式尚未形成，網絡投資建設模式有待進一步探索，產業生態有待進一步完善。平臺能力與需求尚存差距，應用價值有待加強。工業互聯網平臺設備連接數量少，數據“孤島”現象嚴重。

（4）網絡安全面臨新挑戰。工業互聯網數據在不同應用之間共享，流動方向和路徑復雜，難以管控，使得數據安全傳輸與存儲的風險大大增加5G 網絡和工業互聯網的網絡架構較為開放，且廣泛的連接將產生海量數據，覆蓋范圍較廣，因此安全問題是一大挑戰。必須要保證在傳輸過程中數據不會損失或缺少，同時也要保證設備在應用過程中用戶的隱私安全。

5 策略與建議

5G 與工業互聯網融合正處在從初期探索走向規模應用的關鍵階段，我國目前處于融合應用探索的第一梯隊，要想保持這個優勢，還需要從以下4 方面開展工作。

（1）5G 的應用創新需要電信運營商、設備商、業務開發商、行業客戶、第三方開發等產業生態圈的多個主體同時參與，在深入理解5G 技術、大帶寬業務和行業痛點的基礎上，共同探索解決方案，同時也需打破傳統產業固有的利益分配模式，形成新的商業模式。積極推動龍頭企業、行業組織等，結合應用需求、應用實踐和行業屬性，加快挖掘和梳理行業的融合應用需求，開放行業應用場景，編制行業應用參考指南，制定通用標準和工業互聯網標識解析應用服務標準，推動標準化工作落地應用，從而推動融合應用規范推進。引導企業加快5G 技術與工業終端、工業控制系統的融合研發，加快融合應用測試床建設，提升企業數字技術應用水平，增強融合應用的配套產業和關鍵技術支撐能力。

（2）加大專項資金支持。按照工業和信息化部“5G+工業互聯網”512 工程總體部署，立足地方產業發展需要，開展公共服務平臺建設，遴選重點行業和典型場景，培育解決方案提供商。設立“5G+工業互聯網”專項資金，探索產業基金、社會資本等多元化投資渠道，為技術突破、應用落地和產業發展創造更好條件。引導社會資金加大對5G 與工業互聯網融合產業的投入，發揮國家專項資金的撬動作用，積極引導各類投資基金、銀行信貸向5G與工業互聯網融合領域傾斜，扶持中小微企業開展5G 融合產品及應用的研發。

（3）加強總體規劃設計。在新冠肺炎疫情防控常態化的大前提下，要保持戰略定力，堅持方向不變、力度不減，建議把“5G+工業互聯網”的產業發展融入到地方“十四五規劃”和“新型基礎設施建設”的總體規劃中，從招商引資、人才培育、減稅降費等各方面設置更多有力政策。鼓勵行業龍頭企業、科研機構、通信企業聯合開展5G 與工業互聯網應用及產品的研發工作，通過建立跨界應用創新中心、產品研發中心等方式進行，中小企業借助創新中心資源開展5G 應用解決方案研發和集成服務，形成一大批云服務或集成服務商。

（4）發揮基礎電信運營企業“網絡+安全”的特色和優勢，確保網絡建設、平臺運營、業務推廣與安全設施同步規劃、同步發展。提供“5G+工業互聯網”一體化安全解決方案，有效防范網絡、數據、應用、設備、控制安全風險，確保5G 安全。積極探索建立安全備用網絡機制，當主網絡因為各類原因質量下降或中斷時，能夠無縫切換到安全備用網絡，從而為工業企業提供多重備份的網絡安全保障，打消工業企業、制造企業使用5G 無線網絡作為生產基礎網絡環境的顧慮。