5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

畢健有，王文成，王家旭

（遼寧郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110179）

1 概述

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”主要是利用5G相關(guān)先進(jìn)技術(shù)作為基礎(chǔ)，來(lái)構(gòu)建發(fā)展工業(yè)等相關(guān)新業(yè)務(wù)的應(yīng)用模式。通過(guò)5G技術(shù)對(duì)萬(wàn)物進(jìn)行互聯(lián)，構(gòu)建起整個(gè)系統(tǒng)流程，為工業(yè)現(xiàn)代化科技化發(fā)展提供了更高，更先進(jìn)的發(fā)展動(dòng)力，從而提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率[1]。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”將發(fā)揮聚合性作用。5G不僅提供網(wǎng)絡(luò)連接，而且還需要與網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算及人工智能相結(jié)合發(fā)展并帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。5G的推廣和應(yīng)用過(guò)程，即是5G與各類信息通信技術(shù)聚合創(chuàng)新的過(guò)程。5G加速了通信技術(shù)、信息技術(shù)、控制技術(shù)深度融合，推動(dòng)通信與感知、計(jì)算、控制朝著深度耦合方向邁進(jìn)。

2 5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用分析

由于5G技術(shù)的發(fā)展及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的革新，二者在時(shí)代發(fā)展的推動(dòng)下有利相遇結(jié)合，為科技工業(yè)化轉(zhuǎn)型提供重要基礎(chǔ)。其中，5G技術(shù)中的高可靠特性和低時(shí)延特性的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達(dá)到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。5G的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的超高視頻監(jiān)控中已經(jīng)得到了應(yīng)用。5G技術(shù)的出現(xiàn)和演進(jìn)大大提高了工業(yè)及各行業(yè)的發(fā)展，為工業(yè)級(jí)各行業(yè)發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

圖1 5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用分析

3 5G技術(shù)給工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的價(jià)值

5G技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景包含整個(gè)工業(yè)制造業(yè)。覆蓋了工業(yè)制造過(guò)程中的各個(gè)環(huán)節(jié)要素。5G技術(shù)深度地將企業(yè)發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了分析解讀，為工業(yè)發(fā)展提供有力保障[2]。

圖2 5G技術(shù)給工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的價(jià)值

3.1 提供低時(shí)延

很多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景中（如多機(jī)器人協(xié)作），對(duì)時(shí)延及可靠性要求很高，根據(jù)5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，5G技術(shù)中的邊緣計(jì)算更靠近終端的特性提供的低時(shí)延可以滿足低時(shí)延場(chǎng)景中對(duì)精度、協(xié)同等高要求。

3.2 兼容多協(xié)議，降低改造成本

由于相關(guān)設(shè)備間都采用L2網(wǎng)絡(luò)接口，工業(yè)設(shè)備商和企業(yè)都不希望改造相關(guān)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)通信接口和協(xié)議，5G MEC對(duì)多協(xié)議和通信接口的兼容，降低了改造成本。

3.3 提供大帶寬，降低對(duì)外網(wǎng)帶寬需求

在AR/VR、監(jiān)控、巡檢等場(chǎng)景中，由于需要傳送大量視頻圖像信息，往往需要超大帶寬，5G的超級(jí)上行能力可以為該類場(chǎng)景提供超大帶寬，同時(shí)利用邊緣計(jì)算進(jìn)行本地處理，減少傳送到云中心的數(shù)據(jù)，降低對(duì)外網(wǎng)的帶寬需求。

3.4 提高安全性

由于園區(qū)內(nèi)的信息涉及企業(yè)的內(nèi)部數(shù)據(jù)，具有很高的隱私性，將數(shù)據(jù)在本地處理，降低了數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)，提升的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全性。

4 5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

5G網(wǎng)絡(luò)具有支持大帶寬、海量連接數(shù)、超低時(shí)延的技術(shù)特點(diǎn)，它將是人們工作生活中各種業(yè)務(wù)需求的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，現(xiàn)如今，5G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)正式商用，5G網(wǎng)絡(luò)初期建設(shè)基本完成，5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)為各行業(yè)的新的發(fā)展生機(jī)。5G技術(shù)將在車聯(lián)網(wǎng)、高清視頻、AR/VR、工業(yè)機(jī)器人、無(wú)人物流、遠(yuǎn)程醫(yī)療等方面得以實(shí)際應(yīng)用[3]。

圖3 5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 工業(yè)視覺(jué)

工業(yè)視覺(jué)是通過(guò)高清晰度攝像頭、工業(yè)級(jí)相機(jī)設(shè)備采集相關(guān)信息，并將圖像信息進(jìn)行處理、分析和理解，從而達(dá)到對(duì)商品質(zhì)量檢測(cè)的高精度、高效率、實(shí)時(shí)性的目的。工業(yè)視覺(jué)需要采集分析大量的圖像信息并做出實(shí)時(shí)的反饋控制，要求大帶寬：5～150 Mbps/300 Mbps 回傳成像數(shù)據(jù)；低時(shí)延：20～50 ms，PLC 控制反饋。因此工業(yè)視覺(jué)場(chǎng)景中需要結(jié)合5G+邊緣計(jì)算。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)高速率傳輸圖像信息，可滿足工業(yè)視覺(jué)大帶寬的需求；此外還需與云端進(jìn)行協(xié)同進(jìn)行大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、AI 算法訓(xùn)練。

4.2 多機(jī)器人協(xié)助

多機(jī)器人協(xié)作顧名思義就是多個(gè)機(jī)器人相互協(xié)調(diào)工作。多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)由遠(yuǎn)程控制端、智能中心、智能機(jī)器人以及邊緣側(cè)組成。在多機(jī)器人協(xié)作中，需要傳輸兩類信息，一種是體現(xiàn)機(jī)器設(shè)備狀態(tài)情況的信息，另一種是對(duì)機(jī)器及設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作控制的信息。相對(duì)于狀態(tài)信息，控制操作類信息要求更高的安全性和可靠性。因此多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)可以與 5G、機(jī)器視覺(jué)、邊緣計(jì)算、云計(jì)算技術(shù)的融合，改善機(jī)器人的剛性自動(dòng)化，提高產(chǎn)線的柔性能力。多機(jī)器人協(xié)作的需求主要是低時(shí)延、高可靠性需求，通過(guò) 5G NR空口的低時(shí)延、高可靠性改善了Wi-Fi的時(shí)延大、可靠性低的缺陷；實(shí)時(shí)計(jì)算和控制需求，可通過(guò)MEC的部署滿足機(jī)器人 PLC 控制信息的安全可靠，進(jìn)一步降低時(shí)延。

4.3 無(wú)人機(jī)巡檢

無(wú)人機(jī)巡檢被廣泛的應(yīng)用在智慧物流、智慧園區(qū)、設(shè)備巡檢等領(lǐng)域，巡視內(nèi)容包括人員、財(cái)產(chǎn)、治安、消防安全巡視。無(wú)人機(jī)利用自身的攝像頭將視頻圖像等信息實(shí)時(shí)傳送到各個(gè)企業(yè)的控制中心。在企業(yè)控制中心通過(guò)對(duì)視頻圖像進(jìn)行分析、識(shí)別、判斷處理，判斷所檢查的地點(diǎn)是否存在異常情況。但實(shí)際上，大部分前端設(shè)備都只具備單純的感知和攝像功能，不具備前端的分析處理計(jì)算功能，前端設(shè)備需要將記錄的數(shù)據(jù)回傳至控制中心進(jìn)行分析處理，將視頻分析與處理服務(wù)器部署在距感知設(shè)備較近的MEC平臺(tái)中。通過(guò)無(wú)人機(jī)的高清攝像頭采集到的數(shù)據(jù)和圖像信息，通過(guò)5G基站傳輸?shù)組EC平臺(tái)中進(jìn)行本地分析預(yù)處理，這樣既降低了對(duì)核心網(wǎng)的處理要求，又降低了傳輸帶寬資源的要求，同時(shí)也將時(shí)延縮短到端到端。AI訓(xùn)練服務(wù)則被部署在云數(shù)據(jù)中心，依靠云計(jì)算強(qiáng)大的計(jì)算能力來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，得到更準(zhǔn)確地訓(xùn)練模型。5G的上行速率可達(dá)200 Mbps，可以支持4K、8K甚至全景的視頻回傳，利用5G的毫秒級(jí)的低時(shí)延和高可靠特性，可以有效地保障無(wú)人機(jī)的精確控制和精準(zhǔn)定位[4]。

4.4 AR遠(yuǎn)程協(xié)助

AR遠(yuǎn)程協(xié)助技術(shù)可以支持遠(yuǎn)端學(xué)員有效地學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、交流等工作。AR類應(yīng)用希望要有身臨其境的真實(shí)感，如果從用戶改變動(dòng)作到畫(huà)面繪制在新的位置上花了太長(zhǎng)的時(shí)間，畫(huà)面就會(huì)產(chǎn)生偏移，造成拖影。因此，沒(méi)有足夠低的時(shí)延，就不能給用戶一個(gè)很好的服務(wù)體驗(yàn)，遠(yuǎn)程控制及遠(yuǎn)程協(xié)助也不能達(dá)到更好的效果。所以AR場(chǎng)景對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)要求較高。因此可以通過(guò)邊緣計(jì)算平臺(tái)提供相關(guān)技術(shù)能力，為AR遠(yuǎn)程協(xié)助提供業(yè)務(wù)的近端實(shí)時(shí)處理和低時(shí)延保障；通過(guò)5G保證AR遠(yuǎn)程協(xié)助大的大帶寬需求。

4.5 遠(yuǎn)程駕駛

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的改革，遠(yuǎn)程駕駛技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，特別是在大型制造車間、礦井等場(chǎng)景中得以高效應(yīng)用。在應(yīng)用建設(shè)過(guò)程中，在集中控制室內(nèi)建設(shè)遠(yuǎn)程駕駛設(shè)備，通過(guò)遠(yuǎn)程駕駛設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程操作控制前端生產(chǎn)設(shè)備。遠(yuǎn)程駕駛場(chǎng)景的特點(diǎn)是，要求高精準(zhǔn)度控制前端設(shè)備，對(duì)信息發(fā)送時(shí)延要求較高。5G技術(shù)的應(yīng)用，可以有效解決了要求高精度低時(shí)延問(wèn)題。

4.6 AI視頻監(jiān)控

主要有2大類7個(gè)細(xì)分場(chǎng)景，包含園區(qū)辦公室監(jiān)控、倉(cāng)庫(kù)監(jiān)控、園區(qū)出入監(jiān)控、生產(chǎn)線設(shè)備異常、操作人員行為、是否戴安全帽、車間人員是否按規(guī)定路線行走等；除了安防監(jiān)控，在生產(chǎn)過(guò)程中還需要對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備及操作人員行為異常進(jìn)行識(shí)別，增強(qiáng)產(chǎn)線安全和可靠性，為產(chǎn)線工序定義操作紅線，關(guān)鍵操作不能有遺漏；AI視頻監(jiān)控場(chǎng)景會(huì)記錄園區(qū)中的大量信息，因此對(duì)數(shù)據(jù)的隱私性有要求，同時(shí)需要對(duì)大量的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，因此對(duì)帶寬和時(shí)延有很高的要求。利用5G+邊緣計(jì)算+AI，在現(xiàn)場(chǎng)部署視頻監(jiān)控，對(duì)工人的操作進(jìn)行記錄并且實(shí)時(shí)傳送到后臺(tái)。系統(tǒng)分析軟件依賴MEC的邊緣計(jì)算能力對(duì)視頻進(jìn)行分析、對(duì)比，識(shí)別園區(qū)內(nèi)的異常事件。

4.7 AGV倉(cāng)儲(chǔ)物流

AGV系統(tǒng)是智慧工廠的重要構(gòu)成之一，實(shí)現(xiàn)物料的自動(dòng)流轉(zhuǎn)和生產(chǎn)制造的全程可追溯生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集。在AGV倉(cāng)儲(chǔ)物流場(chǎng)景中，AGV小車接收到指令后自動(dòng)前往相應(yīng)的位置進(jìn)行工作。AGV小車在工作流程中，需要對(duì)自己目前所在的位置進(jìn)行定位，通過(guò)傳感器檢測(cè)前方路障，實(shí)時(shí)規(guī)劃路徑，與其他小車進(jìn)行協(xié)同等，因此對(duì)時(shí)延和并發(fā)有很高的要求。在群車密集式作業(yè)，密集存儲(chǔ)的場(chǎng)景中：Wi-Fi并發(fā)200臺(tái)（1 600平方米倉(cāng)庫(kù)），移動(dòng)切換Wi-Fi AP每天10+次停機(jī)，重傳恢復(fù)2分鐘；網(wǎng)絡(luò)需求：支持100～200 AGV并發(fā)、時(shí)延要求在50～100 ms之間。通過(guò)5G+邊緣計(jì)算，可以支持?jǐn)?shù)百臺(tái)AGV小車同時(shí)接入，在邊緣處實(shí)時(shí)處理AGV傳感器所采集的數(shù)據(jù)，對(duì)其指令和路徑進(jìn)行規(guī)劃。

5 結(jié)束語(yǔ)

5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的規(guī)模化應(yīng)用，具有重要意義。一方面，5G相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用及價(jià)值在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中得到了充分體現(xiàn)。對(duì)于5G to B乃至整個(gè)5G的發(fā)展都具有示范意義和推動(dòng)作用。另一方面，5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將能加速制造領(lǐng)域的數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型，從而提升整個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)實(shí)力。■