5G環境下的工業互聯網應用研究

肖芳晏

遼寧郵電規劃設計院有限公司，遼寧沈陽，110179

0 引言

第五代移動通信技術（5th Generation Mobile Communication Technology，以下簡稱5G通信技術）憑借高寬帶、低時延、大連接的功能特征，逐漸與各行各業以及不同專業領域深度融合，它的應用范圍非常廣闊，與以往技術相比也應用功能更加強大。5G通信技術的應用，將人與人之間的連接，延伸到人與物以及物與物之間，可謂達到了萬物互聯的程度。在5G通信技術的眾多應用中，工業互聯網是其中最關鍵的應用場景，因為這是下一次工業革命的主要根基。自1979年之后，我國第二產業產值的權重不斷攀升，生產制造業的規模持續擴增。但人工成本在逐漸增加，勞動年齡人口逐漸下降，傳統的以“勞動力多、勞動工具簡單、勞動投資低廉”制勝的勞動密集型加工方式，正在向著“種類豐富、產量適中、以需求為導向”的加工方式轉變[1]。在不久的將來，生產制造業的核心將會是以需求為導向的生產模式，而優秀的工業互聯網發展環境是柔性化生產的根基。

1 工業互聯網的特征

工業互聯網是第四次工業革命的根基，它不是互聯網在工業領域的直接應用，而是有著極其豐富的內涵與擴展。網絡是指工業中萬物的連接，而智能建立在數據化、自動化的基礎之上。隨著大數據、云計算以及物聯網技術的大范圍應用，直接革新了工業制造系統的架構，并且在建立新的工業數據平臺的同時，持續革新了社會對工業互聯網的理解。工業數據平臺能夠迅速將零落的工業大數據整合起來，然后經過分類應用與精細化管理，使得工業制造的智能化層次不斷深化，應用范圍不斷增加。大數據與云計算在工業互聯網中的應用，為用戶導向的產品生產、智慧設計以及以狀態為依據的維護打下了堅實的基礎。

萬物互聯與智慧互聯是工業互聯網的標簽，萬物互聯的基礎是信息數據的有效傳遞，而智慧互聯則是使工業生產過程更加智能化。在互聯過程中，信息傳輸速率起著至關重要的作用，依賴于智能處理和成型控制，這也意味著現階段工業互聯網應用僅局限于工業方向上。在未來的一段時間內，必須致力于將工業互聯網的應用擴展到全行業之中，并使工業互聯網變成通信鏈中不可缺少的環節，實現應用電子商務系統以及數字網絡與消費者完成溝通。工業互聯網能實現高品質、高效率以及高收益的小批量生產亦或者是單獨制造需求，做到按照客戶需求特別定制[2]。因此為了使制造業盡快滿足市場多樣化、個性化的需求，應該盡快將工業互聯網的應用擴展到全行業之中。

2 5G通信技術對工業互聯網的影響

5G通信技術是新一代寬帶移動通信技術，是實現人機物互聯的網絡基礎設施，是最新一代的蜂窩移動通信技術，也是繼第四代移動信息系統（LTE-A、WiMax）、第三代移動通信技術（UMTS、LTE）和第二代手機通信技術（GSM）之后的升級。5G通信技術的性能目標是獲得高速寬帶、實現超高可靠低時延通信以及超強連接。5G通信技術的深入探索與商用，將會逐漸影響工業互聯網的發展。第五代移動通信智能終端的發明，對工業互聯網應用帶來了重要改變。第五代移動通信智能的處理器運算能力十分突出，存儲容量巨大，操作系統流暢，而且智能終端的軟件以及硬件都具有較高的標準化。在第五代移動通信網絡下，工業互聯網的遠程服務可以通過大數據技術以及云計算技術的智能終端來提供支撐，這項技術能夠使客戶不受時間地點的限制，按照需求管控工業互聯網的運行流程，實時了解機械設備的運行狀況，與此同時，還能夠為客戶的個性化需求提供創意支撐。下面列舉兩項影響較大的領域。

（1）5G環境下的工業互聯網，能夠推進企業數字化革新。在革新過程中，制造業企業應該深入開發制造過程中的數據價值。企業在這個進程中應該具有挖掘與分析數據、各種數據關聯性的識別以及深挖數據價值的能力，而應用大數據技術可以切實滿足這些需求。然而現階段，部分企業的互聯網操作系統不連貫，其數據存在孤島問題導致流通困難，而5G通信技術與工業互聯網的產生以及融合，能夠及時解決數據孤島的問題。隨著工廠的設備以及傳感器、數據交互量級的持續增多，具備高帶寬以及超高可靠低時延等特點的5G通信技術可以在邊緣計算、實時傳輸與數據采集等方面發揮較大作用，而且能夠通過工業互聯網平臺，完成生產制造工廠與用戶以及材料供應商等的實時數據交流[3]。

（2）基于5G環境下的工業互聯網促進制造企業聚焦用戶需求生產變革，實現以用戶需求為導向的生產方式的核心條件是建設快速自組織生產線。現階段，有些生產工廠，設備之間以及設備與系統間大多采用硬連接的方式，而硬連接有著移動不便、不方便整理、存在安全隱患等弊端。如果將硬連接改為使用無線網連接，不但可以隨意移動、無線路纏繞的麻煩，而且還能夠降低安全隱患，所以應用基于5G環境下的工業互聯網在提升生產組織及生產成效方面優勢顯著。無線網絡承載工業互聯網，在滿足隨意移動以及轉動的條件下，還能夠隨著要求的改變而重新部署生產線，而無線網不必重新接線也大大減少了支出。在無線網絡技術的選取上，商用的傳統無線網因為拓展性能差、網速慢、抗干擾能力不強等弊端，在工業領域的利用率只有3.89%，其他的無線連接方式的利用率則更低。而5G通信技術具有的高速寬帶、超高可靠低時延通信、超強連接等優點，剛好能夠滿足工業生產的需要，能夠符合用戶需求導向的生產[4]。

從上述內容可以得知，基于5G環境下的工業互聯網搭建了全方位信息生態系統，該系統能夠聯系生產的全部流程，做到了不受時間、地點等因素的限制，時刻可以進行信息交互，而且基于5G通信技術環境下的工業互聯網可以使任何差異化特征的業務都得到滿足。5G通信技術與工業互聯網的有機融合，可以加快傳統制造業轉變為以用戶需求為導向的個性化定制的速度。該技術的應用，也是促進工業快速發展的核心因素，能夠助力中國制造轉變為中國創造，使中國引領下一個時代的制造業，成為真正的制造強國。

3 5G通信技術在工業互聯網領域取得的成效

5G通信技術的海量機器類通信、增強移動寬帶以及超高可靠低時延通信等優勢，與智能制造中的眾多場景，比如增強現實、虛擬和現實相互結合的技術類型、工業視覺等，聯系緊密。5G通信技術特有的按需組網方式可以使硬件介質連接成的網絡分離成許多端到端的虛擬網絡，大幅度提升了互聯網的利用率。

3.1 基于5G通信技術的智慧工廠

現階段，有些企業已經在工廠內完成第五代移動通信網絡覆蓋以及邊緣計算技術的布置，實現了生產車間的完全貫通，以及增強了現實遠程巡檢、生產材料應用全過程管控等，達到了5G通信技術在工業場景的深層次應用。基于5G通信技術環境下的智慧工廠，大大降低了生產線的人工介入，減少了不可控的因素。最關鍵的是應用信息化先進手段，徹底完成了全流程的資源整合，極大地保證了產品質量，提升了生產效率。

3.2 基于5G通信技術的智慧港口

5G通信技術的核心特征與港口的業務需求也十分相符，這項技術應用在港口的生產控制中，能夠遠程操控設備，使得岸橋吊執行集裝箱的吊裝命令，并實現智能化運輸，操作延時降低到了毫秒級，完全符合工控標準，又能實現港口無死角視頻實時傳輸需求，使得港口自動化成為可能。有5G通信技術作支撐的智慧港口，港口中自動駕駛的運輸車能夠應用實時視頻監控、遠程遙控駕駛、路況與車況協調等功能，在各個倉庫中通過GPS、北斗衛星等先進定位手段，完成精準送貨、取貨以及精準停靠等動作。與此同時，智慧港口能夠使用5G通信技術將港口實施情況、資源調配等眾多信息回傳移動電子商務終端以及港口云，從而應用本地化物聯網完成監管工作。5G通信技術與港口實際業務應用融合，對降低港口安全風險、實現智能升級改造、實現運輸全過程管理大有裨益[5]。

3.3 基于5G的工業增強現實/虛擬和現實相互結合

工業增強現實/虛擬和現實相互結合能夠在生產流程與監控流程、生產任務分步指引以及可視化作業/運維及遠程協助等場景應用。增強現實/虛擬和現實相互結合的應用對于網絡的要求非常苛刻：通常增強現實/虛擬和現實相互結合設備對靈活性要求很高，所以要求將處理功能轉移權限到云端，而增強現實設備功能只有顯示與連接，增強現實設備和云端要通過網絡相連，并利用網絡抓取實時數據流。比如增強現實眼鏡的顯示內容要與運動狀態一致，不然會導致失步等問題，所以要求增強現實反饋的時間不能大于19.89ms，這就要求數據傳輸全過程的總體時間不能大于19.89ms，不算屏幕刷新以及云端數據處理的耗時，要求無線網絡的往返時間不大于9.9ms才可以達到標準，這種高要求現階段只有應用5G通信技術才能達到[6]。

4 基于5G通信技術的工業互聯網應用

無線通信傳感器等在工業互聯網領域的應用，為監視與收集工業生產全流程的數據提供了便利，比如設備參數、材料配比、進展流程、環境情況以及人員等。在工業互聯網的不斷推進的進程中，每一個環節都應該科學、合理、嚴謹，無論多么細小的瑕疵都能夠引發大問題，所以要應用低時延的5G通信技術，將數以萬計的傳感器連接起來，以便能夠提升生產過程的精確度。通過5G連通的數以萬計的傳感器組成了觸覺，視覺，聲學等功能，為工業生產全流程賦智、賦能，達到能夠掌握工業生產全流程信息、監控生產全流程的質量、保證產品“零瑕疵”出廠的目標。在5G通信環境下，機器人應用的領域及范圍越來越廣泛，利用5G通信網絡，機器人能夠迅速完成接收的指令，但完成指令的前提是配置足夠數量的傳感器，比如阿爾法機器狗，它要求配置180個視頻攝像頭和1199個CPU才可以完成實時指令。以我國目前的發展水平以及制造能力，要將數量極大的處理器安裝在所有的云端機器人上是不現實的，但是5G通信技術在工業互聯網的普及，能夠促進國產芯片的快速發展。5G通信技術能夠將其內部的復雜信息處理過程上傳至云端處理，然后再將處理過的數據回傳給機器人，這樣就不需要為機器人配置大量的處理器，可以大大地降低應用成本[7]。

有一些風險較高的生產制造業，在生產過程中發生過較多的人身傷亡事故，可以將基于5G通信技術的智能設備應用到生產制造流程之中，用機器取代人力，從根本上降低人身傷亡事故的發生。比如，在礦山挖掘或者是石油、天然氣等資源的開采與冶煉過程中，應用智能設備獲得生產現場的數據并回傳到遠程控制終端，從而實現生產設備的遠程控制，這樣就可以減少人員參與，有效地降低了安全生產風險。近年來，物流行業在不斷發展，物流行業的管理也越來越復雜。現階段，隨著網購深入人們的生活，人們的生活方式在不斷改變著，大眾對物流行業的依賴程度也越來越高，每年雙十一，人們網購的金額在幾十億元，這其中牽扯到的物資流通幾天內便有近億件，給物流行業帶來很大壓力，同時也要求物流行業盡快發展。而人們對物流的追蹤需求，又要求貨物從入庫到出庫裝車再到最后配送全過程都要可查詢，那么物流運送的全流程便都要用到網絡，而將5G通信技術融入物流行業中，不僅可以降低網絡布置成本、使貨物分揀速度得到提升，還能夠實現貨物的全過程追蹤，大大地提高了物流行業的貨物處理速度，減少了人力付出，從而降低了物流成本。

5 結語

5G通信技術對工業互聯網的影響是巨大的，其影響不只體現在高寬帶、低時延通信、大連接等方面，它對工業互聯網的影響不但包含了改變業務類型、顛覆基本原理、革新工業工程以及許多未知的領域，也有極大可能建立全新概念的工業互聯網應用方向。5G移動通信網絡是國家近年來通信類項目的發展重點，5G技術的不斷進步，能夠促進工業互聯網的蓬勃發展，助力國家的極速發展，因此5G技術的發展是挑戰，更是機遇。