5G 應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的必要性研究

漆新華，管玉榮，雷躍華

（中國(guó)鐵塔股份有限公司云南省分公司，云南 玉溪 653100）

0 引 言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，形成了一種新的工業(yè)生產(chǎn)模式[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)連接各種設(shè)備、傳感器以及系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備之間的智能互聯(lián)和數(shù)據(jù)共享，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，隨著5G 技術(shù)的發(fā)展和普及，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景也將得到進(jìn)一步拓展。

1 5G 技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

1.1 5G 的定義

5G 是第五代移動(dòng)通信技術(shù)，是一種新型的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有帶寬高、速度快、延遲低以及多連接數(shù)多等特點(diǎn)。5G 網(wǎng)絡(luò)采用了更高頻段的無(wú)線電波，同時(shí)也采用了更先進(jìn)的編碼和調(diào)制技術(shù)，使得其具備了超高速的數(shù)據(jù)傳輸能力和更可靠的連接質(zhì)量。另外，5G 支持網(wǎng)絡(luò)切片、多路徑傳輸、網(wǎng)絡(luò)虛擬化等技術(shù)，能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用場(chǎng)景提供個(gè)性化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[2]。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的定義

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)等先進(jìn)信息技術(shù)應(yīng)用于制造業(yè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備、工件和人員之間的互聯(lián)互通和智能化管理的技術(shù)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心是實(shí)現(xiàn)“設(shè)備－設(shè)備”“設(shè)備－云端”以及“云端－云端”之間的信息交換和協(xié)作，以期提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量、加強(qiáng)安全性和保密性等。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅僅是單純的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，而是以工業(yè)為基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)，更強(qiáng)調(diào)智能化、自動(dòng)化以及集成化的應(yīng)用，使生產(chǎn)過(guò)程更高效、靈活、精準(zhǔn)和可控[3]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了制造、物流、能源、交通以及醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支撐。

2 5G 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的必要性

2.1 提高通信速率與帶寬

5G 技術(shù)的最大特點(diǎn)是高速率和大帶寬。相較于4G 技術(shù)，5G 技術(shù)的理論峰值速率可達(dá)到20 Gb/s，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度和處理效率。5G 技術(shù)的最大帶寬可達(dá)到1 GHz，可以滿足更多的用戶需求。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，數(shù)據(jù)的傳輸量很大，尤其在大型工廠和企業(yè)，需要傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量更大。如果數(shù)據(jù)傳輸速度慢，那么工廠的生產(chǎn)效率就會(huì)受到影響。因此，提高通信速率和帶寬對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要[4]。一方面，高速率可以讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸更加快速和實(shí)時(shí)，使生產(chǎn)過(guò)程更加智能化和自動(dòng)化，提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，在一個(gè)大型制造工廠中，需要對(duì)所有生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。如果數(shù)據(jù)傳輸速度慢，那么生產(chǎn)設(shè)備的響應(yīng)速度也會(huì)變慢，會(huì)直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。另一方面，大帶寬可以使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備同時(shí)傳輸更多數(shù)據(jù)，讓工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸更加高效和可靠。

2.2 提高網(wǎng)絡(luò)安全性

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題一直備受關(guān)注，尤其在當(dāng)前的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)的背景下。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展和普及，數(shù)據(jù)泄漏、網(wǎng)絡(luò)攻擊、惡意軟件等情況時(shí)有發(fā)生，網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題越來(lái)越突出，不僅威脅著工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定和效率，還會(huì)對(duì)企業(yè)的利益和聲譽(yù)造成嚴(yán)重影響。為了保護(hù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全，5G 技術(shù)可以提供數(shù)據(jù)加密、認(rèn)證以及訪問(wèn)控制等一系列的網(wǎng)絡(luò)安全措施，有效增強(qiáng)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全性能和可靠性。相較于4G，5G 技術(shù)使用了更加安全的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和身份驗(yàn)證機(jī)制，保證了數(shù)據(jù)只能被授權(quán)的用戶訪問(wèn)，有效防止了數(shù)據(jù)泄露和篡改的風(fēng)險(xiǎn)[5]。例如，5G 技術(shù)可以使用網(wǎng)絡(luò)傳輸層安全（Transport Layer Security，TLS）和互聯(lián)網(wǎng)安全協(xié)議（Internet Protocol Security，IPSec）等協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和認(rèn)證，防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改，并且可以實(shí)時(shí)檢測(cè)和攔截異常的數(shù)據(jù)流量。此外，5G 技術(shù)采用了基于用戶、設(shè)備和應(yīng)用的訪問(wèn)控制策略，可以根據(jù)用戶的角色、權(quán)限和設(shè)備的屬性等信息來(lái)限制用戶的訪問(wèn)范圍，從而減少安全威脅。例如，5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)部的分級(jí)管理，只允許特定的人員或設(shè)備訪問(wèn)數(shù)據(jù)或資源，并且可以根據(jù)不同的場(chǎng)景和需求動(dòng)態(tài)調(diào)整訪問(wèn)權(quán)限。

2.3 提高網(wǎng)絡(luò)可靠性

在當(dāng)前的智能制造和工業(yè)4.0 的背景下，工業(yè)生產(chǎn)中的網(wǎng)絡(luò)可靠性非常重要。網(wǎng)絡(luò)故障會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)停滯，甚至可能造成生產(chǎn)事故，從而給企業(yè)帶來(lái)巨大的損失。通過(guò)高密度的網(wǎng)絡(luò)連接、低時(shí)延和高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸以及網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)化管理等技術(shù)，可以降低網(wǎng)絡(luò)故障率，增強(qiáng)生產(chǎn)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵之一，也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物理系統(tǒng)的無(wú)縫對(duì)接和協(xié)同的基礎(chǔ)。5G 技術(shù)支持大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信和超可靠低延遲通信，可以實(shí)現(xiàn)每平方千米內(nèi)數(shù)千個(gè)設(shè)備的連接，保證99%的可靠性和1 ms 以下的延遲，大大提高了網(wǎng)絡(luò)的承載能力，減少了網(wǎng)絡(luò)擁堵，提升了網(wǎng)絡(luò)效率。此外，5G 技術(shù)使用高頻段的無(wú)線信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片將網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，以便根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求進(jìn)行優(yōu)化，使其具有更高的傳輸速率和更低的時(shí)延，從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性。

圖1 4G 與5G 特性對(duì)比

3 5G 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，智能化生產(chǎn)已經(jīng)成為了工業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。5G 技術(shù)可以為智能化生產(chǎn)提供更好的支持。5G 技術(shù)的高速通信和低延遲可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的高效通信和協(xié)同，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能化和自動(dòng)化。

例如，在智能制造領(lǐng)域，工廠通過(guò)5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)控、分析和優(yōu)化，設(shè)備可以通過(guò)傳感器等技術(shù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，并通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸和處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化，提高設(shè)備的使用效率和延長(zhǎng)使用壽命。此外，5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)智能物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，通過(guò)5G 網(wǎng)絡(luò)連接智能傳感器和監(jiān)控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控和管理，以便對(duì)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和優(yōu)化。5G 技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中自動(dòng)化控制和機(jī)器人技術(shù)的應(yīng)用，提高生產(chǎn)效率和降低成本。

3.2 降低生產(chǎn)成本

5G 技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)，減少人工維護(hù)的成本，降低設(shè)備故障率，從而降低生產(chǎn)成本。在傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)中，為了保證設(shè)備的正常運(yùn)行，需要定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)和檢修，這些工作需要投入大量的人力和物力。而5G 技術(shù)依靠高速、高質(zhì)量、高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸，使得設(shè)備的狀態(tài)信息可以實(shí)時(shí)反饋給工程師，工程師可以根據(jù)數(shù)據(jù)分析設(shè)備的運(yùn)行情況和潛在問(wèn)題，并通過(guò)遠(yuǎn)程的方式對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整或修復(fù)，不僅可以節(jié)省時(shí)間和人力成本，而且可以更快速地解決問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率。

4 拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景

4.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是將工業(yè)生產(chǎn)中的各種設(shè)備和機(jī)器連接起來(lái)，形成一個(gè)智能化的系統(tǒng)。5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的高速互聯(lián)，從而可以形成高效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。在工業(yè)生產(chǎn)中，通過(guò)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)共享，通過(guò)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、分析和處理，優(yōu)化工作流程，提高生產(chǎn)效率和降低成本。

以工廠生產(chǎn)為例，5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各種生產(chǎn)設(shè)備之間的互聯(lián)，形成一個(gè)智能化的生產(chǎn)線。每個(gè)設(shè)備都可以實(shí)時(shí)地向系統(tǒng)傳遞數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，從而對(duì)生產(chǎn)線進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)智能化的生產(chǎn)管理。例如，在汽車(chē)制造工廠中，各種機(jī)器人可以通過(guò)5G 技術(shù)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，形成自動(dòng)化的生產(chǎn)線，機(jī)器人之間可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同作業(yè)，根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)的變化自動(dòng)調(diào)整動(dòng)作和速度，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。同時(shí)，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)地向系統(tǒng)反饋?zhàn)陨淼臓顟B(tài)和性能，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)交換，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù)，提高設(shè)備的可靠性和壽命，從而讓工廠生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)更高的智能化、自動(dòng)化和協(xié)同化水平，提升工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展水平。

圖2 5G 技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

4.2 智能倉(cāng)儲(chǔ)和物流

智能倉(cāng)儲(chǔ)和物流是5G 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的另一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。傳統(tǒng)的倉(cāng)儲(chǔ)和物流管理往往需要大量的人力和物力，而且容易出現(xiàn)信息不對(duì)稱(chēng)、貨物丟失等問(wèn)題。5G 技術(shù)的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)和物流的智能化管理，從而提高工作效率、降低成本、減少損失和浪費(fèi)。

5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)貨物的實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤，結(jié)合電子標(biāo)簽技術(shù)，監(jiān)測(cè)貨物的位置、溫度、濕度等信息，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析和處理，從而明確貨物的狀態(tài)和位置，及時(shí)調(diào)整運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)計(jì)劃，減少貨物的損失和浪費(fèi)。倉(cāng)庫(kù)內(nèi)安裝的傳感器和攝像頭，可以通過(guò)5G 的毫秒級(jí)回傳，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)貨物的存儲(chǔ)情況和庫(kù)存量，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)進(jìn)行分析和處理，幫助管理者更好地掌握倉(cāng)庫(kù)的狀態(tài)和庫(kù)存情況，及時(shí)調(diào)整倉(cāng)儲(chǔ)計(jì)劃，提高倉(cāng)儲(chǔ)利用率，降低成本。

5 為企業(yè)帶來(lái)更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)

5.1 促進(jìn)企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型

企業(yè)的數(shù)字化管理系統(tǒng)建設(shè)離不開(kāi)5G 技術(shù)，5G+物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的集成、分析和決策，從而提高企業(yè)的管理水平和決策能力。企業(yè)可以通過(guò)5G 技術(shù)搭建數(shù)字化管理平臺(tái)，將生產(chǎn)過(guò)程、質(zhì)量控制、物流管理等數(shù)據(jù)進(jìn)行集成和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化和智能化，為企業(yè)的決策提供更加科學(xué)和精準(zhǔn)的支持。同時(shí)，5G 技術(shù)可以支持企業(yè)的數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)客戶的溝通、滿足和留存。通過(guò)5G 技術(shù)的應(yīng)用，企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶需求的實(shí)時(shí)響應(yīng)和個(gè)性化服務(wù)，提高客戶的滿意度和忠誠(chéng)度。企業(yè)可以通過(guò)5G 技術(shù)搭建數(shù)字化服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)客戶與企業(yè)之間的高效溝通和信息共享，從而為客戶提供更加便捷和高質(zhì)量的服務(wù)。

5.2 提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力

5G 技術(shù)可以為各行各業(yè)提供更加智能、高效、安全和便捷的通信服務(wù)，從而支持企業(yè)的產(chǎn)品創(chuàng)新、服務(wù)創(chuàng)新以及模式創(chuàng)新，提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力。5G 技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)客戶的精準(zhǔn)定位和需求分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的個(gè)性化定制和智能化升級(jí)。例如，5G 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能家居設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制，從而實(shí)現(xiàn)家庭環(huán)境的智能化管理和個(gè)性化定制，提供更加便捷、精準(zhǔn)和增值的家庭服務(wù)。

6 結(jié) 論

5G 技術(shù)對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展具有重要意義。未來(lái)，5G 技術(shù)將進(jìn)一步提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的效率和安全性，實(shí)現(xiàn)更加智能化的生產(chǎn)和管理，同時(shí)拓展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景，為企業(yè)帶來(lái)更加廣闊的發(fā)展平臺(tái)。因此，企業(yè)應(yīng)該積極探索5G 技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，提前布局，搶占先機(jī)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展[11]。