(網(wǎng)經(jīng)社訊)【摘要】隨著5G時(shí)代的到來，借助于5G eMBB、mMTC、uRLLC的應(yīng)用場景，5G網(wǎng)絡(luò)將全面使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，加速推動(dòng)多產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化融合。本文首先介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)需求，然后分析了5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用場景，最后研究了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的5G應(yīng)用。
引言
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計(jì)算、分析、傳感技術(shù)及互聯(lián)網(wǎng)的高度融合，是工業(yè)生產(chǎn)與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相互結(jié)合的新型工業(yè)架構(gòu)。對標(biāo)德國的“工業(yè)4.0”、美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，中國2015年5月出臺《中國制造2025》，制定了“三步走”發(fā)展戰(zhàn)略，旨在打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，拓展“智能+”，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級賦能。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展依賴于高速發(fā)達(dá)的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，5G通信在工業(yè)領(lǐng)域的行業(yè)應(yīng)用前景廣闊。4G改變生活，5G改變社會(huì)。2019年是5G通信的元年，中國已發(fā)放5G商用牌照，實(shí)行“政府引導(dǎo)、企業(yè)主導(dǎo)、共建共享”的建設(shè)模式;各大運(yùn)營商正搶跑5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，采取“宏微協(xié)同、室內(nèi)外協(xié)同”的組網(wǎng)方式，保障社會(huì)資源和通信資源的高效利用。與4G相比，5G在覆蓋、容量和速率等方面實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的提升，主要面向萬物互聯(lián)、超低延時(shí)、超高速等場景，不僅能夠推動(dòng)消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，而且為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了機(jī)遇。
一、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是基于全面互聯(lián)而形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、安全是工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)視角的共性基礎(chǔ)和支撐。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過系統(tǒng)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三大功能體系，打造人、機(jī)、物全面互聯(lián)的新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，形成智能化生產(chǎn)、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、服務(wù)化延伸等諸多新模式新業(yè)態(tài)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)體系，通過網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接、標(biāo)識解析、邊緣計(jì)算等關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能物體泛在互聯(lián)和全生命周期深度互聯(lián);核心是平臺體系，通過構(gòu)建基于海量數(shù)據(jù)采集、匯聚、分析的服務(wù)體系，支撐制造資源實(shí)現(xiàn)泛在連接、彈性供給、高效配置等;保障是安全體系，通過增強(qiáng)設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)、控制、應(yīng)用和數(shù)據(jù)的安全保障能力，識別和抵御安全威脅，化解各種安全風(fēng)險(xiǎn)。
要全面實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，需要滿足企業(yè)應(yīng)用的高安全性、超可靠、低時(shí)延、大連接和個(gè)性化的需求，以及IT（信息技術(shù)）與OT（操作技術(shù)）兼容的要求，需要開發(fā)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)化的ICT技術(shù)（信息通信技術(shù)）;同時(shí)，系統(tǒng)需要具備智能感知、泛在連通、數(shù)字建模、實(shí)時(shí)分析、精準(zhǔn)控制和迭代優(yōu)化等基本特征。
為推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速健康有序地發(fā)展，需要在5G、IPv6、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）、確定性網(wǎng)絡(luò)（DetNet）、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）、工業(yè)無線等重點(diǎn)領(lǐng)域加快技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)布局。
二、 5G關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景
5G不僅僅是一次信息通信技術(shù)的升級換代，更是一場影響深遠(yuǎn)的全方位變革，將從支撐移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向支撐全行業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化轉(zhuǎn)變。5G無線和網(wǎng)絡(luò)的一些關(guān)鍵技術(shù)特性十分切合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求，能夠促進(jìn)工業(yè)、交通、金融等垂直行業(yè)迅速轉(zhuǎn)型升級。
2.1 5G關(guān)鍵技術(shù)
（1）低時(shí)延高可靠。5G可通過Minislot、上行免授權(quán)、大子載波間隔和FDD傳輸?shù)燃夹g(shù)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供超低時(shí)延，網(wǎng)絡(luò)具備超千億連接的支持能力，滿足100萬/km2連接數(shù)密度指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)終端的超低功耗和超低成本，能夠?yàn)橛脩籼峁┖撩爰壍亩说蕉藭r(shí)延和接近100%的業(yè)務(wù)可靠性保證。
（2）MEC技術(shù)。MEC（邊緣計(jì)算）是通過一種將計(jì)算應(yīng)用、數(shù)據(jù)和服務(wù)的控制從某些中心節(jié)點(diǎn)（核心）帶到另一個(gè)連接物理世界的互聯(lián)網(wǎng)末端（邊緣）的云計(jì)算系統(tǒng)優(yōu)化方法。MEC能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行快速處理和本地存儲(chǔ)，滿足業(yè)務(wù)高速率、低時(shí)延的運(yùn)行要求，提升數(shù)據(jù)絕對私密性，降低工業(yè)終端計(jì)算能力要求，更好地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大量本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)需求。
（3）網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實(shí)現(xiàn)方式，其將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用戶平面和控制平面解耦，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，使網(wǎng)絡(luò)變得更加智能;NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）通過使用通用性硬件以及虛擬化技術(shù)，將EPC軟件與硬件解耦，承載很多功能的軟件處理，從而降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備成本。
通過NFV和SDN技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，將運(yùn)營商的物理網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)根據(jù)不同的服務(wù)需求，比如時(shí)延、帶寬、安全性和可靠性等來劃分，以靈活的應(yīng)對不同的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景，資源可以充分靈活共享，實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署。
2.2 5G應(yīng)用場景
3GPP定義了5G三大應(yīng)用場景：eMBB（增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶）、mMTC（大容量物聯(lián)網(wǎng)）和uRLLC（低時(shí)延高可靠通信）。因?yàn)閾碛懈斓乃俾?、更低的功耗、更短的延遲、更強(qiáng)的穩(wěn)定性和更多的用戶支持，5G網(wǎng)絡(luò)能夠靈活地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的多業(yè)務(wù)場景。
三、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)5G應(yīng)用
無線接入網(wǎng)避免了有線接入網(wǎng)鋪設(shè)線纜和設(shè)置保護(hù)設(shè)施等操作，5G可大幅降低工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)成本，網(wǎng)絡(luò)部署快，增強(qiáng)現(xiàn)場設(shè)備的移動(dòng)性，提高生產(chǎn)線的靈活性，可根據(jù)產(chǎn)品生產(chǎn)需求對生產(chǎn)線進(jìn)行靈活的重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)柔性生產(chǎn);但是，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于底層智能網(wǎng)絡(luò)的帶寬、時(shí)延、智能程度等有著很高的要求，5G網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)提供高效率、高質(zhì)量、低成本的網(wǎng)絡(luò)連接。
（1）工業(yè)自動(dòng)化控制。工業(yè)自動(dòng)化控制分為設(shè)備內(nèi)部控制、線體內(nèi)及設(shè)備間控制、整個(gè)車間內(nèi)生產(chǎn)控制，通過對工業(yè)設(shè)備及傳感器數(shù)據(jù)的計(jì)算、分析，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)參數(shù)和生產(chǎn)流程的自動(dòng)化控制。利用5G網(wǎng)絡(luò)高覆蓋、高可靠性、大容量通信和靈活部署的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的無盲區(qū)覆蓋、無縫集成和異網(wǎng)融合，以提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。
（2）無人駕駛/自動(dòng)送貨。無人駕駛/自動(dòng)送貨在導(dǎo)航技術(shù)上的升級和系統(tǒng)架構(gòu)優(yōu)化，對無線通信在網(wǎng)絡(luò)延遲、服務(wù)可用性、確定性、吞吐量和傳輸時(shí)延等方面提出更高的要求。結(jié)合激光定位、視覺定位、二維碼定位等導(dǎo)航技術(shù)，5G網(wǎng)絡(luò)為不同的技術(shù)指標(biāo)分配不同傳輸帶寬，可以實(shí)現(xiàn)無人駕駛/自動(dòng)送貨以及工廠內(nèi)外的智慧物流等功能。
（3）AR/VR視覺控制。通過AR技術(shù)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行3D可視化呈現(xiàn)，讓數(shù)據(jù)更加直觀的表達(dá)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)狀態(tài)，生產(chǎn)人員佩戴AR眼鏡對產(chǎn)線設(shè)備進(jìn)行掃描獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，快速了解產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況。VR數(shù)字化虛擬工廠通過虛擬方式構(gòu)造整條產(chǎn)線的虛擬仿真，同時(shí)打通和現(xiàn)場工業(yè)軟件的數(shù)據(jù)協(xié)議，打破生產(chǎn)線時(shí)空維度的限制，在VR環(huán)境中調(diào)用每臺設(shè)備的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)線生產(chǎn)狀況和預(yù)測性維護(hù)。
（4）產(chǎn)業(yè)鏈廣域應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)廣域應(yīng)用主要指跨域工廠、供應(yīng)商和用戶之間的網(wǎng)絡(luò)通信和應(yīng)用，包括產(chǎn)業(yè)鏈的廣域網(wǎng)絡(luò)訪問和通信、協(xié)同生產(chǎn)、供應(yīng)鏈協(xié)作、智慧物流等。通過廣域通信將生產(chǎn)線和輔助配套設(shè)備、供應(yīng)商與用戶互聯(lián)起來，實(shí)時(shí)了解彼此的需求關(guān)系、物料流動(dòng)和生產(chǎn)周期，支持位置跟蹤、遠(yuǎn)程監(jiān)控、智能檢測、產(chǎn)品或服務(wù)定制等多種功能。
四、總結(jié)
5G面向垂直行業(yè)的應(yīng)用將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展送上快車道，未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要聚焦信息技術(shù)與制造技術(shù)的聯(lián)動(dòng)發(fā)展，要立足垂直領(lǐng)域行業(yè)化需求，也要加快技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用推廣，推動(dòng)我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)從概念普及階段進(jìn)入實(shí)踐深耕階段。
參 考 文 獻(xiàn)
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