5G+ 工业互联网的思考与实践

首发：边缘计算社区
作者：赵维铎&蒋伯章

摘要： +工业互联网仍存在一些问题和挑战，但是5G技术本身也在不断地发展和完善中。5G+工业互联网正在从点状示范应用逐步向面状应用和系统应用发展。这一过程需要产业生态圈内各类企业协同合作，共同发现产业需求、创新应用和交付项目，探索并践行商业模式，以实现5G+工业互联网的良性发展。

关键词: 工业互联网；5G；智能制造

工业制造是中国经济发展和参与大国竞争的基石，也是振兴实体经济的重要抓手。工业互联网则是实现工业全系统、全产业链、全价值链连接和支撑工业智能化发展的关键基础设施，是新一代信息技术与制造业深度融合所形成的新兴业态和应用模式，是互联网从消费领域向生产领域、从虚拟经济向实体经济拓展的核心载体[1]。

工业互联网作为关键基础设施、全新工业生态和新型应用模式，其精髓及优势在于规模化的资源调度与共享。如图1所示，通过人、机、物的全面互联，和全要素、全产业链、全价值链的全面连接，工业互联网正在不断改变传统的制造模式、生产组织方式和产业形态，推动传统产业加快转型升级，加速新兴产业发展壮大。

在5G为工业互联数据流动提供重要无线网络保障的同时，工业互联网为5G提供了广阔的应用场景。目前，5G＋工业互联网主要应用在工业设计、工业制造、质检、运维、控制、营销展示等关键环节中，并形成了工业三维图像、移动视觉、远程运维与远程操控、无人巡检、数据采集等系列化的典型应用场景。未来，5G将逐步向工厂现场控制层面延伸。

1 工业网络面临的问题和挑战

当前，工业网络仍面临诸多问题，这主要体现在以下3个方面：

（1)不够开放和友好,这是由传统工业厂家的格局和市场来决定的。大多数的工业协议都是封闭化的结构设计，拥有严格控制的对外接口。

（2）不够弹性和灵活，扩展和调整的难度比较大。

（3）不适应业务发展的需要，部署和运维的成本比较高。由于工业网络涉及到有线和各类无线，加之在现场都有应用，所以它难以融合新技术的变革，对现有技术和架构产生了很大的阻碍影响。

在无线网络方面，现有工业无线网络尚存在以下几个方面的挑战：

（1）可靠性和稳定性。工业场合对可靠性和稳定性的要求比较高，而无线传输的可靠性、稳定性与有线的方式相比还不具备突出优势。

（2）刷新速度。工业系统对刷新速度要求比较高，而无线通信较难实现高速刷新，同时难以实现大量终端的同时在线连接。

（3）网络安全。无线网络被入侵和干扰的风险较高，网络安全得不到保障。

（4）传感器无线供电。虽然无线网络缩短了通信的线路，但是仍解决不了供电线的问题。对传感器进行无线供电目前仍是一个无法产业化的问题。

（5）无线工业领域协议及标准。有线领域的标准协议历经几十年才被逐渐规范，在无线工业领域，这些协议又被重新定义一遍。

（6）电磁辐射和干扰。由于很多无线网络会产生电磁辐射，在面向特殊行业（石油、井工矿等）时，必须考虑防爆和隔爆的特殊要求。

2 5G在工业领域应用特点和优势

除了人们熟知的3个特点之外，5G在工业领域[2] 的几个比较重要特征包括：

（1）网络切片。 网络切片是5G网络不同于其他网络的一个重要的特征，也就是说，一张物理网络可以虚拟出不同的子网络，以满足工业领域不同业务的应用场景要求。整个5G 网络还支持端到端的编排管理，可以根据不同的业务要求进行弹性扩张或者收缩。

（2）在工业领域的超可靠低时延通信（URLLC）。 目前，R16 标准已经被冻结，URLLC 标准在原有的增强移动宽带（eMBB）的基础上，时延得到了进一步降低。

如图2 所示，在eMBB 场景下跨核心网网元时，整个端到端时延在理想情况下为20 ms 左右。即使是单向的控制指令，从云端发到终端，时延也需要6 ms 左右。在URLLC 标准出来之后，整个端到端时延可以达到5 ms。如果单向地从云端向终端发射指令，时延可以小于1 ms。URLLC 奠定了5G在工业领域应用的地位。

（3）除了低时延之外，5G 还有一个更重要的特点：时延抖动和确定性[3]。 与其他消费领域应用不同，工业领域应用要求不仅时延要低，还要保证时延的确定性，即同样一个指令，这次1 ms 送达，下次还要1 ms 送达，而不是这次1 ms 送达，下次20 ms 才送达。这是因为时延抖动和不确定性将对工业领域的生产造成很大影响，

甚至可能会造成灾难性的事故。通过5G 面向传输隧道时间标签技术和控制技术，可以把时延抖动控制到微秒级，以保证报文次序的收发，这对工业现场网络是非常重要的。

如图3 所示，在网络建设模式方面，5G 面向企业内网的建设大概有3种模式：

（1）纯粹的专网模式。 这种模式的好处是企业的数据是完全自由的，与外界是不发生关系的，安全性也是最高的，但是目前中国还没有专用的5G 频段。

（2）企业自建核心网，基站与公网共享模式。 在这种网络的布局架构下，终端的登记、注册以及数据流都是在企业内网。目前，中兴通讯在宝武湛江钢铁完成的中国首家5G 核心网就是这种模式的的典型案例。

（3）核心网用户面功能（UPF）下沉模式。 这也是现在90% 以上的企业都采用的建网模式，也就是说核心网和基站都是与运营商共享的。共享时，企业在终端登记时要到公网去，但是它的数据流不会到公网去，而是在企业内网。这种模式也是目前业界通过运营商网络来建设的主流模式。

3 5G+工业互联网规模商用思考

如图4 所示，5G 在工业互联网的规模商用将经过3个主要阶段：

（1）在短期内，要完成5G网络的规模化建设。 但是现在面临的问题是建了网络之后谁来用？怎么样去吸引工业企业来使用5G网络？这时就需要利用有特色的业务引导这些企业来使用5G 网络。

（2）在中期，要逐步取代车间现有的有线或无线IP 网络。 这是因为5G 本身就是一个高速可靠又能够适应工业应用需求的无线网络。

（3）在远期，要在这个网络的基础之上寻求一些突破， 比如替代现在的现场总线、促进改变一些工控现场的产品形态等。这就好比之前在4G出现时我们并没有想到微信、抖音和移动支付像今天这么流行一样，在中远期希望通过5G 技术，来产生更多工业领域的“抖音”“微信”或者“移动支付”。

4 中兴通讯对5G+工业互联网的实践探索

在5G+工业互联网应用场景方面，经过近两年的探索，中兴通讯已经探索出很多的5G+工业应用。

如图5 所示,这些应用总体上可分为6大类。在5G+工业互联网领域，中兴通讯已经与运营商及其他合作伙伴联合打造了几十个5G示范或商用项目。

比如：

（1）在南京滨江制造基地，中兴通讯中标2020 年首批中国发展和改革委员会新基建工程，规划了16 大类40 种应用场景。目前该工程第一阶段已经完成了10 个场景的应用，包括机器视觉、远程AR 指导、云化自动导引运输车（AGV）、小站数字孪生以及园区巡检、无人巡逻及清扫等。

（2）在鞍山钢铁，中兴通讯建设中国首个4.9 GHz 企业专网，在钢铁行业进行带钢的表面检测、电机的监测以及皮带通廊的监视和监测等。

（3）在湛江宝武，中兴通讯已经归纳了30 余种应用场景，目前这些场景正在逐步实施落地，同时湛江宝武也是中国第一个企业自建5G 核心网的典型案例。

通过前期5G 在工业领域的实践应用，我们发现目前仍有一些问题亟待完善。

首先，在技术层面，5G 在eMBB 阶段下的时延及抖动无法满足涉及现场控制方面的要求，需要将来URLLC 标准落地验证；其次，在容量和带宽方面，对于集中部署或运行的机器视觉及云化AGV 等应用，以5G上行为主，5G 的带宽及容量仍面临挑战；再者，在终端的多样性上，由于5G 的模组、芯片、产业链仍处于发展阶段，后续随着5G 在消费领域及垂直行业领域的整体推进，终端的多样性将会进一步满足工业领域的要求；最后，在商业模式层面，运营商、通信设备商及工业企业都一直在积极探索新的商业模式。

我们建议通过分析问题，找到不同企业的刚需，挖掘5G 新业务，来促进商业模式的逐步明晰。

5 结束语

当前5G+ 工业互联网已经从单点局部的特色业务逐步转变为集成化、系统化的应用。5G 本身是一张网，这张网可以承载不同的业务，如基于5G的车间管理和仓储物流；但同时5G 不仅仅是一张网，5G 如果想发挥它的价值，就需要与运营商、工业方案提供商、工业现场的自动化装备提供商等一起合作。发挥5G 优势，使之真正服务于工业企业，从而促进中国制造业的转型升级。