5G如何由淺入深賦能工業(yè)互聯(lián)網？
5G是驅動工業(yè)互聯(lián)網蓬勃發(fā)展的關鍵使能技術之一，而工業(yè)互聯(lián)網也是加快5G商用規(guī)模部署的重要突破口之一，二者相輔相成。到2035年，工業(yè)將占據5G創(chuàng)造的全部經濟活動中的最大份額，實現(xiàn)約3.4萬億美元產出，占5G總產出的28%。
5G將從四個方面由淺入深賦能工業(yè)互聯(lián)網，從工業(yè)企業(yè)OT+IT架構底層向上層逐步延伸、從輔助功能向生產過程控制逐步延伸、從eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、從5G無線連接技術向5G網絡技術邊緣計算/網絡切片/TSN等逐步延伸。
工業(yè)互聯(lián)網及其體系架構
工業(yè)互聯(lián)網是利用基礎科學、工業(yè)、信息技術、互聯(lián)網等領域的綜合優(yōu)勢，從大數據應用等軟服務切入，注重軟件、網絡、大數據、安全，促進工業(yè)化和信息化融合帶動工業(yè)全流程、全環(huán)節(jié)競爭力的整體提升。
為滿足工業(yè)智能化發(fā)展需求，工業(yè)互聯(lián)網迫切需要具有低時延、高可靠、廣覆蓋特點的關鍵網絡基礎設施，5G發(fā)展恰逢其時?！?G+工業(yè)互聯(lián)網”將形成新一代信息通信技術與先進制造業(yè)深度融合的新興業(yè)態(tài)與應用模式。
中國高度重視工業(yè)互聯(lián)網和5G產業(yè)發(fā)展，聚焦化工、機械、船舶、飛機制造、電力等工業(yè)領域，積極推進5G與工業(yè)互聯(lián)網的融合應用和創(chuàng)新發(fā)展。
國際上，“5G產業(yè)自動化聯(lián)盟”（5G-ACIA：The 5G Alliance for Connected Industries and Automation）于2018年中在德國電氣和電子制造商協(xié)會（ZVEI）基礎上正式成立，該聯(lián)盟旨在推動5G在工業(yè)生產領域落地。5G-ACIA組織成員即囊括了傳統(tǒng)自動化和制造業(yè)代表如博世、西門子、ABB、三菱等，又涵蓋了信息和通信技術行業(yè)領先企業(yè)如DT、Vodafone、中國移動等。
工業(yè)互聯(lián)網體系架構包括“兩大聯(lián)接場景+三大業(yè)務閉環(huán)+四大應用模式”。
兩大聯(lián)接場景：工廠內和工廠外全面聯(lián)接。其中工廠內網絡主要采用有線方式，包括單對雙絞線以太網、時間敏感網絡TSN、工業(yè)無源光網絡PON、確定性網絡DetNet等。5G網絡將為工廠無線網絡部署提供更大可能性。工廠外網絡主要包括互聯(lián)專線（實現(xiàn)分支機構或者上下游企業(yè)及用戶互聯(lián)）、上云專線（實現(xiàn)工廠與工業(yè)云平臺互聯(lián)）、上網連接（實現(xiàn)工廠和互聯(lián)網連接）等。
三大業(yè)務閉環(huán)：面向機器設備運行優(yōu)化的閉環(huán)、面向生產運營優(yōu)化的閉環(huán)、面向企業(yè)系統(tǒng)/用戶交互/產品服務優(yōu)化的閉環(huán)。
四大應用模式：智能化生產、網絡化協(xié)同、個性化定制和服務化延伸。其中智能化生產包括預測性運維、產品良率、資產優(yōu)化、虛擬仿真、智能控制、智能管理等；網絡化協(xié)同包括設計協(xié)作、供應協(xié)作、制造協(xié)作等；個性化定制包括C2B定制、B2B定制等；服務化延伸包括智能服務等。
根據5G-ACIA白皮書《5G for Connected Industries and Automation》，5G應用場景貫穿了工業(yè)制造的全過程，覆蓋了供應鏈管理、AGV、柔性制造、生產過程控制、機器協(xié)作、庫存管理、產品交付管理等各個環(huán)節(jié)。5G將成為未來工廠的中樞神經，為工業(yè)生產帶來顛覆性的變化。
5G由淺入深賦能工業(yè)互聯(lián)網
未來工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展將面臨三個典型階段。當下依舊處于工業(yè)數字化轉型階段，積極探索工業(yè)企業(yè)數字化深化應用，實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)各項活動全過程數字化集成；2025年進入全面互聯(lián)階段，實現(xiàn)企業(yè)全生命周期互聯(lián)；2030年進入自主智能階段，實現(xiàn)工況自感知、工藝自學習、裝備自執(zhí)行、系統(tǒng)自組織。
工業(yè)互聯(lián)網平臺的發(fā)展需要依托于實現(xiàn)工業(yè)數字化、工業(yè)互聯(lián)化、工業(yè)智能化。因此，工業(yè)互聯(lián)網平臺發(fā)展也將是個長周期的過程。
中國5G于2019年正式商用，通信每一代標準大約有十年黃金發(fā)展周期，5G恰好將助力工業(yè)互聯(lián)網實現(xiàn)從工業(yè)數字化轉型階段到全面互聯(lián)階段，再到自主智能階段的不斷跨越。具體5G將從四個方面由淺入深賦能工業(yè)互聯(lián)網。
1. 從工業(yè)企業(yè)OT+IT架構底層向上層逐步延伸
工業(yè)企業(yè)OT和IT底層網絡通常是基于有線網絡，占比高達90%。隨著工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的復雜化、變化多端、靈活性等影響，很多的工業(yè)通信逐步采取無線傳輸方式。但在工業(yè)領域使用到的無線通信協(xié)議和通訊行業(yè)相比，存在協(xié)議眾多，標準缺失，難以互聯(lián)互通等弊端。
傳統(tǒng)工業(yè)無線網絡包括如下四類：Wifi網絡，用于AGV調度、巡邏機器人通信、倉儲移動掃碼等，但是很明顯Wifi覆蓋范圍小，性能不穩(wěn)定，尤其是存在非常高的安全隱患；藍牙、Zigbee、超寬頻(UWB)、RFID射頻技術等，用于資產管理和定位、傳感器數據采集等，但是該類技術通常存在覆蓋范圍受限的短板；工業(yè)無線技術三大標準HART基金會發(fā)布的WirelessHART標準，ISA國際自動化協(xié)會（原美國儀器儀表協(xié)會）發(fā)布的ISA100.11a標準、和我國自主研發(fā)的WIA-PA和WIA-FA標準，均工作在2.4GHz，但是該類技術的產業(yè)鏈相對較窄，價格昂貴；蜂窩網絡如2G/3G/4G/NB-IOT，用于車輛遠程監(jiān)控等場景，但該類技術很難完成大帶寬、廣連接和實時性要求高的場景。
5G網絡本身具備的大帶寬、廣連接、高可靠低時延特性，令5G成為支撐工業(yè)互聯(lián)網的無線網絡最佳選項。雖然當前工業(yè)通信連接中無線連接占比僅10%，但在未來幾年會進入高速發(fā)展期。預計到2026年，工業(yè)通信連接中無線連接占比將達58%，其中5G將發(fā)揮重要作用。
工業(yè)企業(yè)的OT（Operation Technology）和IT（Information Technology）系統(tǒng)采取分級架構。其中OT系統(tǒng)從下往上包括Level 0級外部儀器、傳感器、執(zhí)行器等；Level 1級控制系統(tǒng)PLC，DCS等；Level 2級監(jiān)督控制和數據采集SCADA。IT系統(tǒng)從下往上包括Level 3級生產管理系統(tǒng)MES、PMS；Level 4級商業(yè)和物流系統(tǒng)管理ERP、MRP、CRM等；Level 5級云計算、數據分析和AI等。5G的無線接入技術和網絡技術對OT和IT系統(tǒng)的支撐，將從架構底層向上層逐步延伸。
另外，現(xiàn)有的OT和IT系統(tǒng)分層架構，數據難以跨層交互，存在明顯弊端。未來5G網絡技術，尤其是網絡切片、邊緣計算、TSN等的使用，將加速工業(yè)企業(yè)OT和IT系統(tǒng)深度融合，從傳統(tǒng)的分級架構過渡到基于微服務的新型網狀交互架構。
2. 從輔助功能向生產過程控制逐步延伸
當前進行的5G工業(yè)應用，大多聚焦在輔助功能上，比如基于5G的遠程監(jiān)控、AR裝配輔助、運維和巡檢輔助等。
遠程監(jiān)控：例如鋼鐵生產工廠，生產環(huán)境復雜，移動設備多，數據回傳設備線路鋪設難度大、成本高。另一方面，生產設備監(jiān)控系統(tǒng)需要根據生產任務，配合產線頻繁地進行調整，因此采用有線組網的方式極為復雜，且工期長?？梢詫⑸a視頻監(jiān)控數據和設備運行狀態(tài)數據通過5G網絡進行回傳。
AR裝配輔助：例如飛機制造工廠，裝配工藝復雜，工人需要經過嚴格培訓認證。而AR眼鏡及其后臺技術，可實現(xiàn)基于空間定位和物體識別的數模全息顯示，應用在飛機裝配的輔助裝配、線纜端接、支架拆裝、虛擬測試等各個環(huán)節(jié)。如可以做到自動識別線纜，然后直觀地在連接器上指示這根線纜對應的孔位，工人根據指示直接插入即可。利用該解決方案，原來需要同時工作的3個工人將會縮減為1個，裝配時間大幅縮短，而裝配準確性也會進一步提高，同時整個裝配過程會通過視頻自動記錄在云端，方便后續(xù)查驗。
AR運維和巡檢輔助：例如電站運維遠程協(xié)作和水利項目巡檢，在傳統(tǒng)的售后模式下，存在檢測數據信息相對孤立，對問題判斷準確率及解決問題效率不高等問題。借助AR遠程協(xié)助系統(tǒng)，可由經驗豐富的技術專家，協(xié)助一線運維人員進行“面對面”的遠程指導服務。不僅可以幫助工作人員進行設備巡檢、故障排查和維修，減少專業(yè)人員昂貴差旅費用，還可以節(jié)省時間，大幅提升工作效率。同時，還可以對測試輸出結果進行主動判別，并逐步擴展到智能專家系統(tǒng)。
基于5G的遠程監(jiān)控、AR裝配輔助、運維和巡檢輔助等都是起到輔助作用，而并非取代生產過程控制。比如生產過程中經常碰到的機器間控制場景，要實現(xiàn)多控制器/多臺獨立機器間協(xié)助完成一個功能，那么高效率、零停機、低時延和高穩(wěn)定可靠是剛需，因此目前工廠里基本采用有線網絡，而還沒有采用5G。未來，隨著5G網絡部署的完善，將從輔助功能向生產過程控制逐步延伸。
3. 從eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸
典型的工業(yè)應用場景契合了5G三大場景（eMBB、mMTC、uRLLC），5G其他性能如移動性、QoS、安全性等也促進了5G在工業(yè)應用場景中的應用。
大帶寬：5G將支持下行速率達20Gb/s和上行速率達10Gb/s；廣連接：每平方公里100萬連接；低時延可靠性：可以實現(xiàn)0.5~1ms的時延以及超過99.999%的可靠性；移動性：對于AGV、機器人等在內的移動設備和非固定式產線，5G提供了極強的靈活性；QoS：5G提供了靈活的QoS框架支持在同一網絡內的數據流通；安全性：5G具備較高的端到端安全性，支持終端和網絡之間的互相認證。
基于eMBB和移動性場景包括基于視覺的照相檢測、AGV、云化機器人等?；趍MTC場景包括海量連接和室內定位等?；趗RLLC場景包括工業(yè)機械遠程控制、柔性機械臂等。
基于視覺的照相檢測：例如發(fā)動機質量檢測，傳統(tǒng)的生產過程質量檢測依賴人工和經驗，標準化程度低，人力成本高，且易受主觀因素影響，整體效率低，準確度不高。通過產線部署內置5G通信模組的工業(yè)相機和邊緣計算網關，可以進行移動測量和道邊檢測。
AGV：例如在智能倉庫中，基于單機智能進行視覺導航的AGV單臺成本高，不利于大規(guī)模應用。而除視覺導航以外的其他方式均需對AGV工作環(huán)境進行改造，靈活性較差，部署和改造困難。另外，Wifi信號容易被干擾，且?guī)挷蛔阋灾我曈X導航，而激光導航在高密度運行時互相存在干擾。而將5G技術應用于AGV，將徹底解決Wifi方案引起的接入受限、切換失敗、小車停駛等難題，提升倉庫的整體運營效率和穩(wěn)定性。
云化機器人：例如物流倉儲領域，采用無線網絡將擺脫線纜束縛，機器人可以裝上輪子（或其它裝置）隨心所欲地自由移動，工廠可以實現(xiàn)迅速且低成本地在不同種類的產品生產線之間轉換生產。云化機器人通過5G連接到云端控制中心，通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制，由自組織和協(xié)同機器人來滿足柔性生產的需求。
海量連接：例如汽車生產線，每臺發(fā)動機都刻上編號和條碼，每個工序都通過傳感器進行數據檢驗，并對產品從上線到包裝各個環(huán)節(jié)的所有信息進行記錄。通過納入5G R16標準的NB-IOT技術，可以減少人工干預、及時采集生產數據，合理編排生產計劃，生產線人員將大幅減少，作業(yè)自動化率和自動糾錯防錯能力將大幅提升，人均產出效率也將顯著提升。
室內定位：室內定位是工業(yè)領域的普遍需求，目前室內定位基本是藍牙、激光、UWB三分天下。從算法上看主要有兩類，一類TOF/TDOA算法，通過光速乘時間來測距；一類AOA算法，通過智能天線判斷信源方向，基于場強角度定位，兩種算法的精度差不多，都是分米級別。5G使用新型編碼調制、大規(guī)模天線陣列等帶來的大帶寬特性，有利于參數估計，為高精度距離測量提供支持；大規(guī)模天線技術，5G基站可實現(xiàn)128個天線陣子，為高精度角度測量提供支持；另外，5G將實現(xiàn)超密集組網（UDN），用戶信號可被多個基站同時接收，將有利于多基站協(xié)作實現(xiàn)高精度定位。通過部署大量5G低功耗定位標簽將挑戰(zhàn)藍牙、激光、UWB室內定位地位。
工程機械遠程控制：例如針對工程機械，在偏遠、有毒、有害等特殊場景作業(yè)時人員成本高、危險性高等問題，利用5G SA（Stand Alone）網絡大帶寬、高可靠、低時延等特性，通過“工程機械駕駛室遠程控制臺”和“真實工程機械現(xiàn)場實景屏幕”來對遠端工程機械進行遠程駕駛和操控。
柔性機械臂：通過5G實現(xiàn)對工廠內自動化裝備的實時控制，替代有線網絡， 節(jié)省線纜及布線工作量，大大節(jié)省生產線調整時間，支持工廠越來越柔性化?？刂葡到y(tǒng)部分功能上移至邊緣計算設備（MEC）進行控制，降低單體本身及后續(xù)維護升級成本。
5G 3GPP R15版本中制定了基于NSA和SA的eMBB標準，后續(xù)版本中才會繼續(xù)制定mMTC和uRLLC標準。從5G在工業(yè)互聯(lián)網領域業(yè)務應用來看，將從eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸。未來5G將有可能去爭取工業(yè)標準話語權，顛覆工控及部分裝備產品形態(tài)，如無線機械臂。
4. 從5G無線連接技術向5G網絡技術邊緣計算、網絡切片、TSN等逐步延伸
5G涉及的核心技術，主要包括無線連接技術和網絡技術兩大類。無線連接技術方面，主要包括Massive MIMO，超密集組網（UDN），D2D，靈活雙工/全雙工，新型多址技術，新型編碼調制，高頻段通信等。網絡技術方面，主要包括網絡切片（Network Slicing），移動邊緣計算（MEC），SDN/NFV，C-RAN架構、TSN（Time Sensitive Networking）等。
在工業(yè)互聯(lián)網應用中，將從5G無線連接技術向5G網絡技術邊緣計算、網絡切片、TSN等逐步延伸。
移動邊緣計算（MEC）：利用MEC可將密集型移動計算任務遷移到附近的網絡邊緣服務器，其涉及到網絡、計算、存儲和安全四大方面核心技術。
以機械制造行業(yè)為例，數據開放性差且工業(yè)協(xié)議標準不統(tǒng)一，存在羅克韋爾自動化的EtherNet/IP、西門子的Profinet、德國倍福的EtherCAT、貝加萊的PowerLink、以及施耐德的ModBus-TCP等多種工業(yè)協(xié)議標準，各個自動化設備生產商和集成商還會自己開發(fā)各種私有工業(yè)協(xié)議，各種協(xié)議標準不統(tǒng)一、互不兼容，導致協(xié)議適配、協(xié)議解析和數據互聯(lián)互通困難；另外一方面，工業(yè)數據采集實時性要求難以得到保證，傳統(tǒng)數據采集技術對于高精度、低時延的工業(yè)場景難以保證重要的信息實時采集和上傳，無法滿足生產過程的實時監(jiān)控需求。
利用MEC，解決多設備接入和協(xié)議轉換問題。同時，MEC根據典型行業(yè)數據接入特點，基于流式數據分析對數據即來即處理，快速響應事件和不斷變化的業(yè)務條件與需求。
網絡切片（Network Slicing）：網絡切片是SDN/NFV技術應用于5G網絡的關鍵服務，一個網絡切片將構成一個端到端的邏輯網絡，涵蓋所有網段，包括無線網絡、有線網絡、傳輸網、核心網、業(yè)務應用，按切片需求方的需求靈活地提供一種或多種網絡服務。
對于工業(yè)企業(yè)而言，網絡切片主要體現(xiàn)三大功能。資源隔離保障了不同業(yè)務環(huán)節(jié)以及工廠內外部的數據安全與獨立；功能定制使得不同環(huán)節(jié)/場景的特定需求能夠以低成本方式得到滿足；質量保障則意味著工業(yè)互聯(lián)網在工廠內部的應用將高可靠。
TSN（Time Sensitive Networking）：時間敏感網絡作為一組位于數據鏈路層的協(xié)議簇，從底層網絡架構中改變了普通以太網數據傳輸的不確定性，將它轉變?yōu)榇_定性網絡，同時為不同協(xié)議網絡之間的互操作提供了可能性。將能夠快速打通工業(yè)通信協(xié)議和現(xiàn)場總線，成為OT和IT融合的基礎。
顯然現(xiàn)有的工業(yè)以太網協(xié)議EtherNet/IP、Profinet、EtherCAT、PowerLink、ModBus-TCP等不會立刻消失，可喜的是幾乎所有工業(yè)以太網組織都提供了與TSN設備結合的模型。其中包括羅克韋爾自動化、西門子、ABB、CISCO、施耐德、NI、三菱電機等自動化與IT廠商。
在5G網絡上融合TSN服務，關鍵的問題就是5G網絡與TSN的互通。在3GPP R16規(guī)劃中，3GPP已經開始對5G NR支持工業(yè)互聯(lián)網進行新的研究規(guī)劃。根據需求規(guī)范，對于時間敏感的工業(yè)應用場景，可能需要達到0.5 ms的延遲和99.9999%的可靠性。時間敏感網絡TSN over 5G NR將在分組分發(fā)、自動尋址和服務質量QoS等領域滿足工業(yè)企業(yè)需求，以更好地集成5G和TSN。
微信公眾號“5G行業(yè)應用”的《5G發(fā)展的五大動力和四大挑戰(zhàn)》一文分析了5G發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)。5G工業(yè)互聯(lián)網發(fā)展也同樣存在商業(yè)模式不清晰、應用場景碎片化、工業(yè)企業(yè)和ICT企業(yè)跨界融合壁壘高等諸多挑戰(zhàn)。通過從工業(yè)企業(yè)OT+IT架構底層向上層逐步延伸、從輔助功能向生產過程控制逐步延伸、從eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、從5G無線連接技術向5G網絡技術邊緣計算/網絡切片/TSN等逐步延伸將有助于5G賦能工業(yè)互聯(lián)網良性發(fā)展。