◆黃廣山

（山西省郵電建設(shè)工程有限公司 山西 030012）

1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基本應(yīng)用需求

（1）數(shù)據(jù)采集

工業(yè)控制系統(tǒng)會對工業(yè)生產(chǎn)過程中的各類事件及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，包括但不限于各種物理量、定位、標(biāo)識、圖像這類數(shù)據(jù)信息，通過數(shù)據(jù)采集能夠有機(jī)地結(jié)合計(jì)算、感知、通信、物理、驅(qū)動等各類系統(tǒng)，以此來盡可能地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化發(fā)展。但在4G 網(wǎng)絡(luò)下的工業(yè)控制系統(tǒng)在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時效率相對較低，數(shù)據(jù)傳輸及轉(zhuǎn)化成效不佳，無法有效迎合不斷變化的時代發(fā)展需求。而在5G專網(wǎng)R16uRLLC 場景之下的時延僅為0.5 至1ms，且具備無限趨近于100%的可靠性，這就讓工業(yè)控制系統(tǒng)能夠在低時延、高可靠性、海量連接的網(wǎng)絡(luò)之中開展數(shù)據(jù)采集工作，利用無線網(wǎng)絡(luò)連接來達(dá)成閉環(huán)控制這一目的。并且由于時延達(dá)到了毫秒級別，機(jī)器人之間或者機(jī)器人和生產(chǎn)設(shè)備之間的互動及協(xié)調(diào)更為便利，工業(yè)控制以及數(shù)據(jù)采集更為高效且精準(zhǔn)，有力推動了工業(yè)生產(chǎn)的良好發(fā)展。

（2）工業(yè)AR

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之中引入5GAR 技術(shù)，能夠有效應(yīng)用于人機(jī)協(xié)作、生產(chǎn)流程監(jiān)控、數(shù)字設(shè)計(jì)與協(xié)同、質(zhì)量檢測、遠(yuǎn)程運(yùn)營維護(hù)、新入職員工崗前培訓(xùn)等場景之中。例如某一設(shè)備出現(xiàn)了故障，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)會向總控制中心發(fā)送警報(bào)，提示工作人員及時維修。此時工程師就能夠在5G專網(wǎng)之中對工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，由于這類工作人員配備了相應(yīng)的AR 設(shè)施，能夠清晰接收到來自工程師的指令，因此工作人員可以更為快速且精準(zhǔn)地完成對設(shè)備的維修[1]。當(dāng)前在R15 協(xié)議下的5G專網(wǎng)能夠達(dá)到每一位用戶1Gbps 的峰值吞吐率，而正在研發(fā)的R16 協(xié)議將會大幅增強(qiáng)原有系統(tǒng)的性能，進(jìn)而有效提升了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

（3）智能機(jī)器人

目前工業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)應(yīng)用了機(jī)器視覺技術(shù)，極大地提升了工業(yè)生產(chǎn)的智能化程度。但機(jī)器視覺要想順利完成檢測任務(wù)，必須要以較高的網(wǎng)絡(luò)帶寬作為支撐，而5G 邊緣計(jì)算技術(shù)以及大帶寬數(shù)據(jù)的傳輸則能夠有效迎合這一要求。在5G專網(wǎng)下，智能機(jī)器人的移動將打破過去在區(qū)域方面的限制，能夠根據(jù)實(shí)際需求及時到達(dá)相應(yīng)的地點(diǎn)，平滑轉(zhuǎn)換工作狀態(tài)，改變工作內(nèi)容，且整個工作將無間斷進(jìn)行。同時5G技術(shù)也能夠?qū)崿F(xiàn)對工作人員與機(jī)器人的有機(jī)連接，并以此為中心構(gòu)建一個完善的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)而對整個工廠的生產(chǎn)工作進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，有效保障相關(guān)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。

（4）物料跟蹤

在5G專網(wǎng)下，會給工廠中的全體員工及各類設(shè)備確定一個“身份”，這樣一來工業(yè)生產(chǎn)所需要的原材料就具備一定的信息屬性，工作人員可以通過5G 邊緣計(jì)算技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)將跟蹤供應(yīng)鏈中的各類物料可視化，并及時傳輸實(shí)時物料信息。

2 5G 背景下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)

（1）總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G 背景下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)總體架構(gòu)將通信、數(shù)據(jù)、傳感、軟件、計(jì)算、算法、安全這類技術(shù)進(jìn)行了有機(jī)的融合，具體如圖1所示。其中感知層主要是智能化處理工業(yè)裝備，對不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，主要有移動、速度、識別、重力、環(huán)境、流量、定位、壓力、檢測、速度、人機(jī)交互這類信息，利用工業(yè)處理單元、控制軟件以及智能傳感器來讓工業(yè)生產(chǎn)中的各類設(shè)備數(shù)字化與智能化。網(wǎng)絡(luò)層則說明了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)載體，主要是指5G專網(wǎng)，包含了5GC、MEC、NR這類實(shí)體單元和網(wǎng)絡(luò)切片管理系統(tǒng)、SDN/NFV 系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)層能夠讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接到uRLLC、eMBB、mMTC 這類業(yè)務(wù)應(yīng)用場景之中，進(jìn)而快速傳輸數(shù)據(jù)信息，有效達(dá)成M2M 的大規(guī)模連接。支撐層則能夠讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對所采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理、分析、儲存，并將其應(yīng)用至各個環(huán)節(jié)之中，從而構(gòu)建一個完整的工業(yè)數(shù)學(xué)模型，建立可視化水平較高的3D 引擎。應(yīng)用層則是為了實(shí)現(xiàn)智能供應(yīng)鏈、智能設(shè)計(jì)、智能生產(chǎn)、智能制造、智能加工以及需求分析等目的，最大化地迎合工業(yè)在智能方面的應(yīng)用需求。

圖1 5G 背景下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的總體架構(gòu)

（2）物聯(lián)網(wǎng)部署方案

5G專網(wǎng)背景下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署方案主要包含了網(wǎng)絡(luò)切片部署以及企業(yè)專網(wǎng)部署，其中網(wǎng)絡(luò)切片部署主要是與運(yùn)營商達(dá)成一致，根據(jù)工廠的工業(yè)生產(chǎn)需求，在內(nèi)部相應(yīng)位置部署邊緣計(jì)算服務(wù)器以及5G 基站。通過5GC 所具備的網(wǎng)絡(luò)切片作用，能夠讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)順利完成網(wǎng)絡(luò)的組合，相比之下成本支出較低，且效率極高，能夠應(yīng)用于部分對數(shù)據(jù)信息敏感程度相對較低的企業(yè)之中。企業(yè)專網(wǎng)部署主要指的是在企業(yè)內(nèi)部完成獨(dú)立5G 網(wǎng)絡(luò)的部署，需要用到5G 基站、服務(wù)器、企業(yè)核心網(wǎng)以及邊緣計(jì)算等相關(guān)設(shè)備。企業(yè)專網(wǎng)部署能夠應(yīng)用于規(guī)模較大的工業(yè)企業(yè)，且對技術(shù)人員的專業(yè)水平以及管理人員的管理水平有著較高的要求。

（3）邊緣計(jì)算部署方案

邊緣計(jì)算主要遵循了就近原則，為開放平臺的最近端提供相應(yīng)的服務(wù)。相比于云端計(jì)算，邊緣計(jì)算的響應(yīng)速度更快，有效提升了處理效率，極大地降低了云端計(jì)算的負(fù)荷。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在部署邊緣計(jì)算時應(yīng)當(dāng)從邊緣節(jié)點(diǎn)、云邊緣、邊緣網(wǎng)關(guān)、本地邊緣、邊緣負(fù)載、邊緣應(yīng)用等方面出發(fā)，讓邊緣計(jì)算所產(chǎn)生的效果最大化。

（4）工業(yè)應(yīng)用平臺方案

工業(yè)應(yīng)用平臺主要是將數(shù)據(jù)作為核心，能夠?qū)⒎N類繁多的應(yīng)用開放給全體用戶，進(jìn)而完成對工業(yè)產(chǎn)品的全過程數(shù)字化管理[2]。工業(yè)應(yīng)用平臺具備自動控制、輔助裝配、協(xié)同設(shè)計(jì)、倉儲管理、培訓(xùn)指導(dǎo)、柔性生產(chǎn)、質(zhì)量控制、物流供應(yīng)以及遠(yuǎn)程運(yùn)維等功能，工廠可以利用工業(yè)應(yīng)用平臺來構(gòu)建一個全新的產(chǎn)品及服務(wù)生產(chǎn)模式，通過對虛擬化工廠、3D 可視化、無人車間以及人機(jī)交互等方法的應(yīng)用來讓工業(yè)生產(chǎn)更為智能化，有效提升工廠的工業(yè)生產(chǎn)力。

（5）網(wǎng)絡(luò)安全方案

在5G專網(wǎng)背景之下，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)當(dāng)對感知設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)控制系統(tǒng)、AGV 服務(wù)器、OPC 服務(wù)器、傳感器網(wǎng)關(guān)這類設(shè)備采取有效的安全防護(hù)措施，按照《信息安全技術(shù)網(wǎng)絡(luò)安全等級保護(hù)定級指南》中的相關(guān)要求來明確各類設(shè)備的安全保護(hù)等級，并分別從安全通信網(wǎng)絡(luò)、安全計(jì)算環(huán)境、安全物理環(huán)境、物聯(lián)網(wǎng)安全拓展要求、安全區(qū)域邊界等方面來構(gòu)建一個完善的安全管理體系以及安全技術(shù)體系，以此來有效保障整個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全。

3 5G 應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的兩種模式

（1）以“移”換“固”，解放生產(chǎn)

將5G技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)之中，能夠完美代替?zhèn)鹘y(tǒng)固線，讓之前與生產(chǎn)設(shè)備相連接的復(fù)雜通信電纜得以移除，使工業(yè)生產(chǎn)具備更強(qiáng)的靈活性，簡而言之便是以無線代替了有線。在這樣的模式之下，能夠完成對各類數(shù)據(jù)信息的移動采集，一般應(yīng)用在部分旋轉(zhuǎn)、滑動頻率較高、速度較快的設(shè)備之中，諸如涉及溫度、視頻、風(fēng)速、振動等因素的風(fēng)機(jī)等[3]。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)能夠得知，引入5G技術(shù)之后，單臺風(fēng)機(jī)能夠在一天時間之內(nèi)達(dá)到85GB 的數(shù)據(jù)量。風(fēng)機(jī)在機(jī)艙的前半部分一般是處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，對軸承、葉片、滑環(huán)等配件進(jìn)行固線操作有著較高的難度，通過移動采集方式的應(yīng)用則能夠有效解決這一問題。柔性產(chǎn)線也是應(yīng)用5G技術(shù)后的創(chuàng)新手段，能夠有效滿足離散制造企業(yè)的“小批量、多批次”這一基本需求。在傳統(tǒng)固線部署方式下，產(chǎn)線的優(yōu)化與改良受到了較大幅度的限制，例如設(shè)備商在對一次生產(chǎn)的基站板卡型號進(jìn)行調(diào)整時，往往需要耗費(fèi)一天的時間來重新進(jìn)行接線，極大地降低了工作效率。通過5G 無線技術(shù)的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對固線現(xiàn)場總線的完美代替，有效促進(jìn)了柔性生產(chǎn)的高速發(fā)展，相關(guān)工作人員能夠在最短的時間之內(nèi)完成對生產(chǎn)批量以及生產(chǎn)批次的調(diào)整，同時也能夠優(yōu)化不同生產(chǎn)階段的產(chǎn)能，讓各生產(chǎn)階段能夠緊密銜接。

（2）從“集”到“分”，創(chuàng)新模式

通過5G技術(shù)的應(yīng)用，能夠讓邊緣布局得以加強(qiáng)，使得工廠能夠在傳輸匯聚節(jié)點(diǎn)、基站局房以及本地?cái)?shù)據(jù)中心中完成對邊緣云的部署，這樣一來5G 的虛擬網(wǎng)元能夠得到有效的承載，且能夠在行業(yè)內(nèi)部進(jìn)行開放，推動工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從集中控制模式轉(zhuǎn)變至分布控制模式，進(jìn)而有效增強(qiáng)處理效率[4]。例如部分有著較大能耗的企業(yè)一般會自建一個微電廠，通過5G 邊緣云的應(yīng)用就能夠?qū)ξ㈦姀S的實(shí)際生產(chǎn)狀況及設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，有效提升了工業(yè)生產(chǎn)效率。

綜上所述，5G技術(shù)在工業(yè)智能化進(jìn)程之中做出了突出的貢獻(xiàn)，5G專網(wǎng)能夠讓工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)更為完善，具備更佳的性能，有效助力高質(zhì)量、高效率的工業(yè)生產(chǎn)。當(dāng)前5G專網(wǎng)技術(shù)仍處于一個持續(xù)發(fā)展階段，能夠預(yù)見在5G專網(wǎng)背景下的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)勢必在未來得到更為廣泛的普及與應(yīng)用，工業(yè)生產(chǎn)也將邁向更高的臺階，從而有效推動工業(yè)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展。