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基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用探析

2021-11-23 00:03黃雪靈陳云選
海峽科技與產(chǎn)業(yè) 2021年8期
關(guān)鍵詞:時(shí)延邊緣工業(yè)

黃雪靈 陳云選

中國(guó)信息通信研究院西部分院,重慶 401336

21世紀(jì),我國(guó)已躍居世界第一制造業(yè)大國(guó),逐漸構(gòu)建了門類齊全的現(xiàn)代工業(yè)體系。而近幾年飛速發(fā)展的智能制造及相關(guān)產(chǎn)業(yè),成為我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的主要?jiǎng)恿ΑW鳛樾乱淮苿?dòng)通信技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù),可以為圍繞物聯(lián)網(wǎng)、垂直行業(yè)的眾多熱門使用場(chǎng)景搭建提供幫助,特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)特有的低時(shí)延、高速率、移動(dòng)性、大容量特性,可以搭建高度安全、可擴(kuò)展的工業(yè)場(chǎng)景,為工業(yè)制造領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力的增強(qiáng)提供依據(jù)。因此,探究分析以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用具有非常重要的意義。

1 5G網(wǎng)絡(luò)背景

5G網(wǎng)絡(luò)是第五代移動(dòng)通信技術(shù),是移動(dòng)通信延續(xù)著每10年一代技術(shù)發(fā)展規(guī)律,在1G、2G、3G、4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的新技術(shù),致力于解決未來(lái)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量暴漲的需求,為用戶提供虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等身臨其境的高水準(zhǔn)業(yè)務(wù)體驗(yàn),并滲透到經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)行業(yè)、各個(gè)領(lǐng)域,滿足車聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等物聯(lián)網(wǎng)需求。從2019年的首次商用開(kāi)始,作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)的5G網(wǎng)絡(luò)在全球呈蓬勃發(fā)展之勢(shì),全球已有70多個(gè)國(guó)家的169個(gè)運(yùn)營(yíng)商發(fā)布5G,5G最高速率可達(dá)到1 Gbps~2 Gbps之間,甚至超過(guò)4 Gbps,5G主流頻譜為n77(3300~4200 MHz)、n78(3300~3800 MHz),還包括n257、n258、n261幾個(gè)毫米波頻段。我國(guó)聯(lián)通公司、電信公司主要將2100 MHz作為深度覆蓋層,將3.5 GHz與2.6 GHz作為容量層,主流頻譜為n78、n41以及FDD頻段n1,移動(dòng)公司與廣電公司則將700 MHz作為廣覆蓋層。從網(wǎng)絡(luò)部署來(lái)看,5G部署網(wǎng)絡(luò)的主流是NSA,其增長(zhǎng)數(shù)量處于趨于平緩狀態(tài)。與此同時(shí),SA網(wǎng)絡(luò)逐年增長(zhǎng),為我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模部署提供了充足動(dòng)力。而隨著5G網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)的快速發(fā)展,必將催化SA生態(tài)的進(jìn)一步成熟,形成良性循環(huán),最終實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展。

2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念于2012年首次提出,由美國(guó)通用電氣公司(GE)在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng):打破智慧與機(jī)器的邊界》白皮書(shū)上公布,其是由數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、安全、平臺(tái)構(gòu)成的全新工業(yè)制造與服務(wù)體系。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成基礎(chǔ)為新一代信息通信技術(shù)、工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合,其三要素是人、機(jī)器、數(shù)據(jù),可以面向全部產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈,其本質(zhì)上是依托開(kāi)放性、全球化的通信網(wǎng)絡(luò)平臺(tái),將人員、貨物、機(jī)具、系統(tǒng)有效連接,使其網(wǎng)絡(luò)化、智能化、數(shù)字化、自動(dòng)化,為工業(yè)數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展奠定基礎(chǔ)[1]。

作為互聯(lián)網(wǎng)概念的進(jìn)一步延伸的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的基石,狹義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特指面向工業(yè)生產(chǎn)與服務(wù)的發(fā)達(dá)網(wǎng)絡(luò);而廣義上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則覆蓋了農(nóng)林牧漁、制造、采礦、能源、建筑以及服務(wù)業(yè)、零售業(yè)、交通運(yùn)輸、金融等行業(yè),與每一個(gè)民眾的社會(huì)生活息息相關(guān)。

3 基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

3.1 關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 移動(dòng)邊緣計(jì)算

移動(dòng)邊緣計(jì)算(mobile edge computing,MEC),是5G網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)的一個(gè)網(wǎng)元或用戶側(cè)無(wú)線局域網(wǎng)內(nèi)私有云,具有多接入的特點(diǎn)。在基于5G邊緣云計(jì)算技術(shù)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中可以將其作為邊緣基礎(chǔ)設(shè)施的云計(jì)算系統(tǒng),經(jīng)邊緣云計(jì)算技術(shù)進(jìn)行邊緣位置的核算、網(wǎng)絡(luò)傳輸與存儲(chǔ)[2]。在邊緣處理網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)、核算與存儲(chǔ)業(yè)務(wù)的同時(shí),幫助工業(yè)用戶將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)下沉到邊緣,滿足分布式架構(gòu)運(yùn)行要求。在移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí),需要依托C/U分離架構(gòu)(網(wǎng)元/數(shù)據(jù)錨點(diǎn)),進(jìn)行MEC基本架構(gòu)以及服務(wù)管理API、無(wú)線信息開(kāi)放向API的定義。進(jìn)而推進(jìn)MEC架構(gòu)與NFV架構(gòu)的融合,并利用應(yīng)用遷移機(jī)制,進(jìn)行固網(wǎng)、Wi-Fi接入API的定義,明確MEC與5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。在這個(gè)基礎(chǔ)上,與5GAA、ITS等垂直行業(yè)合作,開(kāi)展面向工業(yè)的平臺(tái)能力構(gòu)想,如故障定位、機(jī)器視覺(jué)質(zhì)量檢測(cè)、智能巡檢等。根據(jù)各場(chǎng)景時(shí)延需求的差異,對(duì)應(yīng)的部署戰(zhàn)略也具有一定差異,對(duì)于遠(yuǎn)程問(wèn)題診斷、自動(dòng)駕駛等時(shí)延需求在1.0~5.0 ms內(nèi)的場(chǎng)景,可選擇基于專用硬件站點(diǎn)機(jī)房或接入機(jī)房部署策略,實(shí)現(xiàn)一次部署、迭代拓展;而對(duì)于移動(dòng)視頻監(jiān)控等時(shí)延需求在5.0~10.0 ms內(nèi)的場(chǎng)景,可以選擇基于通用硬件的匯聚部署策略,實(shí)現(xiàn)低成本、少帶寬骨干網(wǎng)傳輸。

3.1.2 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)即TSN,是“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”關(guān)鍵業(yè)務(wù)信息交互的基礎(chǔ),可以為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中確定性信息交互、柔性制造問(wèn)題的解決提供支持。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中,5G TSN技術(shù)主要作用于控制器與控制器、控制器與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)營(yíng)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)之間,面向現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)線設(shè)備控制(立體倉(cāng)庫(kù)、數(shù)控機(jī)床)、AGV控制、機(jī)器人控制需求,打通現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)設(shè)備與集中控制中心、機(jī)器人與機(jī)械臂環(huán)境感知、視覺(jué)雷達(dá)與AGV運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)鏈路,助力工業(yè)生產(chǎn)智能化、自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)[3]。

從應(yīng)用架構(gòu)上來(lái)看,5G TSN可以通過(guò)TSN轉(zhuǎn)換器(設(shè)備側(cè)DS-TT、網(wǎng)絡(luò)側(cè)NW-TT),將網(wǎng)絡(luò)用戶層、控制層進(jìn)行轉(zhuǎn)換、互通。整個(gè)過(guò)程中,需要首先利用延時(shí)關(guān)鍵可保障比特速率、用戶面下沉分流、切片等技術(shù),控制傳輸時(shí)延、無(wú)線側(cè)時(shí)延。其中延時(shí)關(guān)鍵可保障比特速率負(fù)責(zé)結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)流特征進(jìn)行業(yè)務(wù)類別劃分,如Best Effort(對(duì)時(shí)延無(wú)特殊要求)、周期性低時(shí)延的同步實(shí)時(shí)流、Motion Control等;而用戶面下沉分流負(fù)責(zé)根據(jù)場(chǎng)內(nèi)產(chǎn)現(xiàn)身控制要求,將核心網(wǎng)專用UPF下沉到園區(qū),降低時(shí)延;切片技術(shù)負(fù)責(zé)在高隔離、低時(shí)延的業(yè)務(wù)中,以物理資源承載預(yù)留配合以太網(wǎng)硬切片的形式,減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延[4]。進(jìn)而結(jié)合時(shí)延敏感通信輔助信息,借助保持與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、低抖動(dòng)敏感通信。

3.2 應(yīng)用場(chǎng)景

3.2.1 遠(yuǎn)程操控

傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)管理主要是進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行生產(chǎn)設(shè)備、能源、原材料的管理,而利用5G與邊緣計(jì)算、自動(dòng)控制技術(shù),以數(shù)據(jù)采集終端上部署5G網(wǎng)關(guān)、內(nèi)置5G模組的形式,可以推進(jìn)設(shè)備操控系統(tǒng)升級(jí),實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備與攝像頭、傳感網(wǎng)等數(shù)據(jù)采集終端的遠(yuǎn)程管理[5]。在遠(yuǎn)程設(shè)備操控場(chǎng)景中,操控人員可以經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)距離、實(shí)時(shí)獲取生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全景高清視頻畫(huà)面及多種類別終端數(shù)據(jù),并經(jīng)操控系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的精準(zhǔn)化、實(shí)時(shí)操控,可以助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)無(wú)人化、少人化,降低企業(yè)生產(chǎn)成本。如礦山領(lǐng)域可以利用5G技術(shù),推進(jìn)無(wú)人礦卡駕駛、井下開(kāi)采挖掘,降低生產(chǎn)事故發(fā)生率以及對(duì)應(yīng)的成本。

3.2.2 無(wú)損檢測(cè)

無(wú)損檢測(cè)主要是以內(nèi)嵌5G模組、5G網(wǎng)關(guān)部署的形式,將工業(yè)相機(jī)接入5G網(wǎng)絡(luò),獲取高清圖像后經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸至專家系統(tǒng),由專家系統(tǒng)對(duì)比既有規(guī)則判斷物料、產(chǎn)品是否存在缺陷。機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、設(shè)備故障檢測(cè)等無(wú)損檢測(cè)場(chǎng)景可以促使企業(yè)良品率顯著上升。如鋼鐵領(lǐng)域可以借助5G+8K表面檢測(cè)系統(tǒng),優(yōu)化當(dāng)前抽檢模式,面向全部產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)損檢測(cè),將鋼材缺陷檢出率、缺陷識(shí)別率分別提高到90.0%、85.0%以上。

3.2.3 智能分析

對(duì)于數(shù)控機(jī)床、其他自動(dòng)化工業(yè)設(shè)備、物料自動(dòng)存儲(chǔ)運(yùn)輸設(shè)備,可以通過(guò)5G網(wǎng)關(guān)、5G模組部署的形式,將設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)[6]。在無(wú)線化連接環(huán)境中,將5G網(wǎng)絡(luò)、多接入邊緣計(jì)算系統(tǒng)結(jié)合,完成柔性生產(chǎn)制造應(yīng)用部署,并為基于生產(chǎn)要求的生產(chǎn)線快速重構(gòu)提供支持。設(shè)備智能分析等場(chǎng)景可以支撐企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)流程優(yōu)化,為企業(yè)生產(chǎn)效率提升奠定基礎(chǔ)。如港口領(lǐng)域可以借助“5G+人工智能技術(shù)”,進(jìn)行集裝箱理貨環(huán)節(jié)自動(dòng)分析,尋找物流最優(yōu)路徑,將配載效率提高到15倍甚至20倍。

3.2.4 主動(dòng)防御

由工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全防護(hù)要求》可知,無(wú)線安全主動(dòng)防御是5G基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用場(chǎng)景的關(guān)鍵部分。無(wú)線安全主動(dòng)防御包括訪問(wèn)控制、安全準(zhǔn)入、行為監(jiān)測(cè)、白名單等多個(gè)部分。其中,訪問(wèn)控制主要是通過(guò)5G連接邊緣管理區(qū)域、生產(chǎn)區(qū)域邊界,經(jīng)工業(yè)防火墻完成對(duì)協(xié)議工藝參數(shù)、地址范圍、功能碼的深度檢測(cè),阻止惡意指令、非法訪問(wèn)、數(shù)據(jù),并進(jìn)行地址訪問(wèn)控制設(shè)備的限定。安全準(zhǔn)入主要是借助準(zhǔn)入控制機(jī)制,完成對(duì)接入內(nèi)網(wǎng)移動(dòng)終端的身份驗(yàn)證[7]。同時(shí)利用遠(yuǎn)程方式,監(jiān)控移動(dòng)設(shè)備非法使用、遺失/被盜竊、入侵等行為,并執(zhí)行銷毀數(shù)據(jù)留存、擦除、重啟等操作。行為監(jiān)測(cè)主要指將工業(yè)安全審計(jì)系統(tǒng)部署在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi),開(kāi)展流量回溯分析或者針對(duì)系統(tǒng)漏洞的攻擊行為。并對(duì)工控系統(tǒng)特有的PLC、SCADA、DCA等設(shè)備脆弱性進(jìn)行檢測(cè)。白名單主要是結(jié)合主機(jī)最基本環(huán)境,將特定應(yīng)用程序、端口列入白名單目錄。并從應(yīng)用管控、安全管理、性能資源等方面,開(kāi)展全方位防護(hù)。

3.3 未來(lái)發(fā)展

雖然5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用成效已初步顯現(xiàn),但仍然存在深入推進(jìn)問(wèn)題。作為首批5G商用的國(guó)家之一,我國(guó)基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用無(wú)先例可遵循、無(wú)路徑可依靠,導(dǎo)致技術(shù)開(kāi)發(fā)能力不足、芯片模組產(chǎn)業(yè)分散等問(wèn)題較為突出。其中技術(shù)開(kāi)發(fā)能力不足主要表現(xiàn)為:工業(yè)場(chǎng)景下基于機(jī)器視覺(jué)的5G商用較多,上行傳輸數(shù)據(jù)需求較為顯著,而面向消費(fèi)者應(yīng)用的5G公網(wǎng)下行傳輸帶寬顯著高于上行,制約了5G基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)程。針對(duì)這一問(wèn)題,應(yīng)致力于借助成熟模式的復(fù)制推廣手段,為5G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由試點(diǎn)到普及助力。未來(lái)將打造基于5G網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)網(wǎng)建設(shè)樣板,構(gòu)建涵蓋工業(yè)典型應(yīng)用場(chǎng)景的產(chǎn)品,并加強(qiáng)重點(diǎn)行業(yè)實(shí)踐指導(dǎo),為更多的企業(yè)應(yīng)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新提供“一站式”“菜單式”借鑒服務(wù),為基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更高水平、更深程度的發(fā)展提供標(biāo)準(zhǔn)。

芯片模組產(chǎn)業(yè)分散主要體現(xiàn)為:當(dāng)前工業(yè)領(lǐng)域需求多元化,對(duì)5G工業(yè)終端芯片性能、模組協(xié)議支持具有更加嚴(yán)格的要求,但是現(xiàn)今時(shí)期5G芯片模組產(chǎn)業(yè)呈碎片化分布,短期內(nèi)價(jià)格高昂,規(guī)模推廣受限。針對(duì)這一問(wèn)題,未來(lái)可以在開(kāi)展工業(yè)5G專網(wǎng)試點(diǎn)全連接工廠建設(shè)的基礎(chǔ)上,對(duì)接信息技術(shù)網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)控制網(wǎng)絡(luò)人融合部署需求,加快定制化、經(jīng)濟(jì)型工業(yè)5G芯片、終端、模組產(chǎn)品研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時(shí)進(jìn)行融合應(yīng)用先導(dǎo)區(qū)發(fā)展建設(shè)指南的制定,打造若干個(gè)全連接工廠示范標(biāo)桿,奠定基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述,5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)領(lǐng)域具有突出的強(qiáng)化效果,不僅可以成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)信息應(yīng)用能力“倍增器”,而且可以提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全性。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的關(guān)鍵技術(shù)主要有移動(dòng)邊緣計(jì)算,適用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程維護(hù)、無(wú)損檢測(cè)、無(wú)人巡檢等多個(gè)場(chǎng)景。未來(lái)以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必將衍生更加多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景,如邊緣設(shè)備跟蹤管理、工業(yè)智能采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控及生產(chǎn)管理、工業(yè)質(zhì)控機(jī)器人等,助推中國(guó)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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