［余夢(mèng)影 王會(huì)義 黃金朝 鄧驥 譚啟祥］

1 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，通過構(gòu)建連接機(jī)器、物料、人、信息系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)的全面感知、動(dòng)態(tài)傳輸、實(shí)時(shí)分析，形成科學(xué)決策與智能控制，提高制造資源配置效率[1]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為領(lǐng)軍制造企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的新賽道、全球產(chǎn)業(yè)布局的新方向、制造大國(guó)競(jìng)爭(zhēng)的新焦點(diǎn)。目前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)處于“快速發(fā)展、持續(xù)更新”的過程中，以5G、人工智能（AI）、區(qū)塊鏈等新技術(shù)引領(lǐng)，融合軟件、控制、裝備、安全等領(lǐng)域知識(shí)機(jī)理，圍繞數(shù)據(jù)核心能力構(gòu)建形成新一代技術(shù)體系。

2 應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)優(yōu)勢(shì)

工廠內(nèi)網(wǎng)通信涉及固定設(shè)備和移動(dòng)設(shè)備，如注塑機(jī)、沖壓機(jī)、機(jī)械臂、AGV 等。大部分設(shè)備有線網(wǎng)絡(luò)或Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)部署到車間和機(jī)臺(tái)，但因?yàn)楣S的車間面積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備分散，布線難度大，成本高，耗時(shí)長(zhǎng)，迫切需要更加可靠便捷的通信方式解決設(shè)備聯(lián)機(jī)問題[2][3]。目前工業(yè)界采用的無線通信協(xié)議眾多，如短距無線（藍(lán)牙、Zigbee）、工業(yè)專用無線（如WirelessHART）、3G/4G 蜂窩無線、Wi-Fi 等，這些協(xié)議各有不足且相對(duì)封閉，設(shè)備互聯(lián)互通較難，制約了設(shè)備上云。同時(shí)，由于Wi-Fi 受機(jī)器磁場(chǎng)干擾存在丟包和通信不穩(wěn)定的情況，這一情況也需要改善。因此，借助5G 技術(shù)的推廣，能找到實(shí)時(shí)性更高、更可靠、更靈活、維護(hù)性更好、成本更低的工廠網(wǎng)絡(luò)部署方案。

5G 具備感知泛在、連接泛在、智能泛在等優(yōu)勢(shì)，有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)底座，5G 相對(duì)于其他無線通信協(xié)議優(yōu)勢(shì)顯著。

①5G 抗干擾能力更強(qiáng)，Wi-Fi 使用公用頻段導(dǎo)致抗干擾能力差；5G 使用運(yùn)營(yíng)商獨(dú)有頻段具備更高的安全性和可靠性。

②5G 能夠承載高并發(fā)大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)，Wi-Fi 信道少，資源有限；5G 具備大帶寬特性。

③5G 能夠保證超低時(shí)延及更廣覆蓋，Wi-Fi 時(shí)延不穩(wěn)定，用戶增多導(dǎo)致時(shí)延增大；5G 網(wǎng)絡(luò)可通過行業(yè)定制化降低時(shí)延，增加覆蓋能力。

④5G 可以實(shí)現(xiàn)快速切換保障數(shù)據(jù)可靠傳輸，針對(duì)快速移動(dòng)場(chǎng)景，Wi-Fi 連接下無法進(jìn)行切換，5G 網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)切換。

尤其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的安全要求性、網(wǎng)絡(luò)可靠性更高。以當(dāng)前較為先進(jìn)的Wi-Fi6 技術(shù)為例，5G 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在終端安全、空口安全機(jī)制、隱私保護(hù)等項(xiàng)目上，如圖1 所示，5G 相對(duì)于Wi-Fi6 有以下優(yōu)勢(shì)。

圖1 5G 與Wi-Fi6 技術(shù)的對(duì)比

3 應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的5G 專網(wǎng)技術(shù)

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片

企業(yè)可租用運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)，以網(wǎng)絡(luò)切片方式提供VPN（如中國(guó)移動(dòng)5G 尊享專網(wǎng)模式）；面向消費(fèi)者應(yīng)用時(shí)TDD(時(shí)分雙工)下行容量高于上行，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則需要更大容量用于上行。相反的TDD 上下行配置在運(yùn)營(yíng)商同一網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要有業(yè)務(wù)隔離，以應(yīng)對(duì)互相干擾。

3.2 專用頻率

企業(yè)可申請(qǐng)專用頻率自建5G 專網(wǎng)（如中國(guó)移動(dòng)5G尊享專網(wǎng)模式），可實(shí)現(xiàn)靈活按需配置TDD 的上下行時(shí)隙，無需考慮與公網(wǎng)TDD 上下行時(shí)隙配置的兼容問題。

3.3 MEC 技術(shù)

目前面向企業(yè)的邊緣計(jì)算需求，中國(guó)移動(dòng)5G 專網(wǎng)采用兩種部署場(chǎng)景：共享式、入駐專享式。共享式MEC 部署方式，可利用運(yùn)營(yíng)商海量的邊緣機(jī)房、已經(jīng)部署的計(jì)算資源可助力快速、低成本部署邊緣計(jì)算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。專享MEC 入駐部署，可實(shí)現(xiàn)超低時(shí)延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求。

3.4 TSN 技術(shù)

從需求角度看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)涉及物流、采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)等全要素，5G 超大帶寬、超低時(shí)延等特有優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)毫秒級(jí)傳輸，確保工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素資源的順暢連接和快速精準(zhǔn)控制的高要求。

對(duì)于時(shí)延和同步要求十分嚴(yán)格的流程工業(yè)和自動(dòng)化生產(chǎn)線，需采用時(shí)延敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)，它改進(jìn)工業(yè)以太網(wǎng)，在數(shù)據(jù)鏈路層以太網(wǎng)報(bào)頭的虛執(zhí)局域網(wǎng)標(biāo)簽中增加QOS分類，允許高優(yōu)先級(jí)的幀打斷低優(yōu)先級(jí)幀的傳輸以保證低時(shí)延。主要應(yīng)用技術(shù)手段如下。

①利用5G 接入網(wǎng)和核心網(wǎng)能力為垂直行業(yè)提供局域網(wǎng)服務(wù)。

②提供IP/non-IP 連接、私網(wǎng)標(biāo)識(shí)與管理、與公網(wǎng)的互操作。

③5G 架構(gòu)支持ISN 網(wǎng)絡(luò)能力、同步配置和QOS 要求。

4 5G 專網(wǎng)技術(shù)融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐

中國(guó)移動(dòng)聯(lián)合中國(guó)聯(lián)塑集團(tuán)就工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所涉及物流、采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)等全要素，結(jié)合5G 專網(wǎng)超大帶寬、超低時(shí)延等特有優(yōu)勢(shì)，就佛山總部園區(qū)的六大5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用進(jìn)行了實(shí)踐。應(yīng)用實(shí)踐涵蓋工業(yè)園無人車間注塑、質(zhì)檢、包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，同時(shí)升級(jí)物流、能源、中控等流程的5G 工業(yè)園解決方案，滿足聯(lián)塑工業(yè)園降本增效、產(chǎn)線柔性化制造、設(shè)備快速迭代的發(fā)展需求，端+用+網(wǎng)+平臺(tái)的架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 本文工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用實(shí)踐架構(gòu)圖

4.1 5G+工業(yè)設(shè)備無線采集應(yīng)用

智能化的生產(chǎn)需要布設(shè)大量控制、管理和傳感器終端，為了解決Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)容量低、信號(hào)不穩(wěn)定、易受到電磁干擾等問題。本論文采用5G 切片網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)設(shè)備、采集終端與MES 系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換。

園區(qū)IT 網(wǎng)絡(luò)與廣東移動(dòng)的5G 數(shù)據(jù)網(wǎng)之間采用數(shù)據(jù)專線連接。如圖3 所示，通過移動(dòng)的傳輸網(wǎng)、核心網(wǎng)，并通過企業(yè)專線接入聯(lián)塑集團(tuán)內(nèi)部MES 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)MES 通過5G SA 終端與MES 管理平臺(tái)之間互聯(lián)互通。5G 業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)基于廣東聯(lián)塑專用行業(yè)5G DNN，并把MES終端發(fā)出業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過專線轉(zhuǎn)發(fā)到聯(lián)塑集團(tuán)內(nèi)部MES系統(tǒng)。

圖3 工業(yè)終端5G+無線采集應(yīng)用構(gòu)架

4.2 5G+生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程控制應(yīng)用

遠(yuǎn)程控制一直是提升生產(chǎn)效能、實(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)單元協(xié)作的必要手段。由于遠(yuǎn)程控制會(huì)直接影響生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)出效能，現(xiàn)階段遠(yuǎn)程控制的通信方式大多利用有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)，從根本上限制了生產(chǎn)環(huán)境的靈活部署能力，也在一定程度上限制了生產(chǎn)過程的控制范圍。

利用5G專網(wǎng)邊緣云業(yè)務(wù)低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)特性，實(shí)現(xiàn)廣東聯(lián)塑1 號(hào)無人車間的機(jī)械臂等各類新舊設(shè)備與MES 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)的互聯(lián)互通，解決了有線部署遷移不便、線路老化的安全隱患。同時(shí)達(dá)到降低作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，提高作業(yè)效率的目標(biāo)。

4.3 5G+機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)應(yīng)用

如圖4 所示，5G 機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)應(yīng)用采用超高清攝像頭拍攝的管道產(chǎn)品切面圖像，通過5G 專網(wǎng)上傳到人工智能云平臺(tái)計(jì)算，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)成品照片與合格樣品進(jìn)行比對(duì)，利用歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)圖像分類模型，并使用人工智能模型對(duì)待檢測(cè)的產(chǎn)品進(jìn)行錯(cuò)、漏、反自動(dòng)化檢測(cè)，不符合條件的產(chǎn)品自動(dòng)判定不良，系統(tǒng)記錄不良信息并控制自動(dòng)排出。解決了肉眼難以識(shí)別的質(zhì)檢難題，以及質(zhì)檢工人易疲勞、易出錯(cuò)的問題，同時(shí)節(jié)約人工檢測(cè)成本。

圖4 5G 機(jī)器視覺缺陷檢測(cè)應(yīng)用構(gòu)架

4.4 5G+AGV 機(jī)器人應(yīng)用

AGV 調(diào)度需要穩(wěn)定、安全的無線傳輸方式，采用5G信號(hào)進(jìn)行傳輸，解決了Wi-Fi 信號(hào)不穩(wěn)定、干擾及時(shí)延的問題。生產(chǎn)物料通過AGV 在工業(yè)設(shè)備中靈活運(yùn)送，設(shè)備之間的通信通過5G 網(wǎng)絡(luò)完成，設(shè)備與PLC 之間通信也采用5G 專網(wǎng)，設(shè)備之間擺脫了以往的線纜羈絆，可以根據(jù)產(chǎn)能變化靈活增減設(shè)備、調(diào)整布局、優(yōu)化產(chǎn)能，既可以以最小代價(jià)、最短時(shí)間增加產(chǎn)能，也可以在產(chǎn)能過剩時(shí)快速減少設(shè)備。

4.5 設(shè)備故障預(yù)警應(yīng)用

通過5G 專網(wǎng)實(shí)時(shí)采集各類生產(chǎn)設(shè)備和終端的傳感數(shù)據(jù)，傳輸?shù)竭吘壴圃O(shè)備故障診斷系統(tǒng)。設(shè)備故障診斷系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集到的設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行全周期監(jiān)測(cè)，建立設(shè)備故障知識(shí)圖譜，對(duì)設(shè)備運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)智能分析預(yù)測(cè)，并通過5G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息、診斷信息、預(yù)測(cè)信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等信息的智能推送。

4.6 5G+工業(yè)視頻監(jiān)控分析

智能圖像分析服務(wù)器通過5G 專網(wǎng)獲取視頻信息輸出至5G 邊緣云，通過部署在邊緣云的AI 平臺(tái)獲取識(shí)別結(jié)果?；趶S區(qū)、車間內(nèi)攝像頭采集的圖像，監(jiān)測(cè)職工是否符合安全著裝規(guī)范、作業(yè)規(guī)范，檢測(cè)職工及作業(yè)車輛的違規(guī)離崗、違規(guī)闖入、違規(guī)停留等行為，綜合評(píng)估廠區(qū)的合規(guī)度，為企業(yè)評(píng)估安全生產(chǎn)管理狀況并采用針對(duì)性的提升方法提供精準(zhǔn)依據(jù)。同時(shí)，采用5G inside 的攝像頭可無線無電源靈活部署，滿足生產(chǎn)設(shè)備故障突發(fā)的緊急臨時(shí)布控需求。

5 總結(jié)與展望

從全球看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平與國(guó)家的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)相關(guān)，5G 作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)及技術(shù)底座直接決定其發(fā)展進(jìn)程。2019年11 月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《關(guān)于印發(fā)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512 工程推進(jìn)方案的通知》，明確到2022 年，將突破一批面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特定需求的5G關(guān)鍵技術(shù)，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的產(chǎn)業(yè)支撐能力顯著提升；打造5 個(gè)產(chǎn)業(yè)公共服務(wù)平臺(tái)，構(gòu)建創(chuàng)新載體和公共服務(wù)能力；加快垂直領(lǐng)域“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的先導(dǎo)應(yīng)用，內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造覆蓋10 個(gè)重點(diǎn)行業(yè)；打造一批“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”內(nèi)網(wǎng)建設(shè)改造標(biāo)桿、樣板工程，形成至少20 大典型工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景；培育形成5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合疊加、互促共進(jìn)、倍增發(fā)展的創(chuàng)新態(tài)勢(shì)，促進(jìn)制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級(jí)，推動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展。

隨后兩年間，各省市紛紛頒發(fā)了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字化轉(zhuǎn)型的相關(guān)政策性支持文件，為我國(guó)加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展步伐，克服運(yùn)營(yíng)商、工業(yè)企業(yè)、產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴在實(shí)踐中克服各行業(yè)知識(shí)多樣性，提高協(xié)同協(xié)作效率提供了動(dòng)能。

本方案可結(jié)合各省市5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)政策支持，加快進(jìn)行快速?gòu)?fù)制推廣，將實(shí)現(xiàn)以下愿景：①緊密落實(shí)中央新基建要求，通過5G 專網(wǎng)及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用建設(shè)，帶動(dòng)社會(huì)新舊產(chǎn)能升級(jí)，加快向中國(guó)制造2025 目標(biāo)邁進(jìn)。②通過信息化、智慧化的手段，落實(shí)安全生產(chǎn)，體現(xiàn)人文關(guān)懷。③推動(dòng)高端人才就業(yè)，人才向高精尖研發(fā)轉(zhuǎn)移。