【摘要】為促進5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)進一步深度融合，加速推進傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，迅速向智慧化生產(chǎn)發(fā)展，基于近年來國家提出的“新基建”的主要內(nèi)涵與核心領(lǐng)域，本文分析了5G技術(shù)可實現(xiàn)的主要應(yīng)用領(lǐng)域以及可與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合的可能性，探討了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀，指出了其發(fā)展過程中現(xiàn)存的問題，分析了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展所面臨的主要挑戰(zhàn)與未來的發(fā)展趨勢，并建設(shè)性的提出了一系列促進5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)深度融合發(fā)展的建議，以達到進一步提高5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量，加速推進傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的轉(zhuǎn)型升級，有效提高產(chǎn)品品質(zhì)與生產(chǎn)效率的目的。

【關(guān)鍵詞】5G技術(shù);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);融合;挑戰(zhàn);建議

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.06.001

1. “新基建”概述

國家發(fā)展與改革委員會于2020年4月20日正式解釋了“新基建”的范圍，解釋中指出“新基建”的引領(lǐng)的核心是新發(fā)展理念，驅(qū)動的核心是技術(shù)的創(chuàng)新，同時也是基于信息網(wǎng)絡(luò)邁向高質(zhì)量的發(fā)展，其中高質(zhì)量的發(fā)展需要一些服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施體系，這些基礎(chǔ)設(shè)施體系中包含數(shù)字轉(zhuǎn)型的提供，智能化升級以及創(chuàng)新的融合。大方向上包括三個大方面的內(nèi)容（如圖一顯示）：第一，通信網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施的建立，它大體包含5G、物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等;信息基礎(chǔ)設(shè)施范疇內(nèi)包括新技術(shù)和算力基礎(chǔ)設(shè)施。新技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施包括人工智能、云計算、區(qū)塊鏈等，算力基礎(chǔ)設(shè)置的建立包括數(shù)據(jù)中心和智能計算中心等。第二，傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)型的融合基礎(chǔ)設(shè)施通過采用對大數(shù)據(jù)或者互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)方式來進行的。第三，使用具有公益形式的設(shè)施通過對產(chǎn)品進行分析，采用科學(xué)的研究方式作為基礎(chǔ)。5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)領(lǐng)域的集合是屬于“狹義”的新基建，這些相關(guān)領(lǐng)域都是目前“新基建”中的主要核心部分;但是從廣義上講，除了狹窄的“新基建”外，還應(yīng)該包括傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化改造等相關(guān)領(lǐng)域，此領(lǐng)域就是傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施經(jīng)過新一代信息技術(shù)進而的改造升級的設(shè)施。

2. 5G是“新基建”中的核心領(lǐng)域

5G在現(xiàn)如今應(yīng)用的過程中，相比之前使用的4G具有明顯優(yōu)勢，如高速、大容量、小延遲和高可靠性。當(dāng)面對特定需求的行業(yè)，可以通過5G網(wǎng)絡(luò)切片等相關(guān)技術(shù)對專網(wǎng)進行個人要求建立，這樣一來，就可以達到網(wǎng)絡(luò)時延、安全隔離等的相關(guān)問題不同能力需求的目的。因此，可以對行業(yè)進行某些方面的深層次賦能，其中包括信息化、數(shù)字化轉(zhuǎn)型以及智能化方向。

2.1 5G賦能數(shù)字社會

在過去傳統(tǒng)的社會生活中，實體設(shè)備與人們的生活緊密聯(lián)系，滿足人們的日常生活需要，然而，面對以后的信息化時代需要通過數(shù)據(jù)來體現(xiàn)社會對象的關(guān)聯(lián)狀態(tài)。人們?yōu)榱艘兄涂刂粕鐣母鞣N功能，因此需要使用更智能的手段，這也同時保證先進的信息手段能夠?qū)崟r的將接收到的數(shù)據(jù)進行傳輸。由于人們開始明白怎樣將電磁波運用在無線通信的過程中，就在努力提高通信質(zhì)量。通信質(zhì)量的某些指標(biāo)是影響無線通信技術(shù)發(fā)展的核心因素，這些指標(biāo)包括通信時延、傳輸帶寬以及網(wǎng)絡(luò)容量等指標(biāo)。然而5G的高帶寬、低時延和大規(guī)模連接網(wǎng)絡(luò)的特性，將有效助力數(shù)字社會，因為它可以解決這些發(fā)展的限制。

2.2 5G推動萬物互聯(lián)

當(dāng)想到上幾代移動通信技術(shù)，人們之間的“行走的通話”是第一代移動通信技術(shù)依靠模擬電路來時實現(xiàn)的。

數(shù)字化以及為個人化通信的普及是第二代移動通信技術(shù)做出的貢獻，正因如此，通話質(zhì)量當(dāng)時被很大程度上改善了，同時也控制了相應(yīng)的成本。

移動互聯(lián)是第三代移動通信技術(shù)的增填特性，人們不僅可以語音交流，同時也可以分享圖片以及視頻等?？偠灾?，多元化信息交互是第三代移動通信技術(shù)的貢獻。

隨著第四代移動通訊的發(fā)展，人們的移動互聯(lián)網(wǎng)需求將得到更充分的滿足，不同的感覺將變得前所未有的舒適和流暢。然而，從目前為止的4代相關(guān)技術(shù)層面來講，僅僅滿足了人與人、人與物、物與物之間的相互信號傳輸，然而當(dāng)5G技術(shù)出現(xiàn)時，萬物互聯(lián)將不會再停滯于概念階段。

2.3 5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可有機融合

如上提到5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠有效進行人工智能、數(shù)據(jù)中心和其他領(lǐng)域的應(yīng)用，所以面對特定區(qū)域，不能僅僅簡單的運用5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來傳輸數(shù)據(jù)，但也必須與各種行業(yè)進行更大程度上的融合以及制定5G一體化數(shù)字等相關(guān)措施。

因為5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的運用，能夠滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)、算法一體化的目的，并發(fā)揮重要作用。有機集成5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是實現(xiàn)智能化生產(chǎn)的關(guān)鍵方式。由于5G提供的新技術(shù)，服務(wù)類型發(fā)生了明顯轉(zhuǎn)變，由過去使用的數(shù)字化生產(chǎn)轉(zhuǎn)為“元素+能力”相結(jié)合的方式，如圖2所示。5G技術(shù)的運用，能夠使得云計算相關(guān)技術(shù)在對大量數(shù)據(jù)的有效準(zhǔn)確分析中有力地支持了制造業(yè)。生產(chǎn)鏈?zhǔn)侵悄苌a(chǎn)的核心，從而能夠有效增強在人工智能方面需應(yīng)運的相關(guān)技術(shù)精準(zhǔn)性，更好的協(xié)助智能生產(chǎn)制造進行研究，且提出針對性的方案。

3. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展存在的問題

3.1.1 基礎(chǔ)能力不足

數(shù)字化發(fā)展不平衡且不充分是我們國家現(xiàn)有的制造業(yè)的特征。我們國家的大部分企業(yè)都是處于2.0階段，少數(shù)的一些企業(yè)達到了3.0階段。大部分的企業(yè)都是在某些方面基礎(chǔ)薄弱，其中包括網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及智能化演進方面。

嚴(yán)重依賴外部世界的方面主要是工業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)行業(yè)等方面，沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)，功能兼容性薄弱;工廠的外部網(wǎng)絡(luò)主要依賴于公共網(wǎng)絡(luò)，很難提供安全和可靠兼并的工作環(huán)境，無法達到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所需的要求，因此，中小公司的管理層人員應(yīng)該理解建設(shè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是首要考慮的，我們國家在構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)方面的認(rèn)識與資金投入需要提高，尤其是我們國家的中小型企業(yè)。

3.1.2 引領(lǐng)發(fā)展能力不足

我們國家缺少具有綜合決策和全面覆蓋能力的領(lǐng)先企業(yè)。我們國家的大部分公司存下的現(xiàn)象是：技術(shù)水平不完善，對企業(yè)發(fā)展沒有長遠的規(guī)劃，所以不能夠在國際發(fā)展中起到領(lǐng)先作用。不管從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的角度來考慮，還是需要制定出針對性的方案，我們國家的發(fā)展水平與西方國家存在明顯的差距，應(yīng)該大幅優(yōu)化和改善國家核心發(fā)展能力。

3.1.3 要素保障能力不足

我資本投入和專業(yè)人才是我們國家的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)保障能力的依靠。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的資本投資不足，阻礙了規(guī)模經(jīng)濟的發(fā)展;從職業(yè)培訓(xùn)的角度來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需要滿足將產(chǎn)業(yè)、通信和IT相互聯(lián)系起來進行，將軟件開發(fā)相關(guān)經(jīng)驗融入到實際發(fā)展過程中，除了建立應(yīng)用程序之外，確保在工業(yè)發(fā)展中對相關(guān)技術(shù)的掌握。然而，人才方面的短缺一直是需要處理的問題。

3.2 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)

一般情況下，5G+工業(yè)技術(shù)的引進存在一些問題，比如：規(guī)模較小、商業(yè)模式不明顯、價值體現(xiàn)不明確等。將問題整理可具體分為以下三個方面：

3.2.1 成本結(jié)構(gòu)未清晰

無線電頻譜成本價格是大家都可以看到的，因為5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋仍比4G網(wǎng)絡(luò)低，除了部署5G網(wǎng)絡(luò)及其所需組件的成本價格外，相關(guān)系統(tǒng)的開發(fā)、后期得運營不能夠很好的深入研究。

3.2.2 安全可靠未明確

因為移動連接方面的實際運用經(jīng)驗不足，有很大一部分的商家無法對5G網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠性產(chǎn)生信心，而對于那些對技術(shù)鏈條的時間要求比較嚴(yán)格的相關(guān)企業(yè)，若采用中斷網(wǎng)絡(luò)的措施是不行的。僅僅是技術(shù)優(yōu)勢能夠達到預(yù)期的目標(biāo)時，且能夠很好的控制風(fēng)險的發(fā)生，生產(chǎn)商才能夠?qū)Ｗ⒂?G網(wǎng)絡(luò)。

3.2.3 通信模組未成熟

幾乎沒有5G工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施能夠真正獨立并經(jīng)受時間的考驗。然而，工業(yè)鏈條缺乏工業(yè)兼容的通信組件。僅僅只有少數(shù)模塊制造企業(yè)慢慢的開始為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域生產(chǎn)5G模塊，但到目前為止還沒有達到規(guī)模效應(yīng)。

3.3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢

正如上面所提到的，雖然5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在實際運用的過程中難免還是有一些問題，但是相比于過去的技術(shù)來講，整體得到了改善。根據(jù)具體任務(wù)，“深化5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，在《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新行動計劃（2021-2023）》中提到，其針對性措施分為以下：

確定與5G工廠能夠相連接，鼓勵從外圍輔助通道滲入到主要生產(chǎn)渠道的5G應(yīng)用，并加速示范場景的推進;

研究專用5G網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造和運行方式，建設(shè)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的特定頻率，且開始投入建設(shè)5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)試驗站點;

創(chuàng)建一個公共服務(wù)平臺來改造5G網(wǎng)絡(luò)，培養(yǎng)應(yīng)用程序，測試和驗證和其他服務(wù)。

從應(yīng)用的角度來看，它將繼續(xù)從外部滲透到內(nèi)部，形成一個完全連接的5G環(huán)境。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)環(huán)境時，5G技術(shù)將決定數(shù)據(jù)隱私的關(guān)鍵點。安全與可靠性將逐漸成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展過程中需要滿足的條件。此外，由于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和生產(chǎn)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不兼容，需要對相關(guān)問題進行不斷的優(yōu)化和修改，且提出針對性的解決辦法。

4. 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的推進建議

4.1 5G全連接

5G的延遲更低，更快的速度，更多的訪問和更大的穩(wěn)定性，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中，5G獨有的性能能夠為發(fā)展提供動力。依照各個相關(guān)公司對網(wǎng)絡(luò)索引提出的期望，5G技術(shù)能夠在近三分之二的企業(yè)中進行運用。

大多數(shù)現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序具有明確的要求，僅僅在外圍輔助的情況下進行，其中重要環(huán)節(jié)少。相比過去的數(shù)字工廠，新引進的5G技術(shù)能夠支持高效的數(shù)據(jù)管理。生產(chǎn)單位能夠?qū)⒃朴嬎恪⒋髷?shù)據(jù)等先進的技術(shù)相互聯(lián)系起來，形成一體化的模式，將工廠的所有生產(chǎn)因素結(jié)合起來，以確保車間的靈活性。這將大大提高生產(chǎn)效率。

4.2 5G專網(wǎng)建設(shè)

基于公共網(wǎng)絡(luò)的專網(wǎng)5G和基于NPN的專網(wǎng)5G是兩種模式。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，PNI-NPN和SNPN是基于NPN的專網(wǎng)5G的兩種類型。NPN服務(wù)是通過PLMN網(wǎng)絡(luò)提供，也就是采用普通大眾使用的運營商網(wǎng)絡(luò)來進行對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)。在非公共網(wǎng)絡(luò)功能使用情況下，采用對NPN規(guī)劃多個網(wǎng)絡(luò)切片實體，然而分配的多個網(wǎng)絡(luò)切片無法對終端進行限制，導(dǎo)致嘗試采用沒有經(jīng)過授權(quán)的情形下對網(wǎng)絡(luò)進行訪問，所以，針對該問題可以采用封閉的訪問組進行。獨立于PLMN的網(wǎng)絡(luò)功能，也就是對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)獨立建設(shè)。

在這種情況下，采用專網(wǎng)5G架設(shè)時，通過依照不同的要求針對性的選擇構(gòu)建模式。面對需要采用低成本的方案且能夠在短時間能建設(shè)時，采用共享運營商網(wǎng)絡(luò)措施;當(dāng)需要不同的服務(wù)來促進SNPN和PLMN之間的切換時，應(yīng)該使用PNI-NPN。當(dāng)對隱私有很高的要求，相關(guān)的生產(chǎn)單位具有較雄厚的資本和技術(shù)水平下，可以通過采用SNPN方案提高保密性。

4.3 5G網(wǎng)絡(luò)化改造

工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線是工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)的主要兩種形式，工業(yè)有線網(wǎng)絡(luò)適合訪問具有高帶寬、實時可靠性和相對固定位置的設(shè)備

總線協(xié)議包括Modbus.Profibus.10-link. CAN/CANopen. CC-link等在內(nèi)的幾十種是用于生產(chǎn)的現(xiàn)場，而這些現(xiàn)場更多的是用于PLC模擬量接入，由于在運用過程中，出現(xiàn)傳輸距離不長，且在進行數(shù)據(jù)傳輸時速度較慢，并且安全性不能保證。其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)存在相關(guān)的協(xié)議數(shù)量，體現(xiàn)在DeviceNet.Profinet.EtherCAT.EtherNet/IP.Modbus TCP協(xié)議。大多數(shù)用于北向輸出PLC。通信速度高，網(wǎng)絡(luò)拓撲靈活，但協(xié)議之間存在相互作用，很難針對性建設(shè)和短時間運行。

能夠明顯了解到，通信協(xié)議在工業(yè)中應(yīng)用是非常廣泛且多種多樣，每一項都有其缺點和相對封閉，而工業(yè)設(shè)備之間相互聯(lián)系是困難的，這大大阻礙了設(shè)備上云?？焖傩枰鄳?yīng)的解決辦法能夠?qū)崿F(xiàn)不同協(xié)議能夠相互聯(lián)系進行的無線系統(tǒng)，所以采用5G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型，創(chuàng)建突出的5G+互聯(lián)網(wǎng)程序，且進行針對性的監(jiān)測試驗。

5. 結(jié)束語

在“十四五”計劃中，2021年作為首年，應(yīng)該確保我國能夠大力對5G技術(shù)進行試驗運營，加速5G在上游和下游的行業(yè)中成為成熟。未來5年內(nèi)是我國在5G技術(shù)發(fā)展重要時間段，目標(biāo)是能夠確保實現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的快速運營，向成熟化發(fā)展方向進行，從而能夠形成網(wǎng)絡(luò)合作、數(shù)字管理等新型模式。

參考文獻：

[1]劉佳樂.5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)綜述[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù).2021，11（12）：10-12.

作者簡介：張向輝，河北省元氏縣人，北京郵電大學(xué)通信工程專業(yè)，工程師，研究方向：通信工程。