陳悅

石化盈科信息技術(shù)有限責(zé)任公司 北京 100007

進(jìn)入2010年代以來(lái)，國(guó)務(wù)院、工業(yè)和信息化部、發(fā)展和改革委員會(huì)等部門相繼印發(fā)和出臺(tái)了多次5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的政策規(guī)劃，如《國(guó)務(wù)院關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》、《關(guān)于推動(dòng)5G加快發(fā)展的通知》、《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》等，引導(dǎo)并助推5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新型基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的高速、高質(zhì)發(fā)展[1]。近年來(lái)，我國(guó)高度重視“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的融合發(fā)展，工業(yè)和信息化部發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)專項(xiàng)工作組2022年工作計(jì)劃》中則提到要加快5G全連接工廠建設(shè)，進(jìn)而奠定了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展基調(diào)[2]。

5G 技術(shù)對(duì)石化行業(yè)的企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化發(fā)展起到了巨大的推動(dòng)力，開拓了新的產(chǎn)業(yè)格局。一方面 5G 的發(fā)展為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)落地起到加速助推的作用，加速產(chǎn)業(yè)融合，助推企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)；另一方面，企業(yè)在 5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下也推動(dòng)石油化工行業(yè)在數(shù)字化推進(jìn)過(guò)程中發(fā)展出現(xiàn)代化運(yùn)營(yíng)新模式，石化行業(yè)衍生產(chǎn)品也參與到 5G 行業(yè)的建設(shè)與擴(kuò)張中，對(duì)化工產(chǎn)業(yè)升級(jí)起到推動(dòng)作用。

1 5G 的主要特點(diǎn)

4G（第四代移動(dòng)通信技術(shù)）改變生活，5G改變社會(huì)。隨著通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)，5G已于2020年迎來(lái)商用。相較于4G以個(gè)人用戶為主、企業(yè)用戶為輔，5G則兼顧個(gè)人和企業(yè)用戶。在設(shè)計(jì)上，4G相比于3G以移動(dòng)寬帶增強(qiáng)為主，而5G網(wǎng)絡(luò)的三大場(chǎng)景，增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、海量大連接（mMTC）和超可靠低延時(shí)（uRLLC）則兼顧了速率、連接、時(shí)延、可靠性等要求，在多個(gè)技術(shù)方向上取得了突破，更加貼合了基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的生產(chǎn)需求。

1.1 支持了更高的頻譜范圍

4G及以前的通信標(biāo)準(zhǔn)的工作帶寬基本都部署在3GHz以下，5G的工作頻率則在3～6GHz以及24～52GHz（毫米波段）這兩個(gè)廣闊頻譜空間。對(duì)移動(dòng)通信而言，頻譜是最珍貴的資源。低頻譜的可用范圍小，而且被已有的移動(dòng)通信系統(tǒng)長(zhǎng)期占用，無(wú)法部署滿足需求的通信帶寬。而更高的頻譜范圍意味著更寬的通信帶寬也就是更高的傳輸速率。

1.2 支持了更大的系統(tǒng)帶寬

4G系統(tǒng)的最大單載波帶寬為20MHz。5G擴(kuò)展了系統(tǒng)帶寬，它在6GHz以下這個(gè)頻段，其最大單載波帶寬為100MHz，而在毫米波段，其最大單載波帶寬可以達(dá)到400MHz。此外，5G相比4G，大幅提升了系統(tǒng)帶寬的有效頻譜效率，5G系統(tǒng)的頻譜使用效率也從4G的90%提升到98%。

1.3 增強(qiáng)了空口低時(shí)延技術(shù)

空口即空中接口，是指無(wú)線通信設(shè)備之間通過(guò)無(wú)線電波進(jìn)行連接的接口?？湛跁r(shí)延是通信系統(tǒng)時(shí)延的瓶頸，只有把空口時(shí)延做得更低，整個(gè)系統(tǒng)的低時(shí)延需求才可以得到保障。5G網(wǎng)絡(luò)在空口時(shí)延方面是大大低于4G網(wǎng)絡(luò)的，從4G的10ms降低為1ms。

1.4 支持了大規(guī)模天線技術(shù)

大規(guī)模天線技術(shù)是對(duì)高頻通信短板的補(bǔ)充。4G網(wǎng)絡(luò)之所以不能使用更高的頻譜范圍，一個(gè)很重要的原因就是它不支持大規(guī)模天線技術(shù)。

1.5 增強(qiáng)了終端節(jié)能技術(shù)

終端節(jié)能技術(shù)是保證海量大連接的基礎(chǔ)。在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，無(wú)線通信終端的種類繁多，受體積、重量、工作環(huán)境等因素的影響，這些終端無(wú)法像手機(jī)一樣可以及時(shí)充電或更換電池，因此節(jié)能技術(shù)就顯得尤為重要。

1.6 增強(qiáng)了終端移動(dòng)性

終端移動(dòng)性是指手機(jī)或其它通信設(shè)備從一個(gè)基站所控制的小區(qū)切換到另一個(gè)小區(qū)時(shí)候，不可避免地產(chǎn)生業(yè)務(wù)中斷的現(xiàn)象。5G技術(shù)相比于4G，滿足了0ms的中斷要求和更高的切換魯棒性。因此，它是保證超可靠低延時(shí)特性的基礎(chǔ)。

1.7 支持了網(wǎng)絡(luò)切片功能

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)引入的新特性，也是5G網(wǎng)絡(luò)的代表性特征。網(wǎng)絡(luò)切片即通過(guò)不同的網(wǎng)絡(luò)部署滿足不同業(yè)務(wù)相互隔離的需求。切片間獨(dú)立工作、互不干擾，網(wǎng)絡(luò)攻擊無(wú)法穿越網(wǎng)絡(luò)切片。網(wǎng)絡(luò)采用加密傳輸，能夠防止任何形式的數(shù)據(jù)盜取，從而最大限度地提供網(wǎng)絡(luò)安全保障。

5G在以上七個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的增強(qiáng)，所帶來(lái)的是相比于4G技術(shù)全方位的關(guān)鍵能力指標(biāo)提升。國(guó)際電信聯(lián)盟依托5G網(wǎng)絡(luò)三大典型應(yīng)用場(chǎng)景擬定了八條關(guān)鍵能力指標(biāo)，包括峰值速率、用戶體驗(yàn)速率、時(shí)延、移動(dòng)性、連接密度、流量密度、頻譜效率和能量效率，其基本描述見表1。

表1 移動(dòng)通信系統(tǒng)關(guān)鍵能力指標(biāo)

具體來(lái)講，5G的峰值速率從4G的1Gbps提升到20Gbps，用戶體驗(yàn)速率由10Mbps提升到100Mbps，時(shí)延從10ms縮短至1ms。在移動(dòng)性方面，從最大可支持移動(dòng)速度350Kmph提高到500Kmph，連接密度從105數(shù)量級(jí)提高到106數(shù)量級(jí)，流量密度從0.1Mbit/s/m2提高到10Mbit/s/m2，頻譜效率提升至原來(lái)的3倍，能量效率提升至原來(lái)的100倍。

圖1 4G/5G 系統(tǒng)關(guān)鍵能力指標(biāo)對(duì)比[4]

2 5G 在石油化工行業(yè)的應(yīng)用

5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將幫助石油化工企業(yè)在生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)、安全環(huán)保、應(yīng)急指揮、物流等多個(gè)方面發(fā)揮重要作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)典型應(yīng)用就是智能工廠，因此建設(shè)屬于石油化工行業(yè)的智能工廠是5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在石油化工行業(yè)落地的首要任務(wù)。

具體說(shuō)來(lái)，一個(gè)典型的5G智能工廠的解決方案主要包括三張網(wǎng)絡(luò)切片及六大應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 三張網(wǎng)絡(luò)切片

（1）工業(yè)控制切片：主要面向?qū)煽啃?，時(shí)延敏感要求高的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，5G三大典型場(chǎng)景中的超可靠低延時(shí)（uRLLC）正是解決此類需求的方案。在石油化工行業(yè)中，主要針對(duì)某些可靠性要求較高的工廠作業(yè)區(qū)的氣體、溫度、壓力、振動(dòng)、圖像、聲音等信息的采集，反饋和控制。比如工業(yè)自動(dòng)化控制、機(jī)器人調(diào)度、遠(yuǎn)程操控等業(yè)務(wù)。

（2）工業(yè)多媒體切片：主要面向移動(dòng)性強(qiáng)、高帶寬、數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，5G三大典型場(chǎng)景中的增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）正是解決此類需求的方案。在石油化工行業(yè)中，事故、火災(zāi)的救援防護(hù)是重中之重。利用5G+AR技術(shù)，可以建立與實(shí)際環(huán)境相一致的場(chǎng)景，快速提高消防人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、裝置特性的熟悉能力，提高消防人員的應(yīng)急處置能力。

（3）工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)切片：主要面向低成本、低能耗、小數(shù)據(jù)量、海量連接的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，5G三大典型場(chǎng)景中的海量大連接（mMTC）正是解決此類需求的方案。在石油化工行業(yè)中，利用5G物聯(lián)網(wǎng)的廣泛連接，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)人員、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程、倉(cāng)儲(chǔ)物料、安全保障等各方面信息的物聯(lián)感知。

2.2 六大應(yīng)用場(chǎng)景

（1）安全與應(yīng)急管理

針對(duì)直接作業(yè)環(huán)節(jié)中的受限空間類型作業(yè)，基于5G技術(shù)，可采集罐內(nèi)的圖像信息并遠(yuǎn)傳展示，支持受限空間內(nèi)部可燃?xì)怏w濃度顯示和遠(yuǎn)程行走路徑控制，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的氣體檢測(cè)和異常聲、光報(bào)警。利用5G實(shí)施機(jī)器人巡檢，可基于作業(yè)違章分析模型，開展用火作業(yè)、受限空間作業(yè)、高處作業(yè)等智能分析，對(duì)人員違章作業(yè)進(jìn)行輔助管控，有效減少安全隱患。

（2）遠(yuǎn)程操控

5G時(shí)代的遠(yuǎn)程操控，可以彌合人與設(shè)備的距離。5G遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控主要適用于封閉區(qū)域和開放道路下自動(dòng)駕駛，以及化工生產(chǎn)等高危、惡劣環(huán)境下的遠(yuǎn)程作業(yè)，確保一線人員的作業(yè)安全。

（3）工業(yè)自動(dòng)控制

5G可提供極低時(shí)延、高可靠、海量連接的網(wǎng)絡(luò)，使得閉環(huán)控制應(yīng)用通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接成為可能。借助工業(yè)機(jī)器人等手段，工廠維護(hù)模式將全面升級(jí)?；?G的智能工廠可以大幅度改善員工的勞動(dòng)環(huán)境，促進(jìn)數(shù)據(jù)流的貫通和共享，推進(jìn)5G與自動(dòng)控制的深層融合，連接工廠內(nèi)外的人和機(jī)器，減少人工對(duì)生產(chǎn)線的干預(yù)，進(jìn)一步提高生產(chǎn)過(guò)程的可控性，促進(jìn)工廠實(shí)現(xiàn)自主化決策，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

（4）供應(yīng)鏈管理。以5G賦能物聯(lián)網(wǎng)，借助AGV自動(dòng)化搬運(yùn)機(jī)器人，基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)倉(cāng)庫(kù)無(wú)人值守化自動(dòng)作業(yè)和物資收發(fā)高效流轉(zhuǎn)，提高倉(cāng)庫(kù)整體運(yùn)轉(zhuǎn)效能；借助智能終端、攝像頭視頻監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)進(jìn)出廠檢查、廠內(nèi)車輛軌跡監(jiān)控、裝卸作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控；借助圖像識(shí)別、現(xiàn)場(chǎng)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車輛排隊(duì)叫號(hào)、無(wú)人值守稱重，提高物流安全水平以及作業(yè)效率。

（5）設(shè)備管理。石油石化企業(yè)屬于資產(chǎn)密集型企業(yè)，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，穩(wěn)定的設(shè)備運(yùn)行是保障生產(chǎn)正常的重要基礎(chǔ)。5G網(wǎng)速的提升，可以支持圖片、視頻大數(shù)據(jù)量的傳輸與共享，帶領(lǐng)我們進(jìn)入萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代，改變企業(yè)設(shè)備管理模式。將5G網(wǎng)絡(luò)與各類傳感器互聯(lián)，無(wú)需布線，安裝簡(jiǎn)單，同時(shí)還具備功耗低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠及時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生的問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)故障位置。借助AI等手段，5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)預(yù)警，自動(dòng)化的處置和修復(fù)設(shè)備故障，有效減少發(fā)現(xiàn)故障和排除問(wèn)題隱患的時(shí)間，極大的提高工程人員對(duì)日常設(shè)備維護(hù)效率，降低現(xiàn)場(chǎng)人員工作強(qiáng)度，讓專業(yè)人員有更豐富的時(shí)間深入研究設(shè)備狀態(tài)及故障機(jī)理。

（6）環(huán)保管理。采用5G通信技術(shù)，對(duì)裝置高點(diǎn)、隱蔽點(diǎn)等開展泄漏全方位監(jiān)測(cè)，支持高清視頻、光譜成像等大數(shù)據(jù)流量傳輸，實(shí)現(xiàn)單一數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)向綜合監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)變，使監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)“耳聰目明”，從而進(jìn)一步減少泄漏。基于環(huán)保系統(tǒng)的泄漏擴(kuò)散模擬、泄漏危險(xiǎn)源識(shí)別、泄漏監(jiān)測(cè)、閉環(huán)管理功能，打造“全面感知、預(yù)警預(yù)測(cè)、集成協(xié)同、分析優(yōu)化”能力。

3 5G 在石油化工行業(yè)的應(yīng)用前景展望

5G的發(fā)展極大地促進(jìn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)和算力的發(fā)展，加速了行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化升級(jí)的進(jìn)程，催生出以“端（智能終端設(shè)備/物聯(lián)網(wǎng)）-邊（邊緣計(jì)算）-云（云計(jì)算）-網(wǎng)（5G和高速光纖網(wǎng)絡(luò)）-智（行業(yè)智能）”為代表的新IT架構(gòu)，推動(dòng)數(shù)字化時(shí)代基礎(chǔ)設(shè)施的代際革命[6]。然而，不可忽略的是，IT和OT的融合仍然面臨不少挑戰(zhàn)，尤其是大量企業(yè)原有的工控設(shè)備是進(jìn)口來(lái)的，標(biāo)準(zhǔn)碎片化、協(xié)議不開放，面臨一些接入的難題，同時(shí)面向公眾通信網(wǎng)的5G直接用到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)也需要進(jìn)行適應(yīng)性改造[7]。另一方面，除了5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不斷的演進(jìn)之外，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算、人工智能等新一代數(shù)字技術(shù)仍然需要不斷融合、創(chuàng)新與發(fā)展。同時(shí)，相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如軟件定義、虛擬化、云化等，也亟待進(jìn)一步完善和加速落地。

回顧歷代移動(dòng)通信技術(shù)，不難發(fā)現(xiàn)，每一代技術(shù)都肩負(fù)起了“提升業(yè)務(wù)性能，擴(kuò)展應(yīng)用范圍”的使命。從1G到4G，主要是實(shí)現(xiàn)人與人之間的信息交互，滿足信息互通、情感交流和感官享受的需要。在4G后期開始引入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，而5G將移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)作為其核心業(yè)務(wù)，并逐步實(shí)現(xiàn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，即“生產(chǎn)工作的移動(dòng)化”，可稱為“移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)”。時(shí)至今日，6G規(guī)劃早已開展。在人工智能應(yīng)用蓬勃發(fā)展的今天，6G技術(shù)需要補(bǔ)充的一個(gè)短板是“思考學(xué)習(xí)的移動(dòng)化”，我們可稱之為“移動(dòng)智聯(lián)網(wǎng)”[4]。

當(dāng)前很多石化企業(yè)還需要進(jìn)行工業(yè)2.0的“補(bǔ)課”，基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)改造勢(shì)在必行，要實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)的全面感知，就離不開工業(yè)有線和5G網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)改造，通過(guò)融合通信，形成支持協(xié)同互聯(lián)的生產(chǎn)環(huán)境。我國(guó)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的發(fā)展已經(jīng)進(jìn)入快車道，隨著技術(shù)創(chuàng)新持續(xù)賦能，產(chǎn)業(yè)突破從無(wú)到有，生態(tài)構(gòu)建從有到優(yōu)，發(fā)展環(huán)境日益完善，我國(guó)石油化工行業(yè)的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”必將迎來(lái)新的發(fā)展階段[8]。