黃穎，于青民，李宗祥，王哲

（中國(guó)信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的重要基石[1-3]，5G的高速率、低時(shí)延和大連接三大新特性與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)需求十分契合，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)。5G 作為新一代信息通信技術(shù)的重要演進(jìn)方向，在各領(lǐng)域的應(yīng)用落地成為商用發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的垂直行業(yè)為5G 提供了廣闊的市場(chǎng)空間。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新有利于我國(guó)5G 技術(shù)優(yōu)勢(shì)與工業(yè)需求的融合發(fā)展，目前已成為產(chǎn)業(yè)界探索的重要方向。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是指利用以5G 為代表的新一代信息通信技術(shù)，構(gòu)建與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)。通過(guò)以5G 為代表的新一代信息技術(shù)對(duì)人、機(jī)、物、系統(tǒng)等的全面連接，構(gòu)建起覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全新制造和服務(wù)體系，為工業(yè)乃至產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展提供了新的實(shí)現(xiàn)途徑，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)降本、提質(zhì)、增效、綠色、安全發(fā)展?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”涉及面廣、參與主體多、資源投入大，覆蓋5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、融合產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、行業(yè)應(yīng)用落地等方方面面，其融合創(chuàng)新發(fā)展需要產(chǎn)業(yè)界持續(xù)探索和推進(jìn)。

1 5G技術(shù)賦能工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1.1 5G技術(shù)助力工業(yè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)應(yīng)連盡連

我國(guó)工業(yè)企業(yè)數(shù)字化水平參差不齊，數(shù)據(jù)采集和互聯(lián)互通難度較大[4]。傳統(tǒng)工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)主要采用封閉局域網(wǎng)方案，在工廠(chǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中存在傳輸協(xié)議分散、設(shè)備差異大且信息化水平普遍較低、網(wǎng)絡(luò)管控水平低、信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重等問(wèn)題[5]。工業(yè)企業(yè)原有相關(guān)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)有限，在生產(chǎn)管控質(zhì)檢、物流物料跟蹤、人員行為監(jiān)測(cè)、環(huán)境信息采集等眾多環(huán)節(jié)存在數(shù)據(jù)采集漏點(diǎn)，難以支撐工業(yè)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中的大數(shù)據(jù)分析需求。5G 技術(shù)作為重要的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率提升10 到100 倍，峰值傳輸速率達(dá)到10 Gbit/s，端到端時(shí)延達(dá)到ms 級(jí)，連接設(shè)備密度增加10 到100 倍，流量密度提升1 000 倍，頻譜效率提升5到10 倍[6-8]。通過(guò)5G 無(wú)線(xiàn)連接方式能夠有效支撐填補(bǔ)原有系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集漏點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備應(yīng)連盡連。

1.2 5G技術(shù)催化工業(yè)企業(yè)全環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)打通

5G 與人工智能、云計(jì)算等新技術(shù)結(jié)合，在邊緣側(cè)創(chuàng)新5G 云化控制、云化運(yùn)維、云化診斷等業(yè)務(wù)形態(tài)，實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有業(yè)務(wù)系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)和協(xié)作，為企業(yè)全流程數(shù)據(jù)打通、智能化發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也帶動(dòng)了5G+PLC（Programmable Logic Controllers，可 編 程 控制器）、5G+DCU（Distributed Control Unit，分布式控制單元）、5G+SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）等新的設(shè)備形態(tài)不斷涌現(xiàn)。如圖1 所示，5G 技術(shù)助力實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、料、法、環(huán)等全方位互聯(lián)，通過(guò)生產(chǎn)全環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)打通，促進(jìn)5G 應(yīng)用場(chǎng)景的落地。

圖1 5G助力工業(yè)全環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)采集及互通

2 5G加速與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)融合

2.1 5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式持續(xù)演進(jìn)

經(jīng)過(guò)近兩年的5G 企業(yè)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)探索，工業(yè)企業(yè)部署5G 網(wǎng)絡(luò)主要形成了虛擬專(zhuān)網(wǎng)（公網(wǎng)切片方式）、混合虛擬專(zhuān)網(wǎng)（用戶(hù)面核心網(wǎng)元下沉部署至企業(yè)側(cè)）、獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)（工業(yè)企業(yè)自建自用專(zhuān)用5G 網(wǎng)絡(luò)）三種模式，如圖2所示，（1）5G 虛擬專(zhuān)網(wǎng)：利用5G 切片等技術(shù)在面向公眾服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)中為企業(yè)用戶(hù)提供網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量（時(shí)延、帶寬等）定制化的專(zhuān)用通道服務(wù)，可實(shí)現(xiàn)不同用戶(hù)不同業(yè)務(wù)間的邏輯隔離；（2）5G 混合虛擬專(zhuān)網(wǎng)：原有在運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)側(cè)部署的UPF（用戶(hù)面功能）等下沉部署在企業(yè)園區(qū)內(nèi)或鄰近企業(yè)園區(qū)，以保障企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)，具有較高的安全性和實(shí)時(shí)性；（3）5G 獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)：構(gòu)建工業(yè)企業(yè)專(zhuān)用的5G 網(wǎng)絡(luò)，只承載企業(yè)自有業(yè)務(wù)，與公網(wǎng)隔離?，F(xiàn)階段，綜合考慮業(yè)務(wù)需求、成本、安全性等因素，大中型企業(yè)普遍選擇5G 混合專(zhuān)網(wǎng)的方式進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí)改造[9]。

圖2 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”企業(yè)融合組網(wǎng)模式

隨著工業(yè)企業(yè)5G 網(wǎng)絡(luò)改造步伐的加速，現(xiàn)有的專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)模式也暴露了不足：5G 在大帶寬、低時(shí)延、大連接等技術(shù)特性方面考慮了工業(yè)場(chǎng)景的需求，但建網(wǎng)模式、運(yùn)營(yíng)模式等方面仍延續(xù)2G、3G、4G 的面向C 端用戶(hù)的大網(wǎng)模式，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能齊備、系統(tǒng)龐大，在工業(yè)企業(yè)部署存在成本高、運(yùn)營(yíng)維護(hù)不開(kāi)放、商業(yè)模式不清晰等問(wèn)題，難以完全滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)實(shí)際需求。為此，產(chǎn)業(yè)界也不斷在探索功能、性能、容量可按需定制，及多樣化、簡(jiǎn)單化、自主化的5G 網(wǎng)絡(luò)使用和運(yùn)維等模式。在基站設(shè)備方面，“宏微”結(jié)合成為5G 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域基站部署的主要方式，面向工業(yè)企業(yè)的小站和微站涌現(xiàn)。在核心網(wǎng)建設(shè)方面，面向工業(yè)企業(yè)低成本、可定制的5G 核心網(wǎng)技術(shù)開(kāi)始探索應(yīng)用[10]。

2.2 5G+MEC賦能工業(yè)邊緣智能

5G 網(wǎng)絡(luò)部署方式靈活，核心網(wǎng)架構(gòu)原生支持MEC（邊緣云等基礎(chǔ)設(shè)施）功能，控制面和用戶(hù)面可完全分離，支持UPF（用戶(hù)面功能）下沉部署在企業(yè)側(cè)，使得5G 與工業(yè)的融合除了網(wǎng)絡(luò)傳輸外，在基本業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)、業(yè)務(wù)安全保障、商業(yè)模式支撐等方面都具備價(jià)值。

在網(wǎng)絡(luò)傳輸方面，通過(guò)引入MEC 技術(shù)，在通信網(wǎng)絡(luò)邊緣對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，避免無(wú)效數(shù)據(jù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的占用，可對(duì)用戶(hù)數(shù)據(jù)進(jìn)行高速分發(fā)縮短響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)可承載工業(yè)控制中邊緣層的計(jì)算應(yīng)用服務(wù)[11]。在業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方面，UPF 下沉到邊緣配合MEC 部署后，業(yè)務(wù)應(yīng)用可以直接部署在離基站較近的位置，可降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，支撐低時(shí)延高可靠業(yè)務(wù)應(yīng)用。另外，ETSI 定義的MEC（對(duì)應(yīng)3GPP 的local UPF 本地用戶(hù)面網(wǎng)元）支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力和運(yùn)營(yíng)能力開(kāi)放，有助于電信行業(yè)和垂直行業(yè)的快速深度業(yè)務(wù)融合及創(chuàng)新。在業(yè)務(wù)安全方面，UPF 下沉部署在企業(yè)側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出工廠(chǎng)，為企業(yè)提供更高的安全保障。在商業(yè)模式方面，MEC 可以節(jié)省傳輸資源，尤其針對(duì)存在大量數(shù)據(jù)傳輸需求的視頻類(lèi)應(yīng)用，數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)在園區(qū)內(nèi)的本地存儲(chǔ)和運(yùn)算，節(jié)省邊緣到核心網(wǎng)和Internet 的傳輸資源開(kāi)銷(xiāo)及商業(yè)成本[12]。

2.3 5G融合終端加速匹配行業(yè)需求

目前，在5G 發(fā)展初期市場(chǎng)上，芯片和模組價(jià)位較高，且出貨量難以滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的工業(yè)市場(chǎng)上融合終端生產(chǎn)的需求。目前市場(chǎng)上能提供5G 商用芯片的企業(yè)為華為海思、紫光展銳、聯(lián)發(fā)科、高通和三星，能提供5G 商用芯片及模組的方案為華為海思和高通，基于這兩家方案，長(zhǎng)虹、移遠(yuǎn)通信、日海智能、廣和通、聞泰科技等企業(yè)推出了相應(yīng)的5G 模組產(chǎn)品。

現(xiàn)階段的融合終端多以網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)終端形態(tài)出現(xiàn)在工業(yè)場(chǎng)景中。5G 與工業(yè)應(yīng)用融合建設(shè)的方式有多種，一種是采用5G 模組（工業(yè)設(shè)備嵌入5G 通信模組），通過(guò)集成到設(shè)備內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)5G 與工業(yè)通信的深層融合應(yīng)用；另一種采用集成網(wǎng)關(guān)、CPE 等，可實(shí)現(xiàn)5G 與現(xiàn)有工業(yè)體系的無(wú)縫連接和互通互操作。第二種方式是現(xiàn)階段工業(yè)企業(yè)普遍采用的方式。

行業(yè)應(yīng)用和專(zhuān)網(wǎng)需求將加速5G 融合終端成熟及多樣化。隨著AR/VR 輔助裝配、機(jī)器視覺(jué)質(zhì)檢、遠(yuǎn)程操控、智能物流、無(wú)人巡檢等對(duì)于網(wǎng)絡(luò)速率要求高、時(shí)延敏感的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的廣泛應(yīng)用，融合類(lèi)5G 工業(yè)終端形態(tài)將逐步從現(xiàn)有的網(wǎng)關(guān)等數(shù)據(jù)終端形態(tài)向各種5G 行業(yè)終端擴(kuò)展。

2.4 融合應(yīng)用逐步向核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)延伸

5G 助力工業(yè)體系變革，使工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)模式、組織方式和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式發(fā)生變革[7]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域?qū)嵺`逐步從生產(chǎn)外圍輔助性應(yīng)用向涉及生產(chǎn)核心環(huán)節(jié)的應(yīng)用發(fā)展，有望開(kāi)辟出一條5G 技術(shù)與工業(yè)深度融合創(chuàng)新發(fā)展的嶄新路徑。

5G+超高清視頻監(jiān)控、移動(dòng)無(wú)人巡檢等輔助型應(yīng)用：在現(xiàn)有工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)上疊加5G 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在非核心生產(chǎn)和管理業(yè)務(wù)方面有效補(bǔ)充、增強(qiáng)工廠(chǎng)管理能力。如，將5G+高清視頻融入到園區(qū)的安防監(jiān)控之中，實(shí)現(xiàn)采集監(jiān)測(cè)視頻/圖像實(shí)時(shí)回傳。

5G+機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、AR/VR 輔助裝配等業(yè)務(wù)融合型應(yīng)用：通過(guò)部署5G MEC（邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施），將5G 技術(shù)與人工智能（AI）等新技術(shù)在邊緣側(cè)進(jìn)行融合，解決原來(lái)AI 技術(shù)受限于終端的處理能力及成本等問(wèn)題，全面提升工業(yè)企業(yè)裝備的智能化水平。如，利用5G+4K/8K+機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋼帶表面的智能質(zhì)檢等。

5G+工業(yè)控制等應(yīng)用：5G 與工業(yè)裝備深度融合，在工業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)發(fā)揮助力作用。例如，在生產(chǎn)線(xiàn)上，使用集成5G 模組的MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）工業(yè)網(wǎng)關(guān)。隨著5G 技術(shù)及工業(yè)體系的不斷升級(jí)，5G 工業(yè)終端將越來(lái)越多地在生產(chǎn)中使用。

3 5G R16將激活工業(yè)控制應(yīng)用創(chuàng)新

當(dāng)前，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用主要基于5G R15 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）特性，以大帶寬傳輸類(lèi)融合應(yīng)用為主。隨著5G R16 及后續(xù)版本的發(fā)布，5G 超可靠低延遲通信（URLLC）特性逐步成熟，并逐步深入工業(yè)自動(dòng)化控制（移動(dòng)控制/ 現(xiàn)場(chǎng)控制/ 運(yùn)動(dòng)控制等）場(chǎng)景，可以全面支撐PLC、機(jī)器人控制等的南向接口無(wú)線(xiàn)化，滿(mǎn)足工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)“剪辮子”的應(yīng)用需求，助力工業(yè)端側(cè)設(shè)備的軟件化部署、算力上移等應(yīng)用，5G/5G Advanced URLLC 場(chǎng)景中（移動(dòng)控制/ 現(xiàn)場(chǎng)控制/ 運(yùn)動(dòng)控制），結(jié)合軟化PLC、云化機(jī)器人、機(jī)器視覺(jué)、邊緣AI 等技術(shù)，將會(huì)重新定義未來(lái)的產(chǎn)線(xiàn)架構(gòu)。圖3 為5G 技術(shù)梯進(jìn)發(fā)展。

圖3 5G技術(shù)梯進(jìn)發(fā)展

為加快5G 在工業(yè)自動(dòng)化方向探索，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”特設(shè)任務(wù)組，組織“5G URLLC 工業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新先鋒營(yíng)”活動(dòng)，聚合5G 廠(chǎng)商、電信運(yùn)營(yíng)商、工業(yè)企業(yè)、工業(yè)解決方案服務(wù)商以及研究機(jī)構(gòu)，基于5G URLLC 特性，明確5G/5G Advanced uRLLC 能力基線(xiàn)，定義創(chuàng)新場(chǎng)景，開(kāi)展測(cè)試驗(yàn)證，打通技術(shù)和產(chǎn)業(yè)瓶頸，形成可推廣的典型應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)化工作加速推進(jìn)

當(dāng)前“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用處于探索初期，急需推進(jìn)落實(shí)標(biāo)準(zhǔn)化工作，夯實(shí)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展基礎(chǔ)。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)產(chǎn)業(yè)化和標(biāo)準(zhǔn)化的需求主要涵蓋融合關(guān)鍵技術(shù)、產(chǎn)品、管理及應(yīng)用等方面，涉及網(wǎng)絡(luò)、終端、安全、應(yīng)用等內(nèi)容，需要不斷完善建立統(tǒng)一、綜合、開(kāi)放的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合標(biāo)準(zhǔn)體系[15]。本著急用先行的原則，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟（AII）及中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）在2020 年5 月組織了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)工作，首批面向航空、礦山、港口、高端裝備、電網(wǎng)、鋼鐵、工業(yè)園區(qū)、水泥等領(lǐng)域的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用場(chǎng)景、技術(shù)要求和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)啟動(dòng)研制，截至目前，共有12 項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟立項(xiàng)，其中6 項(xiàng)已同步在中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)工業(yè)聯(lián)網(wǎng)特設(shè)組（CCSA ST8）立項(xiàng)研制。標(biāo)準(zhǔn)列表如表1 所示。

表1 “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”標(biāo)準(zhǔn)列表

5 結(jié)束語(yǔ)

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”具有典型的跨領(lǐng)域綜合性特征，包涵新一代信息通信技術(shù)及工業(yè)技術(shù)兩大領(lǐng)域。除技術(shù)跨界外，還涉及與云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等新型技術(shù)間的融合?！?G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合創(chuàng)新發(fā)展場(chǎng)景正貫穿工業(yè)制造的全過(guò)程，將顯著降低企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本，提高生產(chǎn)效率，優(yōu)化制造資源配置，為構(gòu)建工業(yè)經(jīng)濟(jì)體系提供有力保障。5G 與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合創(chuàng)新既是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，也是推動(dòng)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的重要?jiǎng)恿Γ诋a(chǎn)、學(xué)、研各界共同努力下，必將形成倍增疊加、融通發(fā)展的良好生態(tài)。