5G环境下的工业互联网应用探讨

郭柯洒

一、 引言

工业互联网是工业生产与互联网技术相互结合的新型工业架构，是第4次工业革命的重要部分，是实现工业制造的网络化和智能化的关键。5G移动通信系统作为当今前沿技术，具有覆盖广、功耗小、时延低等优点，可提供无缝业务体验，构建性能优异的5G网络将会有力促进互联网应用的高速发展，加强此方面研究具有重要的现实意义。

二、“工业互联网”发展背景

近年来，随着大数据、云计算、物联网、5G技术等的发展，互联网正在迈入全新的时代，基于国家政策、市场经济的双重推动下，“工业互联网”正在掀起新的热潮。

什么是工业互联网？简单来说，工业互联网是新一代通信技术与工业领域深度融合的产物，也是现代工业智能化发展的必然要求。2017年11月，国务院印发《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，明确提出要持续提升我国工业互联网发展水平。2018～2020年是我国工业互联网建设起步阶段，也是关键阶段，必须进一步夯实网络基础，打造多层次、系统化的平台发展体系，加大关键共性技术攻关力度，切实实现工业互联网平台建设及推广。

三、 5G环境下的工业互联网关键技术

工业互联网主要包括网络体系、平台体系和安全保障体系三个部分，其中网络体系是重要基础，构建低时延、高可靠、广覆盖的网络结构，方可真正实现工业全要素、各环节的深度互联。

（一）5G技术需求

为实现工业互联网的稳步发展，需积极开展相关基础设施升级改造工作，积极利用先进的通信技术，包括：软件定义网络、5G、低功耗广域网等，实现工厂内网络 IP化、扁平化、柔性化发展，工厂外网络低时延、高可靠、广覆盖发展。

5G需解决的不仅是人与人的连接，更是人与物、物与物的连接问题，综合工业互联网未来发展需求，对5G系统提出了以下技术需求：

1.传输速率需求，要求提高10～100倍，同时用户体验速率、用户峰值速率分别达0.1～1Gb/s、10Gb/s；

2.时延需求，要求时延降低5～10倍，达毫秒量级；

3.设备连接密度需求，要求提高10～100倍，达600万个/km2；

4.流量密度需求，要求提高100～1000倍，达

20Tbps/km2；

5.移动性需求，要求超过500km/h，提高用户体验。

（二）5G关键技术

在5G技术发展方面，4T4R、Massive MIMO、NBIoT等几项技术都表现出较快应用趋势。作为5G的起步配置，4T4R技术已经在全球50多张网络规模部署，Massive MIMO TDD制式也开始运用，多个国家发布了NB-IoT商用战略。

NB-IoT（Narrow band Internet of Thing），即：窄带蜂窝物联网，此技术支持海量连接，可全面提高覆盖广度，具有低功耗、低成本、小功耗的特点，与广泛商用的2G/3G/4G 及其他无线技术相比，优势显著。

2014年5月，华为、沃达丰、中国移动、Orange、TelecomItaly等公司主导的3GPP NB-IoT GERAN Study Item 立项，2016年9月完成性能部分的标准制定，12月完成最后的一致性测试标准，其继承了LTE 的技术特征，物理层基本兼容 LTE 的技术标准，有利于实现网络快速部署，减小改造建设成本。

四、 5G环境下的工业互联网应用情况分析

（一）项目背景

本文以墙板工业生产制造为例，对5G环境下的工业互联网应用情况展开分析。墙板工业生产过程中，模具车主要采用分布控制、集中控制两种方法，前者主要是利用模具车PLC 控制系统完成，具有模具车移动、定位、测距防碰撞等工程；后者主要是利用主控 PLC 控制系统完成，具有位置定位功能，可在装模排队、注浆排队中指定模具车启动行走，在养护排队中指定轨道和养护时间。

近年来，墙板工业生产规模进一步扩大，上述控制方式已经无法满足实际生产需求，存在组网容量小、可靠性差等问题，为提高厂房通信质量，决定引进无线通信组网，采用一对多的控制—生产模式（图1），并利用5G网络中的 NB-IoT技术解决控制—生产中的通信问题。

（二） 5G环境下的工业互联网应用情况

在厂房生产中，采用NB-IoT技术的车辆检测器，可直接将信息上报至运营商无线网络，无需汇聚网关，同时可提供运营商级别的网络保障，整个工业互联网可靠性、安全性均较好。

1.NB-IoT 网络部署

本次NB-IoT网络部署情况如下图2所示，具体可分为三个层面：终端侧、运营商网络、用户界面，具体介绍如下：

终端侧：此层面主要是在模具车中加装中控模块，通信模组采用Boudica芯片，具体功能包括：①监测模具车工作状态，包括：行驶状态、停止状态、故障状态；②控制模具车进行预先编程的生产动作；③与控制中心实现无线通信，上报模具车工作状态或接收控制指令。

运营商网络：本厂房采用的是电信运营商网络，此层面包括三个部分：①NB-IoT 基站；②核心网元，具有网关交互、计费等功能；③B-IoT 管理平台，此部分主要负责对接用户的物联网业务，实现数据存储、转发。

用户界面工厂：本厂房采用的是自行开发的远程控制平台软件，具体功能包括：①状态检测：远程检测厂房内模具车工作状态，一旦发现异常及时报警；②轨迹监控：实时获取厂房内模具车运行轨迹，并在人机界面上实时显示；③远程控制：通过软件算法获取模具车最佳运行路线，并利用无线网络下发控制指令，令模具车实施相应动作。

2.应用效果

本厂房通过NB-IoT技术和一对多的控制—生产模式的应用，有效实现了工厂控制中心、生产中心的互相分离，如下图所示即为基于5G技术的厂房控制网络，通过一个控制中心，即可管理多个厂房的模具车，大大减少了工作人员的劳动量，极少数的工作人员即可操作海量生产设备，生产效率与精度均较高，大大提升了工业生产的自动化、智能化程度。

五、 结语

综上所述，深入实施工业互联网建设是实现我国产业发展发的一大关键，将先进的5G网络应用于工厂之间、企业之间、工业制造与消费者之间的互联，将会有力地推动工业互聯网理念从狭义走向广义，使传统、单一的制造系统融入到现代电子商务的大潮中。