5G专网背景下的工业物联网架构研究

◆黄广山

（山西省邮电建设工程有限公司 山西 030012）

1 工业物联网技术的基本应用需求

（1）数据采集

工业控制系统会对工业生产过程中的各类事件及数据信息进行采集，包括但不限于各种物理量、定位、标识、图像这类数据信息，通过数据采集能够有机地结合计算、感知、通信、物理、驱动等各类系统，以此来尽可能地实现数字化发展。但在4G 网络下的工业控制系统在进行数据采集时效率相对较低，数据传输及转化成效不佳，无法有效迎合不断变化的时代发展需求。而在5G专网R16uRLLC 场景之下的时延仅为0.5 至1ms，且具备无限趋近于100%的可靠性，这就让工业控制系统能够在低时延、高可靠性、海量连接的网络之中开展数据采集工作，利用无线网络连接来达成闭环控制这一目的。并且由于时延达到了毫秒级别，机器人之间或者机器人和生产设备之间的互动及协调更为便利，工业控制以及数据采集更为高效且精准，有力推动了工业生产的良好发展。

（2）工业AR

在工业物联网之中引入5GAR 技术，能够有效应用于人机协作、生产流程监控、数字设计与协同、质量检测、远程运营维护、新入职员工岗前培训等场景之中。例如某一设备出现了故障，工业物联网会向总控制中心发送警报，提示工作人员及时维修。此时工程师就能够在5G专网之中对工作人员进行远程指导，由于这类工作人员配备了相应的AR 设施，能够清晰接收到来自工程师的指令，因此工作人员可以更为快速且精准地完成对设备的维修[1]。当前在R15 协议下的5G专网能够达到每一位用户1Gbps 的峰值吞吐率，而正在研发的R16 协议将会大幅增强原有系统的性能，进而有效提升了工业物联网的网络带宽。

（3）智能机器人

目前工业领域已经应用了机器视觉技术，极大地提升了工业生产的智能化程度。但机器视觉要想顺利完成检测任务，必须要以较高的网络带宽作为支撑，而5G 边缘计算技术以及大带宽数据的传输则能够有效迎合这一要求。在5G专网下，智能机器人的移动将打破过去在区域方面的限制，能够根据实际需求及时到达相应的地点，平滑转换工作状态，改变工作内容，且整个工作将无间断进行。同时5G技术也能够实现对工作人员与机器人的有机连接，并以此为中心构建一个完善的全方位信息生态系统，进而对整个工厂的生产工作进行实时监控，有效保障相关设备的稳定运转。

（4）物料跟踪

在5G专网下，会给工厂中的全体员工及各类设备确定一个“身份”，这样一来工业生产所需要的原材料就具备一定的信息属性，工作人员可以通过5G 边缘计算技术以及网络定位技术将跟踪供应链中的各类物料可视化，并及时传输实时物料信息。

2 5G 背景下工业物联网的架构

（1）总体架构设计

5G 背景下工业物联网总体架构将通信、数据、传感、软件、计算、算法、安全这类技术进行了有机的融合，具体如图1所示。其中感知层主要是智能化处理工业装备，对不同环节的数据信息进行采集，主要有移动、速度、识别、重力、环境、流量、定位、压力、检测、速度、人机交互这类信息，利用工业处理单元、控制软件以及智能传感器来让工业生产中的各类设备数字化与智能化。网络层则说明了工业物联网的网络载体，主要是指5G专网，包含了5GC、MEC、NR这类实体单元和网络切片管理系统、SDN/NFV 系统。网络层能够让工业物联网连接到uRLLC、eMBB、mMTC 这类业务应用场景之中，进而快速传输数据信息，有效达成M2M 的大规模连接。支撑层则能够让工业物联网对所采集的数据信息进行处理、分析、储存，并将其应用至各个环节之中，从而构建一个完整的工业数学模型，建立可视化水平较高的3D 引擎。应用层则是为了实现智能供应链、智能设计、智能生产、智能制造、智能加工以及需求分析等目的，最大化地迎合工业在智能方面的应用需求。

图1 5G 背景下工业物联网的总体架构

（2）物联网部署方案

5G专网背景下的工业物联网部署方案主要包含了网络切片部署以及企业专网部署，其中网络切片部署主要是与运营商达成一致，根据工厂的工业生产需求，在内部相应位置部署边缘计算服务器以及5G 基站。通过5GC 所具备的网络切片作用，能够让工业物联网顺利完成网络的组合，相比之下成本支出较低，且效率极高，能够应用于部分对数据信息敏感程度相对较低的企业之中。企业专网部署主要指的是在企业内部完成独立5G 网络的部署，需要用到5G 基站、服务器、企业核心网以及边缘计算等相关设备。企业专网部署能够应用于规模较大的工业企业，且对技术人员的专业水平以及管理人员的管理水平有着较高的要求。

（3）边缘计算部署方案

边缘计算主要遵循了就近原则，为开放平台的最近端提供相应的服务。相比于云端计算，边缘计算的响应速度更快，有效提升了处理效率，极大地降低了云端计算的负荷。工业物联网在部署边缘计算时应当从边缘节点、云边缘、边缘网关、本地边缘、边缘负载、边缘应用等方面出发，让边缘计算所产生的效果最大化。

（4）工业应用平台方案

工业应用平台主要是将数据作为核心，能够将种类繁多的应用开放给全体用户，进而完成对工业产品的全过程数字化管理[2]。工业应用平台具备自动控制、辅助装配、协同设计、仓储管理、培训指导、柔性生产、质量控制、物流供应以及远程运维等功能，工厂可以利用工业应用平台来构建一个全新的产品及服务生产模式，通过对虚拟化工厂、3D 可视化、无人车间以及人机交互等方法的应用来让工业生产更为智能化，有效提升工厂的工业生产力。

（5）网络安全方案

在5G专网背景之下，工业物联网应当对感知设备、网络基础设施、工业控制系统、AGV 服务器、OPC 服务器、传感器网关这类设备采取有效的安全防护措施，按照《信息安全技术网络安全等级保护定级指南》中的相关要求来明确各类设备的安全保护等级，并分别从安全通信网络、安全计算环境、安全物理环境、物联网安全拓展要求、安全区域边界等方面来构建一个完善的安全管理体系以及安全技术体系，以此来有效保障整个工业物联网的网络安全。

3 5G 应用于工业物联网的两种模式

（1）以“移”换“固”，解放生产

将5G技术应用于工业物联网之中，能够完美代替传统固线，让之前与生产设备相连接的复杂通信电缆得以移除，使工业生产具备更强的灵活性，简而言之便是以无线代替了有线。在这样的模式之下，能够完成对各类数据信息的移动采集，一般应用在部分旋转、滑动频率较高、速度较快的设备之中，诸如涉及温度、视频、风速、振动等因素的风机等[3]。根据相关数据能够得知，引入5G技术之后，单台风机能够在一天时间之内达到85GB 的数据量。风机在机舱的前半部分一般是处于旋转状态，对轴承、叶片、滑环等配件进行固线操作有着较高的难度，通过移动采集方式的应用则能够有效解决这一问题。柔性产线也是应用5G技术后的创新手段，能够有效满足离散制造企业的“小批量、多批次”这一基本需求。在传统固线部署方式下，产线的优化与改良受到了较大幅度的限制，例如设备商在对一次生产的基站板卡型号进行调整时，往往需要耗费一天的时间来重新进行接线，极大地降低了工作效率。通过5G 无线技术的应用，能够实现对固线现场总线的完美代替，有效促进了柔性生产的高速发展，相关工作人员能够在最短的时间之内完成对生产批量以及生产批次的调整，同时也能够优化不同生产阶段的产能，让各生产阶段能够紧密衔接。

（2）从“集”到“分”，创新模式

通过5G技术的应用，能够让边缘布局得以加强，使得工厂能够在传输汇聚节点、基站局房以及本地数据中心中完成对边缘云的部署，这样一来5G 的虚拟网元能够得到有效的承载，且能够在行业内部进行开放，推动工业领域实现从集中控制模式转变至分布控制模式，进而有效增强处理效率[4]。例如部分有着较大能耗的企业一般会自建一个微电厂，通过5G 边缘云的应用就能够对微电厂的实际生产状况及设备运转状态进行实时监控，有效提升了工业生产效率。

综上所述，5G技术在工业智能化进程之中做出了突出的贡献，5G专网能够让工业物联网更为完善，具备更佳的性能，有效助力高质量、高效率的工业生产。当前5G专网技术仍处于一个持续发展阶段，能够预见在5G专网背景下的工业物联网势必在未来得到更为广泛的普及与应用，工业生产也将迈向更高的台阶，从而有效推动工业经济的高速发展。