基于5G网络的工业互联网应用探析

黄雪灵 陈云选

中国信息通信研究院西部分院，重庆 401336

21世纪，我国已跃居世界第一制造业大国，逐渐构建了门类齐全的现代工业体系。而近几年飞速发展的智能制造及相关产业，成为我国制造业转型升级的主要动力。作为新一代移动通信技术的5G网络技术，可以为围绕物联网、垂直行业的众多热门使用场景搭建提供帮助，特别是工业互联网。5G网络特有的低时延、高速率、移动性、大容量特性，可以搭建高度安全、可扩展的工业场景，为工业制造领域竞争力的增强提供依据。因此，探究分析以5G网络为基础的工业互联网应用具有非常重要的意义。

1 5G网络背景

5G网络是第五代移动通信技术，是移动通信延续着每10年一代技术发展规律，在1G、2G、3G、4G网络基础上发展而来的新技术，致力于解决未来移动数据流量暴涨的需求，为用户提供虚拟现实、增强现实等身临其境的高水准业务体验，并渗透到经济社会的各个行业、各个领域，满足车联网、移动医疗、环境监测等物联网需求。从2019年的首次商用开始，作为新一代移动通信技术的5G网络在全球呈蓬勃发展之势，全球已有70多个国家的169个运营商发布5G，5G最高速率可达到1 Gbps～2 Gbps之间，甚至超过4 Gbps，5G主流频谱为n77（3300～4200 MHz）、n78（3300～3800 MHz），还包括n257、n258、n261几个毫米波频段。我国联通公司、电信公司主要将2100 MHz作为深度覆盖层，将3.5 GHz与2.6 GHz作为容量层，主流频谱为n78、n41以及FDD频段n1，移动公司与广电公司则将700 MHz作为广覆盖层。从网络部署来看，5G部署网络的主流是NSA，其增长数量处于趋于平缓状态。与此同时，SA网络逐年增长，为我国5G网络规模部署提供了充足动力。而随着5G网络在垂直行业的快速发展，必将催化SA生态的进一步成熟，形成良性循环，最终实现5G网络的飞速发展。

2 工业互联网应用概述

工业互联网的概念于2012年首次提出，由美国通用电气公司（GE）在《工业互联网：打破智慧与机器的边界》白皮书上公布，其是由数据、网络、安全、平台构成的全新工业制造与服务体系。工业互联网的构成基础为新一代信息通信技术、工业经济深度融合，其三要素是人、机器、数据，可以面向全部产业链、价值链，其本质上是依托开放性、全球化的通信网络平台，将人员、货物、机具、系统有效连接，使其网络化、智能化、数字化、自动化，为工业数字化、智能化、网络化发展奠定基础[1]。

作为互联网概念的进一步延伸的工业互联网是第四次工业革命的基石，狭义上的工业互联网特指面向工业生产与服务的发达网络；而广义上的工业互联网则覆盖了农林牧渔、制造、采矿、能源、建筑以及服务业、零售业、交通运输、金融等行业，与每一个民众的社会生活息息相关。

3 基于5G网络的工业互联网应用

3.1 关键技术

3.1.1 移动边缘计算

移动边缘计算（mobile edge computing，MEC），是5G网络边缘侧的一个网元或用户侧无线局域网内私有云，具有多接入的特点。在基于5G边缘云计算技术的工业互联网应用中可以将其作为边缘基础设施的云计算系统，经边缘云计算技术进行边缘位置的核算、网络传输与存储[2]。在边缘处理网络转发、核算与存储业务的同时，帮助工业用户将业务数据下沉到边缘，满足分布式架构运行要求。在移动边缘计算技术应用于工业互联网时，需要依托C/U分离架构（网元/数据锚点），进行MEC基本架构以及服务管理API、无线信息开放向API的定义。进而推进MEC架构与NFV架构的融合，并利用应用迁移机制，进行固网、Wi-Fi接入API的定义，明确MEC与5G网络的关系。在这个基础上，与5GAA、ITS等垂直行业合作，开展面向工业的平台能力构想，如故障定位、机器视觉质量检测、智能巡检等。根据各场景时延需求的差异，对应的部署战略也具有一定差异，对于远程问题诊断、自动驾驶等时延需求在1.0～5.0 ms内的场景，可选择基于专用硬件站点机房或接入机房部署策略，实现一次部署、迭代拓展；而对于移动视频监控等时延需求在5.0～10.0 ms内的场景，可以选择基于通用硬件的汇聚部署策略，实现低成本、少带宽骨干网传输。

3.1.2 时间敏感网络

时间敏感网络即TSN，是“5G+工业互联网”关键业务信息交互的基础，可以为工业互联网中确定性信息交互、柔性制造问题的解决提供支持。在工业互联网中，5G TSN技术主要作用于控制器与控制器、控制器与现场设备、信息技术网络与运营技术网络之间，面向现场生产线设备控制（立体仓库、数控机床）、AGV控制、机器人控制需求，打通现场生产设备与集中控制中心、机器人与机械臂环境感知、视觉雷达与AGV运动的数据链路，助力工业生产智能化、自动化的实现[3]。

从应用架构上来看，5G TSN可以通过TSN转换器（设备侧DS-TT、网络侧NW-TT），将网络用户层、控制层进行转换、互通。整个过程中，需要首先利用延时关键可保障比特速率、用户面下沉分流、切片等技术，控制传输时延、无线侧时延。其中延时关键可保障比特速率负责结合工业互联网业务流特征进行业务类别划分，如Best Effort（对时延无特殊要求）、周期性低时延的同步实时流、Motion Control等；而用户面下沉分流负责根据场内产现身控制要求，将核心网专用UPF下沉到园区，降低时延；切片技术负责在高隔离、低时延的业务中，以物理资源承载预留配合以太网硬切片的形式，减少网络时延[4]。进而结合时延敏感通信辅助信息，借助保持与转发机制，实现低时延、低抖动敏感通信。

3.2 应用场景

3.2.1 远程操控

传统的工业生产管理主要是进入现场进行生产设备、能源、原材料的管理，而利用5G与边缘计算、自动控制技术，以数据采集终端上部署5G网关、内置5G模组的形式，可以推进设备操控系统升级，实现工业设备与摄像头、传感网等数据采集终端的远程管理[5]。在远程设备操控场景中，操控人员可以经5G网络远距离、实时获取生产现场全景高清视频画面及多种类别终端数据，并经操控系统进行现场设备的精准化、实时操控，可以助力企业实现无人化、少人化，降低企业生产成本。如矿山领域可以利用5G技术，推进无人矿卡驾驶、井下开采挖掘，降低生产事故发生率以及对应的成本。

3.2.2 无损检测

无损检测主要是以内嵌5G模组、5G网关部署的形式，将工业相机接入5G网络，获取高清图像后经网络传输至专家系统，由专家系统对比既有规则判断物料、产品是否存在缺陷。机器视觉检测、设备故障检测等无损检测场景可以促使企业良品率显著上升。如钢铁领域可以借助5G+8K表面检测系统，优化当前抽检模式，面向全部产品进行无损检测，将钢材缺陷检出率、缺陷识别率分别提高到90.0%、85.0%以上。

3.2.3 智能分析

对于数控机床、其他自动化工业设备、物料自动存储运输设备，可以通过5G网关、5G模组部署的形式，将设备接入5G网络[6]。在无线化连接环境中，将5G网络、多接入边缘计算系统结合，完成柔性生产制造应用部署，并为基于生产要求的生产线快速重构提供支持。设备智能分析等场景可以支撑企业进行生产流程优化，为企业生产效率提升奠定基础。如港口领域可以借助“5G+人工智能技术”，进行集装箱理货环节自动分析，寻找物流最优路径，将配载效率提高到15倍甚至20倍。

3.2.4 主动防御

由工业互联网产业联盟发布的《工业互联网平台安全防护要求》可知，无线安全主动防御是5G基础上的工业互联网综合应用场景的关键部分。无线安全主动防御包括访问控制、安全准入、行为监测、白名单等多个部分。其中，访问控制主要是通过5G连接边缘管理区域、生产区域边界，经工业防火墙完成对协议工艺参数、地址范围、功能码的深度检测，阻止恶意指令、非法访问、数据，并进行地址访问控制设备的限定。安全准入主要是借助准入控制机制，完成对接入内网移动终端的身份验证[7]。同时利用远程方式，监控移动设备非法使用、遗失/被盗窃、入侵等行为，并执行销毁数据留存、擦除、重启等操作。行为监测主要指将工业安全审计系统部署在生产网络内，开展流量回溯分析或者针对系统漏洞的攻击行为。并对工控系统特有的PLC、SCADA、DCA等设备脆弱性进行检测。白名单主要是结合主机最基本环境，将特定应用程序、端口列入白名单目录。并从应用管控、安全管理、性能资源等方面，开展全方位防护。

3.3 未来发展

虽然5G网络基础上的工业互联网应用成效已初步显现，但仍然存在深入推进问题。作为首批5G商用的国家之一，我国基于5G网络的工业互联网应用无先例可遵循、无路径可依靠，导致技术开发能力不足、芯片模组产业分散等问题较为突出。其中技术开发能力不足主要表现为：工业场景下基于机器视觉的5G商用较多，上行传输数据需求较为显著，而面向消费者应用的5G公网下行传输带宽显著高于上行，制约了5G基础上的工业互联网应用进程。针对这一问题，应致力于借助成熟模式的复制推广手段，为5G网络基础上的工业互联网由试点到普及助力。未来将打造基于5G网络的工业互联网内网建设样板，构建涵盖工业典型应用场景的产品，并加强重点行业实践指导，为更多的企业应用工业互联网创新提供“一站式”“菜单式”借鉴服务，为基于5G的工业互联网更高水平、更深程度的发展提供标准。

芯片模组产业分散主要体现为：当前工业领域需求多元化，对5G工业终端芯片性能、模组协议支持具有更加严格的要求，但是现今时期5G芯片模组产业呈碎片化分布，短期内价格高昂，规模推广受限。针对这一问题，未来可以在开展工业5G专网试点全连接工厂建设的基础上，对接信息技术网络、生产控制网络人融合部署需求，加快定制化、经济型工业5G芯片、终端、模组产品研发与产业化进程。同时进行融合应用先导区发展建设指南的制定，打造若干个全连接工厂示范标杆，奠定基于5G的工业互联网深度融合基础。

4 结 语

综上所述，5G网络技术对于工业互联网的核心技术领域具有突出的强化效果，不仅可以成为工业互联网信息应用能力“倍增器”，而且可以提高工业互联网安全性。在工业互联网中以5G网络为基础的关键技术主要有移动边缘计算，适用于工业互联网远程维护、无损检测、无人巡检等多个场景。未来以5G网络为基础的工业互联网应用必将衍生更加多样化的应用场景，如边缘设备跟踪管理、工业智能采集、远程监控及生产管理、工业质控机器人等，助推中国工业转型升级。