基于5G技术的工业物联网的应用研究

赖小龙 胡庆 邓华阳

（重庆移通学院，重庆 401520）

0.引言

工业物联网（Industrial Internet of Things, IIoT)是指将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信、智能分析等技术不断融入工业生产过程各个环节，大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段[1]。随着5G技术逐步成熟以及在我国大规模商用，人工智能、云计算、物联网、移动互联网、大数据等技术融合，正在改变人们的生产、生活方式[2]。而5G网络技术以其优越的性能在大规模高速率场景、AR/VR、物联网等方面优势，直接将工业中设计、制造、管理、运输、销售等全流程带入数字化、网络化和智能化。

1.工业物联网技术应用需求

1.1 数据采集与监视

数据采集与监视（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）是将在工业设备当中的传感器所采集到的数据信息上传到云平台中，并以可视化数据呈现出来。在当前的工业体系当中大部分的设备拥有大量各类传感器，而在一些老旧设备或者特殊场景下的设备也另外部署传感器得以采集数据[3]。在数据传输方面根据所处环节的情况采用有线或者无线的方式连接到服务器或者云平台上。在数据传输过程中，存在困难一般有：环境的复杂和外部的干扰；设备一般为不同厂商、不同型号的设备，其数据传输协议的难以兼容；数据的可视化以提高管理人员的工作效率。

1.2 数据分析与管理

目前绝大部分的工厂都会采用云服务平台，将采集到的数据在云上进行处理分析，并附有对应软件应用，如指标异常的告警、故障提示以及原因关联分析等。这类数据分析还只是专家系统的分析阶段，并不设计垂直领域下的行业数据分析。

1.3 深度数据分析与应用

通过大量数据和人工智能相结合，采用强化深度学习的方法，根据设备和数据特性建立数据模型，用以解决行业疼点，如分析出分子原子级的变化、升级制造工艺、优化生产流程、提高设备使用效率和寿命。

1.4 工业控制

工业物联网的其中重要的目的就是在工业过程中的精细化控制和管理。基于数据采集和监视、数据分析与管理、建模和深度数据分析和应用等环节形成最终的决策，并对相对应的设备发出指令并执行。但传统工业收到通信技术和执行所限制，在智能化工业方面还难以满足理想工业体系的发展。通过我国将5G技术作为新基建建设的投入，可以满足工业界对工业控制等方面的要求。

2.基于5G下的工业物联网

2.1 总体架构设计

基于5G技术的工业物联网总体架构设计如图1所示。

图1 工业物联网总体架构

感知层主要是采集各环节中的数据流，包括压力、重力、温度、速度、流量、偏移、电流、电压等信息。通过相关模块单元、软硬件等实体设备设施进行数据的采集和收集。

网络层主要是5G技术，通过5G网络中的接入网、边缘计算、核心网和SDN/NFV等系统组成。面向工业物联网提供对应场景的接入和数据传输和交换的能力，实现大规模连接等能力。

支撑层主要完成数据处理、分析、储存和工业建模等人工智能方面的应用，提供足够的算力和存储力。

应用层是针对于特定领域下的具体应用，包括智能分析、制造、设计、生产、加工、供应链和管理等反面提供最优决策。通过应用层实现全流程的智能化改造和升级。

2.2 基于5G的工业物联网部署

基于5G的工业物联网部署可分网络切片、企业专网两类部署。

（1）网路切片部署。通过运营商的5G公网，根据厂区的不同活动区域的不同需求，采用网络切片方式，按需求覆盖，满足工厂通信的需求。通过经济、快捷的部署，实现工业物联网的建设要求，适合于初创的工厂需求。

（2）企业专网部署。针对大中型企业的需要，通过独立组网的方式，部署5G基站、边缘计算、企业级网络和数据中心，建设具有独立管理能力的应用系统和管理网络。

2.3 5G边缘计算部署方案

边缘计算是核心网功能的下沉的表现，将计算、存储、处理更接近于用户，满足低时延要求。具体包括边缘节点、边缘云、边缘网关和边缘应用。

2.4 5G工业应用平台

针对于工业过程中设计到的设计、制造、生产、运营、供应链、培训指导等工作流程，建立实现其功能的工业化应用平台，实现产品全流程、全生命周期的数字化管理，建设虚拟化设计、无人工厂，以“数据为核心”，不断深化人工智能，优化人机料法环等环节。

2.5 网络安全

工业物联网的网络安全问题一直是重中之重的问题，

我国和其他国家都面临过各种人为或者为人为的侵害，而后果是不堪想象的，针对安全问题，应积极的从物理环境、通信网络、硬件平台、病毒入侵等方面建立起综合防御体系，以免造成巨大的损失和伤害。

3.工业物联网的应用方面

3.1 物料供应管理方面

在物料供应中，对于装配物料感应设备的智能货架，在通过附加5G通信模块，采用无线接入方式，将物料管理数据上传云端相应应用平台，实现端到端数据互通，货架清点和及时补充，货源溯源。打通整个供应链，实现智能物料供需处理，完成实时性和安全性的要求。

3.2 环境监控管理

环境监控设备通常连接大量物联网传感器如光照、温度、颗粒等器件，通过加装5G物联网通信模块，实现数据实时或者周期性上传到云端。在云端实现数据分析、建模、管理、计算等联动操作，实现环境检查的实时性。

3.3 工业自动化控制

在自动化机械设备（机器人、传送带、阀门开关、仪器仪表）中加装5G通信模块。将实现低时延、高可靠的控制和监控功能。

3.4 工厂全过程智能化改造

通过深度学习和5G物联网通信相结合，将工业中各种业务场景和生产管理流程进行优化升级，形成具有极高生产效率的无线智能化工厂。

4.结语

5G技术的普及让传统通信以人与人的相连到物与物相连的巨大转变，直接推动这个工业化第四次革命的到来，将单一工厂升级为网络化工厂；自动化工厂升级为智能化工厂；实体工厂升级为虚拟工厂。实现工厂智能化还存在很多问题和挑战，工业在网络化、智能化、虚拟化的经常也是信息系统建设的过程，伴随5G技术的不断发展，基于5G技术的工业物联网势必得到充分发展和应用。