5G在工业互联网领域的应用进展

黄颖，于青民，李宗祥，王哲

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

工业互联网是第四次工业革命的重要基石[1-3]，5G的高速率、低时延和大连接三大新特性与工业互联网无线网络需求十分契合，是工业互联网的关键使能技术。5G 作为新一代信息通信技术的重要演进方向，在各领域的应用落地成为商用发展的关键环节，工业互联网的垂直行业为5G 提供了广阔的市场空间。5G 与工业互联网融合创新有利于我国5G 技术优势与工业需求的融合发展，目前已成为产业界探索的重要方向。

“5G+工业互联网”是指利用以5G 为代表的新一代信息通信技术，构建与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态。通过以5G 为代表的新一代信息技术对人、机、物、系统等的全面连接，构建起覆盖全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了新的实现途径，助力企业实现降本、提质、增效、绿色、安全发展。“5G+工业互联网”涉及面广、参与主体多、资源投入大，覆盖5G 网络建设、工业互联网基础设施建设、融合产品开发、行业应用落地等方方面面，其融合创新发展需要产业界持续探索和推进。

1 5G技术赋能工业企业数字化转型

1.1 5G技术助力工业设备实现应连尽连

我国工业企业数字化水平参差不齐，数据采集和互联互通难度较大[4]。传统工厂网络主要采用封闭局域网方案，在工厂数字化转型过程中存在传输协议分散、设备差异大且信息化水平普遍较低、网络管控水平低、信息孤岛现象严重等问题[5]。工业企业原有相关系统采集的数据有限，在生产管控质检、物流物料跟踪、人员行为监测、环境信息采集等众多环节存在数据采集漏点，难以支撑工业企业数字化转型过程中的大数据分析需求。5G 技术作为重要的无线网络技术，传输速率提升10 到100 倍，峰值传输速率达到10 Gbit/s，端到端时延达到ms 级，连接设备密度增加10 到100 倍，流量密度提升1 000 倍，频谱效率提升5到10 倍[6-8]。通过5G 无线连接方式能够有效支撑填补原有系统的数据采集漏点，实现设备应连尽连。

1.2 5G技术催化工业企业全环节数据打通

5G 与人工智能、云计算等新技术结合，在边缘侧创新5G 云化控制、云化运维、云化诊断等业务形态，实现与现有业务系统的联动和协作，为企业全流程数据打通、智能化发展奠定了良好的基础，同时也带动了5G+PLC（Programmable Logic Controllers，可 编 程 控制器）、5G+DCU（Distributed Control Unit，分布式控制单元）、5G+SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition，监控和数据采集系统）等新的设备形态不断涌现。如图1 所示，5G 技术助力实现人、机、料、法、环等全方位互联，通过生产全环节数据打通，促进5G 应用场景的落地。

图1 5G助力工业全环节数据采集及互通

2 5G加速与工业互联网垂直行业融合

2.1 5G网络建设模式持续演进

经过近两年的5G 企业网络建设探索，工业企业部署5G 网络主要形成了虚拟专网（公网切片方式）、混合虚拟专网（用户面核心网元下沉部署至企业侧）、独立专网（工业企业自建自用专用5G 网络）三种模式，如图2所示，（1）5G 虚拟专网：利用5G 切片等技术在面向公众服务的网络中为企业用户提供网络质量（时延、带宽等）定制化的专用通道服务，可实现不同用户不同业务间的逻辑隔离；（2）5G 混合虚拟专网：原有在运营商核心网侧部署的UPF（用户面功能）等下沉部署在企业园区内或邻近企业园区，以保障企业业务数据本地存储，具有较高的安全性和实时性；（3）5G 独立专网：构建工业企业专用的5G 网络，只承载企业自有业务，与公网隔离。现阶段，综合考虑业务需求、成本、安全性等因素，大中型企业普遍选择5G 混合专网的方式进行网络升级改造[9]。

图2 “5G+工业互联网”企业融合组网模式

随着工业企业5G 网络改造步伐的加速，现有的专网建设模式也暴露了不足：5G 在大带宽、低时延、大连接等技术特性方面考虑了工业场景的需求，但建网模式、运营模式等方面仍延续2G、3G、4G 的面向C 端用户的大网模式，网络设备功能齐备、系统庞大，在工业企业部署存在成本高、运营维护不开放、商业模式不清晰等问题，难以完全满足工业企业实际需求。为此，产业界也不断在探索功能、性能、容量可按需定制，及多样化、简单化、自主化的5G 网络使用和运维等模式。在基站设备方面，“宏微”结合成为5G 在工业互联网领域基站部署的主要方式，面向工业企业的小站和微站涌现。在核心网建设方面，面向工业企业低成本、可定制的5G 核心网技术开始探索应用[10]。

2.2 5G+MEC赋能工业边缘智能

5G 网络部署方式灵活，核心网架构原生支持MEC（边缘云等基础设施）功能，控制面和用户面可完全分离，支持UPF（用户面功能）下沉部署在企业侧，使得5G 与工业的融合除了网络传输外，在基本业务实现、业务安全保障、商业模式支撑等方面都具备价值。

在网络传输方面，通过引入MEC 技术，在通信网络边缘对数据进行预处理，避免无效数据对网络资源的占用，可对用户数据进行高速分发缩短响应时间，同时可承载工业控制中边缘层的计算应用服务[11]。在业务实现方面，UPF 下沉到边缘配合MEC 部署后，业务应用可以直接部署在离基站较近的位置，可降低网络时延，支撑低时延高可靠业务应用。另外，ETSI 定义的MEC（对应3GPP 的local UPF 本地用户面网元）支持无线网络能力和运营能力开放，有助于电信行业和垂直行业的快速深度业务融合及创新。在业务安全方面，UPF 下沉部署在企业侧，可以实现企业业务数据不出工厂，为企业提供更高的安全保障。在商业模式方面，MEC 可以节省传输资源，尤其针对存在大量数据传输需求的视频类应用，数据能够实现在园区内的本地存储和运算，节省边缘到核心网和Internet 的传输资源开销及商业成本[12]。

2.3 5G融合终端加速匹配行业需求

目前，在5G 发展初期市场上，芯片和模组价位较高，且出货量难以满足日益增长的工业市场上融合终端生产的需求。目前市场上能提供5G 商用芯片的企业为华为海思、紫光展锐、联发科、高通和三星，能提供5G 商用芯片及模组的方案为华为海思和高通，基于这两家方案，长虹、移远通信、日海智能、广和通、闻泰科技等企业推出了相应的5G 模组产品。

现阶段的融合终端多以网关等数据终端形态出现在工业场景中。5G 与工业应用融合建设的方式有多种，一种是采用5G 模组（工业设备嵌入5G 通信模组），通过集成到设备内部，实现5G 与工业通信的深层融合应用；另一种采用集成网关、CPE 等，可实现5G 与现有工业体系的无缝连接和互通互操作。第二种方式是现阶段工业企业普遍采用的方式。

行业应用和专网需求将加速5G 融合终端成熟及多样化。随着AR/VR 辅助装配、机器视觉质检、远程操控、智能物流、无人巡检等对于网络速率要求高、时延敏感的工业互联网场景的广泛应用，融合类5G 工业终端形态将逐步从现有的网关等数据终端形态向各种5G 行业终端扩展。

2.4 融合应用逐步向核心生产环节延伸

5G 助力工业体系变革，使工业企业生产模式、组织方式和生产经营模式发生变革[7]。在工业互联网领域实践逐步从生产外围辅助性应用向涉及生产核心环节的应用发展，有望开辟出一条5G 技术与工业深度融合创新发展的崭新路径。

5G+超高清视频监控、移动无人巡检等辅助型应用：在现有工厂网络应用基础上叠加5G 网络应用，在非核心生产和管理业务方面有效补充、增强工厂管理能力。如，将5G+高清视频融入到园区的安防监控之中，实现采集监测视频/图像实时回传。

5G+机器视觉检测、AR/VR 辅助装配等业务融合型应用：通过部署5G MEC（边缘计算基础设施），将5G 技术与人工智能（AI）等新技术在边缘侧进行融合，解决原来AI 技术受限于终端的处理能力及成本等问题，全面提升工业企业装备的智能化水平。如，利用5G+4K/8K+机器视觉技术，实现钢带表面的智能质检等。

5G+工业控制等应用：5G 与工业装备深度融合，在工业核心生产环节发挥助力作用。例如，在生产线上，使用集成5G 模组的MES（制造执行系统）工业网关。随着5G 技术及工业体系的不断升级，5G 工业终端将越来越多地在生产中使用。

3 5G R16将激活工业控制应用创新

当前，“5G+工业互联网”应用主要基于5G R15 增强移动宽带（eMBB）特性，以大带宽传输类融合应用为主。随着5G R16 及后续版本的发布，5G 超可靠低延迟通信（URLLC）特性逐步成熟，并逐步深入工业自动化控制（移动控制/ 现场控制/ 运动控制等）场景，可以全面支撑PLC、机器人控制等的南向接口无线化，满足工业企业生产线“剪辫子”的应用需求，助力工业端侧设备的软件化部署、算力上移等应用，5G/5G Advanced URLLC 场景中（移动控制/ 现场控制/ 运动控制），结合软化PLC、云化机器人、机器视觉、边缘AI 等技术，将会重新定义未来的产线架构。图3 为5G 技术梯进发展。

图3 5G技术梯进发展

为加快5G 在工业自动化方向探索，工业互联网产业联盟（AII）“5G+工业互联网”特设任务组，组织“5G URLLC 工业应用创新先锋营”活动，聚合5G 厂商、电信运营商、工业企业、工业解决方案服务商以及研究机构，基于5G URLLC 特性，明确5G/5G Advanced uRLLC 能力基线，定义创新场景，开展测试验证，打通技术和产业瓶颈，形成可推广的典型应用和产业生态。

4 “5G+工业互联网”标准化工作加速推进

当前“5G+工业互联网”的产业应用处于探索初期，急需推进落实标准化工作，夯实“5G+工业互联网”发展基础。“5G+工业互联网”技术产业化和标准化的需求主要涵盖融合关键技术、产品、管理及应用等方面，涉及网络、终端、安全、应用等内容，需要不断完善建立统一、综合、开放的“5G+工业互联网”融合标准体系[15]。本着急用先行的原则，工业互联网产业联盟（AII）及中国通信标准化协会（CCSA）在2020 年5 月组织了“5G+工业互联网”标准立项工作，首批面向航空、矿山、港口、高端装备、电网、钢铁、工业园区、水泥等领域的“5G+工业互联网”应用场景、技术要求和技术标准启动研制，截至目前，共有12 项标准工业互联网产业联盟立项，其中6 项已同步在中国通信标准化协会工业联网特设组（CCSA ST8）立项研制。标准列表如表1 所示。

表1 “5G+工业互联网”标准列表

5 结束语

“5G+工业互联网”具有典型的跨领域综合性特征，包涵新一代信息通信技术及工业技术两大领域。除技术跨界外，还涉及与云计算、大数据、边缘计算等新型技术间的融合。“5G 与工业互联网”融合创新发展场景正贯穿工业制造的全过程，将显著降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，为构建工业经济体系提供有力保障。5G 与工业互联网融合创新既是产业发展的必然趋势，也是推动新旧动能转换的重要动力，在产、学、研各界共同努力下，必将形成倍增叠加、融通发展的良好生态。