王佳俊
中讯邮电咨询设计院有限公司 100089
1 工业互联网现状分析
1.1 工业互联网概述
工业互联网作为新一代信息技术与先进制造业融合创新的产物和重要承载，通过人、机、料、法、环、数的互联，以数据为核心实现全要素、全产业链、全价值链融合的新制造体系和新产业生态，是数字化转型的关键支撑和重要途径，其贯穿于设计、生产、管理、服务等制造活动的各个环节，具有自感知、自学习、自决策、自执行、自适应等功能的新型生产方式，将有效促进商业模式创新、产业优化升级和生产力的整体跃升。
1.2 智能制造目前发展的局限与突破
工业互联网的核心是数据，目标是打造IT（信息系统）与OT（生产系统）融合的智能化闭环，完成信息流与控制流闭环实现物理空间与虚拟空间的交互优化，构建基于数据自驱动的制造业智能化转型中枢平台，而数据质量直接取决于工业生产中的网络技术，而通常工业互联网的业务数据类型主要分为管理控制类、数据采集类和信息交互类业务，不同类型的业务数据对于网络性能的要求也不尽相同。
管理控制类业务需求
低时延：端到端时延毫秒级，时延抖动微秒级；
高可靠性：数据传输成功率99.999%；
高精度同步：精度达到百纳秒级
管理控制类业务需求
强大的接入能力：能接入百万连接/平方公里内的数据；
低功耗、抗干扰能力；
信息交互类业务需求
高传输速率：语音图像的传输速率达到百兆带宽、视频达到千兆带宽；
目前工业生产中所应用的网络技术（有线网络、Wi-Fi 、蓝牙以及4G/2G/3G）还存在着明显的问题，如传输速率低、安全可靠性差、系统延迟高，并且网络资源调度灵活性、网络可管可控性还无法完全满足工业互联网的需求。5G是新一代移动通信技术，其具有高速率、低时延、支持海量连接等特性，能够满足工业互联网在网络连接方面的多样化需求。通过5G技术构建工业互联网高质量网络平台，能够大大提升工业互联网的供给能力，实现工厂内网络的无盲区覆盖与无缝集成，进一步保证生产安全化与控制精细化的实现，解决现有工业WiFi/4G/Lora/NB在应用中存在的问题。 通过5G技术构建的网络平台体系将有力推动工业互联网的发展，实现工控系统、通信系统和信息化系统的智能化融合，帮助工业制造完成数字化转型，引领流程行业向智能化、网络化、协同化、无人化方向发展，是以工业 4.0 为代表的信息物理系统（CPS）的基础设施。
5G 在无线电领域和系统层面所具有的创新特征，也使其能更好地满足高性能工业应用的要求，与此同时在制定5G规范时，3GPP就充分研究信息物理系统和工业互联网应用对网络需求，包括可用性、可靠性、延迟、抖动、设备密度、吞吐量等方面，
在工业领域，控制系统与车间中的物理生产设备之间的可靠通信，通常依赖于各种现场总线通信技术。如今，这些通信现场总线一般使用专有工业以太网有线连接，传输用于控制器和执行器通信的各种协议。然而，协议的多样性和有线连接的限制， 使得操作环境极为复杂。因此，5G 的到来也可能会简化工业网络。综上所述，性能和整合复杂性的要求是工业领域使用 5G 网络的两大驱动因素。
1.3 5G赋能智能工厂
智能工厂是5G技术的重要应用场景之一。利用5G网络将生产设备无缝连接，并进一步打通设计、采购、仓储、物流等环节，使生产更加扁平化、定制化、智能化，从而构造一个面向未来的智能制造网络，帮助实现智能工厂，构建基于工业互联网平台的新型生产组织方式。
在新型生产组织模式中，5G应用单一模式创新与多应用模式组合创新并行发展，新场景、新模式不断涌现，并延伸至生产核心，发挥更大赋能作用。
5G助力柔性制造
一方面，在工厂内，柔性生产对工业机器人的灵活移动性和差异化业务处理能力有很高要求。5G利用其自身无可比拟的独特优势，助力柔性化生产的大规模普及，在减少机器与机器之间线缆成本的同时，利用高可靠性网络的连续覆盖，使机器人在移动过程中活动区域不受限，按需到达各个地点，在各种场景中进行不间断工作以及工作内容的平滑切换。
另一方面，5G可构建连接工厂内外的人和机器为中心的全方位信息生态系统，最终使任何人和物在任何时间、任何地点都能实现彼此信息共享。消费者在要求个性化商品和服务的同时，企业和消费者的关系发生变化，消费者将参与到企业的生产过程中，消费者可以跨地域通过5G网络，参与产品的设计，并实时查询产品状态信息。
5G赋能工业机器人
在未来智能工厂生产的环节中涉及到物流、上料、仓储等方案判断和决策，5G技术能够为智能工厂提供全云化网络平台。精密传感技术作用于不计其数的传感器，在极短时间内进行信息状态上报，大量工业级数据通过5G网络收集起来，庞大的数据库开始形成，工业机器人结合云计算的超级计算能力进行自主学习和精确判断，给出最佳解决方案。5G技术控制的工业机器人，不分日夜地在车间中自由穿梭，进行设备的巡检和修理，送料、质检或者高难度的生产动作。机器人成为中、基层管理人员，通过信息计算和精确判断，进行生产协调和生产决策。这里只需要少数人承担工厂的运行监测和高级管理工作。机器人成为人的高级助手，替代人完成人难以完成的工作，人和机器人在工厂中得以共生。
5G升级工厂维护模式
设想在未来有5G网络覆盖的一家智能工厂里，当某一物体故障发生时，故障被以最高优先级“零”时延上报到工业机器人。一般情况下，工业机器人可以根据自主学习的经验数据库在不经过人的干涉下完成修复工作。另一种情况，由工业机器人判断该故障必须由人来进行操作修复。此时，人即使远在地球的另一端，也可通过一台简单的VR和远程触觉感知技术的设备，远程控制工厂内的工业机器人到达故障现场进行修复，工业机器人在万里之外实时同步模拟人的动作，人在此时如同亲临现场进行施工。
5G技术使得人和工业机器人在处理更复杂场景时也能游刃有余。如在需要多人协作修复的情况下，即使相隔了几大洲的不同专家也可以各自通过VR和远程触觉感知设备，第一时间“聚集”在故障现场。5G网络的大流量能够满足VR中高清图像的海量数据交互要求，极低时延使得触觉感知网络中，人在地球另一端也能把自己的动作无误差地传递给工厂机器人，多人控制工厂中不同机器人进行下一步修复动作。同时，借助万物互联，人和工业机器人、产品和原料全都被直接连接到各类相关的知识和经验数据库，在故障诊断时，人和工业机器人可参考海量的经验和专业知识，提高问题定位精准度。
5G实现工厂按需分配网络资源
5G网络通过网络切片提供适用于各种制造场景的解决方案，实现实时高效和低能耗，并简化部署，为智能工厂的未来发展奠定坚实基础。
在创建网络切片的过程中，需要调度基础设施中的资源。包括接入资源、传输资源和云资源等。而各个基础设施资源也都有各自的管理功能。通过网络切片管理，根据客户不同的需求，为客户提供共享的或者隔离的基础设施资源。由于各种资源的相互独立性，网络切片管理也在不同资源之间进行协同管理。在智能工厂原型中，展示了采用多层级的、模块化的管理模式，使整个网络切片的管理和协同更加通用、更加灵活并且易于扩展。除了关键事务切片，5G智能工厂还将额外创建移动宽带切片和大连接切片。不同切片在网络切片管理系统的调度下，共享同一基础设施，但又互不干扰，保持各自业务的独立性。
1.4 总结
综上5G是目前来说唯一适用于工业互联网的网络，在5G网络的连接下，智能工厂成为了各项智能技术的应用平台。智能工厂有望与未来多项先进科技相结合，实现资源利用、生产效率和经济收益的最大化。
因此，5G时代的智能工厂将大幅改善劳动条件，减少生产线人工干预，提高生产过程可控性，最重要的是借助于信息化技术打通企业的各个流程，实现从设计、生产到销售各个环节的互联互通，并在此基础上实现资源的整合优化，从而进一步提高企业的生产效率和产品质量。