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5G时代下工业互联网的研究与分析

发表时间：2021/4/15 来源：《基层建设》2020年第32期作者：单仲喜

[导读] 摘要：在5G时代的推动下，工业互联网的构建与应用，成为了目前的一大重要举措。

        中铁高新工业股份有限公司
        摘要：在5G时代的推动下，工业互联网的构建与应用，成为了目前的一大重要举措。本文主要通过了解5G技术所针对的三大业务场景及研究分析其应用方案，明确在5G时代下建立工业互联网的重要性，以及在5G的时代下建立工业互联网的主要措施。
        关键词：5G 工业互联网增强移动宽带超高可靠超低时延通信大连接物联网
        0引言
        中国具有当今世界制造业最为完整的产业链，是工业增加值最高的工业大国，工业数字化转型升级影响着国家未来发展。随着5G技术的逐步完善，5G三大优势:高带宽、低延时、广连接,将深化工业互联网各应用场景，实现工业生产效率变革、推进动力变革及带动质量变革，成为数字化科技创新发展新引擎。工业互联网以网络为基础、平台为抓手、数据为核心，通过对人、机、物全面连接，变革传统制造模式、生产组织方式和产业形态。工业企业要将数字化转型作为改造提升传统动能、培育发展新动能的重要手段，不断深化对数字化转型艰巨性、长期性、系统性的认识。2018-2020年我国工业互联网发展成效显著[1]，2021-2023年是我国工业互联网的快速成长期，到2023年，新型基础设施将进一步完善，融合应用成效将进一步显现，信息技术能力将进一步提升，产业发展生态将进一步健全，网络安全防护能力也将进一步增强。
        1工业互联网应用基础
        工业互联网的重要基础是通信网络，5G作为新一代通信技术网络对于工厂无线通讯发挥着重要作用，5G与Wi-Fi、有线网等工业互联网的关系是基于工业场景互补融合，而不替代关系。例如在工厂AGV物流、AR远程辅助指导、机器人自动化、无人叉车等有线部署难、连接数要求高的移动场景，5G拥有巨大优势[2]。
        虽然“5G+工业互联网”融合应用可有效降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，推动整个企业提升产品效益和管理效益。但5G也面临着基础设施部署成本高、能耗大、频谱更加碎片化等问题，同时企业自身老旧的生产设备及系统也制约着5G的应用推广。工业企业的数字化转型是必然趋势，而打造工业互联网应用基础不是一蹴而就的，通过既有硬件设备的升级改造，配合新设备的部署，综合应用工业互联网技术，才是现阶段工业企业的数字化转型之路。
        2. 5G+工业互联网应用场景
        5G技术所针对的三大业务场景能支持不同的工业场景需求。增强移动宽带（eMBB）应用于生产视频监控、视频会议等高带宽的应用场景；超高可靠超低时延通信（uRLLC）通过1ms以下的网络延迟时间，支撑工业自动化控制过程中系统和设备对数据传输实时性的需求；大连接物联网（mMTC）能满足生产过程的大量低功耗嵌入式终端的数据连接与传输需求。应用领域及网络需求如下表：

        2.1 增强移动宽带
        eMBB显著改善移动宽带接入的数据速率、延迟、用户密度、容量和覆盖范围，满足对更快传输数据速度和不断增长的移动数据量的需求。随着信息技术的不断发展，应用对宽带的要求将越来越大，也必定会超过当前应用对宽带的需求[3]。例如，eMBB可有效应用在车联网等数据密集型场景，即使在较为拥挤的路况环境中，也能够实现AR/VR应用的实时数据流传输。该应用的实现可有效提升用户体验性能，eMBB场景的目标是人与人之间极致的通信体验。
        2.2 超高可靠超低时延通信
        uRLLC将有效支持关键任务应用程序，使用户和设备在保证高网络可用性同时，能够以低延迟与其它设备进行双向通信，与当前移动通信系统（例如交通安全、关键基础设施、行业过程的控制）相比，需要更低的延迟[4] 。虽然传输到设备和从设备传输的数据的平均量较小，但是更大的瞬时带宽将有助于满足对于容量和延迟要求。由于应用程序框架的要求和媒体编解码器限制可能会导致实际应用中更高的延迟，而为了支持这种对延迟至关重要的应用程序，5G允许应用程序端到端延迟1ms。uRLLC主要体现物与物之间的通信需求。因许多服务将在靠近空中接口的地方分配计算容量和存储，这将为实时通信创造新功能，并将在设备互联、自动驾驶车辆、工业过程控制等各种场景中实现服务的高可靠性。
        2.3 大连接物联网
        mMTC实现了设备装置或技术在数量上尽可能多的参与到物联网中，满足人们对于覆盖区域、连接支持、功耗成本、网络带宽等一系列因素的需求，保证大量相邻设备同时享受顺畅的通信连接。以传感器为例，尽管每个传感器产生的数据量通常非常小，对移动通信网络的总体流量所具有的影响也非常微弱，当部署数百万甚至数更高数量级的传感器，就会产生重大影响，连接设备的绝对数量严重影响了网络提供信令和连接管理的能力。为了解决这个问题，同时满足不损害设备所需的安全功能，移动网络可通过短程无线电接入技术提供设备连接，连接设备后，移动网络经由网关提供超出本地区域的无线连接，从而实现尽可能多处理不同的应用。mMTC与现有网络共存，更加侧重人与物之间的信息交互，具有广覆盖、多连接、大速率、低成本、低功耗、优架构等特点，使得许多设备支持嵌入式高速传感器和智能仪表等应用。
        3 应用方案分析
        以eMBB 及mMTC 通道的切片方案为例。通对生产线设备进行有线变无线的改造（即增加无线模块），为建设基于无线传输网络的生产线及车间监测，将生产线的数据对接至其制造执行系统（MES）进行分析展示，为工厂内生产运营情况提供实时信息，通过无线通信模块实时回传数据，实现对设备的实时监控。通过5G+移动边缘计算（5G+MEC）技术，实现在云端部署总体管理平台，在本地部署监控平台，在边缘侧部署MEC模块[5]。
        对接后的数据采集与监视控制系统（SCADA）设备仪器仪表运行状态视频监测模块涵盖了音视频识别技术等，可定时、定点、定路径巡检。巡检过程中，通过5G 网络回传实时高清巡检画面、设备信息、环境信息等，系统通过对收集到的数据进行人工智能分析，判断厂区设备或环境是否存在异常。该方案利用5G 技术的高速率、低时延、高可靠、网络切片[6]和移动边缘计算等特性，形成基于5G 的智能巡检业务，可大幅提升工厂内的巡检效率。通过5G的低时延高可靠特性，可大大提高对视频识别实时性和可靠性，从而可利用机器人对厂区进行有效的自动巡检。
        4 在5G的时代下建立工业互联网的主要措施
        4.1加大互联网信息数据处理功能，优化当前互联网发展架构
        目前在5G时代下建立工业互联网，其所采取的必要措施之一，便是加大工业互联网自身的信息数据处理功能。对于工业互联网自身的应用而言，数据信息的处理功能在很大程度上决定了工业互联网的整体发展，大量的信息数据存在于工业互联网的各个环节，而数据信息分析计算的不及时就会导致互联网运行的卡顿与迟缓[7]。
        此外，结合5G时代下对于工业互联网的发展契机，还需不断完善工业互联网自身的内在架构，进而充分的融入到5G时代当中。优化当前互联网发展架构，明确互联网应用的具体环节流程，确保环节的紧密衔接，保证工业互联网应用环节的有序平稳。
        4.2引进专业化的技术人才，将5G技术与互联网密切结合
        5G时代的到来，对于工业互联网的发展应用提出了更高的要求。当前在工业互联网的发展应用中，要保证相关工作人员具备必要的技能与素养，培养并引进专业化的人才，加强对于工业互联网研究的投入力度，成为突出矛盾。
        工业互联网的发展，是建立在物与物之间的联系，而从工业互联网本身出发，其主要载体是相关的工业技术及工业产品。工业互联网构建与应用的根基，在于加强物与物之间的联系，将物的信息进行交互和串联，突出体现互联网的真实价值。因此，还需进一步结合5G技术的数据计算分析优势，突破原有的工业互联网数据应用弊端，持续优化当前工业互联网的产业结构[8]。
        5.结束语
        推动产业数字化，带动数字产业化。通过发展5G+工业互联网，促进数字经济进一步壮大，不断形成先进生产力，推动工业化与信息化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展。5G、云计算、边缘计算、人工智能等新一代信息通信技术的落地，也将带动自动化、软件、网络等产业实现高端化突破，不断培育壮大新技术新产业。
        参考文献
        [1] 中国移动通信集团有限公司，中国移动工业互联网应用场景白皮书，2019,12.
        [2] 物联网智库，2021年5G+工业互联网发展评估白皮书，2021,1.
        [3] HAN L,MACIEJEWSKI M,BROCKEL C，et al. A PRObabilistic Pathway Score（PROPS） for Classification with Applications to Inflammatory Bowel Disease[J].Bioinformatics,2017.
        [4] DRIER Y, SHEFFER M, DOMANY E. Pathway-based personalized analysis of cancer. [J]. Proceeding of the National Academy of Sciences of the United States of America, 2013, 110(16): 6388-6393.
        [5]ETSI MEC ISG．Mobile-edge computing introductory technical white paper[R／OL]．(2014-09-18)[2017-05-01]．
        [6] NGMNAlliance.5G white paper[R].2015．
        [7] 吴文君,姚海鹏,黄韬等.未来网络与工业互联网发展综述[J].北京工业大学学报,2017,43(2):163-172,前插1.DOI:10.11936/bjutxb2017010007