卢泓松
中国联合网络通信有限公司广西分公司 广西 南宁 530022
5G 为代表的现代通信网络技术，以及随之而来的移动边缘计算技术在工业互联网领域起到关键的连接作用，将生产要素紧密地结合在一起，发挥协同作业价值，本文就将给出5G 工业物联网边缘计算应用。
关键词：5G；工业互联网；边缘计算
一 5G和工业互联网发展趋势
5G 技术作为新一代移动通信技术，形成了许多围绕着物联网和垂直行业的热门使用场景，尤其是工业互联网。5G 在工业互联网中的应用取决于其高速率、低时延、大容量和移动性，以及支持可扩展性、可编程性、多用户性的核心网，能基于同一基础架构以明确的服务水平协议支持不同使用场景。5G 技术的以上优势，能够满足高可靠、低时延、抗干扰和高安全性的工业场景要求，通过网络化、智能化实现降本增效，推动经济产业结构升级，增强工业制造领域的竞争力。其针对工业互联网的核心技术领域均能有较显著的增强效果，成为各项信息技术的能力倍增器[1]。
5G 的出现为工业企业在现场级设施方面提供了一个新的业务机会 —— 移动边缘计算（mobile edge computing，MEC）[2]。根据 5G 网络的部署方式（5G 无线网络是否与运营商公网连接，或有条件连接），MEC 边缘云可被认为是公网边缘侧的一个网元，或用户侧无线局域网中的一个私有云。5G MEC 边缘云不光是 5G 无线网络的接入，也是企业其他网络的连接对象，如现场级总线、工业以太网、企业外网等，从而体现了“MEC”中的“M”是多接入（multi-access）而不仅是移动接入（mobile-access）的意义。5G 边缘云计算技术是将传统的云计算技术应用在边缘基础设施之上的创新，其本质上是边缘基础设施的云计算系统，通过边缘云计算技术，能够实现边缘位置的计算、网络、存储、安全等能力全面的弹性平台基础设施能力，真正实现“无处不在”的云。通过将网络转发、存储、计算等工作放置在边缘处理，帮助用户把计算、转发、智能数据分析等业务下沉至边缘，降低响应时延、减轻云端压力、降低带宽成本，提升应用运算效率，并完成全网调度和算力分发等云计算的能力，适用于分布式架构下的各类业务。
阶段一：定义 MEC 基本架构，服务管理API，无线信息开放北向 API。
阶段二：完成 MEC 架构与 NFV 架构融合，应用迁移机制研究，定义固网、Wi-Fi 接入API，分析 MEC 与切片及 5G 网络的关系。
阶段三：与垂直行业组织合作（例如5GAA、ITS 等），开展面向垂直行业的平台能力设计[4]。
目前移动网络以 4G 和 5G 非独立（NSA）组网为主，当前 MEC 已具备与 4G 和 5G NSA 融合的能力，实现平台和网关分布式部署，支持静态LBO 策略、静态低时延，后期可平滑向 5G 独立组网（SA）演进。5G SA 架构天然支持 MEC，UPF 支持多种模式，可灵活部署，支持动态本地业务分流和移动性低时延边缘业务。
二 5G 边缘计算如何应用于工业互联网
5G 技术的发展，其技术优势将推动万物互联。当前工业企业内网主要以工业以太网和现场级工业总线为主，受限于 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术的稳定性、传输速率、安全性以及移动性的限制，如今无线技术难以在工业互联网领域得到广泛应用。目前无线技术只占企业内网的 6%，且应用具有局限性，如：网络无法满足智能制造海量设备连接的问题、带宽服务难以实现如高清视频的传输、时延高于智能制造的基本要求、工业级 Wi-Fi 的分组丢失断网问题在第六代 Wi-Fi, 技术中依然没有完全解决，无法保障智能制造持续生产5G 时代的到来，可以实现海量数据同步传送，传输全息影像 3D 视频信号，在交互性上实
现质的飞跃；5G 可以实现低时延高可靠数据传送，使很多远程控制成为现实；5G 能以较低成本连接更多设备，满足大量生产环节联网需求。5G适用于 70%以上的传统工业场景，可以有效地解决传统工业场景中受限于有线连接方式的问题，衍生出一系列新型的工业应用与场景。
5G 与边缘计算可共同助力工业互联网发展。5G 体现其网络价值优势，包括以下几点。
（1）无线/移动连接：无须布线，工厂和生产线的建设施工更加便捷，减少大量维护工作，降低成本；机器设备活动区域不受限，方便在各种场景实现工作内容的平滑切换。
（2）大宽带：承载高清视频监控、AR/VR、操作维护等大量指数级增长的数据。
（3）低时延：控制信息等虽少量但对实时性、可靠性、安全性要求很高。
（4）大连接：支撑了海量的设备联网需求。
边缘计算释放企业数据价值，具备如下特性。
（1）降成本：有效降低数据传输成本和云存储成本，通过边缘侧计算，只将所需结果数据同步至云端。
（2）低时延：小于 10 ms 的时延，一触即达，保证关键和精准的精细操作。
（3）高安全：5G 与边缘计算的特性共同确保了信息安全，私密数据可不出厂区完成计算。
三 工业边缘计算应具备的服务能力
工业边缘计算服务同样需要一套平台来构建，从大方向上划分，南向通过 5G 基于内置云化驱动连接工业设备，实现数据采集与反馈控制，北向为工业应用赋能并承载工业应用。为实际项目实施给出如图 4 所示的参考模型。现场级“边缘计算云平台”实际上是台“工业终端”，包括硬件、工业操作系统、工业 App 3 个部分，其核心是“工业操作系统”。工业操作系统主要可由应用商店、应用运行环境、用户管理、数据服务、安全服务、通信管理、网络驱动、外设驱动、多云管理这几部分组成。其中，应用商店承载第三方App 提供方企业自主研发的 App。数据服务主要包括数据可视化、时序数据库、行业数据服务、行业模型服务、区块链等。网络驱动主要有 5G、Wi-Fi、工业以太网等。外设驱动主要包括 CNC、PLC、显示器、传感器等。多云管理主要是对私有云、公有云、混合云的管理。
数据服务（工业大数据 PaaS 功能）包含基础工具、数据可视化、图形组态、3D 孪生、行业数据服务、行业模型服务和能力开放等。基础工具提供 AI 运行库框架、关系型数据库、时序数据库、流式计算、嵌入式数据库、缓存数据库等多种数据微服务；数据可视化和图形组态使用灵活易用的拖拉拽的可视化和组态方式，完全基于 Web 的开发和访问，为用户提供快速构建工业自动控制系统监控功能；车间、设备、流程通过 3D 技术，对工业生产厂房、制造设备、工艺流程进行真实展现，并对设备的结构、工段进行动态展示，基于数据驱动，接入实时采集数据程进行仿真；行业主题数据库将网络运营商独有的位置数据、终端数据、设备标识数据等与工业业务数据相结合，丰富数据维度，形成新型业务应用，适用于智能巡检、故障定位、风险预警、机器视觉质量检测、等工作。
四 工业创新应用场景
物联网与实时控制：5G 能满足海量低功耗嵌入式传感器的网络连接与数据传输，以及机器、设备和人之间前所未有的互动和协调，并使工业自动化闭环控制应用通过5G 网络连接成为可能。边缘计算则承载了数据模型算法、自动化控制器等，共同赋能物联网与实施控制。场景包括 3D 可视化、预测性维护、数字孪生等设备管理应用以及工程机械港口岸桥吊、园区运输车、开采设备等远程操控应用。
视频监控与机器视觉：对于现代制造企业而言，此类应用越来越普及，如质量检测、操作维护、基于安全管理行为类的监控等。通过基于 5G 与边缘侧人工智能模型的机器视觉分析，满足海量的数据传输要求。机器视觉 AI 应用主要包括产品识别、产品检测、
物体测量、物体分拣、物体定位等方面。
工业 AR/VR：在智能制造过程中，通过AR 等技术实现人机协作、监控生产流程、
生产任务分步指引，5G 带来的高带宽连接加上边缘计算提供的 AI 指导、辅助算力，
为 AR/VR 提供了更广阔的应用空间。
参考文献
[1] 工业互联网产业联盟. 工业互联网平台白皮书[R]. 2019. Alliance of Industrial Internet. Industrial Internet platform white paper[R]. 2019
[2] 沈洲, 安岗, 余明明. 5G 在工业互联网中的探索和应用[J]. 信息通信技术, 2019, 13(5): 17-22. SHEN Z, AN G, YU M M. The exploration and application of 5G in the industrial internet[J]. Information and Communications Technologies, 2019, 13(5): 17-22.
[3] 阿里云计算有限公司, 中国电子技术标准化研究院. 边缘云计算技术及标准化白皮书[R]. 2018. Alibaba Cloud Computing Co., Ltd., China Electronics Standardization Institute. Edge cloud computing technology and standardization white paper[R]. 2018.
[4] 吕华章, 陈丹, 王友祥. 聚焦 MEC 边缘云, 赋能 5G 行业应用[J]. 信息通信技术, 2018, 12(5): 22-30, 39. LV H Z, CHEN D, WANG Y X. Edge-cloud platform architecture and exploration of business practice[J]. Information and Communications Technologies, 2018, 12(5): 22-30, 39
卢泓松（1992-），男，壮族， 籍贯广西南宁，本科学历，现就职于中国联合网络通信有限公司广西壮族自治区分公司，主要研究方向为，5G、边缘计算