5G与工业互联网融合发展的思考

宁夏

一、引言

工业互联网是第四次工业革命的重要基石。随着新一代网络信息技术快速发展并与制造业深度融合，工业互联网应运而生，由网络、平台、安全三部分构成，网络是基础、平台是核心、安全是保障。5G通信技术的快速发展，为工业互联网提供了大带宽、低时延、高可靠的网络基础，为工业互联网的发展提供了有力支撑。同时，工业互联网的建设将为5G的产业化落地拓展出更多的垂直行业应用场景，使5G商用进程不仅仅面向传统的公众电信需求。

本文针对工业互联网发展的垂直行业应用需求进行系统梳理，分析5G关键技术以及核心性能指标，总结5G技术与工业互联网应用场景的匹配程度，提出5G与工业互联网融合发展路径。

二、工业互联网的典型场景梳理与需求分析

传统的工业应用主要面向工厂自动化、流程自动化、HMI和IT系统、物流和仓储自动化、监控与维护自动化。随着第四次工业革命的到来，工业现场的需求显著拓宽，工业应用需求从传统的功能需求向全面拓展的功能需求和全面细化的性能需求拓展。当前，各垂直行业领域的共性需求场景主要包括超高清视频、机器视觉、AR/VR、远程控制、AGV、无人机等。本文针对上述典型应用场景进行梳理，分析主要的需求指标。

（一）超高清视频

超高清视频的传输应用需求是工业互联网垂直行业的共性需求。超高清视频可用于常规的监控安防、录像回放，但更重要的意义在于提供智能化、自动化图像分析的功能应用，包括基于图像识别的人脸识别、字符识别、物体识别和行为分析等，以支持工业现场精细化、自动化的安全管理、流程管理、事故预警等。

对于图片视频的采集和传输（1080P），一般应支持2-10Mbps的上行传输速率和不超过30ms的通信时延；对于用于人脸识别等应用的高清视频，一般需要4K分辨率图像，应支持12-40Mbps上行传输速率和不超过30ms的通信时延；而对于行为分析等8K分辨率视频传输，一般应支持48-160Mbps的上行传输速率和低于20ms 的通信时延。基于4G的傳输由于受限于上行传输速率的限制，一般能支持 1080P信号的单链路传输和多链路并发传输，但对于4K、8K视频的传输，则仅能支持4K的单链路传输，且受限于核心网侧的通信时延，难以满足30ms以下的通信时延。

（二）机器视觉

工业场景中机器视觉主要用于生产过程中的精细化管理，与工业现场的生产信息化管理系统相结合，实现产品识别和检测，物料、生产设备以及产品等物体的定位、测量、分拣等。

对于机器视觉的前端图像信息实时上传，一般应支持不低于50Mbps的上行速率、以确保8K视频能够实时完整传输，还应支持20ms以下的通信时延。对于后端生产信息化管理系统的信息反馈，则一般为相应的管理和调度指令，应支持不低于1Mbps的下行传输速率和100ms以下时延。基于4G的传输目前不能支持机器视觉前端图像信息的实时上传需求。

（三）AR/VR

AR/VR一般用于支持工业现场的实况感知和监测、远程协助、辅助装配、样品展示等。AR/VR的应用对于低时延的需求显著。

对于工业现场的实况感知、远程监测、样品展示等应用，一般应支持不低于50Mbps的上行传输速率和不低于20Mbps的下行传输速率，时延应低于20ms；对于设备辅助装配、远程协助等应用，一般应支持不低于50Mbps的上行传输速率，时延应低于10ms。基于4G的传输目前无法支持上述时延要求，且难以满足多链路并发传输的上行传输速率。

（四）远程控制

远程控制在工业现场的典型应用主要有建筑挖掘机、开采设备、港口岸桥吊、园区运输车等，在低时延和上行传输速率均有较高要求。

对于远程控制前端设备的视频回传，一般应支持8K视频传输需求，支持不低于50Mbps的上行传输速率、时延应低于20ms；远程控制后端控制指令的发送应支持不低于50kbps的下行传输速率、时延应低于10ms。基于4G的传输目前无法支持上述时延要求，且无法满足8K视频传输的需求。

（五）AGV

云化AGV可实现工业现场的自动化物流、货物装卸、物体搬运、物体分拣等应用。AGV应用由于需要实时感知和决策，对于上行速率和时延均有显著要求。

对于常规调度通信和设备状态管理的应用，一般应支持1Mbps的上行传输速率、时延低于100ms；对于采用激光雷达等方式、需要与云端交互的实时感知、路径规划和决策相关信息，应支持最高200Mbps的上行传输速率，时延应支持20ms-40ms；对于采用其他基于视觉方式需要与云端交互的应用，一般应支持最高1Gbps的上行传输速率，时延应支持10ms-100ms。基于4G的传输目前仅可支持AGV前端预处理方式的应用，对于云端进行计算处理的传输需求难以支持。

（六）无人机

无人机可用于工业园区的安防、设备巡检、事故监测预警、智能化物流等，主要的通信需求是低时延和上行较高的传输速率。

对于无人安防等常规监测类应用，应支持不低于25Mbps的上行传输速率（4K）和不低于600kpbs的下行传输速率，时延应小于10ms。对于无人巡检、事故监测预警等精细化应用，应支持不低于100Mbps的上行传输速率（8K）和不低于600kps的下行传输速率，时延应小于10ms。基于4G的传输目前无法满足无人机实时操控的时延需求，仅能支持4K单链路的上行传输。

综上，通过对超高清视频、机器视觉、AR/VR、远程控制、AGV、无人机等工业互联网垂直行业的共性需求场景分析，工业互联网对于无线通信的需求主要为：上行传输速率应可支持8K视频传输，单链路上行速率应支持50Mbps-200Mbps，多点并发时上行传输速率可达1Gbps以上；多数时延需要要求在40ms以下，控制类应用的时延应低于10ms。此外，工业互联网的高阶应用需要支持物理空间与数字孪生空间的全面映射和实时交互，需要对多应用场景的进行系统工程建模和融合应用，传输速率等需求将会线性增长。通过本节分析，上述通信需求无法通过4G通信支持，5G成为工业互联网典型共性应用场景的支撑手段。