基于5G 专网的工业互联网应用实践研究

［余梦影 王会义 黄金朝 邓骥 谭启祥］

1 引言

工业互联网是新一代信息通信技术与制造业深度融合的产物，通过构建连接机器、物料、人、信息系统的基础网络，实现工业数据的全面感知、动态传输、实时分析，形成科学决策与智能控制，提高制造资源配置效率[1]。工业互联网已成为领军制造企业竞争的新赛道、全球产业布局的新方向、制造大国竞争的新焦点。目前，工业互联网技术处于“快速发展、持续更新”的过程中，以5G、人工智能（AI）、区块链等新技术引领，融合软件、控制、装备、安全等领域知识机理，围绕数据核心能力构建形成新一代技术体系。

2 应用于工业互联网场景的5G 网络技术优势

工厂内网通信涉及固定设备和移动设备，如注塑机、冲压机、机械臂、AGV 等。大部分设备有线网络或Wi-Fi网络部署到车间和机台，但因为工厂的车间面积大，结构复杂，设备分散，布线难度大，成本高，耗时长，迫切需要更加可靠便捷的通信方式解决设备联机问题[2][3]。目前工业界采用的无线通信协议众多，如短距无线（蓝牙、Zigbee）、工业专用无线（如WirelessHART）、3G/4G 蜂窝无线、Wi-Fi 等，这些协议各有不足且相对封闭，设备互联互通较难，制约了设备上云。同时，由于Wi-Fi 受机器磁场干扰存在丢包和通信不稳定的情况，这一情况也需要改善。因此，借助5G 技术的推广，能找到实时性更高、更可靠、更灵活、维护性更好、成本更低的工厂网络部署方案。

5G 具备感知泛在、连接泛在、智能泛在等优势，有望成为工业互联网的网络及技术底座，5G 相对于其他无线通信协议优势显著。

①5G 抗干扰能力更强，Wi-Fi 使用公用频段导致抗干扰能力差；5G 使用运营商独有频段具备更高的安全性和可靠性。

②5G 能够承载高并发大数据量业务，Wi-Fi 信道少，资源有限；5G 具备大带宽特性。

③5G 能够保证超低时延及更广覆盖，Wi-Fi 时延不稳定，用户增多导致时延增大；5G 网络可通过行业定制化降低时延，增加覆盖能力。

④5G 可以实现快速切换保障数据可靠传输，针对快速移动场景，Wi-Fi 连接下无法进行切换，5G 网络可以实现数据切换。

尤其在工业互联网领域，对工业数据的安全要求性、网络可靠性更高。以当前较为先进的Wi-Fi6 技术为例，5G 网络技术在终端安全、空口安全机制、隐私保护等项目上，如图1 所示，5G 相对于Wi-Fi6 有以下优势。

图1 5G 与Wi-Fi6 技术的对比

3 应用于工业互联网场景的5G 专网技术

3.1 网络切片

企业可租用运营商网络，以网络切片方式提供VPN（如中国移动5G 尊享专网模式）；面向消费者应用时TDD(时分双工)下行容量高于上行，而工业互联网则需要更大容量用于上行。相反的TDD 上下行配置在运营商同一网络时需要有业务隔离，以应对互相干扰。

3.2 专用频率

企业可申请专用频率自建5G 专网（如中国移动5G尊享专网模式），可实现灵活按需配置TDD 的上下行时隙，无需考虑与公网TDD 上下行时隙配置的兼容问题。

3.3 MEC 技术

目前面向企业的边缘计算需求，中国移动5G 专网采用两种部署场景：共享式、入驻专享式。共享式MEC 部署方式，可利用运营商海量的边缘机房、已经部署的计算资源可助力快速、低成本部署边缘计算的工业互联网应用。专享MEC 入驻部署，可实现超低时延、数据不出园区的需求。

3.4 TSN 技术

从需求角度看，工业互联网涉及物流、采购、仓储、生产、产品和服务等全要素，5G 超大带宽、超低时延等特有优势可以实现海量数据毫秒级传输，确保工业互联网全要素资源的顺畅连接和快速精准控制的高要求。

对于时延和同步要求十分严格的流程工业和自动化生产线，需采用时延敏感网络(TSN)，它改进工业以太网，在数据链路层以太网报头的虚执局域网标签中增加QOS分类，允许高优先级的帧打断低优先级帧的传输以保证低时延。主要应用技术手段如下。

①利用5G 接入网和核心网能力为垂直行业提供局域网服务。

②提供IP/non-IP 连接、私网标识与管理、与公网的互操作。

③5G 架构支持ISN 网络能力、同步配置和QOS 要求。

4 5G 专网技术融合工业互联网应用实践

中国移动联合中国联塑集团就工业互联网所涉及物流、采购、仓储、生产、产品和服务等全要素，结合5G 专网超大带宽、超低时延等特有优势，就佛山总部园区的六大5G+工业互联网应用进行了实践。应用实践涵盖工业园无人车间注塑、质检、包装等生产环节，同时升级物流、能源、中控等流程的5G 工业园解决方案，满足联塑工业园降本增效、产线柔性化制造、设备快速迭代的发展需求，端+用+网+平台的架构如图2 所示。

图2 本文工业互联网应用实践架构图

4.1 5G+工业设备无线采集应用

智能化的生产需要布设大量控制、管理和传感器终端，为了解决Wi-Fi 网络容量低、信号不稳定、易受到电磁干扰等问题。本论文采用5G 切片网络实现生产设备、采集终端与MES 系统之间的数据交换。

园区IT 网络与广东移动的5G 数据网之间采用数据专线连接。如图3 所示，通过移动的传输网、核心网，并通过企业专线接入联塑集团内部MES 网络环境，实现MES 通过5G SA 终端与MES 管理平台之间互联互通。5G 业务网关基于广东联塑专用行业5G DNN，并把MES终端发出业务数据通过专线转发到联塑集团内部MES系统。

图3 工业终端5G+无线采集应用构架

4.2 5G+生产设备远程控制应用

远程控制一直是提升生产效能、实现多生产单元协作的必要手段。由于远程控制会直接影响生产环节的产品质量和产出效能，现阶段远程控制的通信方式大多利用有线网络实现，从根本上限制了生产环境的灵活部署能力，也在一定程度上限制了生产过程的控制范围。

利用5G专网边缘云业务低时延的网络特性，实现广东联塑1 号无人车间的机械臂等各类新旧设备与MES 系统的数据采集及监控系统的互联互通，解决了有线部署迁移不便、线路老化的安全隐患。同时达到降低作业风险，提高作业效率的目标。

4.3 5G+机器视觉缺陷检测应用

如图4 所示，5G 机器视觉缺陷检测应用采用超高清摄像头拍摄的管道产品切面图像，通过5G 专网上传到人工智能云平台计算，通过机器学习算法对成品照片与合格样品进行比对，利用历史数据训练深度学习图像分类模型，并使用人工智能模型对待检测的产品进行错、漏、反自动化检测，不符合条件的产品自动判定不良，系统记录不良信息并控制自动排出。解决了肉眼难以识别的质检难题，以及质检工人易疲劳、易出错的问题，同时节约人工检测成本。

图4 5G 机器视觉缺陷检测应用构架

4.4 5G+AGV 机器人应用

AGV 调度需要稳定、安全的无线传输方式，采用5G信号进行传输，解决了Wi-Fi 信号不稳定、干扰及时延的问题。生产物料通过AGV 在工业设备中灵活运送，设备之间的通信通过5G 网络完成，设备与PLC 之间通信也采用5G 专网，设备之间摆脱了以往的线缆羁绊，可以根据产能变化灵活增减设备、调整布局、优化产能，既可以以最小代价、最短时间增加产能，也可以在产能过剩时快速减少设备。

4.5 设备故障预警应用

通过5G 专网实时采集各类生产设备和终端的传感数据，传输到边缘云设备故障诊断系统。设备故障诊断系统负责对采集到的设备状态数据、运行数据和现场视频数据进行全周期监测，建立设备故障知识图谱，对设备运行趋势进行动态智能分析预测，并通过5G 网络实现报警信息、诊断信息、预测信息、统计数据等信息的智能推送。

4.6 5G+工业视频监控分析

智能图像分析服务器通过5G 专网获取视频信息输出至5G 边缘云，通过部署在边缘云的AI 平台获取识别结果。基于厂区、车间内摄像头采集的图像，监测职工是否符合安全着装规范、作业规范，检测职工及作业车辆的违规离岗、违规闯入、违规停留等行为，综合评估厂区的合规度，为企业评估安全生产管理状况并采用针对性的提升方法提供精准依据。同时，采用5G inside 的摄像头可无线无电源灵活部署，满足生产设备故障突发的紧急临时布控需求。

5 总结与展望

从全球看，工业互联网发展水平与国家的国际竞争力强相关，5G 作为工业互联网的网络及技术底座直接决定其发展进程。2019年11 月，工业和信息化部印发了《关于印发“5G+工业互联网”512 工程推进方案的通知》，明确到2022 年，将突破一批面向工业互联网特定需求的5G关键技术，“5G+工业互联网”的产业支撑能力显著提升；打造5 个产业公共服务平台，构建创新载体和公共服务能力；加快垂直领域“5G+工业互联网”的先导应用，内网建设改造覆盖10 个重点行业；打造一批“5G+工业互联网”内网建设改造标杆、样板工程，形成至少20 大典型工业应用场景；培育形成5G 与工业互联网融合叠加、互促共进、倍增发展的创新态势，促进制造业数字化、网络化、智能化升级，推动经济高质量发展。

随后两年间，各省市纷纷颁发了5G+工业互联网、数字化转型的相关政策性支持文件，为我国加快工业互联网发展步伐，克服运营商、工业企业、产业链合作伙伴在实践中克服各行业知识多样性，提高协同协作效率提供了动能。

本方案可结合各省市5G+工业互联网政策支持，加快进行快速复制推广，将实现以下愿景：①紧密落实中央新基建要求，通过5G 专网及工业互联网应用建设，带动社会新旧产能升级，加快向中国制造2025 目标迈进。②通过信息化、智慧化的手段，落实安全生产，体现人文关怀。③推动高端人才就业，人才向高精尖研发转移。