基于5G技术的工业互联网发展研究

【摘要】为促进5G技术与工业互联网实现进一步深度融合，加速推进传统制造业的转型升级，迅速向智慧化生产发展，基于近年来国家提出的“新基建”的主要内涵与核心领域，本文分析了5G技术可实现的主要应用领域以及可与工业互联网深度融合的可能性，探讨了工业互联网发展现状，指出了其发展过程中现存的问题，分析了5G+工业互联网发展所面临的主要挑战与未来的发展趋势，并建设性的提出了一系列促进5G+工业互联网实现深度融合发展的建议，以达到进一步提高5G+工业互联网建设质量，加速推进传统制造业向智能制造的转型升级，有效提高产品品质与生产效率的目的。

【关键词】5G技术;工业互联网;融合;挑战;建议

中图分类号：TN92                    文献标识码：A                     DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2022.06.001

1. “新基建”概述

国家发展与改革委员会于2020年4月20日正式解释了“新基建”的范围，解释中指出“新基建”的引领的核心是新发展理念，驱动的核心是技术的创新，同时也是基于信息网络迈向高质量的发展，其中高质量的发展需要一些服务的基础设施体系，这些基础设施体系中包含数字转型的提供，智能化升级以及创新的融合。大方向上包括三个大方面的内容（如图一显示）：第一，通信网络相关的基础设施的建立，它大体包含5G、物联网、工业互联网和卫星互联网等;信息基础设施范畴内包括新技术和算力基础设施。新技术基础设施包括人工智能、云计算、区块链等，算力基础设置的建立包括数据中心和智能计算中心等。第二，传统基础设施转型的融合基础设施通过采用对大数据或者互联网等相关方式来进行的。第三，使用具有公益形式的设施通过对产品进行分析，采用科学的研究方式作为基础。5G、工业互联网等相关领域的集合是属于“狭义”的新基建，这些相关领域都是目前“新基建”中的主要核心部分;但是从广义上讲，除了狭窄的“新基建”外，还应该包括传统基础设施的数字化改造等相关领域，此领域就是传统基础设施经过新一代信息技术进而的改造升级的设施。

2. 5G是“新基建”中的核心领域

5G在现如今应用的过程中，相比之前使用的4G具有明显优势，如高速、大容量、小延迟和高可靠性。当面对特定需求的行业，可以通过5G网络切片等相关技术对专网进行个人要求建立，这样一来，就可以达到网络时延、安全隔离等的相关问题不同能力需求的目的。因此，可以对行业进行某些方面的深层次赋能，其中包括信息化、数字化转型以及智能化方向。

2.1 5G赋能数字社会

在过去传统的社会生活中，实体设备与人们的生活紧密联系，满足人们的日常生活需要，然而，面对以后的信息化时代需要通过数据来体现社会对象的关联状态。人们为了要感知和控制社会的各种功能，因此需要使用更智能的手段，这也同时保证先进的信息手段能够实时的将接收到的数据进行传输。由于人们开始明白怎样将电磁波运用在无线通信的过程中，就在努力提高通信质量。通信质量的某些指标是影响无线通信技术发展的核心因素，这些指标包括通信时延、传输带宽以及网络容量等指标。然而5G的高带宽、低时延和大规模连接網络的特性，将有效助力数字社会，因为它可以解决这些发展的限制。

2.2 5G推动万物互联

当想到上几代移动通信技术，人们之间的“行走的通话”是第一代移动通信技术依靠模拟电路来时实现的。

数字化以及为个人化通信的普及是第二代移动通信技术做出的贡献，正因如此，通话质量当时被很大程度上改善了，同时也控制了相应的成本。

移动互联是第三代移动通信技术的增填特性，人们不仅可以语音交流，同时也可以分享图片以及视频等。总而言之，多元化信息交互是第三代移动通信技术的贡献。

随着第四代移动通讯的发展，人们的移动互联网需求将得到更充分的满足，不同的感觉将变得前所未有的舒适和流畅。然而，从目前为止的4代相关技术层面来讲，仅仅满足了人与人、人与物、物与物之间的相互信号传输，然而当5G技术出现时，万物互联将不会再停滞于概念阶段。

2.3 5G与工业互联网可有机融合

如上提到5G网络技术，能够有效进行人工智能、数据中心和其他领域的应用，所以面对特定区域，不能仅仅简单的运用5G网络技术来传输数据，但也必须与各种行业进行更大程度上的融合以及制定5G一体化数字等相关措施。

因为5G网络技术的运用，能够满足工业互联网中网络、数据、算法一体化的目的，并发挥重要作用。有机集成5G和工业互联网是实现智能化生产的关键方式。由于5G提供的新技术，服务类型发生了明显转变，由过去使用的数字化生产转为“元素+能力”相结合的方式，如图2所示。5G技术的运用，能够使得云计算相关技术在对大量数据的有效准确分析中有力地支持了制造业。生产链是智能生产的核心，从而能够有效增强在人工智能方面需应运的相关技术精准性，更好的协助智能生产制造进行研究，且提出针对性的方案。

3. 工业互联网的发展现状

3.1 工业互联网发展存在的问题

3.1.1 基础能力不足

数字化发展不平衡且不充分是我们国家现有的制造业的特征。我们国家的大部分企业都是处于2.0阶段，少数的一些企业达到了3.0阶段。大部分的企业都是在某些方面基础薄弱，其中包括网络化、数字化以及智能化演进方面。

严重依赖外部世界的方面主要是工业网络标准、技术行业等方面，没有单一的标准，功能兼容性薄弱;工厂的外部网络主要依赖于公共网络，很难提供安全和可靠兼并的工作环境，无法达到工业互联网所需的要求，因此，中小公司的管理层人员应该理解建设工业互联网是首要考虑的，我们国家在构建工业互联网方面的认识与资金投入需要提高，尤其是我们国家的中小型企业。

3.1.2 引领发展能力不足

我们国家缺少具有综合决策和全面覆盖能力的领先企业。我们国家的大部分公司存下的现象是：技术水平不完善，对企业发展没有长远的规划，所以不能够在国际发展中起到领先作用。不管从工业互联网产品的角度来考虑，还是需要制定出针对性的方案，我们国家的发展水平与西方国家存在明显的差距，应该大幅优化和改善国家核心发展能力。

3.1.3 要素保障能力不足

我資本投入和专业人才是我们国家的工业互联网保障能力的依靠。工业互联网领域的资本投资不足，阻碍了规模经济的发展;从职业培训的角度来看，工业互联网发展需要满足将产业、通信和IT相互联系起来进行，将软件开发相关经验融入到实际发展过程中，除了建立应用程序之外，确保在工业发展中对相关技术的掌握。然而，人才方面的短缺一直是需要处理的问题。

3.2 5G+工业互联网面临的挑战

一般情况下，5G+工业技术的引进存在一些问题，比如：规模较小、商业模式不明显、价值体现不明确等。将问题整理可具体分为以下三个方面：

3.2.1 成本结构未清晰

无线电频谱成本价格是大家都可以看到的，因为5G网络的覆盖仍比4G网络低，除了部署5G网络及其所需组件的成本价格外，相关系统的开发、后期得运营不能够很好的深入研究。

3.2.2 安全可靠未明确

因为移动连接方面的实际运用经验不足，有很大一部分的商家无法对5G网络的安全和可靠性产生信心，而对于那些对技术链条的时间要求比较严格的相关企业，若采用中断网络的措施是不行的。仅仅是技术优势能够达到预期的目标时，且能够很好的控制风险的发生，生产商才能够专注于5G网络。

3.2.3 通信模组未成熟

几乎没有5G工业基础设施能够真正独立并经受时间的考验。然而，工业链条缺乏工业兼容的通信组件。仅仅只有少数模块制造企业慢慢的开始为工业互联网领域生产5G模块，但到目前为止还没有达到规模效应。

3.3 5G+工业互联网的发展趋势

正如上面所提到的，虽然5G+工业互联网在实际运用的过程中难免还是有一些问题，但是相比于过去的技术来讲，整体得到了改善。根据具体任务，“深化5G+工业互联网”，在《工业互联网创新行动计划（2021-2023）》中提到，其针对性措施分为以下：

确定与5G工厂能够相连接，鼓励从外围辅助通道渗入到主要生产渠道的5G应用，并加速示范场景的推进;

研究专用5G网络的构造和运行方式，建设5G工业互联网的特定频率，且开始投入建设5G工业网络试验站点;

创建一个公共服务平台来改造5G网络，培养应用程序，测试和验证和其他服务。

从应用的角度来看，它将继续从外部渗透到内部，形成一个完全连接的5G环境。在构建网络环境时，5G技术将决定数据隐私的关键点。安全与可靠性将逐渐成为工业互联网发展过程中需要满足的条件。此外，由于5G+工业互联网和生产企业网络标准不兼容，需要对相关问题进行不断的优化和修改，且提出针对性的解决办法。

4. 5G+工业互联网的推进建议

4.1 5G全连接

5G的延迟更低，更快的速度，更多的访问和更大的稳定性，在工业互联网发展中，5G独有的性能能够为发展提供动力。依照各个相关公司对网络索引提出的期望，5G技术能够在近三分之二的企业中进行运用。

大多数现有的工业互联网应用程序具有明确的要求，仅仅在外围辅助的情况下进行，其中重要环节少。相比过去的数字工厂，新引进的5G技术能够支持高效的数据管理。生产单位能够将云计算、大数据等先进的技术相互联系起来，形成一体化的模式，将工厂的所有生产因素结合起来，以确保车间的灵活性。这将大大提高生产效率。

4.2 5G专网建设

基于公共网络的专网5G和基于NPN的专网5G是两种模式。根据相关规定，PNI-NPN和SNPN是基于NPN的专网5G的两种类型。NPN服务是通过PLMN网络提供，也就是采用普通大众使用的运营商网络来进行对工业互联网的建设。在非公共网络功能使用情况下，采用对NPN规划多个网络切片实体，然而分配的多个网络切片无法对终端进行限制，导致尝试采用没有经过授权的情形下对网络进行访问，所以，针对该问题可以采用封闭的访问组进行。独立于PLMN的网络功能，也就是对工业互联网实现独立建设。

在这种情况下，采用专网5G架设时，通过依照不同的要求针对性的选择构建模式。面对需要采用低成本的方案且能够在短时间能建设时，采用共享运营商网络措施;当需要不同的服务来促进SNPN和PLMN之间的切换时，应该使用PNI-NPN。当对隐私有很高的要求，相关的生产单位具有较雄厚的资本和技术水平下，可以通过采用SNPN方案提高保密性。

4.3 5G网络化改造

工业以太网和现场总线是工业有线网络的主要两种形式，工业有线网络适合访问具有高带宽、实时可靠性和相对固定位置的设备

总线协议包括Modbus.Profibus.10-link. CAN/CANopen. CC-link等在内的几十种是用于生产的现场，而这些现场更多的是用于PLC模拟量接入，由于在运用过程中，出现传输距离不长，且在进行数据传输时速度较慢，并且安全性不能保证。其工业互联网存在相关的协议数量，体现在DeviceNet.Profinet.EtherCAT.EtherNet/IP.Modbus TCP协议。大多数用于北向输出PLC。通信速度高，网络拓扑灵活，但协议之间存在相互作用，很难针对性建设和短时间运行。

能够明显了解到，通信协议在工业中应用是非常广泛且多种多样，每一项都有其缺点和相对封闭，而工业设备之间相互联系是困难的，这大大阻碍了设备上云。快速需要相应的解决办法能够实现不同协议能够相互联系进行的无线系统，所以采用5G网络转型，创建突出的5G+互联网程序，且进行针对性的监测试验。

5. 结束语

在“十四五”计划中，2021年作为首年，应该确保我国能够大力对5G技术进行试验运营，加速5G在上游和下游的行业中成为成熟。未来5年内是我国在5G技术发展重要时间段，目标是能够确保实现5G+工业互联网的快速运营，向成熟化发展方向进行，从而能够形成网络合作、数字管理等新型模式。

参考文献：

[1]刘佳乐.5G+工业互联网综述[J].物联网技术.2021，11（12）：10-12.

作者简介：张向辉，河北省元氏县人，北京邮电大学通信工程专业，工程师，研究方向：通信工程。