5G技术在工业互联网中的应用与探讨

吴 艳，张 婷，贾燕燕

（1.宁夏职业技术学院，宁夏 银川 751600；2.中国电信集团有限公司，宁夏 银川 751600）

0 引 言

随着制造业智能化改造步伐的快速推进，传统的人工操作模式已向智能化转型。在这个过程中，工业机器人、数控机床、自动引导车（Automated Guided Vehicle，AGV）等智能化设备开始代替工人完成一些工作，能够减轻人力劳动，提高企业生产效率[1]。目前，企业机械化设备大部分以单片机的方式进行工作，在操作上采用的是人机结合的模式，生产过程数字化程度不高。随着科技的革新，智能制造已融入新通信、云计算、大数据、人工智能等技术，使设备具有自感知、自决策、自执行能力，缓解了企业人力资源匮乏的现状。当前，4G在工业互联网的规模扩张上还不能提供有效的技术支撑，而新一代5G技术作为设备间的数据传输技术，能够在智能制造中解决生产车间的实际传输问题[2]。

1 5G技术概述

从2013年成立5G推进组，2018年底基本完成5G技术的关键技术、技术方案和组网的测试验证，到2019年推出5G手机，这标志着我国正式进入5G时代。

5G技术的典型特征是增强型移动宽带、低延时、高速率、高可靠性以及海量的物联网通信。规划中，5G的最高速率可以达到10～50 Gb·s-1，具有更大的带宽。5G的终端设备数量呈爆炸性增长，为了实现海量终端全覆盖，接入网采用微基站技术，特点是布设密度较大、基站辐射小、终端功耗降低，传送时延小[3]。

《中国制造2025》规划纲要明确指出，要全面突破第五代移动通信（5G）技术；5G与其他行业融合，加速行业数字化转型升级；2020—2035年，工业在5G创造的经济活动中占比将达28%。

2 5G的关键技术

2.1 网络切片技术

网络切片技术是移动运营商针对不同的资源，将一套物理网络切分出多个端到端的虚拟逻辑网络。网络切片在纵向上从接入网、承载网到核心网子切片完成自身的逻辑隔离，任何一个虚拟网络发生故障都不会影响其他虚拟网络，这样就可以一网多用，不用为每项业务另建一个网络。网络切片在横向上组成各个功能端到端的连接[4]。

2.2 多址接入技术

5G采用了多种多址接入技术方案，通过在空/时/频/码域的信号发送的叠加方案，提升不同场景下的接入能力和频谱效率；采用多用户共享接入技术实现低功耗、低成本和海量连接；采用稀疏编码多址接入技术，完成物理层资源映射功能；采用非正交多址接入技术，可大幅度提升未来网络设备的计算能力；采用图样分割多址接入技术，实现通信系统的性能优化和联合检测。5G系统的新型多址技术能够满足智能制造的大规模连接需要。

2.3 边缘计算

边缘计算（Multi-access Edge Computing，MEC）是将云计算、云存储部署到接入侧的网络边缘，提供业务处理和云计算等功能。在工业互联网中，业务可以部署在基站附近，能够降低端到端的时延。将核心网用户面放到企业园区，能够实现园区数据闭环管理，保障业务安全。针对工业网大量视频数据传输的需求，MEC可以将数据存在本地并运算，节约网络开销和商业成本。5G网络支持灵活地在传输路径上插入分流点，引导数据流进入对应的边缘节点，提供传输路径优化和加速服务[5]。

2.4 时间敏感网络

5G利用高精准的时间同步技术，实现生产上信息处理的时间敏感性（Time-Sensitive Network，TSN），从根本上保障了智能工厂业务传输低时延的需求。

3 5G在工业互联网中的主要应用场景

在未来，随着工业互联网应用的推进，5G将逐步向超高清视频、AR/VR、无人机、机器视觉、远程控制、云化机器人、云化AGV和智能制造等场景切入，最终对工业制造生态和商业模式产生影响，技术路线如图1所示。针对各种场景差异化的性能要求，5G将面临更多的挑战。5G在工业互联网的应用包括以下六种场景。每个场景都对5G网络提出了新的要求。

图1 智能制造系统技术路线图

3.1 超高清视频

5G技术最早的应用场景就是高清视频，推动了超高清视频产业快速发展，促进了我国信息产业和文化产业的技术进步。现在，高清视频被用在对清晰度以及流畅度要求更高的智能识别方向，还有现在流行的超高清4K、8K视频技术。在工业环境下，智慧园区的人员管理、安防等场景，通过信息采集或监控，进行视频、语音、数据等数据的实时传输，增强了风险管控，提高了作业的安全性。

3.2 增强现实/虚拟现实

增强现实（Augmented Reality，AR）是将真实的世界通过软件建模与虚拟的世界有机结合的技术，而虚拟现实（Virtual Reality，VR）更注重沉浸式的用户体验。现在，AR技术已经融入设计、生产、营销、物流及服务的很多环节，借助5G技术协助专家远程指导工程，能够提高工业生产效率。VR技术在医疗行业已经快人一步，远程会诊、远程手术等方面已有不少案例。在工业领域，虚拟装配、虚拟展厅等场景设置，比教科书里抽象的平面图和难以理解的文字更加直观，还能给人带来身临其境的体验感。

3.3 无人机

目前，无人机的应用已经越来越广泛。在工业领域，电力巡线无人机已经被大范围使用，为电力行业节省了大量的人力和物力。还有一些无人机被用在智慧园区、智慧物流、设备巡检等领域。5G的上行速率最高可达200 Mb·s-1，可以支持无人机拍摄的4K、8K视频回传，此外还支持精准、实时的定位。

3.4 云化机器人

近年来，由于人力成本不断提高，企业利润持续走低。企业用工荒、员工技能层次不齐等问题，很不利于企业的长远发展。因此，机器人替代人力成本成为新动能。随着云计算和人工智能技术的不断成熟，人们将机器人的控制“大脑”放在云端。“大脑”可以将机器人所需的信息进行整合，自主学习和自动优化，本地机器人根据工作内容有针对性地控制、自主服务与自主判断。

3.5 远程控制

远程控制主要解决工业生产中环境与人的关系，比如大型港口的货物装卸，煤矿的无人驾驶和远程调度等。在生产中，不仅需要提供高清视频信息，还要保证网络的可靠性和灵敏度。而5G的最大优势就在于速度快、延时小。

3.6 云化AGV（自动引导车）

自动引导车（Automated Guided Vehicle，AGV）是能沿规定的导引路径行驶，具有移载功能的运输车。云化AGV将感知和计算等功能都转移到5G的边缘服务器上，AGV仍保留运动控制等功能，相当于在云端给AGV安装一个大脑，并让其具有一些人工智能（Artificial Intelligence，AI）的功能。AGV一般户外覆盖范围约2 km，能满足工业生产的需求。

4 5G融入工业互联网面临的挑战

从产业整体应用状况看，当前5G应用在工业互联网中还受制于产业的数字化水平，存在跨行业对接的壁垒、产业的商业模式还没有具体可行的案例等挑战。具体表现为以下三点。

（1）工业环境的数字化改造有待增强。数字化水平制约了5G在工业互联网中的应用。全国各省工业企业的生产设备数字化率在快速增长，而企业的智能制造进度却非常缓慢。根据统计数据，目前国内大多数规模以上企业的工业生产设备数字化率为47%，而企业智能制造就绪率仅为7.6%。

（2）工业互联网深度和广度有待拓展。5G和工业互联网的融合发展在快速推进中，已有一些成功的案例。比如，浙江正泰集团首个5G+MEC智能车间，上海宝钢股份首次投入工业化应用的最大载重公路无人驾驶车辆，还有共享智能铸造产业创新中心有限公司5G+智能制造车间等。然而，这些应用都集中在生产的特定环节。工业生产环境复杂，给5G和工业互联网融合提出了更高的挑战，因此，探索出完整的产业生态，还需要很长的路要走。

（3）网络融合应用的商业模式不清晰。完整的通信产业链都是从消费者到代理商或集成商，最后到网络运营商。5G应用80%的价值在于B2B的垂直行业。工业领域的5G网络建设及运营投入非常大，服务场景的不同，对网络带宽的需求、网络资源调用等也不相同。同时，企业在建设工业互联网时前期一次性的投入成本和后期使用的成本都很高，回收资金的周期长，目前没有有效的、合理的商业模式能带动各方参与建设的积极性。

5 结 语

在万物互联的5G时代，5G技术应用于工业互联网是发展的大势所趋，是各国竞争的核心。5G技术将助力企业的数字化、智能化转型升级，满足工业制造中的设备互联、远程交互、远程控制等需求，在超高清视频传输、AR/VR、云化机器人、云化AGV等应用中起着重要的支撑作用，必将是“中国制造2025”产业融合的重要方向。新技术发展势态良好，已初见成效，但仍有许多问题要解决。只要克服目前的存在的挑战，5G技术必将涌现更多的应用场景，促进制造业更高质量的发展。