5G 工业应用质量关键指标体系研究*

韩丹涛，赵艳领，刘 丹，郑秋平

（机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055）

0 引言

引自5G 商用以来，我国充分发挥5G 赋能工业应用的技术特点和优势，推进“5G+工业互联网”融合创新。国家以及相关部委相继出台一系列政策，支持和推动5G 发展，为5G+工业互联网的融合发展创造了良好的政策环境。工业互联网和5G 融合创新发展，可以满足个性化生产模式、柔性产线、数据价值智能化应用等对于更加灵活而可靠的组网以及互联互通的需求。5G 技术是新一代信息技术，5G 技术大带宽、低时延和广连接的特性可以承载垂直行业的数字化需求。5G 产业的发展已经进入提速期，正处于由点到面的发展关键期，5G 工业应用是5G 行业应用竞争中的高地。各行各业对 5G的需求更加复杂、个性化也越来越多样化[1-3]。在5G 工业应用方面上，以各大运营商为代表的网络提供商在机械制造、煤炭、钢铁、水泥、化工等进行了很多应用，处于领先的探索阶段，但是针对5G 工业应用质量保障相关的指标体系、测试标准、检测、认证等质量基础在世界范围内还处于研究初期，面向5G 在工业应用中的性能、功能、服务、计量等质量保障指标还未形成体系，严重制约着5G 规模化应用。本文分析了5G 在工业应用融合场景，通过研究5G 在智能运维、智能巡检、视觉检测、实时控制等不同的典型工业场景中的应用需求，构建涵盖物理层、基于场景的协议层的5G 工业应用质量指标体系，保障5G 在工业领域的应用质量，促进5G 工业应的发展。

1 5G 工业典型融合应用

随着工业互联网的应用及数字化车间/智能工厂的建设，工业现场的数据采集种类和量级都在进行着较大的变革，例如无人或少人的无人工厂，需要大量现场数据做决策支撑；大规模定制化要求生产制造单元具有更高的柔性化、可移动、可组合的柔性制造；在智能制造互联互通的应用场景中，存在必须采用无线通信的工业场景，例如旋转类机械装备、老旧工厂升级改造生产现场距离过远（如采油、油气管线等）、生产现场环境恶劣（高温、腐蚀、盐雾等）等场景，目前现有工业无线解决方案（如基于IEEE 802.15.4 的短距工业无线等）无法满足需求[4]。

5G 与工业网络融合以5G 与现场总线/工业以太网等方式，将5G 技术融入现有工业体系，实现工业应用的灵活组网、柔性生产，同时5G 与其他技术如边缘计算、人工智能、云平台等进行融合应用，形成新的工业应用解决方案，优化工业产业结构。5G 工业体系融合应用如图1 所示，可以在工业网络系统的不同位置接入具备5G 通信功能的终端，采用QoS/切片技术、UPF 下沉到企业等方式，实现现场设备层、控制执行层、车间管理层、企业管理层和云平台之间的互联互通和智能化管理。但是工业现场具有复杂严苛的工作条件，如粉尘较多的车间、存在机械振动的大型机械上、高温高压环境等，这些工作环境对于5G 工业应用场景的稳定可靠运行具有很大挑战。

图1 5G 工业体系融合应用

2 5G 工业应用质量指标关系

5G 工业应用场景复杂业务多样，在不同的行业不同的应用场景具有不同的需求，而且在不同的企业层级对5G 无线通信技术有着不同的需求。多数行业用户对5G专网没有清晰的认识，运营商也缺乏明确的指标对行业用户进行承诺。目前用于5G 的指标是ITU 主导制定的SLA 端到端保障架构，3GPP 在SA5 中也提出SLA 管理及増强，分为网络原子能力、安全隔离能力、运维管理能力三方面的能力[5],SLA 目前是从网络角度定义了5G 专网的能力。

5G 技术在面向工业生产，从生产辅助到生产核心控制，所有的指标要求都必须以满足工业应用场景业务需求为主[6-7]。工信部发布了十个典型应用场景，包括协同研发设计、远程设备操控、设备协同作业、柔性生产制造、现场辅助装配、机器视觉质检、设备故障诊断、厂区智能物流、无人智能巡检和生产现场监测，五个行业，包括电子设备制造行业、钢铁行业、装备制造业、电力行业和采矿行业。通过梳理分析面向工业高实时、高可靠等典型应用场景，从5G 通信技术的物理参数、网络能力和业务需求三个维度展开，建立以5G 无线参数指标、5G工业应用网络性能指标和5G 工业应用业务需求指标为框架的5G 工业应用质量指标体系。5G 工业场景业务需求指标是5G 工业应用的核心指标，所有指标必须围绕满足业务需求为导向，5G 工业应用网络性能指标是5G 工业应用的支撑指标，5G 工业网络必须满足5G 工业场景的需求。5G 无线参数指标为5G 工业应用提供保障，5G 工业应用质量指标体系关系如图2 所示。

图2 5G 工业应用质量指标关系

3 5G 工业应用质量指标体系

当前工业体系以有线网络为主，辅以无线通信技术，5G 技术通过uRLLC、网络切片、MEC 下沉等方式可以为控制层等实时性要求较高的工业应用提供实时性、确定性有充分保障的无线通信链路，为实现未来更加灵活的5G 与工业以太网融合的工业网络提供了强有力支撑[8]。5G 工业应用质量指标体系的建立，是保障5G 技术工业应用性能、业务承载能力的重要技术支撑。5G工业应用质量指标体系如图3 所示。

3.1 5G 工业应用业务需求关键指标

针对5G 工业应用场景进行分类解析，目前5G 工业应用场景主要是由带宽类应用、视觉类应用和控制类应用等为基础的复杂应用，从行业、场景、具体的业务、性能参数等不同角度梳理工业用户的实际需求及解决的问题[9]，在此基础上，根据行业特点和业务需求等方面对工业应用需求进行提取，从通信需求、服务能力需求和隔离需求等方面梳理工业应用场景的业务需求，形成5G 工业应用场景需求指标，明确工业应用对5G 的需求，解决5G 能否满足工业用户需求的问题。工业应用业务需求关键指标是工业应用场景对5G 通信能力的核心需求，主要包括最大应用数据量、最小应用数据量、通信时延、通信周期、可靠性等。工业应用业务需求关键指标如表1 所示。

表1 工业应用业务需求关键指标

3.2 5G 工业应用网络性能关键指标

工业现场使用的通信网络技术应满足工业应用的更严格要求，包括数据传输的实时性、确定性、可用性、安全性、抗干扰等，不同行业对5G 的需求不同，在主流的工业应用实时等级与应用领域的划分中，5G 理论上可以支撑毫秒级应用场景，在目前阶段，5G 可以支撑10 ms以上工业应用场景。以工业应用场景需求指标为指导，按照5G 工业应用场景网络架构及通信关系，分析不同的应用数据在协议层在网络层的转换关系，以及网络服务能力和隔离能力[10]，通过5G 工业应用场景的需求指标与网络通信性能指标的映射方法，建立需求指标和网络通信指标映射关系，将工业应用的需求指标转化为5G 网络的性能指标，形成5G 工业应用网络性能关键指标。5G 工业应用需求和网络指标及映射如图4 所示。

图4 5G 工业应用需求和网络指标及映射

5G 工业应用场景的需求指标是从用户角度或者工业应用实际指标，工业应用网络指标要覆盖并且满足业务需求指标，从而承载数据并满足网络传输性能要求，主要包括单业务峰值速率、传输时延、可靠性等指标，为5G 工业网络建设和优化提供指导。工业应用网络关键指标如表2 所示。

表2 工业应用网络关键指标

3.3 无线参数关键指标

5G 无线参数关键指标是保障5G 信号从发射到接收的无线通道的保障，从信源、信道、信宿3 个层面对5G无线参数进行分析，主要包括关键物理参数、无线信道参数和场强等。其中，关键物理参数是衡量5G 技术的基础测量参数，提供输入物理量的准确计量，减小输入指标的不确定度，完成基本物理量的溯源链。5G 无线传输及关键参数指标如图5 所示。

图5 5G 无线传输及关键参数

无线参数关键指标主要包含信号宽带功率、脉冲中功率、调制带宽、信号频率等指标；无线信道参数是反映5G 通信链路质量好坏的重要指标，为典型工业应用场景的无线通信质量评估提供技术支撑，主要包括多径传播引起的时延扩展、衰落等；场强参数则是反映5G 信号强弱及工作电磁环境的重要指标，解决5G 工业应用场景下复杂信号的电磁干扰等问题。无线参数关键指标如表3 所示。

表3 无线参数关键指标

4 5G 工业应用案例说明

5G 在工业应用中遇到的首要问题是网络性能指标能否满足工业应用要求，指标太高造成成本压力巨大，指标太低满足不了工业应用要求，通过5G 工业应用质量指标体系基本可以精准地预估工业应用实际指标。以典型的智能巡检场景为例，在5G 专网建设过程中，采用5G 工业应用质量指标体系，在保障工业应用正常运行的基础上，降低建设和运营成本。首先可由用户和集成商按照工业应用业务需求关键指标提供应用场景内采用5G 的终端设备数量及需求指标，然后与运营商共同形成满足工业应用的网络指标，先确定单台设备的指标，单台手持巡检仪的关键网络指标如表4 所示，按照此方法列出智能巡检机器人等智能巡检场景中其他5G终端设备的网络指标，考虑满足业务运行的正常终端数量以及最大并行运行数量等情况，可以评估出此场景下5G 网络的指标。

表4 手持智能巡检仪网络关键指标

针对5G 在工业应用中遮挡、电磁干扰等情况对5G通信产生的干扰，可以通过采集工业现场信道参数、场强及关键物理参数，在实验室环境一定条件下复现工业场景的典型多频段并发调制干扰，分析产生干扰的原因，实现典型工业场景通信故障原因排查，从源头上保障5G 无线通道的性能。

5 结论

5G 技术与各行各业的融合发展是大势所趋，但是5G 的引入会改变工业现有模式，只有5G 与工业应用两者高度融合，才能更好地服务新一轮的工业变革。为此，在5G 工业应用融合发展的过程中，首先需要构建ICT 和OT 两个领域都认可的5G 工业应用的质量指标体系。本文在研究5G 工业融合应用场景的基础上，分析了5G 工业应用质量指标之间的相互关系，建立了5G 工业应用质量关键指标体系，并给出了各项指标的应用案例说明，解决了5G 在工业应用中指标不明确不统一等问题，可以指导应用场景建设和工业应用质量诊断评估。下一步需要继续研究5G 工业应用质量指标的现场测试评估等技术，为5G 工业融合应用提供测试验证，保障5G 工业应用发展，为企业数字化转型、融合创新提供坚实支撑。