5G 确定性网络在工业制造中的应用研究

罗晓哲

（中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，河南 郑州 450000）

0 引 言

随着工业制造领域的不断发展和创新，传统的生产方式逐渐向数字化、智能化转型。在这个数字化转型的浪潮中，5G 确定性网络架构成为了工业制造领域的一项重要技术。5G 确定性网络架构以其低延迟、高可靠性以及广覆盖的特点，为工业制造提供了全新的机遇和挑战。首先，低延迟是工业制造中的重要需求，特别是在实时控制和协作场景下，对通信延迟的要求非常高。5G 确定性网络架构通过优化网络传输路径和减少通信延迟，满足工业制造对实时性的需求。其次，它引入多路径传输、冗余备份和自动切换等机制，提供高可靠性，确保工业制造的稳定运行。最后，5G 确定性网络架构具备广覆盖的特点，满足工业制造场景中设备和工作区域广泛分布的需求。建立在5G 确定性网络架构上的工业制造可以实现系统化、自动化、网络化以及智能化，满足企业的定制化需求。

在我国，智能制造发展也得到了政府的重视和支持[1]。“中国制造2025”是政府提出的战略计划，旨在推动制造业向高端、智能化以及可持续发展。该计划强调推动信息技术与制造业的深度融合，加强智能制造装备的研发和应用，推进数字化工厂和智能化制造。在这一战略框架下，5G 确定性网络架构作为关键的通信技术之一，为中国智能制造的发展提供了重要支持。通过5G 确定性网络架构，中国工业制造可以实现更高效、智能以及灵活的生产，提升竞争力和创新能力，推动制造业向智能制造转型。

1 工业制造中的通信需求

工业制造中的通信需求特点涵盖了上行大带宽、高可靠低时延、网络低抖动、位置精定位以及网络安全可用等多个方面。这些特点反映了工业制造环境对于通信网络的高度要求，旨在支持高效、精确且安全的生产操作。

工业制造过程中产生了大量的数据，包括传感器采集的实时监测数据、设备状态信息、产品质量数据等。这些数据需要在实时性要求高的情况下上传至云端或中央控制系统进行实时处理、分析以及决策。因此，工业制造中对上行通信的需求特点是要求具备大带宽的能力，以支持高速、大容量的数据上传和实时监测。这样的大带宽需求可以确保数据能够及时传输并支持即时决策，从而提高生产效率和质量。

工业制造过程中的实时控制和反馈要求通信网络具备高可靠低时延的特点。机器人控制、自动化生产线等关键任务需要在毫秒级的延迟下实现高精度的操作。任何通信中断或传输时延的增加都可能导致生产线停滞或控制系统失效，造成生产效率和质量的下降。因此，通信网络在工业制造中需要提供高可靠性和极低的传输时延，以确保实时性和精准性的要求得到满足。

工业制造领域对网络稳定性的要求尤为重要，低抖动是关键。精确协调和同步是工业制造中的关键要素，尤其是在涉及多个传感器和执行器的场景中。通信网络必须具备低抖动的特点，即网络传输的时延变化要尽可能小，以确保设备之间的时间同步和协调控制。网络抖动的存在可能导致设备之间的时间不一致，进而影响协同操作和准确性。

此外，精确的设备和物料定位跟踪至关重要。自动导航机器人、物料追踪系统等应用需要实时获得设备和物料的位置信息，以支持实时监控、调度和优化生产过程。通信系统需要具备位置精定位的能力，以提供准确的位置信息，满足工业制造对于空间感知和位置精确性的需求。

同时，通信网络的安全性和可用性要求也极高。工业设备和系统面临着来自内部与外部的网络攻击、数据泄露以及系统瘫痪等威胁。为了确保工业制造过程的安全运行和数据的保密性，通信网络需要具备高级的安全机制，如身份认证、数据加密、防火墙等。网络安全的可用性也十分重要，确保通信网络始终可靠地提供服务，不受恶意攻击和故障的影响。

2 5G 确定性网络技术概述

5G 确定性网络技术是为满足工业制造等关键应用场景对通信性能要求而设计的一种新型网络技术，架构如图1 所示[2]。它提供可靠、可预测以及低时延的通信服务，通过网络切片、时间敏感网络、时钟同步、前向错误纠正、流量调度等关键技术和机制实现了通信时延、抖动及带宽等参数的精确保证与管理。

图1 5G 确定性网络技术架构

在工业制造中，5G 确定性网络具有以下潜在应用优势。一是可靠低时延通信：5G 确定性网络能够提供可靠且低时延的通信服务，满足工业制造中对实时控制与反馈的需求，提高生产效率和安全性[3]。二是大带宽支持：5G 确定性网络具备大带宽的特点，能够支持工业制造中的大规模数据传输，促进智能化和自动化的生产流程。三是网络可靠性与抗干扰能力：5G 确定性网络具备较高的网络可靠性和抗干扰能力，能够应对工业制造环境中的噪声、干扰以及恶劣条件。四是位置精确定位：5G 确定性网络支持高精度的位置定位服务，对于设备定位、物料追踪和自动导航等应用非常重要。五是灵活的网络切片：5G确定性网络采用网络切片技术，可以根据不同工业制造需求提供定制化的网络实例，提高系统的灵活性和适应性[4]。

综上所述，5G 确定性网络在工业制造中具有高可靠低时延通信、大带宽支持、网络可靠性与抗干扰能力、位置精确定位以及灵活的网络切片等潜在应用优势。这些优势将推动工业制造的数字化转型，实现更高效、智能且可持续的生产模式。

3 5G 确定性网络在工业制造中的应用案例

5G 确定性网络在工业制造中的应用案例涵盖了生产制造、智慧物流以及智慧园区等多个方面。

3.1 生产制造

在工厂内部建立5G 确定性网络，使用高性能的基站设备和网络切片技术，为生产设备和系统提供高可靠低时延的通信服务。同时，利用边缘计算和云平台，实现数据的实时处理与分析。5G 确定性网络可以提供毫秒级甚至微秒级的低时延通信，保证设备和系统的快速响应。同时，高带宽支持和网络可靠性保证了大规模数据传输的稳定性与可靠性。通过5G 确定性网络的实施，工厂可以实现实时监控和控制，提高生产效率与准确性；故障诊断和预测维护可以减少停机时间，提高设备利用率；质量控制和监测可以提升产品质量与一致性。

3.2 智慧物流

在物流场景中部署5G 确定性网络，建立连接货车、仓库、物流中心等设备和系统的通信网络。利用高精度定位技术，实现物流追踪与管理。5G 确定性网络提供低时延和高可靠性的通信，支持实时的物流数据传输和位置定位。同时，高带宽和稳定的网络连接保证了大规模数据的传输与处理。通过5G确定性网络的实施，物流运输可以实现实时追踪和管理，提高可视性和效率。此外，自动驾驶和智能交通的应用可以降低事故风险与交通拥堵，提高物流运输的安全性及效率。

3.3 智慧园区

在园区范围内部署5G 确定性网络，提供全面的网络覆盖和连接。利用高清视频监控、传感器以及安全警报系统，实现安全监控和警报功能。5G 确定性网络提供高带宽和低时延的通信，支持实时的视频监控与安全警报。同时，网络的可靠性和抗干扰能力保证了安全监控的稳定性与可靠性。通过5G 确定性网络的实施，园区可以实现全面的安全监控和警报系统，提高安全性和紧急响应能力。设备互联和智能化管理可以提升园区设备的效率与资源利用率。

4 5G 确定性网络在工业制造中的关键挑战

5G 确定性网络在工业制造应用中面临着网络可靠性、安全性以及部署成本等方面的关键挑战，下面探讨这些挑战并提出解决方法和策略。

4.1 网络可靠性挑战

为了提高网络可靠性，可以采取多项策略。例如，部署具有冗余功能的基站和设备，确保备用通信路径和网络切换机制的可靠性。此外，实施网络负载均衡和容错机制，以应对网络拥塞和故障。

4.2 网络安全挑战

保障网络安全需要综合的方法，其中包括采用加密技术确保数据传输的机密性，实施身份认证和访问控制机制以确保合法用户的接入，建立网络监测和威胁检测系统，以及提升进行网络安全培训的意识。

4.3 部署成本挑战

为了降低5G 确定性网络的部署成本，可以采取以下策略。首先，选择经济实惠的设备和解决方案，并优化网络架构和部署方式以提高效率。其次，推动设备厂商和服务提供商之间的合作，共同开发适用于工业制造环境且效益高的解决方案。最后，政府和行业组织可以提供财政支持与政策引导，鼓励企业进行5G 网络的部署和应用。

4.4 管理和运维挑战

为了有效管理和运维5G 确定性网络，可以采取自动化和智能化的方法。例如，利用网络监测和管理系统进行实时的网络性能监控与故障诊断，使用预测性维护和远程管理工具来提高设备的可靠性与效率。此外，培训和教育工作人员，提高其对网络管理和安全的意识与能力也至关重要。

总的来说，解决5G 确定性网络在工业制造中网络可靠性、安全性以及部署成本等方面的挑战需要综合的方法，包括技术创新、标准化、政策支持和合作伙伴关系的建立。只有通过多方共同努力，才能克服这些挑战，并实现5G 确定性网络在工业制造领域的广泛应用。

5 5G 确定性网络在工业制造中的未来发展趋势

5G 确定性网络在工业制造中的未来发展将与边缘计算、物联网、人工智能、虚拟现实、增强现实以及区块链等新兴技术的融合密不可分。这些技术的融合将推动工业制造的智能化、高效化以及安全化，实现更先进、可靠和灵活的生产模式。

5.1 边缘计算

将5G 确定性网络与边缘计算相融合，可以在工厂内部实现更快速的数据处理与决策。边缘计算允许在接近数据源的位置进行计算和分析，减少数据传输的延迟和网络拥塞。这将为工业制造提供更高效、实时的数据处理和响应能力。

5.2 物联网

5G 确定性网络与物联网的融合将进一步推动工业制造的数字化转型。通过大规模连接传感器、设备和物体实现实时的数据采集、监测以及控制。这将支持智能制造、智慧物流、智慧园区等领域的创新与优化。

5.3 人工智能和机器学习

将5G确定性网络与人工智能和机器学习相融合，可以实现更智能化的工业制造。通过实时数据分析和智能决策，优化生产过程、预测设备故障、提高质量控制。5G 网络提供的大带宽和低时延将支持实时的人工智能和机器学习应用。

5.4 虚拟现实和增强现实

5G 确定性网络的高带宽和低时延特性为工业制造中的虚拟现实和增强现实应用提供了更好的支持。工人可以通过虚拟现实和增强现实技术进行远程培训、操作指导以及故障排除。这将提高工作效率、减少错误，并提供更安全和精确的操作环境。

5.5 区块链技术

将5G 确定性网络与区块链技术融合，可以提供更高级别的数据安全和隐私保护。区块链的分布式和不可篡改特性可以确保数据的完整性与可信性。这在工业制造中的数据共享、供应链管理以及物联网安全方面具有重要意义[5]。

6 结 论

5G 确定性网络在工业制造中具有巨大的应用潜力。其提供的大带宽、低时延、可靠性以及安全性等特点，能够满足工业制造对高效、实时和可靠通信的需求。同时，5G 确定性网络与工业制造中的生产制造、智慧物流以及智慧园区等领域相融合，可以实现生产效率的提升、物流管理的优化以及园区安全的增强。此外，5G 确定性网络在工业制造中面临着一些关键挑战。这些挑战包括网络可靠性、安全性、部署成本、设备兼容性和运维管理等。解决这些挑战需要综合考虑技术、经济与运营等多个方面，并采取合适的策略和方法。

基于本研究的主要发现和贡献，进一步的研究可以聚焦于以下方向。一是优化5G 网络在工业制造的部署和配置，以提升性能和效率；二是深度融合5G 网络与边缘计算、物联网、人工智能等新兴技术，实现智能高效制造；三是研究5G 网络在工业制造中的实时控制和协同应用，提升生产响应和协同效率；四是增强5G网络在工业制造中的安全保障，包括数据、隐私和网络防御；五是深入挖掘5G 网络在工业制造中的潜力，推动数字化转型和智能化发展。