基于5G技术的工业互联网应用探讨

 2021年2月10日第38卷 第3期Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．３　doi：10.19399/j.cnki.tpt.2021.03.035通信技术基于5G技术的工业互联网应用探讨赵帅男，袁 朋，钊刘杰，郝建华，王璟瑞（中国移动通信集团设计院有限公司 河南分公司，河南 郑州 450000）摘要：随着工业技术和新一代信息技术的发展，美国GE公司提出了工业互联网的概念。工业互联网是物联网在工业领域的技术应用，强调物与物的连接，追求工业智能化和信息的互通互联。作为工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网高度融合的前沿工业架构，工业互联网也被认为是物联网在客户端的扩展，旨在实现人、机、料、法以及环的全面互联，追求工业数字化，体现了自动化和信息化的深度融合。此外，工业互联网作为实现我国工业制造向数字化、网络化以及智能化转型的重要基础，其快速发展和推广应用至关重要。关键词：5G；工业互联网；物联网Discussion on Industrial Internet Application Based on 5G TechnologyZHAO Shuainan, YUAN Peng, ZHAO Liujie, HAO Jianhua, WANG Jingrui(Henan Branch of China Mobile Design Institute Co., Ltd, Zhengzhou 450000, China)Abstract: With the development of industrial technology and the new generation of information technology, the concept of “industrial Internet” is put forward by GE company in the United States. Industrial Internet is the technical application of Internet of Things in the industrial field, emphasize the connection between things, pursue industrial intelligence and information interconnection. As a cutting-edge industrial architecture with high integration of industrial system, advanced computing, analysis, sensor technology and the Internet, the industrial Internet covers the industrial Internet of Things from the architecture level, and the industrial Internet of Things is also considered as the expansion of the industrial Internet in the client. Industrial Internet aims to realize the comprehensive interconnection of personnel, machines, materials, laws and environment, pursue industrial digitalization, and embody the deep integration of automation and informatization. As an important foundation for the transformation of industrial manufacturing to digital, networked and intelligent, the rapid development and application of industrial Internet is of great importanc. Keywords: 5G; industrial Internet; Internet of Things1 工业互联网的通信技术需求工业互联网的核心产业涉及数字化装备、自动化、工业互联网网络、工业互联网平台以及工业软件5个方面[1]。其中，数字化装备和自动化属于边缘控制层，工业互联网网络属于网络连接层，工业互联网平台和工业软件属于数据应用层，而互联网平台又涉及边缘控制、网络平台汇聚以及数据应用3大层级[2-4]。同时，网络、平台及安全可归结为工业互联网的3大体系，其中平台是核心，安全是后盾和保障，而网络则是重要基础[5]。随着工业技术的不断进步，工业互联网逐渐向产品个性化、制造服务化、连接泛在化以及智能化生收稿日期：2021-01-09作者简介：赵帅男（1987-），女，河南项城人，硕士，中级工程师，主要研究方向为5G+垂直行业应用；袁 朋（1991-），女，河南商丘人，硕士，主要研究方向为5G专网及行业应用；钊刘杰（1981-），男，河南周口人，本科，中级工程师，主要研究方向为5G+垂直行业应用；郝建华（1986-），男，河南周口人，本科，中级工程师，主要研究方向为异构超密集网络部署；王璟瑞（1984-），男，河南许昌人，本科，中级工程师，主要研究方向为5G+创新应用。产方向发展[6]。从本质上看，工业互联网络可分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络主要用于连接工厂内各种生产要素，支撑工厂内业务应用，而工厂外网络包括分厂之间的通信、厂区和数据分析中心之间的通信等，用于连接智能工厂、分支机构、上下游协作企业、工业云数据中心以及智能产品与用户 等主题[7]。目前，工业领域中使用的绝大多数通信技术仍然是有线技术，包括各种专用工业以太网技术和现场总线技术。在一些特殊的工业场景下，无线技术以其良好的移动性成为有线技术的重要补充[8]。工业互联网中数据传输和通信主要采用短距无线、WiFi、工业专用无线以及传统蜂窝无线4种模式[9]。上述4种模式各有优劣，其特点如表1所示。从表1可以看出，虽然无线通信技术众多，但各有不足且相对封闭，无法满足工业互联网对网络连接的上述需求，亟需新一代无线技术补充短板。2 5G技术特点及应用场景5G的3大特性分别是eMBB增强型移动带宽、mMTC大规模机器通信以及URLLC高可靠低延时，分别实现上下行速率倍速提升、海量机器链接以及超·　１１４　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2021年2月10日第38卷 第3期赵帅男，等：基于5G技术的 工业互联网应用探讨表1 工业互联网现有数据传输和通信模式对比Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．３　模式短距无线代表技术BluetoothZigbee—WirelessHART,WIA-PA/FA,ISA100.11a—优势/应用用于传感数据采集、资产管理、定位主要用于仓储移动扫码、 手持终端、AGV调度等—用于工厂外智能产品、大型设备、 车辆远程监控等劣势仅支持短程组网并设备数量受限虽支持大量设备组网，但工作距离受限覆盖范围有限，免授权频段受干扰严重， 安全风险较高产业链较窄，部署成本高带宽较低， 且不支持大量连接和实时性要求高的设备WiFi工业专用无线传统蜂窝无线低时延和高可靠等性能[10]。基于5G技术及网络特性，总结了9大主流工业应用场景。一是云设计云仿真，主要可应用的工业行业有航空航天、工程机械以及汽车电子等。可利用5G、边缘云及虚拟桌面等，针对工业产品和生产系统的方案进行快速设计与仿真验证。二是5G远程操控，主要可应用的工业行业有矿山、港口、爆破以及危险品等。在危险作业环境安装高精定位器、传感器、激光雷达、高清摄像头以及智能终端，通过5G网络实现实时控制。在远程操作台对矿车、钻机即电铲等设备发送指令完成作业。5G远程操控网络示意如图1所示。三是自动驾驶/无人驾驶，主要可应用的工业行业有消防、矿山以及勘探等，5G无人驾驶网络示意如图2所示。四是机器视觉检测/无人机巡检，主要可应用的工业行业有医疗器械、食品、汽配、钢铁、纺织、机器加工以及电子制造等。通过在生产设备和生产线安装高清智能摄像头，识别包装和产品表面缺陷，检测喷码缺失等。结合5G+AI技术，通过机器学习，不断提高检出率，降低人工成本。五是工艺优化和效能优化，主要可应用的的工业行业有机械加工、钢铁、冶金、水泥、化工以及制药等。打造一个5G、数据采集、边缘云以及工业大数据为一体的解决方案，通过构建缺陷识别和工艺参数相关联的数据库，分析产品缺陷与工艺的必然联系，从而优化工艺，提高良品率。通过大数据计算，对耗能管理和优化，巧妙运用波峰波谷，优化效能。六是云MES/供应链协同，主要可应用的工业场景有食品、汽配、家具以及水泥等。针对有很多生产制造环节的企业，对企业提供数据管理，合理计划排程、生产调度以及库管理等，实现手机端和PC端无缝对接，灵活部署，实时掌控工厂情况，提升管理效率。云MES系统框架如图3所示。七是5G智能监控和设备防御性维护，主要涵盖行业有制造业、食品、药品以及装备等多数机械设备的行业。通过各类传感器监控设备运行状况，采集设备运行数据，形成有效大数据库，对设备故障进行早期预警，支撑远程运维，预测性运维，指导合理备件，减少设备故障率，缩短维护时间，延长设备寿命，提升设备回报率。八是AR设备点检/VR成品展示，主要涵盖行业包括机械制造、钢铁、电子制造、汽车制造以及机器加工等有大型复杂机械设备的行业。可高效实现电气设备远程AR点检、大型复杂机械设备巡检以及设备远程运维等。可针对汽车、仪器、机械或者电子产品进行VR演示和成品展销。九是个性化定制，适用于各类工业行业，将产品模型化、模块化、参数化，打造数据共享平台，实现产品方案、生产、销售以及物流等全业务链的数据集成与共享。基于需求建立工业企业面向用户的信息服务通道，支持用户对产品定制、体验并掌握实时信息。矿卡摄像头摄像头5G CPE传感器电铲摄像头5G CPE摄像头控制系统传感器控制系统车况数据传感数据定位数据视频数据核心网指控指令5G基站远程操控台牙轮钻机摄像头5G CPE传感器控制系统高清显示器×3图1 5G远程操控网络示意图3 5G技术下的工业互联网发展3.1 破解设备互联互通难题受通信技术的制约，当前我国工业设备互联互通难，严重制约了设备上云。通过将5G技术与工业PON、MEC等相结合，能够降低工业场景协议转换和设备接入难度，提升工业互联网异构数据接入能力，有效解决数据孤岛的问题。3.2 破解海量工业数据实时同步传输难题大量工业企业现有内部网络无法支撑海量数据·　１１５　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved. 2021年2月10日第38卷 第3期Telecom Power TechnologyＦｅｂ．　１０，　２０２１　Ｖｏｌ．３８　Ｎｏ．３　车端驾驶控制执行高精定位5G CPE矿山摄像头激光智能终端雷达5G高速回传与超低延时5G控制指令边缘云端调度与管控决策生产计划矿卡调度系统智慧矿山云平台执行情况矿山集控中心图2 5G无人驾驶网络示意图场景介绍生产管理自动同步智造协同系统质量管理设备管理物料管理销售现场数据采集（派工单、人员、设备、物料、质量等）自动同步生产计划粗车装箱系统管理系统集成角色管理物料出入库管理物料库存盘点物料状态监控淬火磨床计划排程管理生产任务执行生产状态监控加工中心铣床钻孔设备台账管理设备点检计划设备保养计划质检方案管理质检任务执行质检状态监控图3 云MES系统框架图实时传输和网络同步，亟需进行基础网络升级改造，提升网络传输带宽。5G能够提供端到端毫秒级时延和接近100%的高可靠性通信保障，满足工业大数据无线传输需求和大量即时处理需求。3.3 拓展工业互联网应用的广度和深度5G技术可助力工业互联网全要素和全环节高效互联互通，实现以数据流带动技术流、资金流、人才流以及物资流，有效提升传统产业的发展质量与效益。同时，5G将推进人工智能和AR/VR等新兴前沿技术在工业领域的应用与探索，催生形成新产品、新模式及新业态，拓展工业互联网发展空间。同时，可加快工业互联网在一、二、三产业中的融合应用，整体带动国民经济的提升。参考文献：[1] 荆国栋，赵筱元，刘雨嘉，等.基于多馈技术的5G MIMO Sub-6GHz频段天线阵列耦合减小技术[C]//2018中国信息通信大会，2018.[2] 于丽娜，陈 冲.互联网+环境下的家庭护理创新系统设计[J].商情，2018（1）：186.[3] Zhang H.Industrial Cluster Innovation Based on 5G Network and Internet of Things[J].Microprocessors and Microsystems，2021，83（1）：103974.[4] 蒋志祥.5G开启“万物智联”新时代[J].旗帜，2020（4）：55-56.[5] 向 涛.基于5G网络的工业互联网应用研究[J].中国新通信，2019，21（22）：31-32.[6] 徐 强.5G技术让工业互联网如虎添翼[J].浙江经济，2019（16）：64.[7] 申胜飞，李 茜.5G通信技术关键材料发展研究[J].科技中国，2019（8）：50-59.[8] 林玮平，魏颖琪，李 颖.5G在工业互联网上的应用研究[J].广东通信技术，2018，38（11）：24-27.[9] 闫 红，杨新华.5G无线通信关键技术及工业应用评价[J].电子元器件与信息技术，2019（4）：121-124.[10] 张 辉.加快5G网络建设及应用 支撑经济高质量发展：工业和信息化部发布《关于推动5G加快发展的通知》[J].网信军民融合，2020，35（4）：39-41.4 结 论作为新一代的移动通信技术，5G技术弥补了传统工业转型为智能制造企业对网络的应用需求的不足，必将成为支撑智能制造转型的关键技术，能将离散的机器、人以及设备全部连接起来。使工厂全方面升级，机器辅助、预判，万物信息交互，实现按需生产和个性化生产，大大改善劳动条件，提高生产效率，提高企业产能效能，深程度地改变社会。·　１１６　·Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. 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