“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應用需求及場景

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應用需求

　　5G是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎設施，工業(yè)要素的聯(lián)網(wǎng)和智能化需要高速率、低時延、海量連接的網(wǎng)絡支持。當前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用也出現(xiàn)了很多新型場景，包括“5G+VR/AR”“5G+無人機”“5G+遠程控制”“5G+機器視覺”“5G+云化AGV”等。在應用場景發(fā)展節(jié)奏方面，“5G+VR/AR”“5G+機器視覺”等應用已進入高速發(fā)展期，經(jīng)濟價值逐漸顯現(xiàn)，未來1~2年將成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主流應用場景；“5G+云化AGV”“5G+無人機”等應用受限于與設備深度融合的需求，還需等待技術、產(chǎn)品成熟，預計未來2~3年將有較快發(fā)展；“5G+遠程控制”等應用由于涉及工業(yè)核心控制環(huán)節(jié)，目前尚處于探索期，有待進一步測試驗證。

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應用場景

　　·5G+VR/AR

　　目前“5G+VR”在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中主要應用于虛擬裝配、虛擬培訓、虛擬展廳等場景。其中，“5G+VR”虛擬裝配是工業(yè)設計中必不可少的審核環(huán)節(jié)，可以在設計接口、部件外觀和大小等方面最大程度優(yōu)化產(chǎn)品實際裝配時的能效；“5G+VR”虛擬培訓相較于傳統(tǒng)的授課方式更加全面且能夠及時反饋，相比于教科書里難懂的文字及考驗學習者想象力的平面圖，虛擬現(xiàn)實的場景表達更直觀，并能傳遞更多信息；“5G+VR”虛擬展廳則能夠?qū)⒄箯d及展品3D化，帶給觀展者足不出戶就能“身臨現(xiàn)場”的體驗。目前AR的應用已融入到工業(yè)制造的交互、營銷、設計、采購、生產(chǎn)、物流和服務等環(huán)節(jié)，典型的應用包括AR遠程協(xié)助、AR在線檢測、AR樣品展示等。利用基于5G的AR遠程協(xié)助，后臺專家可以通過語音視頻通信、AR實時標注進行遠程協(xié)作，實現(xiàn)現(xiàn)場人員和遠程專家的“零距離”溝通，大大提高工業(yè)生產(chǎn)、設備維修、專業(yè)培訓等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。

　　·5G+無人機

　　無人機作為高新科技發(fā)展的產(chǎn)物，目前的應用范圍已經(jīng)相當廣泛。從應用領域來說，無人機可分為消費級無人機和工業(yè)級無人機，相對于已經(jīng)較為成熟的消費級無人機，工業(yè)級無人機的應用還處在不斷探索的階段。目前，工業(yè)級無人機已被應用于智慧物流、智慧園區(qū)、設備巡檢等領域。

　　5G無人機平臺可以實現(xiàn)廠區(qū)范圍內(nèi)規(guī)范化、常態(tài)化的空中安保巡視和設備點巡檢。利用5G網(wǎng)絡高速率、高可靠、低時延、海量連接的特點將搭載在無人機上的攝像頭所拍攝的圖像實時傳送到廠區(qū)綜合控制中心，然后通過對視頻圖像進行基于人工智能的物體識別、模式識別分析，可以判斷所巡檢的地點是否存在安保異常、火警異常，并實現(xiàn)智能提示，最大限度降低安保人員日常勞動強度。

　　·5G+遠程控制

　　遠程控制一直是工業(yè)生產(chǎn)中保障人員安全、提升生產(chǎn)效能、實現(xiàn)多生產(chǎn)單元協(xié)作的必要手段。遠程控制直接關系到生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此目前工業(yè)領域大多數(shù)遠程控制還是基于有線網(wǎng)絡。有線網(wǎng)絡雖然穩(wěn)定，但也限制了生產(chǎn)的靈活性，同時也在一定程度上限制了生產(chǎn)過程中的控制范圍。

　　在工業(yè)生產(chǎn)中某些環(huán)境確實不適宜人工作業(yè)，比如高溫、高空等場合。甚至有的工作無法依靠人工完成，比如工廠內(nèi)大件貨物或港口集裝箱的裝卸，都需要通過遠程控制機械來實現(xiàn)。要實現(xiàn)遠程控制，不僅需要清晰度足夠高的視頻提供視覺支持，還需要實時穩(wěn)定的網(wǎng)絡保證操控的靈敏度和可靠性。這些對現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡和4G技術來說是巨大挑戰(zhàn)。考慮遠程控制的需求，5G網(wǎng)絡的優(yōu)勢一方面在于高速率可以滿足高清視頻回傳的要求，另一方面也可以在保證可靠性的前提下滿足遠程控制對于低時延的要求。

　　·5G+機器視覺

　　機器視覺是人工智能的一個重要分支，在工業(yè)的應用極為廣泛，可以有效提高生產(chǎn)的柔性和自動化水平，適用于一些危險的人工作業(yè)環(huán)境或者人工難以滿足要求的場合。通過5G網(wǎng)絡，機器視覺系統(tǒng)可以實現(xiàn)“以移代固”，將視覺系統(tǒng)單元配置為無線傳輸以替代傳統(tǒng)有線連接方式；圖像采集自由分布于多個工位且共享圖像處理單元，共同實現(xiàn)生產(chǎn)線的高速、低成本自動化檢測。同時通過“5G+MEC”搭建的“5G虛擬專用網(wǎng)”，可以將生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)傳輸范圍控制在企業(yè)內(nèi)，滿足生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全性要求，確保網(wǎng)絡安全和生產(chǎn)安全。

　　基于5G虛擬專網(wǎng)和萬物互聯(lián)部署，機器視覺系統(tǒng)可以實現(xiàn)實時遠程監(jiān)測功能。依托5G高速率、海量連接特性，工作人員不用進車間即可通過移動終端或便攜終端，監(jiān)視企業(yè)生產(chǎn)過程執(zhí)行管理系統(tǒng)（MES），獲知視覺檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

　　·5G+云化AGV

　　AGV指裝備有電磁或光學等自動導引裝置、能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛、具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。所謂云化AGV，是把AGV上運行的定位、導航、圖像識別及環(huán)境感知等有復雜計算能力需求的模塊上移到5G的邊緣服務器，以滿足AGV日益增長的計算需求；而運動控制/緊急避障等實時性要求更高的模塊仍然保留在AGV本體以滿足安全性等要求。這相當于在云端為AGV增加了一個“大腦”，除AGV原有的復雜計算以外，使各種各樣的AI能力擴展成為可能。

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的網(wǎng)絡架構(gòu)

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”整體架構(gòu)如圖1所示，工廠內(nèi)的各種控制、管理、生產(chǎn)和安全等環(huán)節(jié)，通過5G技術的高帶寬、高可靠、低時延、移動性，可向柔性制造、自動化、無線化方向演進；5G的云網(wǎng)一體化屬性助力企業(yè)邊緣計算應用，邊緣云可實現(xiàn)現(xiàn)場應用的云端實時控制；5G企業(yè)專網(wǎng)方案可為企業(yè)提供安全可靠的網(wǎng)絡支撐；網(wǎng)絡切片、公有云、私有云、邊緣云的融合為企業(yè)提供了高性價比的5G解決方案。

　　“5G+MEC”的網(wǎng)絡架構(gòu)

　　5G網(wǎng)絡架構(gòu)靈活，5GC采用虛擬化架構(gòu)，UPF下沉至網(wǎng)絡邊緣，UPF和MEC可以共虛擬化平臺部署，解決計費和安全問題。用戶數(shù)據(jù)可由UPF轉(zhuǎn)發(fā)接入MEC，計費和安全可由UPF完成，MEC實現(xiàn)對APPs的安全認證及支撐APP/API計費。

　　MEC部署方案如圖2所示，邊緣層UPF/MEC/APPs共平臺部署。核心網(wǎng)業(yè)務面按需分布式建設，控制面集中建設，這是為適應5G新業(yè)務的必然選擇；業(yè)務本地化、差異化、低時延成為主要需求；本地流量卸載、業(yè)務使能管理、網(wǎng)絡能力開放助力5G提升商用價值。

　　“5G+切片”的網(wǎng)絡架構(gòu)

　　5G技術應用場景較多，而且不同的場景對移動性、安全性、可靠性等有不同要求，難以通過一張網(wǎng)絡來滿足。利用切片技術，將一個物理網(wǎng)絡切分成能夠提供不同功能的虛擬網(wǎng)絡，可滿足不同的應用場景需求。針對未來多樣化的應用場景，需要構(gòu)建一個敏捷、自動化、智能化的端到端切片編排管理系統(tǒng)。

　　利用5G端到端網(wǎng)絡切片可實現(xiàn)網(wǎng)絡資源靈活分配及網(wǎng)絡能力按需組合，基于5G網(wǎng)絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個端到端切片均由核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、傳輸網(wǎng)的切片組合而成，并通過端到端切片管理系統(tǒng)進行統(tǒng)一管理。

　　5G網(wǎng)絡切片業(yè)務的引入需要考慮技術標準及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟度。運營商應分階段引入網(wǎng)絡切片。根據(jù)切片的部署要求，可以分為快速部署和目標部署。為了快速推出5G業(yè)務，切片部署初期重點聚焦于典型的eMBB場景，例如高清視頻、AR/VR、3D等業(yè)務，并適當?shù)嘏浜虾诵木W(wǎng)用戶面下沉部署，實現(xiàn)部分超低時延業(yè)務需求。

　　同時，對切片的編排部署進行簡化。CN子切片采用云化技術部署，提供CN NSSMF進行子切片的編排和部署；RAN和TN子切片通過配置，進行切片的資源調(diào)度和隔離。5G網(wǎng)絡切片管理框架如圖3所示。

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應用案例

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在電力行業(yè)的應用案例

　　某省國網(wǎng)公司提出全面貫徹省政府“重要窗口”建設工作部署，緊緊圍繞公司戰(zhàn)略目標落地工作，試點建設融合量子通信等技術的5G公網(wǎng)電力應用示范區(qū)，以經(jīng)濟便捷的公網(wǎng)無線通信（以5G為主，其他公網(wǎng)無線通信為輔）代替電力有線通信，以量子加密等技術強化業(yè)務數(shù)據(jù)安全，對海量的“源網(wǎng)荷儲”資源進行精準控制。

　　該公司計劃在全省數(shù)百個企業(yè)內(nèi)建設秒級可中斷負荷快速響應系統(tǒng)，依托超電網(wǎng)供電能力拉限電序位表和緊急事故限電序位表，在用戶側(cè)開展秒級可中斷負荷接入功能建設，秒級可中斷容量超百萬千瓦。以上兩類場景需要廣域5G定制網(wǎng)的支撐。

　　·具體需求

　　部署邊緣UPF下沉、數(shù)據(jù)與公網(wǎng)隔離：國網(wǎng)公司提出保障業(yè)務安全、數(shù)據(jù)安全的需求，運營商擬在國網(wǎng)電力機房部署邊緣UPF，實現(xiàn)數(shù)據(jù)分流。

　　4G/5G協(xié)同：既支持5G NR網(wǎng)絡，又兼顧4G LTE設備。在5G未覆蓋區(qū)域?qū)?G LTE作為補充網(wǎng)絡解決方案，實現(xiàn)4G和5G（NSA/SA）同時進行分流的能力。

　　to B/to C統(tǒng)籌規(guī)劃：依照運營商5G核心網(wǎng)“一張物理網(wǎng)，兩張邏輯網(wǎng)”的總體原則，采用“to B/to C統(tǒng)籌規(guī)劃”的部署建設思路，可以支持“人聯(lián)網(wǎng)”與物聯(lián)網(wǎng)在電力5G專網(wǎng)場景下高度融合，還能夠在支持企業(yè)員工使用工作手機、PAD、PDA等手持終端的同時，支持設備、儀表等物聯(lián)設備的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互。

　　·具體建設方案

　　基于國網(wǎng)公司業(yè)務需求及運營商5GC網(wǎng)絡部署的情況，該項目擬在國網(wǎng)電力核心機房新建4G/5G融合的GW-U/UPF網(wǎng)元，對接現(xiàn)網(wǎng)的5GC控制面和區(qū)域所在的4G/5G基站，在用戶側(cè)部署專用DNN，并在5GC控制面網(wǎng)元完成相關配置。

　　5G簽約用戶從4G基站接入：MME基于專用DNN以及用戶訴求，選擇融合的SMF/GW-C和電力的GW-U/UPF網(wǎng)元。

　　5G簽約用戶從5G基站接入：AMF專用DNN選擇融合的SMF/GW-C和電力的UPF/GW-U網(wǎng)元。

　　在網(wǎng)絡傳輸層面，國網(wǎng)電力UPF需要通過各平面承載網(wǎng)打通N3、N4、N6、OM接口；N3、N4接口接入IPRAN承載網(wǎng)，分別與基站及5GC核心網(wǎng)（SMF）連接；N6通過內(nèi)部專線方式接入國網(wǎng)電力內(nèi)部網(wǎng)絡（DN）；OM接入到網(wǎng)絡網(wǎng)管OM。

　　此場景下的業(yè)務流向為：國網(wǎng)電力終端—市電力專享UPF—國網(wǎng)電力網(wǎng)絡。該項目中5G應用場景有精準負荷控制、差動保護、“三遙”等，運營商利用5G網(wǎng)絡低時延、高可靠、4G/5G融合與公網(wǎng)隔離等技術特性，圓滿完成了國網(wǎng)公司的既定目標。

　　“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在機械行業(yè)的應用

　　某集團作為中國機械工業(yè)百強企業(yè)，開始啟動“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目，著力打造數(shù)字化設計、智能化生產(chǎn)、智慧化管理、協(xié)同化制造、綠色化制造、安全化管控和效益大幅提升的現(xiàn)代創(chuàng)新工業(yè)企業(yè)標桿。

　　·企業(yè)主要業(yè)務需求

　　穩(wěn)定可靠的5G網(wǎng)絡：便于打造基于5G的無線化車間，解決傳統(tǒng)車間信號不穩(wěn)定、接入數(shù)受限和帶寬不足的問題，助力實現(xiàn)柔性生產(chǎn)，提升生產(chǎn)效率。用“5G+CPE”等專網(wǎng)方式替代Wi-Fi網(wǎng)絡傳輸方案，支持PAD等終端移動辦公。單業(yè)務下行速率在30Mbit/s~100Mbit/s，上行速率在1Mbit/s~5Mbit/s。

　　機器視覺和數(shù)據(jù)采集：通過5G網(wǎng)絡，利用機器視覺和數(shù)據(jù)采集，讓企業(yè)管理者實時、高效地掌握各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設備、物料、人員狀態(tài)以及生產(chǎn)運營情況，幫助企業(yè)提高生產(chǎn)效率并保障生產(chǎn)安全性。如此一來，可大幅提升設備運轉(zhuǎn)率，降低單位產(chǎn)品成本。機器視覺單業(yè)務下行速率在10Mbit/s~30Mbit/s，單業(yè)務上行速率在10Mbit/s~100Mbit/s；數(shù)據(jù)采集單業(yè)務下行速率在0.1Mbit/s~0.5Mbit/s，單業(yè)務上行速率在0.5Mbit/s~1Mbit/s。

　　“5G+遠程專家協(xié)助”：員工通過AR眼鏡可隨時獲得遠程專家協(xié)助，快速、遠程解決室外、移動性場景的突發(fā)問題，實現(xiàn)從指揮中心指導向運維現(xiàn)場指導轉(zhuǎn)變，賦能一線業(yè)務人員。這樣一來，降低了對員工的技能要求，提升了檢修和維護的工作效率，同時降低了工程運維的人力和時間成本。

　　企業(yè)園區(qū)內(nèi)5G上網(wǎng)終端可通過運營商省中心共享UPF訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；聯(lián)網(wǎng)設備通過園區(qū)5G網(wǎng)絡接入，經(jīng)省中心共享UPF節(jié)點分流，可訪問園區(qū)網(wǎng)絡。企業(yè)的終端則使用5G專網(wǎng)接入，主要包括PDA、5G CPE、攝像頭、AR眼鏡、數(shù)據(jù)采集傳感器等。5G行業(yè)應用如圖4所示。

　　·建設方案

　　UPF設備掛接STN承載網(wǎng)、連接基站和5GC網(wǎng)絡。

　　此項目中的5G應用場景有數(shù)據(jù)采集、機器視覺、“5G+AR/VR”、“5G+辦公”等，利用5G網(wǎng)絡大帶寬、低時延、高可靠特性，以及園區(qū)網(wǎng)絡4G/5G融合、專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離等特性，滿足了企業(yè)的需求。

　　未來展望

　　新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革浪潮正席卷而來，工業(yè)制造業(yè)要從基于要素的低成本戰(zhàn)略向基于創(chuàng)新的差異化戰(zhàn)略轉(zhuǎn)變，才能推進產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。為此工業(yè)系統(tǒng)需要吸納各種先進的新技術，特別是與5G技術融合。只有充分利用好5G大帶寬、低時延、海量連接的網(wǎng)絡特性，并且與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用深度融合，才能不斷提升整個工業(yè)系統(tǒng)的信息化水平，真正做到“無人”工廠、“智慧”工廠和“未來”工廠。