5G與工業互聯網

2017年10月發布的《國務院關於深化「互聯網+先進位造業」發展工業互聯網的指導意見》，提出「要通過發展工業互聯網促進實體經濟振興，加快轉型升級」。

「十九大」報告提出「加快建設製造強國，加快發展先進位造業，推動互聯網、大數據、人工智慧和實體經濟深度融合。」

2018年的政府工作報告明確提出：加快製造強國建設。推動集成電路、第五代移動通信、飛機發動機、新能源汽車、新材料等產業發展，實施重大短板裝備專項工程，推進智能製造，發展工業互聯網平台，創建「中國製造2025」示範區。

上述內容中，在「加快製造強國建設」的框架下，重點提及了第五代移動通信（5G）產業、智能製造、工業互聯網平台、「中國製造2025」。

今年2月14日，國家製造強國建設領導小組正式設立「工業互聯網專項工作組」，其職責是：統籌協調我國工業互聯網發展的全局性工作，審議推動工業互聯網發展的重大規劃、重大政策、重大工程專項和重要工作安排，加強戰略謀劃，指導各地區、各部門開展工作，協調跨地區、跨部門重要事項，加強對重要事項落實情況的督促檢查。由工信部苗圩部長擔任國家製造強國建設領導小組「工業互聯網專項工作組」組長。

3月2日公布的《2018年全國無線電管理工作要點》提出著力提升頻率資源開發利用效率和效益，為建設「兩個強國」（含「製造強國」）提供頻率資源保障，適應物聯網、工業互聯網、車聯網發展，制定廣域物聯網、車聯網頻率使用規劃及相關管理規定，適時發布eMTC蜂窩物聯網頻率管理規定及射頻技術指標。

3月8日，工信部召開《工業互聯網平台建設及推廣工程實施指南》研討會，提出將加快完善並發布《工業互聯網平台建設及推廣工程實施指南》。

由此可見，在黨中央、國務院的戰略部署下，我國的「工業互聯網」正處於新一輪快速發展的「前夜」。

發展到現階段，工業互聯網是工業通信網路的一部分。目前，工業通信網路正在向網路化、數字化、智能化方向發展，已經不能被視為簡單的通信網路，而是應被視為組成自動化控制系統的關鍵子系統。

由此，業界總結出，將來的工業互聯網需要具備6大典型特徵：

①智能感知。這是工業互聯網的基礎。面對工業生產、物流、銷售等產業鏈環節產生的海量數據，工業互聯網是利用感測器、射頻識別等感知手段獲取工業全生命周期內的不同維度的信息數據，具體包括人員、機器、原料、工藝流程和環境等工業資源狀態信息。

②泛在連通。這是工業互聯網的前提。工業資源通過有線或無線的方式彼此連接或與互聯網相連，形成便捷、高效的工業互聯網信息通道，實現工業資源數據的互聯互通，拓展了機器與機器、機器與人、機器與環境之間聯接的廣度和深度。

③數字建模。這是工業互聯網的方法。數字建模將工業資源映射到數字空間中，在虛擬的世界裡模擬工業生產流程，藉助數字空間強大的信息處理能力，實現對工業生產過程全要素的抽象建模，為工業互聯網實體產業鏈運提供有效決策。

④實時分析。這是工業互聯網的手段。針對所感知的工業資源數據，通過技術分析手段，在數字空間中進行實時處理，獲取工業資源狀態在虛擬空間和現實空間的內在聯繫，將抽象的數據進一步直觀化和可視化，完成對外部物理實體的實時響應。

⑤精準控制。這是工業互聯網的目的。通過工業資源的狀態感知、信息互聯、數字建模和實時分析等過程，基於虛擬空間形成的決策，轉換成工業資源實體可以理解的控制命令，進行實際操作，實現工業資源精準的信息交互和無間隙協作。

⑥迭代優化。這是工業互聯網的效果。工業互聯網體系能夠不斷地自我學習與提升，通過將工業資源數據處理、分析和存儲，形成有效的、可繼承的知識庫、模型庫和資源庫。面向工業資源製造原料、製造過程、製造工藝和製造環境，進行不斷迭代優化，達到最優目標。

其中，作為重要基礎，工業通信網路需要一張無所不在的寬頻網路，以把人、物、數據、流程全部連接起來，應用場景主要包含3類：廣域應用場景、工廠級應用場景和現場級應用場景。

廣域應用場景就涉及到工業互聯網，主要指跨域的多工廠之間的網路通信和應用，包括多廠之間的廣域網路訪問和通信、協同設計、供應鏈協作、多廠間物流等。現有多工廠之間的廣域網路通信一般採用互聯網、專線網路或VPN 虛擬專網方式，通過整機廠和周邊零配件分廠之間的供應鏈協作系統，整機廠供應鏈管理人員可以通過電腦或手機遠程訪問周邊零配件分廠的供應計劃，周邊零配件廠供應鏈管理人員也可以通過電腦或手機遠程訪問整機廠的需求計劃。通過廣域通信將生產線和輔助配套設備與供應商互聯起來，各方能洞察相互之間的依賴關係、物料流動和製造周期。支持位置跟蹤、遠程監控資產運行狀況、報告流經供應鏈的零件和產品的情況等諸多功能。

可見：

首先，無線接入網路相比有線網路具有明顯的優勢：一是可大幅降低工廠內網路部署和維護成本，無線網路部署快，無需像有線網路那樣鋪設纜線及設置保護裝置；二是無線方式了提高生產線的靈活性，實現現場設備的移動性，工廠生產可根據產品生產需求對生產線進行靈活的重構，實現柔性生產。

其次，工業互聯網對於底層智能網路的帶寬、時延、智能程度（比如切片/參數隨選）等都有著很高的要求。工業互聯網有管理控制類、數據採集類和信息交互類業務，各類業務對網路的性能要求也不相同，如承載控制類業務要求網路具備低時延（端到端時延毫秒級，時延抖動微秒級）、高可靠（數據傳輸成功率99.999%）、高同步精度（百納秒級）的能力，數據採集類業務要求網路具備高密度接入（百萬連接/平方公里）、部分要求低功耗（使用超過10 年以上）、抗干擾和滿足現場安全性等方面的能力，信息交互類業務要具備較高的傳輸速率（語音圖像要求在百兆帶寬、視頻類要在Gbit/s帶寬）。

以LTE網路為代表的高速連接網路可基本解決工廠級應用場景下廣域網和廠域網的需求。現階段，部分工業企業開始嘗試在廠區內部自行搭建一張LTE專用網路來滿足工業製造的需求，通過新建一張LTE EPC核心網，分別與企業內部各類應用系統進行互通，或者新建一張LTE無線接入網，採用特殊申請無線LTE頻段覆蓋整個工業廠區。

但是這些方式都存在一些局限，如建設成本大、後期維護成本持續投入、LTE無線頻段資源難以獲取、特殊無線頻段的定製化終端成本較高等問題，難以在工業領域廣泛推廣，需要採用已規模部署的公眾LTE網路，利用現有網路架構與工廠園區的基站將數據流量接入工廠網路，用戶面的業務數據不經過網路側（如核心網）而直接在本地傳輸。

而將來的5G網路可以解決上述問題。在工業領域中，5G可以提供高效率、高質量、低成本的網路連接。

知名市場調研公司IHS在2017年發布的《5G經濟報告》顯示，2035年，由5G使能的工業製造空間高達3.4萬億美元。

在智能工廠里，5G網路能夠靈活地支撐智能製造的多業務場景，包括機械臂協同控制所需毫秒級的極低時延（5G uRLLC）、先進的生產輔助系統應用增強現實所需的高帶寬與毫秒級的低時延（5G eMBB+5G uRLLC）。

3GPP的5G技術面向物聯網定義了3類應用場景：大容量物聯網（mMTC）、低時延高可靠通信（uRLLC）和增強型移動寬頻（eMBB）。其中：①5G mMTC主要針對海量機器類通信，如各類表的遠程激活、消耗流量的實時跟蹤、無線視頻監控的遠程激活，遠程監測並上報環境參數和控制機械的數據，一個用戶具有多個終端和一個終端被多個用戶使用等多種場景，工業互聯網應用場景下有相同的需求；②5G uRLLC要求極低的時延和更高的可用性，在工業互聯網中主要應用在工廠內部的現場控制等應用場景。需要重點關注對於各種現場匯流排協議的承載支持，並綜合利用網路切片和移動邊緣計算等技術，實現工業自動化場景的支持；③5G eMBB場景則分為廣域覆蓋和熱點覆蓋，對於工業互聯網逐漸興起的大流量業務能夠更好地支撐，如虛擬工廠和高清視頻遠程維護等。

另外，5G MEC（5G邊緣計算）也將可很好地支撐工業互聯網的高速率、低時延運行。5G MEC在靠近工業互聯網的網路邊緣側，融合網路、計算、存儲、應用核心能力的開放平台，就近提供邊緣智能服務，滿足行業數字化在敏捷連接、實時業務、數據優化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關鍵需求。5G MEC中，數據不用再傳到遙遠的雲端，在邊緣側就能解決，更適合工業互聯網實時的數據分析和智能化處理，具有安全、快捷、易於管理等優勢，能更好地支撐工業互聯網大量本地業務的實時智能化處理與執行，滿足網路的實時需求。

目前，通信運營商已經在開展5G在工業領域的網路應用場景及相關技術研究。比如，早在2017年的MWC上，德國電信與華為聯合開發的機械臂接球用於展示超低時延切片在工業製造中的應用，該切片基於對接入、傳輸及核心網的域內及域間編排控制技術以及邊緣計算部署來達到ms級的時延保障，最高可達1 ms。

移動通信運營商如何發展工業互聯網？總體發展策略應以完善廣域互聯能力為主，服務於橫向集成，同時切入工廠廠域網路，服務於縱向集成。對於網路發展建議面向不同接入需求，同時考慮把5G網路深度嵌入工業應用，聯網到底。技術研發則以LPWA（低功耗廣物聯網） + 5G、基於公網的工廠虛擬專網技術和隨選網路為主要發展方向。

工業互聯網是對可靠性和時延要求很高的網路，隨著5G網路的不斷發展，通信運營商的身份和信息化的專業經驗決定了其現在及未來會積極主動地參與到工業網路中。

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