貿易戰背後：5G與工業4.0到底有什麼關係

最新 05-04

美國發動貿易戰並針對《中國製造2025》，5G將加速第四次工業革命並已上升為國家戰略地位，它們之間到底有啥關係？一篇長文，讀懂背後的原因。

一場由第四次工業革命引發的戰爭

人類經歷了三次工業革命，每一次工業革命都使人類的生產方式發生了巨大變化，也引發了不同形態的戰爭。

第一次工業革命源起於18世紀，開創了以蒸汽機動力代替手工勞動的時代，引發了戰爭從冷兵器時代進入熱兵器時代；第二次工業革命發生於1870年至1914年間，開創了電力取代蒸汽動力時代，引發了戰爭進入機械化時代；第三次工業革命始於二戰之後，信息化、數字化革命使傳統工業更加機械化、自動化，戰爭則進入信息化時代。

第四次工業革命正在到來，這是一個智能化時代。貿易戰的背景無外乎是一場智能化時代的戰爭。

自2008年全球金融危機爆發後，歐美傳統強國經濟受到重創，促使他們重新認識到製造業的重要性，紛紛提出「再工業化」振興計劃，擬通過提升高端製造技術，對製造鏈進行重構來帶動經濟發展與就業。

美國發動貿易戰並非一時心血來潮，早在2011年6月奧巴馬政府就啟動了美國先進位造計劃（AMP），提出「製造業迴流」，以確保美國先進位造領導地位，並設立國家製造創新網路（NNMI），以加速科研成果落地產業應用。

德國在2011年提出了「工業 4.0」，其核心系統CPS（Cyber-Physical System）向我們描繪一個虛擬數字世界和物理世界交匯而成的黑客帝國般的場景。

我國於2012年提出的「十二五」規劃中，將智能製造、新一代移動通信、三網融合、物聯網、雲計算列為戰略性產業。2015年，我國宣布實施「中國製造2025」，力爭2025年邁向製造強國行業。

其間，日本也提出了「日本產業重振計劃」和機器人新戰略，以重振製造業和應對人口老齡化；韓國提出「製造業創新3.0」，以鼓勵製造業轉型與發展，促進IT產業、主力產業、新產業的融合發展。

中國的「中國製造2025」、美國的「AMP」、德國的「工業4.0」都統稱為第四次工業革命，都旨在利用科技的重大突破促進經濟產業結構發生重大變化。So，什麼是第四次工業革命？

什麼是第四次工業革命？

以下將第四次工業革命統稱為工業4.0，其核心內容可簡單總結為：一化、一網、三集成。

一化：製造業服務化

「製造業服務化」是未來的趨勢，到2025年，製造商將從服務中獲得更多的收入，而不只是產品。

所謂製造業服務化，指製造商將在物流、產品設計、車間自動化和客戶關係管理等整個產品生命周期中發生根本性的、顛覆性的變革，以實現價值鏈擴展，從單一的銷售產品轉向提供產品加服務。

三集成：橫向集成、縱向集成、端到端集成

橫向集成

所謂橫向集成，指從採購、生產到銷售的全過程中，實現各企業間的無縫合作或價值鏈橫向集成，以確保整個價值鏈的每一個環節能實時掌控，提供實時產品和服務。

這一過程將對傳統的產品設計、製造、銷售和維護方式產生巨大的影響，行業重新洗牌，新玩家出現，傳統玩家消失，也將促使傳統製造商向綜合產品服務提供商轉型。

這種橫向集成也意味著今天的「淘寶模式」終將被淘汰。

縱向集成

一個企業內部通常是多個信息系統間相互如煙囪般垂直並立，縱向集成就是將這些「煙囪」連通，實現企業內部所有環節信息無縫連接，以提高生產效率和實現個性化定製生產。

端到端集成

端到端集成指對產品整個生命周期的集成，它通過網路與客戶、售出的產品建立長期聯繫，不斷從客戶或產品反饋的數據來優化或重新設計產品，實現「以產品為中心」向「以產品服務為中心」轉變。

要實現「三集成」，ICT基礎設施是基礎，關鍵需要一個網路。

德國提出的工業4.0的核心系統叫CPS（Cyber-Physical System，信息物理網路系統），它定義為一個虛擬數字世界和物理世界交匯而成的系統，即CPS將ICT和控制技術集成於傳統產業之上，利用物聯網、雲計算、大數據、人工智慧等技術來實現自動分析、判斷、決策和學習成長，以輔助或替代人類決策。

顯然CPS需要加持了大數據分析、人工智慧、雲計算等技術的5G網路。

5G對於工業4.0意味著什麼？

高性能的無線網路連接工廠內的海量感測器、機器人和信息系統，連接產生的海量數據、優質數據不斷「餵食」人工智慧，並將分析、決策反饋至工廠，同時，5G廣覆蓋的物聯網路覆蓋全球，連接廣泛分布或跨區域的商品、客戶和供應商等，保持對整個產品生命周期的全連接，從而實現工廠內/外部的縱向、橫向集成和端到端三大集成。

總之，未來的工廠是數字虛擬和物理現實相融合，ICT技術與現代製造業相融合，以提高工業生產的靈活性、可追溯性、多功能性和生產效率，為製造業開闢新的商業模式。工廠內部和外部之間的界限也越來越模糊，工廠不再是獨立的封閉實體，而是龐大的價值鏈和生態系統的一部分，這就是所謂的「虛擬工廠」。

5G如何驅動工業4.0

驅動工業4.0，主要依靠三大5G關鍵技術：新空口（NR）、網路切片和邊緣計算。

新空口

這裡指的是5G的無線連接能力，眾所周知，5G定義了eMMB、URLLC和mMTC三大場景，eMMB指高速率連接，URLLC指超低時延超可靠連接，mMTC指超大規模連接，工業4.0里，這三大場景均將應用到。

我們以未來工廠的四大典型連接：移動機器人、工廠自動化、新的人機界面和物流為例，來看一看它們如何對應5G的三大場景。

移動機器人

移動機器人屬於「柔性工廠」的範疇，所謂柔性工廠，指可以自由的移動機器設備、自由的重裝生產工具，以保證工廠可以迅速且低成本地在不同種類的產品生產線之間轉換生產，快速適應改變。

要實現柔性工廠，需用無線連接來替換工廠內現有的有線連接，只有擺脫了有線的束縛，才可以自由的設計、操作和升級互聯的機器設備和機器人。

但是，眾所周知，通常無線連接的穩定性遜於有線連接，因此，這就需要——超高可靠超低延遲的無線連接，即5G的URLLC場景。

工廠自動化

在自動化工廠內部，為了提高生產線的效率，需對各個子部件進行實時監控，對生產的產品質量進行實時測量，乃至對生產線進行實時優化，這就要求具有超低時延超高可靠的無線連接，同時，視覺控制機器人手臂、3D模型傳送、遠程數字工廠等應用需要高可靠的高帶寬通信，因此，這就需要同時支持mMTC、eMMB和URLLC三大場景。

新的人機界面（HMI）

早期的人機界面是指工業控制設備中的一些串口通信，比如變頻器、直流調速器、溫控儀錶、數采模塊等都可以連接HMI，來實現人機交互功能。

未來的人機界面應用將發生顛覆性的改變，其藉助工業智能與大數據的融合，使可穿戴工業設備、增強現實（AR）在人機融合中扮演重要角色，比如讓工人們穿上機器人外骨骼裝備，利用「可穿戴工業設備+AR技術」，將信息與真實世界場景融為一體，隨時捕捉信息、接收雲端指令和操作協助等，這需要網路支持eMMB和URLLC兩大場景。

物流

在物流方面，從智能倉庫管理到物流配送，均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的5G物聯網連接，這對應了5G的mMTC場景。

此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產品的整個生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的5G物聯網，這也對應了5G的mMTC場景。

企業內部/企業之間的橫向集成也需要無所不在的、無縫的5G聯網。「隨時隨地設計，隨時隨地生產」是智能工廠的雄心壯志，進而要求網路必須適應即時變化的容量和移動性要求，乃至能靈活融合各種不同的無線接入技術，因此，5G網路的包容性和支持業務的多樣性不可或缺。

綜上，未來工廠離不開5G的連接能力，但5G網路要一張網路支持eMMB、URLLC和mMTC三大場景，離不開另一大關鍵技術——網路切片。

網路切片

我們應該不止一次解釋過網路切片。所謂網路切片，就是將一張物理網路切成多張相互獨立的、邏輯的切片子網路，這些「切片網路」共享物理基礎設施，分別提供不同的服務類型，應對不同的場景。

我們經常把4G網路比喻為高速交通系統，你可以把5G網路切片比喻為一個城市綜合交通系統，有公路、地鐵、輕軌、BRT，還有人行道、自行車道等等，不同的交通系統應對人們不同的需求。

要創建和管理網路切片，需要NFV和SDN兩大技術。

NFV，即網路功能虛擬化，其構架在橫向分為三層：物理資源層、虛擬化層和服務層，縱向是NFV管理編排（MANO）層。

NFV構架

?物理資源層指底層的計算、存儲、網路等物理資源。

?虛擬化層是指用於部署和執行網路功能的一組虛擬資源，它通過對底層物理資源虛擬化，以虛擬機（VM）的形式共享底層物理資源，一個虛擬機可包含一定數量的計算和存儲資源。

?服務層由一系列由虛擬資源構建的VNF（虛擬網路功能單元）組成，VNF可以理解為是對應網路中現有物理網元的模塊化的軟體功能實體。

?以上三層由MANO負責編排管理，MANO根據需求分配資源，為NF（網路功能）配置物理和虛擬資源。

NFV負責各種網元的虛擬化，它將傳統電信設備軟硬體解耦，而SDN主要負責將每一個網路節點的控制面和數據面分離，並將控制面抽取出來組成一個獨立的、集中的控制器（SDN Controller），這個控制器相當於網路的中樞大腦，它從更高的層次俯視整個網路，並下髮指令統一管理網路中的多層轉發，控制信令不再是口口相傳，而是集中智能管理。打個比方，如果把網路比喻為人體，人身上的眼、耳、鼻、手、足等這些人體器官對應不同的NF（網路功能），那麼，SDN就相當於大腦，控制各個器官協調工作。

網路切片原理

基於NFV/SDN技術，一張5G物理網路「切」成多個邏輯網路，服務於工業4.0的不同場景。

網路切片還有一個關鍵特徵——端到端的QoS保障。傳統的無線服務主要以「儘力而為」的方式提供，每個人共享網路和無線資源，但工業應用要求更嚴苛的QoS（網路服務質量），網路切片不但能提供端到端的QoS保障，還能隔離不同服務，滿足未來工廠不同的服務需求。

當運營商為工業4.0創建了個性化的網路切片之後，每個網路切片滿足不同的用例和行業特定需求，這就打開了全新的、定製化的網路切片即服務（NSaaS）的服務模式，也未來傳統製造商向綜合產品服務提供商轉型，引入新的商業模式和商業生態奠定了基礎。我們將看到未來更多的網路切片、網路子切片應用於工業4.0。

以上關於網路切片的介紹有點抽象，我們來舉一個應用案例。

以定製化製藥為例。假設某家製藥廠在全球分布有10家分廠，每一家分廠內的製藥流程都是一樣的，即通過控制安裝在機器手臂上移液器來分配藥品的藥物成分。與以往製藥過程不同，現在叫「定製化製藥」，即根據不同類型的患者來分配藥物成分的類型和數量，為此，這10家分廠均要通過5G網路連接到雲端，雲端存儲海量的患者信息數據，並通過大數據分析和人工智慧確定針對不同類型患者的藥物成分，在生產過程中機器手臂需實時通過5G網路連接到雲端，並根據云端的指令實時的進行配藥。

這一案例對應了5G URLLC場景，需依靠具備端到端QoS保障的5G網路切片才能實現。同時，在生產過程中工人們利用可穿戴設備、AR技術等新的人機界面（HMI）來監視生產過程，並實時增強顯示來自雲端的視頻，以及生產線上安裝無數感測器來實現自動化流程等，這些場景還需要其他的5G網路切片來實現。

為了保障端到端的QoS，在應對工業4.0中的超低時延超高可靠場景時，另一大關鍵技術非常重要——邊緣計算。

邊緣計算

邊緣計算指將雲端的計算和存儲能力下沉到網路邊緣，使之更接近用戶端，不僅可降低網路時延和負荷，還能基於本地部署新的應用。