“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)中的應(yīng)用研究 全球觀焦點(diǎn)

（CWW）按照“網(wǎng)絡(luò)先行、應(yīng)用牽引、市場(chǎng)主導(dǎo)、政策推動(dòng)”的思路，我國深入推進(jìn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”全面發(fā)展，持續(xù)打造支持“寬窄結(jié)合”的物聯(lián)接入能力，目前已經(jīng)建成全球規(guī)模最大的移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)。接下來，我國將繼續(xù)拓展“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用場(chǎng)景，使移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)與機(jī)械制造行業(yè)的融合進(jìn)一步深化，加快推進(jìn)新型工業(yè)化，提升制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用需求及場(chǎng)景

(資料圖片僅供參考)

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用需求

5G是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)要素的聯(lián)網(wǎng)和智能化需要高速率、低時(shí)延、海量連接的網(wǎng)絡(luò)支持。當(dāng)前5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用也出現(xiàn)了很多新型場(chǎng)景，包括“5G+VR/AR”“5G+無人機(jī)”“5G+遠(yuǎn)程控制”“5G+機(jī)器視覺”“5G+云化AGV”等。在應(yīng)用場(chǎng)景發(fā)展節(jié)奏方面，“5G+VR/AR”“5G+機(jī)器視覺”等應(yīng)用已進(jìn)入高速發(fā)展期，經(jīng)濟(jì)價(jià)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(yīng)用場(chǎng)景；“5G+云化AGV”“5G+無人機(jī)”等應(yīng)用受限于與設(shè)備深度融合的需求，還需等待技術(shù)、產(chǎn)品成熟，預(yù)計(jì)未來2~3年將有較快發(fā)展；“5G+遠(yuǎn)程控制”等應(yīng)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(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用場(chǎng)景

·5G+VR/AR

目前“5G+VR”在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中主要應(yīng)用于虛擬裝配、虛擬培訓(xùn)、虛擬展廳等場(chǎng)景。其中，“5G+VR”虛擬裝配是工業(yè)設(shè)計(jì)中必不可少的審核環(huán)節(jié)，可以在設(shè)計(jì)接口、部件外觀和大小等方面最大程度優(yōu)化產(chǎn)品實(shí)際裝配時(shí)的能效；“5G+VR”虛擬培訓(xùn)相較于傳統(tǒng)的授課方式更加全面且能夠及時(shí)反饋，相比于教科書里難懂的文字及考驗(yàn)學(xué)習(xí)者想象力的平面圖，虛擬現(xiàn)實(shí)的場(chǎng)景表達(dá)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(chǎng)”的體驗(yàn)。目前AR的應(yīng)用已融入到工業(yè)制造的交互、營銷、設(shè)計(jì)、采購、生產(chǎn)、物流和服務(wù)等環(huán)節(jié)，典型的應(yīng)用包括AR遠(yuǎn)程協(xié)助、AR在線檢測(cè)、AR樣品展示等。利用基于5G的AR遠(yuǎn)程協(xié)助，后臺(tái)專家可以通過語音視頻通信、AR實(shí)時(shí)標(biāo)注進(jìn)行遠(yuǎn)程協(xié)作，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)人員和遠(yuǎn)程專家的“零距離”溝通，大大提高工業(yè)生產(chǎn)、設(shè)備維修、專業(yè)培訓(xùn)等環(huán)節(jié)的生產(chǎn)效率。

·5G+無人機(jī)

無人機(jī)作為高新科技發(fā)展的產(chǎn)物，目前的應(yīng)用范圍已經(jīng)相當(dāng)廣泛。從應(yīng)用領(lǐng)域來說，無人機(jī)可分為消費(fèi)級(jí)無人機(jī)和工業(yè)級(jí)無人機(jī)，相對(duì)于已經(jīng)較為成熟的消費(fèi)級(jí)無人機(jī)，工業(yè)級(jí)無人機(jī)的應(yīng)用還處在不斷探索的階段。目前，工業(yè)級(jí)無人機(jī)已被應(yīng)用于智慧物流、智慧園區(qū)、設(shè)備巡檢等領(lǐng)域。

5G無人機(jī)平臺(tái)可以實(shí)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(shè)備點(diǎn)巡檢。利用5G網(wǎng)絡(luò)高速率、高可靠、低時(shí)延、海量連接的特點(diǎn)將搭載在無人機(jī)上的攝像頭所拍攝的圖像實(shí)時(shí)傳送到廠區(qū)綜合控制中心，然后通過對(duì)視頻圖像進(jìn)行基于人工智能的物體識(shí)別、模式識(shí)別分析，可以判斷所巡檢的地點(diǎn)是否存在安保異常、火警異常，并實(shí)現(xiàn)智能提示，最大限度降低安保人員日常勞動(dòng)強(qiáng)度。

·5G+遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)多生產(chǎn)單元協(xié)作的必要手段。遠(yuǎn)程控制直接關(guān)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(lǐng)域大多數(shù)遠(yuǎn)程控制還是基于有線網(wǎng)絡(luò)。有線網(wǎng)絡(luò)雖然穩(wěn)定，但也限制了生產(chǎn)的靈活性，同時(shí)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(shí)不適宜人工作業(yè)，比如高溫、高空等場(chǎng)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(yuǎn)程控制機(jī)械來實(shí)現(xiàn)。要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(shí)時(shí)穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)保證操控的靈敏度和可靠性。這些對(duì)現(xiàn)有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和4G技術(shù)來說是巨大挑戰(zhàn)?？紤]遠(yuǎn)程控制的需求，5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)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(yuǎn)程控制對(duì)于低時(shí)延的要求。

·5G+機(jī)器視覺

機(jī)器視覺是人工智能的一個(gè)重要分支，在工業(yè)的應(yīng)用極為廣泛，可以有效提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化水平，適用于一些危險(xiǎn)的人工作業(yè)環(huán)境或者人工難以滿足要求的場(chǎng)合。通過5G網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器視覺系統(tǒng)可以實(shí)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(gè)工位且共享圖像處理單元，共同實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的高速、低成本自動(dòng)化檢測(cè)。同時(shí)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(luò)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(jī)器視覺系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)功能。依托5G高速率、海量連接特性，工作人員不用進(jìn)車間即可通過移動(dòng)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(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

·5G+云化AGV

AGV指裝備有電磁或光學(xué)等自動(dòng)導(dǎo)引裝置、能夠沿規(guī)定的導(dǎo)引路徑行駛、具有安全保護(hù)以及各種移載功能的運(yùn)輸車。所謂云化AGV，是把AGV上運(yùn)行的定位、導(dǎo)航、圖像識(shí)別及環(huán)境感知等有復(fù)雜計(jì)算能力需求的模塊上移到5G的邊緣服務(wù)器，以滿足AGV日益增長的計(jì)算需求；而運(yùn)動(dòng)控制/緊急避障等實(shí)時(shí)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(dāng)于在云端為AGV增加了一個(gè)“大腦”，除AGV原有的復(fù)雜計(jì)算以外，使各種各樣的AI能力擴(kuò)展成為可能。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)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(shù)的高帶寬、高可靠、低時(shí)延、移動(dòng)性，可向柔性制造、自動(dòng)化、無線化方向演進(jìn)；5G的云網(wǎng)一體化屬性助力企業(yè)邊緣計(jì)算應(yīng)用，邊緣云可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的云端實(shí)時(shí)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(luò)支撐；網(wǎng)絡(luò)切片、公有云、私有云、邊緣云的融合為企業(yè)提供了高性價(jià)比的5G解決方案。

圖1“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”整體架構(gòu)

“5G+MEC”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)靈活，5GC采用虛擬化架構(gòu)，UPF下沉至網(wǎng)絡(luò)邊緣，UPF和MEC可以共虛擬化平臺(tái)部署，解決計(jì)費(fèi)和安全問題。用戶數(shù)據(jù)可由UPF轉(zhuǎn)發(fā)接入MEC，計(jì)費(fèi)和安全可由UPF完成，MEC實(shí)現(xiàn)對(duì)APPs的安全認(rèn)證及支撐APP/API計(jì)費(fèi)。

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

圖2MEC部署方案

“5G+切片”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景較多，而且不同的場(chǎng)景對(duì)移動(dòng)性、安全性、可靠性等有不同要求，難以通過一張網(wǎng)絡(luò)來滿足。利用切片技術(shù)，將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切分成能夠提供不同功能的虛擬網(wǎng)絡(luò)，可滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景需求。針對(duì)未來多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景，需要構(gòu)建一個(gè)敏捷、自動(dòng)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(luò)切片可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源靈活分配及網(wǎng)絡(luò)能力按需組合，基于5G網(wǎng)絡(luò)虛擬出多個(gè)具備不同特性的邏輯子網(wǎng)。每個(gè)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(jìn)行統(tǒng)一管理。

5G網(wǎng)絡(luò)切片業(yè)務(wù)的引入需要考慮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展的成熟度。運(yùn)營商應(yīng)分階段引入網(wǎng)絡(luò)切片。根據(jù)切片的部署要求，可以分為快速部署和目標(biāo)部署。為了快速推出5G業(yè)務(wù)，切片部署初期重點(diǎn)聚焦于典型的eMBB場(chǎng)景，例如高清視頻、AR/VR、3D等業(yè)務(wù)，并適當(dāng)?shù)嘏浜虾诵木W(wǎng)用戶面下沉部署，實(shí)現(xiàn)部分超低時(shí)延業(yè)務(wù)需求。

同時(shí)，對(duì)切片的編排部署進(jìn)行簡(jiǎn)化。CN子切片采用云化技術(shù)部署，提供CN NSSMF進(jìn)行子切片的編排和部署；RAN和TN子切片通過配置，進(jìn)行切片的資源調(diào)度和隔離。5G網(wǎng)絡(luò)切片管理框架如圖3所示。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)切片管理框架

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用案例

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在電力行業(yè)的應(yīng)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(shè)工作部署，緊緊圍繞公司戰(zhàn)略目標(biāo)落地工作，試點(diǎn)建設(shè)融合量子通信等技術(shù)的5G公網(wǎng)電力應(yīng)用示范區(qū)，以經(jīng)濟(jì)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(shù)強(qiáng)化業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安全，對(duì)海量的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”資源進(jìn)行精準(zhǔn)控制。

該公司計(jì)劃在全省數(shù)百個(gè)企業(yè)內(nèi)建設(shè)秒級(jí)可中斷負(fù)荷快速響應(yīng)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(jí)可中斷負(fù)荷接入功能建設(shè)，秒級(jí)可中斷容量超百萬千瓦。以上兩類場(chǎng)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(wù)安全、數(shù)據(jù)安全的需求，運(yùn)營商擬在國網(wǎng)電力機(jī)房部署邊緣UPF，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流。

4G/5G協(xié)同：既支持5G NR網(wǎng)絡(luò)，又兼顧4G LTE設(shè)備。在5G未覆蓋區(qū)域?qū)?G LTE作為補(bǔ)充網(wǎng)絡(luò)解決方案，實(shí)現(xiàn)4G和5G（NSA/SA）同時(shí)進(jìn)行分流的能力。

to B/to C統(tǒng)籌規(guī)劃：依照運(yùn)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(shè)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(chǎng)景下高度融合，還能夠在支持企業(yè)員工使用工作手機(jī)、PAD、PDA等手持終端的同時(shí)，支持設(shè)備、儀表等物聯(lián)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)交互。

·具體建設(shè)方案

基于國網(wǎng)公司業(yè)務(wù)需求及運(yùn)營商5GC網(wǎng)絡(luò)部署的情況，該項(xiàng)目擬在國網(wǎng)電力核心機(jī)房新建4G/5G融合的GW-U/UPF網(wǎng)元，對(duì)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(guān)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(luò)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(luò)（DN）；OM接入到網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)管OM。

此場(chǎng)景下的業(yè)務(wù)流向?yàn)椋簢W(wǎng)電力終端—市電力專享UPF—國網(wǎng)電力網(wǎng)絡(luò)。該項(xiàng)目中5G應(yīng)用場(chǎng)景有精準(zhǔn)負(fù)荷控制、差動(dòng)保護(hù)、“三遙”等，運(yùn)營商利用5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高可靠、4G/5G融合與公網(wǎng)隔離等技術(shù)特性，圓滿完成了國網(wǎng)公司的既定目標(biāo)。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用

某集團(tuán)作為中國機(jī)械工業(yè)百強(qiáng)企業(yè)，開始啟動(dòng)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，著力打造數(shù)字化設(shè)計(jì)、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(biāo)桿。

·企業(yè)主要業(yè)務(wù)需求

穩(wěn)定可靠的5G網(wǎng)絡(luò)：便于打造基于5G的無線化車間，解決傳統(tǒng)車間信號(hào)不穩(wěn)定、接入數(shù)受限和帶寬不足的問題，助力實(shí)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(luò)傳輸方案，支持PAD等終端移動(dòng)辦公。單業(yè)務(wù)下行速率在30Mbit/s~100Mbit/s，上行速率在1Mbit/s~5Mbit/s。

機(jī)器視覺和數(shù)據(jù)采集：通過5G網(wǎng)絡(luò)，利用機(jī)器視覺和數(shù)據(jù)采集，讓企業(yè)管理者實(shí)時(shí)、高效地掌握各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備、物料、人員狀態(tài)以及生產(chǎn)運(yùn)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(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低單位產(chǎn)品成本。機(jī)器視覺單業(yè)務(wù)下行速率在10Mbit/s~30Mbit/s，單業(yè)務(wù)上行速率在10Mbit/s~100Mbit/s；數(shù)據(jù)采集單業(yè)務(wù)下行速率在0.1Mbit/s~0.5Mbit/s，單業(yè)務(wù)上行速率在0.5Mbit/s~1Mbit/s。

“5G+遠(yuǎn)程專家協(xié)助”：?jiǎn)T工通過AR眼鏡可隨時(shí)獲得遠(yuǎn)程專家協(xié)助，快速、遠(yuǎn)程解決室外、移動(dòng)性場(chǎng)景的突發(fā)問題，實(shí)現(xiàn)從指揮中心指導(dǎo)向運(yùn)維現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)轉(zhuǎn)變，賦能一線業(yè)務(wù)人員。這樣一來，降低了對(duì)員工的技能要求，提升了檢修和維護(hù)的工作效率，同時(shí)降低了工程運(yùn)維的人力和時(shí)間成本。

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

圖45G行業(yè)應(yīng)用示意

·建設(shè)方案

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

此項(xiàng)目中的5G應(yīng)用場(chǎng)景有數(shù)據(jù)采集、機(jī)器視覺、“5G+AR/VR”、“5G+辦公”等，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、高可靠特性，以及園區(qū)網(wǎng)絡(luò)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(jìn)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。為此工業(yè)系統(tǒng)需要吸納各種先進(jìn)的新技術(shù)，特別是與5G技術(shù)融合。只有充分利用好5G大帶寬、低時(shí)延、海量連接的網(wǎng)絡(luò)特性，并且與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應(yīng)用深度融合，才能不斷提升整個(gè)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。

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