摘要：雖然目前5G+工業網際網路仍存在一些問題和挑戰，但是5G技術本身也在不斷地發展和完善中。5G+工業網際網路正在從點狀示範應用逐漸向面狀應用和系統應用發展。這一過程需要産業生态圈内各類企業協同合作，共同發現産業需求、創新應用和傳遞項目，探索并踐行商業模式，以實作5G+工業網際網路的良性發展。
關鍵詞：工業網際網路；5G；智能制造
工業制造是中國經濟發展和參與大國競争的基石，也是振興實體經濟的重要抓手。工業網際網路則是實作工業全系統、全産業鍊、全價值 鍊連接配接和支撐工業智能化發展的關鍵基礎設施，是新一代資訊技術與制造業深度融合所形成的新興業态和應用模式，是網際網路從消費領域向生産領域、從虛拟經濟向實體經濟拓展的核心載體[1]。
工業網際網路作為關鍵基礎設施、全新工業生态和新型應用模式，其精髓及優勢在于規模化的資源排程與共享。如圖1所示，通過人、機、物的全面互聯，和全要素、全産業鍊、全價值鍊的全面連接配接，工業網際網路正在不斷改變傳統的制造模式、生産組織方式和産業形态，推動傳統産業加快轉型更新，加速新興産業發展壯大。
在5G為工業互聯資料流動提供重要無線網絡保障的同時，工業網際網路為5G提供了廣闊的應用場景。目前，5G＋工業網際網路主要應用在工業設計、工業制造、質檢、運維、控制、營銷展示等關鍵環節中，并形成了工業三維圖像、移動視覺、遠端運維與遠端操控、無人巡檢、資料采集等系列化的典型應用場景。未來，5G将逐漸向工廠現場控制層面延伸。
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工業網絡面臨的問題和挑戰
目前，工業網絡仍面臨諸多問題，這主要展現在以下3個方面：
（1）不夠開放和友好，這是由傳統工業廠家的格局和市場來決定的。大多數的工業協定都是封閉化的結構設計，擁有嚴格控制的對外接口。
（2）不夠彈性和靈活，擴充和調整的難度比較大。
（3）不适應業務發展的需要，部署和運維的成本比較高。由于工業網絡涉及到有線和各類無線，加之在現場都有應用，是以它難以融合新技術的變革，對現有技術和架構産生了很大的阻礙影響。
在無線網絡方面，現有工業無線網絡尚存在以下幾個方面的挑戰：
（1）可靠性和穩定性。工業場合對可靠性和穩定性的要求比較高，而無線傳輸的可靠性、穩定性與有線的方式相比還不具備突出優勢。
（2）重新整理速度。工業系統對重新整理速度要求比較高，而無線通信較難實作高速重新整理，同時難以實作大量終端的同時線上連接配接。
（3）網絡安全。無線網絡被入侵和幹擾的風險較高，網絡安全得不到保障。
（4）傳感器無線供電。雖然無線網絡縮短了通信的線路，但是仍解決不了供電線的問題。對傳感器進行無線供電目前仍是一個無法産業化的問題。
（5）無線工業領域協定及标準。有線領域的标準協定曆經幾十年才被逐漸規範，在無線工業領域，這些協定又被重新定義一遍。
（6）電磁輻射和幹擾。由于很多無線網絡會産生電磁輻射，在面向特殊行業（石油、井工礦等）時，必須考慮防爆和隔爆的特殊要求。
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5G在工業領域應用特點和優勢
除了人們熟知的3個特點之外，5G在工業領域[2] 的幾個比較重要特征包括：
（1）網絡切片。網絡切片是5G網絡不同于其他網絡的一個重要的特征，也就是說，一張實體網絡可以虛拟出不同的子網絡，以滿足工業領域不同業務的應用場景要求。整個5G 網絡還支援端到端的編排管理，可以根據不同的業務要求進行彈性擴張或者收縮。
（2）在工業領域的超可靠低延遲時間通信（URLLC）。目前，R16 标準已經被當機，URLLC 标準在原有的增強移動寬帶（eMBB）的基礎上，時延得到了進一步降低。
如圖2 所示，在eMBB 場景下跨核心網網元時，整個端到端時延在理想情況下為20 ms 左右。即使是單向的控制指令，從雲端發到終端，時延也需要6 ms 左右。在URLLC 标準出來之後，整個端到端時延可以達到5 ms。如果單向地從雲端向終端發射指令，時延可以小于1 ms。URLLC 奠定了5G在工業領域應用的地位。
（3）除了低延遲時間之外，5G 還有一個更重要的特點：時延抖動和确定性[3]。與其他消費領域應用不同，工業領域應用要求不僅時延要低，還要保證時延的确定性，即同樣一個指令，這次1 ms 送達，下次還要1 ms 送達，而不是這次1 ms 送達，下次20 ms 才送達。這是因為時延抖動和不确定性将對工業領域的生産造成很大影響，
甚至可能會造成災難性的事故。通過5G 面向傳輸隧道時間标簽技術和控制技術，可以把時延抖動控制到微秒級，以保證封包次序的收發，這對工業現場網絡是非常重要的。
如圖3 所示，在網絡建設模式方面，5G 面向企業内網的建設大概有3種模式：
（1）純粹的專網模式。這種模式的好處是企業的資料是完全自由的，與外界是不發生關系的，安全性也是最高的，但是目前中國還沒有專用的5G 頻段。
（2）企業自建核心網，基站與公網共享模式。在這種網絡的布局架構下，終端的登記、注冊以及資料流都是在企業内網。目前，中興通訊在寶武湛江鋼鐵完成的中國首家5G 核心網就是這種模式的的典型案例。
（3）核心網使用者面功能（UPF）下沉模式。這也是現在90% 以上的企業都采用的建網模式，也就是說核心網和基站都是與營運商共享的。共享時，企業在終端登記時要到公網去，但是它的資料流不會到公網去，而是在企業内網。這種模式也是目前業界通過營運商網絡來建設的主流模式。
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5G+工業網際網路規模商用思考
如圖4 所示，5G 在工業網際網路的規模商用将經過3個主要階段：
（1）在短期内，要完成5G網絡的規模化建設。但是現在面臨的問題是建了網絡之後誰來用？怎麼樣去吸引工業企業來使用5G網絡？這時就需要利用有特色的業務引導這些企業來使用5G 網絡。
（2）在中期，要逐漸取代工廠中的房間現有的有線或無線IP 網絡。這是因為5G 本身就是一個高速可靠又能夠适應工業應用需求的無線網絡。
（3）在遠期，要在這個網絡的基礎之上尋求一些突破，比如替代現在的現場總線、促進改變一些工控現場的産品形态等。這就好比之前在4G出現時我們并沒有想到微信、抖音和移動支付像今天這麼流行一樣，在中遠期希望通過5G 技術，來産生更多工業領域的“抖音”“微信”或者“移動支付”。
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中興通訊對5G+工業網際網路的實踐探索
在5G+工業網際網路應用場景方面，經過近兩年的探索，中興通訊已經探索出很多的5G+工業應用。
如圖5 所示,這些應用總體上可分為6大類。在5G+工業網際網路領域，中興通訊已經與營運商及其他合作夥伴聯合打造了幾十個5G示範或商用項目。
比如：
（1）在南京濱江制造基地，中興通訊中标2020 年首批中國發展和改革委員會新基建工程，規劃了16 大類40 種應用場景。目前該工程第一階段已經完成了10 個場景的應用，包括機器視覺、遠端AR 指導、雲化自動導引運輸車（AGV）、小站數字孿生以及園區巡檢、無人巡邏及清掃等。
（2）在鞍山鋼鐵，中興通訊建設中國首個4.9 GHz 企業專網，在鋼鐵行業進行帶鋼的表面檢測、電機的監測以及皮帶通廊的監視和監測等。
（3）在湛江寶武，中興通訊已經歸納了30 餘種應用場景，目前這些場景正在逐漸實施落地，同時湛江寶武也是中國第一個企業自建5G 核心網的典型案例。
通過前期5G 在工業領域的實踐應用，我們發現目前仍有一些問題亟待完善。
首先，在技術層面，5G 在eMBB 階段下的時延及抖動無法滿足涉及現場控制方面的要求，需要将來URLLC 标準落地驗證；其次，在容量和帶寬方面，對于集中部署或運作的機器視覺及雲化AGV 等應用，以5G上行為主，5G 的帶寬及容量仍面臨挑戰；再者，在終端的多樣性上，由于5G 的模組、晶片、産業鍊仍處于發展階段，後續随着5G 在消費領域及垂直行業領域的整體推進，終端的多樣性将會進一步滿足工業領域的要求；最後，在商業模式層面，營運商、通信裝置商及工業企業都一直在積極探索新的商業模式。
我們建議通過分析問題，找到不同企業的剛需，挖掘5G 新業務，來促進商業模式的逐漸明晰。
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結束語
目前5G+ 工業網際網路已經從單點局部的特色業務逐漸轉變為內建化、系統化的應用。5G 本身是一張網，這張網可以承載不同的業務，如基于5G的工廠中的房間管理和倉儲物流；但同時5G 不僅僅是一張網，5G 如果想發揮它的價值，就需要與營運商、工業方案提供商、工業現場的自動化裝備提供商等一起合作。發揮5G 優勢，使之真正服務于工業企業，進而促進中國制造業的轉型更新。
參考文獻
[1] 工業網際網路産業聯盟. 工業網際網路體系架構2.0[EB/OL]. (2019-02)[2020-09-16]. http://www.miit.gov.cn/n973401/n5993937/n5993968/c7886657/content.html
[2] 陸平, 李建華, 趙維铎. 5G 在垂直行業中的應用 [J]. 中興通訊技術, 2019, 25(1): 67-74. DOI:10.12142/ZTETJ.201901011
[3] 趙福川, 劉愛華, 周華東. 5G 确定性網絡的應用和傳送技術 [J]. 中興通訊技術, 2019, 25(5): 62-67. DOI: 10.12142/ZTETJ.201905010
作者簡介
趙維铎，中興通訊股份有限公司5G 行業産品部工業網際網路規劃總工、技術委員會專家；主要研究領域為5G 網絡、工業網際網路等；發表論文10 餘篇，獲授權專利7 項。
蔣伯章，中國電信杭州分公司5G 建設優化負責人；主要從事5G 規劃、5G 垂直行業應用建網标準研究等工作。
關于《中興通訊技術》
《中興通訊技術》是一本學術和技術相結合的公開刊物，現為中國科技核心期刊、中國百種重點期刊。本刊聚焦通信前沿技術，探讨通信市場熱點，面向高端人群。
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