基于5G网络的工业互联网应用研究
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【摘要】 随着5G时代的到来，借助于5G eMBB、mMTC、uRLLC的应用场景，5G网络将全面使能工业互联网，加速推动多产业互联网化融合。本文首先介绍了工业互联网的体系架构和网络需求，然后分析了5G网络的关键技术和应用场景，最后研究了工业互联网中的5G应用。
【关键词】 5G网络 工业互联网 关键技术 应用场景
引言
工业互联网是全球工业系统与高级计算、分析、传感技术及互联网的高度融合，是工业生产与互联网技术相互结合的新型工业架构。对标德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”，中国2015年5月出台《中国制造2025》，制定了“三步走”发展战略，旨在打造工业互联网平台，拓展“智能+”，为制造业转型升级赋能。工业互联网的发展依赖于高速发达的互联网技术，5G通信在工业领域的行业应用前景广阔。4G改变生活，5G改变社会。2019年是5G通信的元年，中国已发放5G商用牌照，实行“政府引导、企业主导、共建共享”的建设模式;各大运营商正抢跑5G网络建设，采取“宏微协同、室内外协同”的组网方式，保障社会资源和通信资源的高效利用。与4G相比，5G在覆盖、容量和速率等方面实现了质的提升，主要面向万物互联、超低延时、超高速等场景，不仅能够推动消费互联网的发展，而且为工业互联网的发展带来了机遇。
一、工业互联网体系架构
工业互联网是基于全面互联而形成数据驱动的智能网络，网络、数据、安全是工业和互联网两个视角的共性基础和支撑。工业互联网通过系统构建网络、平台、安全三大功能体系，打造人、机、物全面互联的新型网络基础设施，形成智能化生产、个性化定制、网络化协同、服务化延伸等诸多新模式新业态。
工业互联网的基础是网络体系，通过网络联接、标识解析、边缘计算等关键技术实现智能物体泛在互联和全生命周期深度互联;核心是平台体系，通过构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源实现泛在连接、弹性供给、高效配置等;保障是安全体系，通过增强设备、网络、控制、应用和数据的安全保障能力，识别和抵御安全威胁，化解各种安全风险。
要全面实现工业互联网，需要满足企业应用的高安全性、超可靠、低时延、大连接和个性化的需求，以及IT（信息技术）与OT（操作技术）兼容的要求，需要开发对工业互联网优化的ICT技术（信息通信技术）;同时，系统需要具备智能感知、泛在连通、数字建模、实时分析、精准控制和迭代优化等基本特征。
为推动工业互联网快速健康有序地发展，需要在5G、IPv6、时间敏感网络（TSN）、软件定义网络（SDN）、确定性网络（DetNet）、低功耗无线网络、工业无源光纤网络（PON）、工业无线等重点领域加快技术标准及产业布局。
二、 5G关键技术及应用场景
5G不仅仅是一次信息通信技术的升级换代，更是一场影响深远的全方位变革，将从支撑移动互联网向支撑全行业数字化、网络化和智能化转变。5G无线和网络的一些关键技术特性十分切合工业互联网的应用需求，能够促进工业、交通、金融等垂直行业迅速转型升级。
2.1 5G关键技术
（1）低时延高可靠。5G可通过Minislot、上行免授权、大子载波间隔和FDD传输等技术为工业物联网提供超低時延，网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/km2连接数密度指标要求，实现终端的超低功耗和超低成本，能够为用户提供毫秒级的端到端时延和接近100%的业务可靠性保证。
（2）MEC技术。MEC（边缘计算）是通过一种将计算应用、数据和服务的控制从某些中心节点（核心）带到另一个连接物理世界的互联网末端（边缘）的云计算系统优化方法。MEC能够对数据进行快速处理和本地存储，满足业务高速率、低时延的运行要求，提升数据绝对私密性，降低工业终端计算能力要求，更好地支撑工业互联网大量本地业务的实时智能化处理与执行，满足网络的实时需求。
（3）网络切片技术。SDN（软件定义网络）是网络虚拟化的一种实现方式，其将网络设备的用户平面和控制平面解耦，实现网络流量的灵活控制，使网络变得更加智能;NFV（网络功能虚拟化）通过使用通用性硬件以及虚拟化技术，将EPC软件与硬件解耦，承载很多功能的软件处理，从而降低网络设备成本。
通过NFV和SDN技术结合可实现网络切片，将运营商的物理网络划分为多个虚拟网络，每一个虚拟网络根据不同的服务需求，比如时延、带宽、安全性和可靠性等来划分，以灵活的应对不同的网络应用场景，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署。
2.2 5G应用场景
3GPP定义了5G三大应用场景：eMBB（增强型移动宽带）、mMTC（大容量物联网）和uRLLC（低时延高可靠通信）。因为拥有更快的速率、更低的功耗、更短的延迟、更强的稳定性和更多的用户支持，5G网络能够灵活地支撑工业互联网的多业务场景。
三、工业互联网5G应用
无线接入网避免了有线接入网铺设线缆和设置保护设施等操作，5G可大幅降低工厂内网络部署和维护成本，网络部署快，增强现场设备的移动性，提高生产线的灵活性，可根据产品生产需求对生产线进行灵活的重构，实现柔性生产;但是，工业互联网对于底层智能网络的带宽、时延、智能程度等有着很高的要求，5G网络能够为工业生产提供高效率、高质量、低成本的网络连接。
（1）工业自动化控制。工业自动化控制分为设备内部控制、线体内及设备间控制、整个车间内生产控制，通过对工业设备及传感器数据的计算、分析，实现工业生产参数和生产流程的自动化控制。利用5G网络高覆盖、高可靠性、大容量通信和灵活部署的特性，能够实现工厂内网络的无盲区覆盖、无缝集成和异网融合，以提高生产效率和生产质量。 （2）无人驾驶/自动送货。无人驾驶/自动送货在导航技术上的升级和系统架构优化，对无线通信在网络延迟、服务可用性、确定性、吞吐量和传输时延等方面提出更高的要求。结合激光定位、视觉定位、二维码定位等导航技术，5G网络为不同的技术指标分配不同传输带宽，可以实现无人驾驶/自动送货以及工厂内外的智慧物流等功能。
（3）AR/VR视觉控制。通过AR技术对生产数据进行3D可视化呈现，让数据更加直观的表达机械设备的生产状态，生产人员佩戴AR眼镜对产线设备进行扫描获取生产数据，快速了解产线的生产状况。VR数字化虚拟工厂通过虚拟方式构造整条产线的虚拟仿真，同时打通和现场工业软件的数据协议，打破生产线时空维度的限制，在VR环境中调用每台设备的生产数据，实时监控产线生产状况和预测性维护。
（4）产业链广域应用。工业互联网广域应用主要指跨域工厂、供应商和用户之间的网络通信和应用，包括产业链的广域网络访问和通信、协同生产、供应链协作、智慧物流等。通过广域通信将生产线和辅助配套设备、供应商与用户互联起来，实时了解彼此的需求关系、物料流动和生产周期，支持位置跟踪、远程监控、智能检测、产品或服务定制等多种功能。
四、总结
5G面向垂直行业的应用将工业物联网的发展送上快车道，未来工业互联网要聚焦信息技术与制造技术的联动发展，要立足垂直领域行业化需求，也要加快技术创新和应用推广，推动我国工业互联网从概念普及阶段进入实践深耕阶段。
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