5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展的思考

寧夏

一、引言

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是第四次工業(yè)革命的重要基石。隨著新一代網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)快速發(fā)展并與制造業(yè)深度融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)運(yùn)而生，由網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全三部分構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)是基礎(chǔ)、平臺是核心、安全是保障。5G通信技術(shù)的快速發(fā)展，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了大帶寬、低時(shí)延、高可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了有力支撐。同時(shí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)將為5G的產(chǎn)業(yè)化落地拓展出更多的垂直行業(yè)應(yīng)用場景，使5G商用進(jìn)程不僅僅面向傳統(tǒng)的公眾電信需求。

本文針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的垂直行業(yè)應(yīng)用需求進(jìn)行系統(tǒng)梳理，分析5G關(guān)鍵技術(shù)以及核心性能指標(biāo)，總結(jié)5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景的匹配程度，提出5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展路徑。

二、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型場景梳理與需求分析

傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用主要面向工廠自動化、流程自動化、HMI和IT系統(tǒng)、物流和倉儲自動化、監(jiān)控與維護(hù)自動化。隨著第四次工業(yè)革命的到來，工業(yè)現(xiàn)場的需求顯著拓寬，工業(yè)應(yīng)用需求從傳統(tǒng)的功能需求向全面拓展的功能需求和全面細(xì)化的性能需求拓展。當(dāng)前，各垂直行業(yè)領(lǐng)域的共性需求場景主要包括超高清視頻、機(jī)器視覺、AR/VR、遠(yuǎn)程控制、AGV、無人機(jī)等。本文針對上述典型應(yīng)用場景進(jìn)行梳理，分析主要的需求指標(biāo)。

（一）超高清視頻

超高清視頻的傳輸應(yīng)用需求是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)的共性需求。超高清視頻可用于常規(guī)的監(jiān)控安防、錄像回放，但更重要的意義在于提供智能化、自動化圖像分析的功能應(yīng)用，包括基于圖像識別的人臉識別、字符識別、物體識別和行為分析等，以支持工業(yè)現(xiàn)場精細(xì)化、自動化的安全管理、流程管理、事故預(yù)警等。

對于圖片視頻的采集和傳輸（1080P），一般應(yīng)支持2-10Mbps的上行傳輸速率和不超過30ms的通信時(shí)延；對于用于人臉識別等應(yīng)用的高清視頻，一般需要4K分辨率圖像，應(yīng)支持12-40Mbps上行傳輸速率和不超過30ms的通信時(shí)延；而對于行為分析等8K分辨率視頻傳輸，一般應(yīng)支持48-160Mbps的上行傳輸速率和低于20ms 的通信時(shí)延。基于4G的傳輸由于受限于上行傳輸速率的限制，一般能支持 1080P信號的單鏈路傳輸和多鏈路并發(fā)傳輸，但對于4K、8K視頻的傳輸，則僅能支持4K的單鏈路傳輸，且受限于核心網(wǎng)側(cè)的通信時(shí)延，難以滿足30ms以下的通信時(shí)延。

（二）機(jī)器視覺

工業(yè)場景中機(jī)器視覺主要用于生產(chǎn)過程中的精細(xì)化管理，與工業(yè)現(xiàn)場的生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品識別和檢測，物料、生產(chǎn)設(shè)備以及產(chǎn)品等物體的定位、測量、分揀等。

對于機(jī)器視覺的前端圖像信息實(shí)時(shí)上傳，一般應(yīng)支持不低于50Mbps的上行速率、以確保8K視頻能夠?qū)崟r(shí)完整傳輸，還應(yīng)支持20ms以下的通信時(shí)延。對于后端生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)的信息反饋，則一般為相應(yīng)的管理和調(diào)度指令，應(yīng)支持不低于1Mbps的下行傳輸速率和100ms以下時(shí)延?；?G的傳輸目前不能支持機(jī)器視覺前端圖像信息的實(shí)時(shí)上傳需求。

（三）AR/VR

AR/VR一般用于支持工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)況感知和監(jiān)測、遠(yuǎn)程協(xié)助、輔助裝配、樣品展示等。AR/VR的應(yīng)用對于低時(shí)延的需求顯著。

對于工業(yè)現(xiàn)場的實(shí)況感知、遠(yuǎn)程監(jiān)測、樣品展示等應(yīng)用，一般應(yīng)支持不低于50Mbps的上行傳輸速率和不低于20Mbps的下行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)低于20ms；對于設(shè)備輔助裝配、遠(yuǎn)程協(xié)助等應(yīng)用，一般應(yīng)支持不低于50Mbps的上行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)低于10ms。基于4G的傳輸目前無法支持上述時(shí)延要求，且難以滿足多鏈路并發(fā)傳輸?shù)纳闲袀鬏斔俾省?/p>

（四）遠(yuǎn)程控制

遠(yuǎn)程控制在工業(yè)現(xiàn)場的典型應(yīng)用主要有建筑挖掘機(jī)、開采設(shè)備、港口岸橋吊、園區(qū)運(yùn)輸車等，在低時(shí)延和上行傳輸速率均有較高要求。

對于遠(yuǎn)程控制前端設(shè)備的視頻回傳，一般應(yīng)支持8K視頻傳輸需求，支持不低于50Mbps的上行傳輸速率、時(shí)延應(yīng)低于20ms；遠(yuǎn)程控制后端控制指令的發(fā)送應(yīng)支持不低于50kbps的下行傳輸速率、時(shí)延應(yīng)低于10ms?；?G的傳輸目前無法支持上述時(shí)延要求，且無法滿足8K視頻傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（五）AGV

云化AGV可實(shí)現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的自動化物流、貨物裝卸、物體搬運(yùn)、物體分揀等應(yīng)用。AGV應(yīng)用由于需要實(shí)時(shí)感知和決策，對于上行速率和時(shí)延均有顯著要求。

對于常規(guī)調(diào)度通信和設(shè)備狀態(tài)管理的應(yīng)用，一般應(yīng)支持1Mbps的上行傳輸速率、時(shí)延低于100ms；對于采用激光雷達(dá)等方式、需要與云端交互的實(shí)時(shí)感知、路徑規(guī)劃和決策相關(guān)信息，應(yīng)支持最高200Mbps的上行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)支持20ms-40ms；對于采用其他基于視覺方式需要與云端交互的應(yīng)用，一般應(yīng)支持最高1Gbps的上行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)支持10ms-100ms?；?G的傳輸目前僅可支持AGV前端預(yù)處理方式的應(yīng)用，對于云端進(jìn)行計(jì)算處理的傳輸需求難以支持。

（六）無人機(jī)

無人機(jī)可用于工業(yè)園區(qū)的安防、設(shè)備巡檢、事故監(jiān)測預(yù)警、智能化物流等，主要的通信需求是低時(shí)延和上行較高的傳輸速率。

對于無人安防等常規(guī)監(jiān)測類應(yīng)用，應(yīng)支持不低于25Mbps的上行傳輸速率（4K）和不低于600kpbs的下行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)小于10ms。對于無人巡檢、事故監(jiān)測預(yù)警等精細(xì)化應(yīng)用，應(yīng)支持不低于100Mbps的上行傳輸速率（8K）和不低于600kps的下行傳輸速率，時(shí)延應(yīng)小于10ms?；?G的傳輸目前無法滿足無人機(jī)實(shí)時(shí)操控的時(shí)延需求，僅能支持4K單鏈路的上行傳輸。

綜上，通過對超高清視頻、機(jī)器視覺、AR/VR、遠(yuǎn)程控制、AGV、無人機(jī)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)的共性需求場景分析，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對于無線通信的需求主要為：上行傳輸速率應(yīng)可支持8K視頻傳輸，單鏈路上行速率應(yīng)支持50Mbps-200Mbps，多點(diǎn)并發(fā)時(shí)上行傳輸速率可達(dá)1Gbps以上；多數(shù)時(shí)延需要要求在40ms以下，控制類應(yīng)用的時(shí)延應(yīng)低于10ms。此外，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高階應(yīng)用需要支持物理空間與數(shù)字孿生空間的全面映射和實(shí)時(shí)交互，需要對多應(yīng)用場景的進(jìn)行系統(tǒng)工程建模和融合應(yīng)用，傳輸速率等需求將會線性增長。通過本節(jié)分析，上述通信需求無法通過4G通信支持，5G成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型共性應(yīng)用場景的支撐手段。