5G與工業融合要以增量創新性應用為方向
http://www.debgrams.com 2019-07-18 08:11 來源：中國工業報 周寶冰
5G+工業對產業的影響，所帶來的應用市場空間，讓人欣喜。然而，這不是消費互聯網，更不是一個可以隨時卸載和重裝的APP。
北京和利時智能技術有限公司的總工程師朱毅明提出一個問題：“（5G在工業場景）到底是增量的應用，還是替代既有的應用？”這個問題聽起來很簡單，但卻異常復雜，原因在于工業網絡的復雜性。
我們知道，工業以太網的通信協議，國際標準就有數十種，如果把不同垂直行業的通信協議都進行統計，這個數量更大。因此，要用5G替代既有的網絡應用，需統一設備之間的網絡協議，這個難度非常非常大。但如果是做增量應用，做創新性應用，用5G則更容易接入。
從垂直行業特性看5G應用
事實上，在不同的垂直行業，工業網絡的應用各不相同。對于離散制造，從生產設備一直到生產管理系統，以及倉儲物流、產品設計等等眾多系統，它們之間是互聯互通的，但內部網絡根據不同的場景分不同的層次。
最底層的工業設備，基本都是高速控制設備，比如數控機床、工業機器人，這個層面的網絡協議，循環周期在亞毫秒，目前看，用無線的難度比較大。從底層往上，比如生產裝備、監控系統等，對時間的要求就沒那么高了，但還是要求實時性。
在工業中，實時性不只意味著快，更意味著確定性，對應到網絡則是網絡服務質量。工業場景對于網絡服務質量要求比較高，這也是為什么目前無線用的比較少的重要原因。
流程工業主要指石化、冶金、發電等行業。相比離散制造業，流程工業底層控制的速度并不太快，基本上控制中心對實時性的要求是毫秒級，5G基本可以滿足這一需求。但是，流程工業生產規模一般比較大，生產設施結構復雜，部分設備的安裝位置不適合無線通訊。此外，如果該企業有保密要求的話，無線肯定不可用。
此外，基礎設施的監控某種意義上也是工業的一部分，包括工業設備、電網、熱網、市政、交通的監控。由于基礎設施是廣域的，大范圍、大數據量，并且傳輸的數據主要是結構化的實時數據和非結構化的視頻圖像，這個領域的5G無線應用存在巨大的機遇。
工業網絡特點及5G應用的障礙
目前，工業網絡大部分都是以有線局域網的方式來實施的，通過網閘與生產管理系統實現單向數據傳輸。對于周期性傳輸的生產過程數據，一般采用無連接的UDP（無連接傳輸協議）的方式。從安全性的角度，要求網絡有冗余。
“如何用無線網絡實現冗余，并且能夠避免共因故障，提高整個網絡傳輸的可靠性和可用性，這是5G在工業應用中需要考慮的問題。”朱毅明說。他認為，目前工業無線傳輸存在幾大障礙。
設備問題。工業設備基本上是20-30年的使用壽命，大部分設備不支持無線網絡。如果要上5G，需要做硬件的升級，這部分成本比較高。
數據安全性。工業數據目前大多數采用明碼傳輸，如果要上無線，考慮到數據安全問題，需改為加密傳輸，這個要求比較高。
傳輸可靠性問題。工業現場電磁干擾源多，金屬物體多，設備安裝位置固定。
設備抗擾度問題。大部分在役工業設備的電磁抗擾度測試標準版本早，僅測試了低于1GHz的場景，5G設備產生的高頻信號對于老舊工業設備的干擾，目前還無法確定。
低功耗問題。需要無線傳輸的工業設備大多體積較小且采用電池供電，電池更換周期至少要求在1年以上或無法更換。
電纜問題。大部分工業設備需要供電，安裝有供電電纜，這種情況下同時鋪網絡電纜或直接通過供電電纜通訊基本上沒有難度，這也是一個影響無線網絡在工業應用推廣的原因。
總體來講，一個是成本，一個是安全，是目前5G工業應用的兩大問題。“工業目前基本上把無線傳輸作為有線傳輸的補充，很少作為主要的信息通道，其安全性、實時性都是有待確認的。”
5G在工業通訊的應用
綜上，當前階段的5G+工業應用，“應主要考慮增量的應用”。
通常，5G定義了三大應用場景，這就是大帶寬、低時延和大連接，分別是eMBB增強移動寬帶，針對大流量移動寬帶業務；URLLC超高可靠超低時延通信，如無人駕駛等業務（3G響應為500ms，4G為50ms，5G要求0.5ms）；再就是mMTC大連接，針對大規模物聯網業務。
對應到工業，eMBB的應用首先就是工業音視頻等多媒體數據的傳輸。其次是工業設備高頻瞬態信號采集，包括振動、沖擊、噪聲、電流、電壓等。再次，則是基于云服務的AR、VR輔助現場控制操作，這些都是比較大的應用場景。
URLLC應用，一是包括遠程設備操控，這一點已經有很大的突破，目前也是一些工業互聯網平臺5G場景的重點。二是替代既有的有線工業以太網和IO硬接線信號，還有就是邊緣計算的應用。
大連接mMTC主要面向物聯網海量機器類通訊，包括高密度的無線傳感器網絡等。當然，NB-IoT的部署是mMTC的前提，前者在遠程抄表、安防報警、智慧井蓋、智慧路燈等領域已有創新應用。NB-IoT也是工業互聯網專項工作組2019工作計劃的重要組成部分。
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