摘要：作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)正向著IP化、智能化、無(wú)線化的方向發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和有線網(wǎng)絡(luò)，5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中將會(huì)發(fā)揮著怎樣的作用？是否能夠成為未來(lái)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)基石？

我國(guó)制造業(yè)大而不強(qiáng)

數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)迫在眉睫

2013年起，德國(guó)、美國(guó)、日本等制造業(yè)先進(jìn)的國(guó)家開(kāi)始積極推動(dòng)工業(yè)4.0、智能制造和智能工廠的發(fā)展。而作為制造業(yè)大國(guó)的中國(guó)卻長(zhǎng)期在全球制造業(yè)價(jià)值鏈中處于中低端環(huán)節(jié)，大而不強(qiáng)。

在新一輪工業(yè)革命來(lái)臨之際，我國(guó)迫切需要借助在互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位，實(shí)現(xiàn)彎道超車(chē)。

工業(yè)2.0和3.0的標(biāo)志是電氣化和自動(dòng)化，而4.0的標(biāo)志是智能化，而實(shí)現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，只有通過(guò)對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)據(jù)采集才有可能通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)分析等手段提供智能應(yīng)用。

無(wú)論是智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是智能工廠，其本質(zhì)都是信息的集成與分享，即在工廠實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和感知技術(shù)加強(qiáng)信息管理服務(wù)，提高生產(chǎn)過(guò)程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，并合理安排生產(chǎn)。

但是根據(jù)筆者對(duì)國(guó)內(nèi)不同領(lǐng)域的大中型工廠的走訪，目前國(guó)內(nèi)大部分制造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備只實(shí)現(xiàn)了電氣化和部分自動(dòng)化，很多生產(chǎn)數(shù)據(jù)仍然無(wú)法采集，也沒(méi)有對(duì)設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，因此還處在從工業(yè)2.0邁向工業(yè)3.0過(guò)程中，只有極少數(shù)行業(yè)領(lǐng)軍大企業(yè)處在從3.0向4.0演進(jìn)的過(guò)程中。

因此，目前國(guó)家相關(guān)政策的側(cè)重點(diǎn)之一在于夯實(shí)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)，推動(dòng)企業(yè)的制造業(yè)的數(shù)字化與網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。

從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)看網(wǎng)絡(luò)需求

目前智能工廠網(wǎng)絡(luò)中承載的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),可以根據(jù)各類(lèi)業(yè)務(wù)分為三類(lèi),這三類(lèi)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的要求也各不相同。

1.控制類(lèi)業(yè)務(wù)(傳輸設(shè)備控制指令)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的端到端時(shí)延和時(shí)延抖動(dòng)要求分別達(dá)到毫秒級(jí)和微秒級(jí)，數(shù)據(jù)傳輸成功率大于99.999%。

2.承載采集類(lèi)業(yè)務(wù)(如采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)據(jù))的網(wǎng)絡(luò)需要提供高密度接入(百萬(wàn)連接/平方公里)和低功耗(使用超過(guò)10年以上)的能力，部分場(chǎng)合下需要具有移動(dòng)接入能力。

3.承載交互類(lèi)業(yè)務(wù)(如文件傳輸、網(wǎng)頁(yè)瀏覽)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)需要提供高傳輸速率(Gbit/s)和較高的頻譜利用率。

總之，與普通的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景相比，工業(yè)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸有著更嚴(yán)苛的低時(shí)延、高可靠性需求，工業(yè)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)包小，工作環(huán)境較為惡劣，這些特點(diǎn)都決定著工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中不同網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用推廣。

從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務(wù)看網(wǎng)絡(luò)需求

傳統(tǒng)的工廠控制網(wǎng)絡(luò)主要是現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)等有線網(wǎng)絡(luò)為主，如工業(yè)以太網(wǎng)/現(xiàn)場(chǎng)總線(CAN，ModBus, ProfiBus，ProfiNet，F(xiàn)F，HART)等，其優(yōu)點(diǎn)主要在于價(jià)格低廉，穩(wěn)定可靠，方案成熟。但是由于歷史原因，各種總線標(biāo)準(zhǔn)方案眾多，兼容性，互聯(lián)互通性差

此外，有線網(wǎng)絡(luò)普遍具有靈活性/移動(dòng)性差、網(wǎng)絡(luò)線纜在惡劣環(huán)境(高溫高壓腐蝕)無(wú)法工作等缺點(diǎn)。隨著無(wú)線通信技術(shù)的成熟，一些工業(yè)控制標(biāo)準(zhǔn)組織也陸續(xù)推出了WirelessHART,ISA100.11a等無(wú)線工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，短距離無(wú)線通信，如Zigbee，Wifi，NB-IoT，Lora等，也在陸續(xù)被工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采用。

這些短距離通信方案大多基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)率低問(wèn)題、可靠性不高、傳輸時(shí)延長(zhǎng)、傳輸距離短，可靠性和時(shí)延不保證使得其不太適合于承載上述控制類(lèi)業(yè)務(wù)。

Wifi基于IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)，但是由于其主要針對(duì)的場(chǎng)景是節(jié)點(diǎn)數(shù)量低、功耗高的場(chǎng)景，同樣其時(shí)延和可靠性無(wú)法保障。

5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景和工業(yè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)

眾所周知，5G主要有三大應(yīng)用場(chǎng)景，URLLC(超可靠、低時(shí)延通信) 、 mMTC(海量機(jī)器類(lèi)通信)、eMBB(增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶)。

URLLC主要關(guān)注無(wú)人駕駛、工業(yè)自動(dòng)化等需要低時(shí)延、高可靠連接的業(yè)務(wù)。對(duì)于URLLC，ITU制定的用戶面上行時(shí)延目標(biāo)是0.5ms,下行也是0.5ms。

通過(guò)采用更短的子幀結(jié)構(gòu)和TTI周期，更靈活的調(diào)度和高層協(xié)議優(yōu)化，目前從各大主要廠商的測(cè)試結(jié)果來(lái)看，其指標(biāo)都低于ITU的時(shí)延上限，因此承載工業(yè)場(chǎng)景中運(yùn)動(dòng)控制和閉環(huán)控制類(lèi)業(yè)務(wù)在時(shí)延、可靠性等方面問(wèn)題。

mMTC針對(duì)大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，主要關(guān)注的指標(biāo)包括海量連接、低成本和低功耗，是一種低優(yōu)先級(jí)的不確定網(wǎng)絡(luò)，適合于數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測(cè)應(yīng)用，尤其是惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)。因此，很契合工業(yè)場(chǎng)景中數(shù)據(jù)采集類(lèi)業(yè)務(wù)。

eMBB針對(duì)3D/超高清視頻等大流量移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)，關(guān)注的指標(biāo)包括高移動(dòng)性、高帶寬和高傳輸速率。通過(guò)超密集網(wǎng)絡(luò)和多連接，適合工廠環(huán)境的遠(yuǎn)距離大數(shù)據(jù)量的檢測(cè)應(yīng)用(如視頻監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量視覺(jué)檢測(cè))和遠(yuǎn)程維護(hù)類(lèi)應(yīng)用。

因此，筆者展望在未來(lái)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中，如下圖所示，5G的三大應(yīng)用場(chǎng)景分別適合于承載工廠網(wǎng)絡(luò)中的不同業(yè)務(wù)。

5G的三大應(yīng)用

5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用存在的問(wèn)題

雖然在技術(shù)性能指標(biāo)上，5G可以承載工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同的典型業(yè)務(wù)，但是目前來(lái)看，仍然存在以下有待解決的問(wèn)題。

安全性和可靠性的問(wèn)題，由于不少工業(yè)企業(yè)更看重的是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來(lái)的生產(chǎn)體系改造和業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新，而無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)天然存在安全性和可靠性的問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)中斷對(duì)于工廠設(shè)備和生產(chǎn)的正常運(yùn)營(yíng)影響非常大，尤其是控制類(lèi)業(yè)務(wù)。

兼容性的問(wèn)題，傳統(tǒng)生產(chǎn)設(shè)備上裝備的現(xiàn)場(chǎng)總線和數(shù)據(jù)采集設(shè)備兼容性存在很多問(wèn)題，因此，升級(jí)改造技術(shù)難度較大，成本較高。通過(guò)部署網(wǎng)關(guān)等設(shè)備實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，又必然引入額外的時(shí)延。

驅(qū)動(dòng)力不足的問(wèn)題，中小微企業(yè)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的價(jià)值認(rèn)識(shí)不足，企業(yè)升級(jí)的驅(qū)動(dòng)力不足，投入產(chǎn)出比低，存在資金、技術(shù)、人才等多方面的制約。雖然工信部等國(guó)家部委通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等資金項(xiàng)目在鼓勵(lì)5G等先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用，但是目前仍然還是一些大型企業(yè)在積極行動(dòng)。

此外，5G技術(shù)和設(shè)備的成熟程度，5G頻譜規(guī)劃和部署這些問(wèn)題都存在著諸多約束。

因此，總的來(lái)看，在2020年以前，5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中承載控制類(lèi)業(yè)務(wù)仍然看不到廣泛應(yīng)用的前景，但是有望在一些大中型領(lǐng)軍企業(yè)看到一些5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中承載數(shù)據(jù)采集類(lèi)業(yè)務(wù)和交互類(lèi)業(yè)務(wù)的事例。

結(jié)語(yǔ)

智能制造和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)制造業(yè)升級(jí)改造的必然重點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施又是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基石，5G有望在未來(lái)數(shù)年內(nèi)在工業(yè)場(chǎng)景中占據(jù)一席之地，但是仍然存在著安全性、兼容性、驅(qū)動(dòng)力不足的挑戰(zhàn)。

因此，通過(guò)政策引導(dǎo)、典型示范和局部突破等方式，逐步推動(dòng)5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用是比較切實(shí)可行的路線。