1.2.9　5G与工业互联网融合

未来的智能工厂在生产和物流中既利用信息物理系统（CPS）进行技术集成，又在工业过程中应用“物联网和服务”（IoTS），机器人、3D打印、先进材料、新型传感器、自动驾驶车辆等先进技术，这些都有助于提高智能工厂的效率和灵活性。部分效率和灵活性可以通过以智能和可管理的方式连接和集成这些技术实现，并实现操作过程的可视化。物联网技术、云解决方案、大数据处理器和网络安全组件是实现数字化工厂的关键要素，5G技术可以在整合这些技术方面发挥关键作用，5G提供了一个无所不在的平台，将机器、机器人、流程、自动导航车辆、货物、远程工人等连接起来。

1. 5G对工业互联网的赋能

1）5G为新技术在工业互联网应用提供必要的基础平台

上述趋势和技术的结合是工业互联网时代创新产品和商业模式生产和开发的基础，在制造商市场产生了颠覆性影响。制造商不仅需要重新设计他们的价值主张，还需要重新设计他们的商业模式和组织结构，这种转变需要在许多领域建立新的能力，如价值网络、流程、产品性能、用户体验、财务、管理等。加上这些新的能力，制造商需要在三个主要领域改变其组织设计：①在“横向一体化”方面；②在“垂直一体化”方面；③在“端到端集成”方面。

此外，还要求水平、垂直和环形领域的紧密结合，5G是实现这一系列转变的技术基础，为这些转变提供了支撑平台。

2）5G为智能制造新价值链的横向整合提供技术条件

从供应商到商业伙伴的维度即横向整合域，是指产业间价值链和供应链从原材料开始，到成品交付给客户的整个过程。智能化和服务化特性现在可以在任何商品中实现，如智能锁、智能电表、智能灯、电梯、车辆、数控机床和任何可以想象的产品，不仅对这些产品的设计、制造、销售和维护产生了重大影响，而且随着供求关系的不断变化，也影响供应商与客户的关系。要转变为一个综合产品服务提供商，需要供应商和支持网络之间更大程度的合作，可以在智能手机行业观察到这一种协作关系，那些智能手机行业的成功厂商能够与内容提供商、金融业、媒体业、娱乐业等建立非常紧密的合作关系。每次引入新的、与通常的供应商角色大不相同的供应商角色，都需要在原有产品基础上创建一个丰富的服务（e-service）生态系统，以便增加创新资源和商业模式。

3）5G为网络化制造的内部纵向协同提供制造基础设施和支撑环境

网络化生产制造的内部垂直纵向集成是指在工业互联网制造商边界内，需要由多个制造系统执行的生产过程之间的相互协作。在高度定制化、可变更的生产时代，产品的研发与生产依赖最佳的、高效的工业过程，而产品的配套服务需要灵活的设计制造基础设施和支撑环境，以便适应生产过程中各种服务要素的完全集成。例如，新的、个性化的用户需求，可以与所设计和提供的、新的产品服务相匹配。然而，这些服务不仅是在实体产品制造完成时就能提供的，也可以是产品已经交付给客户之后才具备的服务，因此就需要一种新的联系产品制造商的各个基础设施环节的技术方法，而5G恰好提供了这种能力。

4）5G为整个产品生命周期的端到端集成提供技术可能性

5G从产品性能到用户参与度，全方位提供了端到端集成的技术可行性，而这种端到端的集成，是指在整个产品生命周期过程中的集成，目的是构思、设计、构建、交付和处置业务需求所需要的产品和服务。产品服务系统的建立使得与客户或用户的联系更加紧密：客户的输入和反馈是以不同的方式获取的（如消费习惯捕捉、引导培训、电子表格反馈、用户社区等），从以产品为中心的组织转变为以产品服务为中心的组织的一个关键方面是，通过先进的通信网络基础设施支持充分且广泛的服务内容，客户关系从简单的交易转变为长期合作关系。通过智能化和服务化，并在通信网络基础设施的支持下，产品制造商可以了解用户或公司使用其提供的产品的模式。这些信息是非常有价值的输入，制造商可以依据这些信息重新设计其产品或推动产品的迭代更新完善。通常商业创新需要缩小与产品最终用户的差距，将智能工厂结合其生态系统的下一个层次进行分析考察，则需要设计满足新的工业级需求的服务水平协议（SLA）。

5G技术对工业互联网的支持，主要体现在以下方面：

• 高度可靠的无线通信系统，将移动机器人、AGV小车等集成到闭环控制过程中。

• 有线和无线网络技术无缝混合形成高效管理网络，实现工厂连接资产的统一管理。

• 网络切片产生的制造流程创新，提供新的网络化的服务。

5G技术将作为支持所有通信场景、提供移动性特征和无缝服务体验的统一平台发挥关键作用，5G技术的这一作用非常符合5G自身的目标，即将网络、计算和存储资源整合到一个可编程和统一的基础设施中。这种统一特征将允许持续优化和更动态地使用所有分布式资源，并融合固定、移动和广播服务。5G研发企业愿景中的5G平台，需要将无线接入与有线工业以太网连接起来，还将包括边缘计算、云平台、本地网关、大数据和分析、物联网管理等组件。此外，广域网、局域网和个人区域网之间的界限越来越模糊，形成这些领域之间的无缝交互。

2. 5G与工业互联网融合的关键技术

为满足工业互联网发展的需要，5G技术需要遵守特定行业（其应用行业）在时间和空间、异构性、安全性、网络基础设施要求及网络性能和服务管理方面的要求。5G社区可以在提供统一的技术构件方面发挥重要作用，支持制造商通过高度连接的生产链实现显著的效率提升。

（1）面向工业控制场景的时间敏感和高确定性5G通信技术。时间敏感方面的要求因行业和工厂的具体设置而异，很多行业中已经定义了用于实时通信的通用标准。通常，过程自动化行业（如石油和天然气、化工、食品和饮料、发电厂等）需要大约100ms的循环时间，工厂自动化（如汽车生产、工业机械和设备、消费品）的典型周期时间为10ms，运动控制应用（印刷机、纺织品、造纸厂等）设定了最高要求，要求周期时间小于1ms，抖动时间小于1µs。虽然目前已有的有线系统是为满足这些需求而设计的，但要实现无线通信条件下的相同确定性通信行为能力却面临很多方面的挑战。对于移动应用而言，这种确定性的无线数据交换能力是能够将机器人和可穿戴设备集成到闭环控制回路中的关键因素。除了产生可管理的服务质量（QoS）要求的时序要求外，还存在其他特定的、多方面的应用需求：可运行时更换的设备（热交换、热连接），而且不会影响通信和应用程序计划的网络同步操作过程；除了严格的延迟要求外，在智能制造业中最为重要的是，在预定义的时间间隔内确认对时间要求较低的数据的传输，并需要使用经过确认的通信服务，IEC 6115818和IEC 61784规定了此类网络的基本原理和特点。

（2）工业互联网多样化、异构特性的兼容技术。除了不同的时间和环境因素之外，5G与工业互联网融合的主要挑战之一是异构性，主要表现在：

• 同一种技术的不同媒介（铜质、光学、无线电）。

• 不同的控制网络技术（现场总线、工业以太网、工业无线、IT网络）。

• 不同的协议和服务（同一介质中的实时协议和尽力而为协议）共存问题。

• 不同供应商的网络组件、互操作性问题。

• 不同的实现平台（包括标准IT系统和操作系统、遗留或型号老旧的自动化组件、嵌入式设备和物联网组件）。

• 不同的处理和管理概念、工具。

工业互联网中的无线通信系统将变得越来越多样化，并且随着多种不同的移动设备频繁地进入和离开单一的无线通信域，还将经历不断变化的过程。工业互联网中的5G技术需要适应这些不断变化的异构环境，优化所有可用设备的可用频谱的使用，而不破坏无线设备之间的资源访问公平合理性。在技术层面，需要通过软件定义的网络接口和可重新配置的天线，对无线电（PHY和MAC）进行重新配置，并具有实时交换协议的能力，以及具有利用无线通信网络的传感器协议的设计特性。在更高的层次方面，需要能够从语义层次描述其功能的即插即用协议，并且无须人工配置，可以适应一系列异构的、受限于特定制造业的协议套件。在产品生命周期的不同阶段（从设计和规划、装配、调试、操作和维护到拆卸）管理异质特征的不同方面，需要不断引入一些新工具，进而增加研发成本。而5G技术则可以在整合和简化对许多工具的需求方面发挥关键作用，同时将可以明显限制对新工具的需求，有效控制产品成本投入。

（3）功能安全与信息安全技术的不断演进。5G与工业互联网的融合应用过程中，需要避免任务关键流程中的新漏洞，这些漏洞可能会影响机器的总体必要的正常运行时间和吞吐量，信息安全成为互联化的智能工厂的另一个关键要求。一般情况下，资源受限、连接状态中的工业传感器和组件无法执行充分的加密和解密算法。因此，在工业互联网中，通常使用“域”的概念，即定义物理和逻辑访问受限且内部通信未加密的区域，但必须确保整个区域中的系统的一致性。然而，与IP互联网络相比，有关信息安全性目标的权重却不同，系统的可用性是最重要的目标，其次才是完整性和保密性。由于工业互联网的异构性，在其中部署充足的信息安全防护措施非常困难，并且组件的分布式部署（一个数字化工厂内多达数万个节点）也给安全管理提出了挑战。而关于功能安全，遵守IEC 61508等标准中规定的安全完整性水平也存在挑战，此外，工业制造厂商对所有机器和设备在各种环境条件下的正常和安全运行有特殊要求。因此，新技术需要符合气候条件（灰尘、湿度、温度等），机械条件（冲击、振动等）和本质安全条件（例如，限制功耗以避免爆炸）要求。

（4）工业信息与通信网络基础设施的跨代升级技术。5G提供一个统一的基础设施，可以整合制造商使用的不同通信技术。智能工厂需要各种通信基础设施支撑工厂内部的分布式室内通信，以及支持与连接的货物、连接的运输车辆、远程诊断控制中心、客户、供应商的远距离室外通信。考虑到恶劣生产制造环境下的室内通信，有必要增加5G信号覆盖范围，以实现恶劣的、金属化的工厂区域的无线通信。需要设计解决方案，以尽量减少对网关和其他昂贵的通信基础设施组件的需求，同时优化无线节点的覆盖范围、可用性和灵活的重新配置能力。此外，需要智能技术监控无线通信介质和防止网络性能下降。对于室外通信，对该网络的主要要求涉及现有通信基础设施的成本和再利用问题，以及无处不在的覆盖范围和性能保证。鉴于自动化制造业的关注重点是正常运行时间和提高生产吞吐量，因此需要一个符合超高服务级别要求的通信网络基础设施。而在智能工厂相关控制通信的任务关键性特征方面，还要求网络基础设施不完全由外部合作伙伴管理（例如，电信合作伙伴或网络平台运营商）。5G和工业互联网融合需要新的解决方案，促进工业产品制造商自身（或共同）具有对通信网络的管理能力，在网络质量可能影响生产效率的情况下，让制造商能完全控制备份网络的切换。网络切片（Network Slicing）、软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）等概念是5G中的重要组成部分，将构成工业互联网时代制造商之间相互沟通的通信基础设施。此外，还需要制定一条智能转型路径，以便随着时间的推移，将现有的相对独立的工业通信基础设施迁移到未来的融合型基础设施。采用进化式的方法比“大爆发”式的调整更有可能实现，但需要跨越以下领域开发互通性：

• 工业固定和移动的无线接入技术。

• 通用工业IT技术，自动化信息与通信技术融合的基础设施。

• 宏观层面的跨公司、公司内部云与本地私有工厂云的协同，包括跨域的资源管理/控制协调，确保所需的QoS。

（5）人工智能在生产制造控制服务中的深层次应用。分布式传感器、机器、零件、货物、车辆等的集成，增加了管理由所有这些计算和操作资源收集的数据的复杂性，而不只是提供高性能的连接能力，5G应用于工业互联网也将可以通过网络化服务支持数据和应用程序的管理。可以部署提供“机器学习即服务”“语义互操作性即服务”“协议转换器即服务”的网络组件。这种虚拟化的网络化能力将有助于制造商管理和持续优化生产工厂的分布式智能。5G融合工业互联网时代，人工智能特性通常在制造执行系统、PLC控制器、SCADA控制器、本地控制系统等之间传播。但目前人工智能在工业互联网的各个层面应用进展缓慢，原因在于缺少将人工智能组合到数据驱动工作流中的接口技术，阻碍了数据分析服务的快速部署，而数据分析服务可以推动更快的转换、更优化的生产调度程序和更少的系统停机。大量的新数据源需要新的决策引擎，这些决策引擎可以灵活地决定需要在哪里处理原始数据。将大量原始数据发送到远程数据中心可能会导致非常昂贵的经济和时间成本开销，而与此相反，本地/边缘位置的数据预处理和过滤器的解决方案有助于管理整个数据流，网络嵌入式大数据技术将成为允许实时数据处理的有利因素。