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)絡正向著IP化、智能化、無線化的方向發(fā)展，相比于傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場總線和有線網(wǎng)絡，5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中將會發(fā)揮著怎樣的作用？是否能夠成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡基石？

我國制造業(yè)大而不強

數(shù)字化與網(wǎng)絡化建設(shè)迫在眉睫

2013年起，德國、美國、日本等制造業(yè)先進的國家開始積極推動工業(yè)4.0、智能制造和智能工廠的發(fā)展。而作為制造業(yè)大國的中國卻長期在全球制造業(yè)價值鏈中處于中低端環(huán)節(jié)，大而不強。

在新一輪工業(yè)革命來臨之際，我國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)勢地位，實現(xiàn)彎道超車。

工業(yè)2.0和3.0的標志是電氣化和自動化，而4.0的標志是智能化，而實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)是數(shù)字化，只有通過對設(shè)備和生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)采集才有可能通過人工智能、大數(shù)據(jù)分析等手段提供智能應用。

無論是智能制造、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，即在工廠實現(xiàn)數(shù)字化的基礎(chǔ)上，利用網(wǎng)絡技術(shù)和感知技術(shù)加強信息管理服務，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預，并合理安排生產(chǎn)。

但是根據(jù)筆者對國內(nèi)不同領(lǐng)域的大中型工廠的走訪，目前國內(nèi)大部分制造企業(yè)的生產(chǎn)設(shè)備只實現(xiàn)了電氣化和部分自動化，很多生產(chǎn)數(shù)據(jù)仍然無法采集，也沒有對設(shè)備進行聯(lián)網(wǎng)，因此還處在從工業(yè)2.0邁向工業(yè)3.0過程中，只有極少數(shù)行業(yè)領(lǐng)軍大企業(yè)處在從3.0向4.0演進的過程中。

因此，目前國家相關(guān)政策的側(cè)重點之一在于夯實相關(guān)網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施基礎(chǔ)，推動企業(yè)的制造業(yè)的數(shù)字化與網(wǎng)絡化建設(shè)。

從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務看網(wǎng)絡需求

目前智能工廠網(wǎng)絡中承載的數(shù)據(jù)業(yè)務,可以根據(jù)各類業(yè)務分為三類,這三類業(yè)務對網(wǎng)絡性能的要求也各不相同。

1.控制類業(yè)務(傳輸設(shè)備控制指令)對網(wǎng)絡的端到端時延和時延抖動要求分別達到毫秒級和微秒級，數(shù)據(jù)傳輸成功率大于99.999%。

2.承載采集類業(yè)務(如采集設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳感器數(shù)據(jù))的網(wǎng)絡需要提供高密度接入(百萬連接/平方公里)和低功耗(使用超過10年以上)的能力，部分場合下需要具有移動接入能力。

3.承載交互類業(yè)務(如文件傳輸、網(wǎng)頁瀏覽)的工業(yè)網(wǎng)絡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)絡應用場景相比，工業(yè)場景對網(wǎng)絡傳輸有著更嚴苛的低時延、高可靠性需求，工業(yè)場景中數(shù)據(jù)包小，工作環(huán)境較為惡劣，這些特點都決定著工業(yè)網(wǎng)絡中不同網(wǎng)絡技術(shù)的應用推廣。

從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)典型業(yè)務看網(wǎng)絡需求

傳統(tǒng)的工廠控制網(wǎng)絡主要是現(xiàn)場控制網(wǎng)絡等有線網(wǎng)絡為主，如工業(yè)以太網(wǎng)/現(xiàn)場總線(CAN，ModBus, ProfiBus，ProfiNet，F(xiàn)F，HART)等，其優(yōu)點主要在于價格低廉，穩(wěn)定可靠，方案成熟。但是由于歷史原因，各種總線標準方案眾多，兼容性，互聯(lián)互通性差

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

這些短距離通信方案大多基于IEEE802.15.4標準，數(shù)據(jù)率低問題、可靠性不高、傳輸時延長、傳輸距離短，可靠性和時延不保證使得其不太適合于承載上述控制類業(yè)務。

Wifi基于IEEE802.11標準，但是由于其主要針對的場景是節(jié)點數(shù)量低、功耗高的場景，同樣其時延和可靠性無法保障。

5G的三大應用場景和工業(yè)網(wǎng)絡業(yè)務

眾所周知，5G主要有三大應用場景，URLLC(超可靠、低時延通信) 、 mMTC(海量機器類通信)、eMBB(增強型移動寬帶)。

URLLC主要關(guān)注無人駕駛、工業(yè)自動化等需要低時延、高可靠連接的業(yè)務。對于URLLC，ITU制定的用戶面上行時延目標是0.5ms,下行也是0.5ms。

通過采用更短的子幀結(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試結(jié)果來看，其指標都低于ITU的時延上限，因此承載工業(yè)場景中運動控制和閉環(huán)控制類業(yè)務在時延、可靠性等方面問題。

mMTC針對大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，主要關(guān)注的指標包括海量連接、低成本和低功耗，是一種低優(yōu)先級的不確定網(wǎng)絡，適合于數(shù)據(jù)采集，監(jiān)測應用，尤其是惡劣環(huán)境的傳感器數(shù)據(jù)上報。因此，很契合工業(yè)場景中數(shù)據(jù)采集類業(yè)務。

eMBB針對3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業(yè)務，關(guān)注的指標包括高移動性、高帶寬和高傳輸速率。通過超密集網(wǎng)絡和多連接，適合工廠環(huán)境的遠距離大數(shù)據(jù)量的檢測應用(如視頻監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量視覺檢測)和遠程維護類應用。

因此，筆者展望在未來的工業(yè)網(wǎng)絡中，如下圖所示，5G的三大應用場景分別適合于承載工廠網(wǎng)絡中的不同業(yè)務。

5G的三大應用

5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應用存在的問題

雖然在技術(shù)性能指標上，5G可以承載工業(yè)網(wǎng)絡不同的典型業(yè)務，但是目前來看，仍然存在以下有待解決的問題。

安全性和可靠性的問題，由于不少工業(yè)企業(yè)更看重的是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)帶來的生產(chǎn)體系改造和業(yè)務模式創(chuàng)新，而無線網(wǎng)絡相對于有線網(wǎng)絡天然存在安全性和可靠性的問題，網(wǎng)絡中斷對于工廠設(shè)備和生產(chǎn)的正常運營影響非常大，尤其是控制類業(yè)務。

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

驅(qū)動力不足的問題，中小微企業(yè)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡建設(shè)的價值認識不足，企業(yè)升級的驅(qū)動力不足，投入產(chǎn)出比低，存在資金、技術(shù)、人才等多方面的制約。雖然工信部等國家部委通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等資金項目在鼓勵5G等先進網(wǎng)絡技術(shù)在工業(yè)中的應用，但是目前仍然還是一些大型企業(yè)在積極行動。

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

因此，總的來看，在2020年以前，5G技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中承載控制類業(yè)務仍然看不到廣泛應用的前景，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)采集類業(yè)務和交互類業(yè)務的事例。

結(jié)語

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

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