5G+ 工业互联网发展探讨
发布时间：2021-08-05
摘要：“新基建”是有着深层次的思考和诉求的新型基础设施体系，5G是“新基建”的核心引领技术。工业互联网是智能制造发展的基础，也是工业智能化的重要支撑。5G与工业互联网的深度融合，能促进传统制造企业的智慧生产转型升级，提升生产效率，提高产品品质，因而有着广阔的发展前景。面向未来，可综合考虑5G全连接、5G专网建设和5G网络化改造三个关键因素，建设量质并进的新型5G+工业互联网。
关键词：新基建5G工业互联网
1 “新基建”概述
在2018年中央经济工作会议上，“新基建”(新兴基础设施建设)的概念首次被提出。“新基建”的提出有着深层次的思考和诉求：一方面是基于当下全球的低增长经济态势、科技发展和创新领域的相对低潮期和逆全球化风险剧增等问题，为有效解决这些不利因素创造条件;另一方面是希望能从需求侧推动产业的数字化发展和转型升级，营造数字经济进一步发展的优越环境，保证数字产业的持续竞争力。事实上，全球超过170个国家都发布了数字发展的相关战略，包括美国的先进制造战略、德国的工业4.0、日本的制造业创新3.0战略等，由此可见，全球各国都把数字经济看作其国民经济的重要组成部分。我国在改革开放以来，在制造业取得的成绩享誉全球，但近年来受到劳动人口红利、土地资源供给等方面的制约，加上外部市场的不确定性，因此无法以传统的规模扩张模式继续发展经济新动能。
2020年4月20日，国家发展和改革委员会对“新基建”的范围正式做出了解读，指出“新基建”是以新发展理念为引领，以技术创新为驱动，以信息网络为基础，面向高质量发展需要，提供数字转型、智能升级、融合创新等服务的基础设施体系，包括三个方面的内容(如图1所示)：一是包括以5G、物联网、工业互联网、卫星互联网为代表的通信网络基础设施;以人工智能、云计算、区块链等为代表的新技术基础设施，以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等在内的信息基础设施;二是以深度应用互联网、大数据、人工智能等技术为基础支撑传统基础设施转型的融合基础设施;三是能够支撑科学研究、技术开发、产品研制的具有公益属性的基础设施。
狭义的新基建包括5G网络、人工智能、工业互联网、物联网、数据中心、充电桩等领域的集合，这也是当前新基建最为核心的部分;广义的新基建除狭义的“新基建”外，还可包括利用新一代信息技术对传统基础设施的改造升级，即传统基础设施的数字化改造领域。
2 5G是“新基建”中的核心领域
5G作为当前信息基础设施的核心引领技术，具有高速率、大容量、低时延、高可靠等诸多优势。利用5G网络切片、边缘计算、超级上级等关键技术，可以面向特定行业的需求构建定制专网，实现网络时延、网络速率、QoS保障、安全隔离等重点因素的差异化能力，为垂直行业的信息化、智能化和数字化转型进行深层次赋能。
2.15G赋能数字社会
人类一直生活工作在传统的物理社会中，所处环境包含着大量的实体设备以及生活生产要素，但未来的数字社会将通过数据来反映传统物理社会中的物体相关状态，并通过更智能的手段来感知与控制社会中的各项功能，因此需要新一代信息技术为其提供基础保障，实现实时数据传输与实时交互映射。人类自从懂得利用电磁波进行无线通信以来，一直在为如何让通信质量变得更好而努力，所谓的通信质量，包括了传输带宽、通信时延和网络容量等，这些指标一直成为制约无线通信应用发展的瓶颈。5G的高带宽、低时延和大连接网络特性，正好解决了这些发展瓶颈，因此将有效地赋能于数字社会。
2.25G推动万物互联
回顾人类前几代移动通信技术，第一代移动通信技术主要通过模拟电路实现了人类间“行走的通话”;第二代移动通信技术实现了数字化，大幅度提升了通话的质量，也降低了移动终端的成本，为个人化通信的普及作出了贡献;第三代移动通信技术则实现了移动互联，人类通过手机除了可以语音交流之外，还可拓展到看图片和看视频等多元化的信息交互方式;第四代移动通信则更好地满足了人类在移动互联方面的需求，各项感知上比以往更流畅更舒适。但纵观前四代移动通信技术，仅仅实现了人与人之间的互联，并为转变到人与物、物与物之间的通信。5G的出现，使万物互联不再停留在概念阶段。
2.35G成为我国名片
我国的移动通信产业发展起步较晚，曾经历了“1G空白、2G跟随、3G突破、4G同步”的阶段，在多年的积累中，已具备“5G引领”的基础。在标准方面，3GPPRel-16标准已于2020年7月冻结，我国在3GPP文稿中占比超过32%，5G标准必要专利占比超过30%，是在标准与专利方面占比最高的国家。此外，在5G基站建设数量上，我国也处于全球领先地位。据统计，2020年，全国累计建成5G基站超过71.8万个，5G网络已覆盖全国地级以上城市，5G终端连接数超过2亿。再者，在系统设备方面，目前已形成了以欧洲和我国为主的产业格局，华为目前已成为全球获得商业合同最多的企业。
2.45G与工业互联网可有机融合
如上文所述，5G能推动人工智能、工业互联网、物联网、数据中心应用等领域的发展，因此在面向具体领域时，不能简单粗暴地将5G作为数据传输的渠道，更需与各行业深度融合，制定5G与各行业的一体化数字解决方案和智能解决方案。
在5G网络的加持下，工业互联网可实现网络+数据+算法的有机融合，发挥出更大的价值。5G与工业互联网的有机融合是实现智能制造的关键途径，在5G为代表的新技术推动下，制造业数字化转型从单一要素需求转向“要素+能力”一站式服务，如图2所示，通过5G的融合，以云计算、边缘计算为代表的计算技术，为制造业高效、准确地分析大量数据提供了有力支撑;产业链各环节产生的大量数据是驱动智能制造提高精准度的核心;以人工智能、机理模型等为代表的算法技术帮助智能制造发现规律并提供智能决策支撑。
3 工业互联网的发展现状
3.1工业互联网发展存在的问题
与主流发达国家相比，我国的工业互联网在基础能力、产业应用水平和要素保障能力上仍然存在一定差距，需加速突破。
(1)基础能力不足
我国现有的制造业显现出数字化发展不平衡不充分的特点，虽然有部分企业达到了3.0水平，但大部分企业仍然处于2.0阶段，数字化水平较低，网络化、智能化演进基础薄弱;工业网络标准、技术、产业对外依赖度较高，且未形成统一标准，互通性较弱;工厂外网主要依赖于公网，难以满足工业生产的安全、实时和可靠要求;IPv4资源接近枯竭，难以应对工业互联网发展的大量地址需求;中小企业经营者对工业互联网建设的重要性认识和投入均有待提高。
(2)引领发展能力不足
我国缺乏具备综合解决方案和全领域覆盖能力的龙头企业，企业的前瞻性、系统性和技术含量不足，难以引领国际发展;工业互联网的产品和解决方案与发达国家领先水平存在一定差距;国内平台的核心能力和生态建设仍然有待提高。
(3)要素保障能力不足
我国的工业互联网要素保障能力主要体现在资金投入和专业人才两方面。针对工业互联网领域的资金投入不足，难以造成规模效应;在专业人才培养方面，由于工业互联网发展涉及工业、IT和通信等领域的多维度整合，适合工业互联网发展的专业人才除了需要精通软件开发和应用开发之外，还需同时对工业和ICT领域有深入了解，目前人才缺口依然巨大。
3.25G+工业互联网面临的挑战
从产业整体观察，当前5G+工业互联网面临着规模小、价值不清晰、试验性示范多、应用创新碎片化、商业模式不明朗等挑战，具体可归结为以下三点：
(1)成本结构未清晰
虽然无线电频谱的使用成本是透明的，但由于当前5G网络的覆盖率比起4G网络仍然处于较低水平，此外制造企业对于5G网络与其必需组件的部署费用、新系统新应用的开发、操作以及后续运营维护成本等仍然缺乏了解。
(2)安全可靠未明确
大部分制造企业目前由于缺乏移动连接的使用经验，企业对于5G网络安全可靠方面的信心尚未建立，对于当今对工序链时序要求严格的企业而言，网络连接中断是不可接受的。只有当技术效益和成本优势明显，并且风险被证明处于可控范围时，制造企业对5G网络的需求才会开始增加。
(3)通信模组未成熟
目前能真正独立且通过时间检验的工业5G基础设施仍然较少，同时产业链上也缺乏足够的工业兼容通信组件可用，只有少数模块制造商已经开始为工业互联网领域生产了5G模组，但尚未形成规模效应。
3.3工业互联网的政策现状
近年来，我国政府相关部门对工业互联网的发展提供了较坚实的政策后盾，为工业互联网领域的发展提供了指引。2018年6月，《工业互联网发展行动计划(2018-2020)》提出，到2020年底我国将实现“初步建成工业互联网基础设施和产业体系”的发展目标，包括了建成5个左右标识解析国家顶级节点、遴选10个左右跨行业跨领域平台、推动30万家以上工业企业上云、培育超过30万个工业APP等内容。
经历了三年的发展，2021年1月，工业和信息化部再次印发了《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》，提出到2023年，我国工业互联网新型基础设施建设量质并进，新模式、新业态大范围推广，产业综合实力显著提升;新型基础设施进一步完善、融合应用成效进一步彰显、技术创新能力进一步提升、产业发展生态进一步健全、安全保障能力进一步增强。新版本的行动计划明确将开展网络体系强基行动、标识解析增强行动、平台体系壮大行动、数据汇聚赋能行动、新型模式培育行动、融通应用深化行动、关键标准建设行动、技术能力提升行动、产业协同发展行动、安全保障强化行动、开放合作深化行动等11项重点任务。其中，在“网络体系强基行动”该项重点任务中，特别提及了需深化“5G+工业互联网”，这为5G+工业互联网后续的推进和发展提供了明确的政策指引方向。
3.45G+工业互联网的发展趋势
如前文所述，尽管目前仍存在着一些挑战，但5G+工业互联网仍然有着良好的发展前景。依照《工业互联网创新发展行动计划(2021-2023年)》中提及的“深化‘5G+工业互联网’”的具体任务，后续的推进措施包括了如下三方面：
(1)支持工业企业建设5G全连接工厂，推动5G应用从外围辅助环节向核心生产环节渗透，加快典型场景推广;
(2)探索5G专网建设及运营模式，规划5G工业互联网专用频率，开展工业5G专网试点;
(3)建设公共服务平台，提供5G网络化改造、应用孵化、测试验证等服务。
由此可见，在应用范围上将不断从外到内渗透形成5G全连接的环境，在网络环境构建上通过5G专网解决制造企业对数据隐私安全和实时可靠的痛点，将成为5G+工业互联网的发展趋势。此外，由于5G+工业互联网和目前制造企业主流的网络标准存在兼容度不足的问题，因此也需不断进行测试验证，持续迭代，逐步完善解决方案。
4 5G+工业互联网的推进建议
4.15G全连接
5G具备更低的时延、更高的速率、更大接入数量、更高稳定性，有望成为未来工业互联网的网络基石。按制造企业不同场景的网络指标要求(如表1所示)，5G预计能满足70%以上的工业控制场景。
现有的大部分制造企业的工业互联网应用只着眼于外围辅助功能，较少涉及核心的生产环节。5G全连接与现有的传统数字工厂最大的区别，在于以数据来驱动管理。制造企业可结合人工智能、大数据和云计算等新技术，通过5G工业生产网络连接工厂内部的全生产要素，包括人、机、料、法、环等，实现车间内的柔性化连接，从而大幅度提升生产效率。
4.25G专网建设
5G专网可分为两种模式，一类是基于公网的5G专网，另一类是基于NPN(Non-PublicNetwork)的5G专网。按照3GPPRel-16的定义，基于NPN的5G专网也包含两种类型：PNI-NPN(PublicNetworkIntegratedNPN)和SNPN(StandaloneNPN)，如图3所示。PNI-NPN通过PLMN网络来提供NPN服务，相当于利用运营商的公网来部署5G+工业互联网，例如通过为NPN分配一个或多个网络切片实体来实现非公共网络功能，但由于网络切片不能限制终端在其未授权的网络切片区域中尝试接入网络，因此可以选择闭合接入组(CAG，CellAccessGroup)用于接入控制。SNPN则不依赖于PLMN的网络功能，相当于独立部署5G+工业互联网，因此不支持SNPN和PLMN网络间的切换，无法在小区选择和重选阶段控制不同类型用户接入。
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因此，在5G专网建设的选择上，可根据不同需求使用不同的建设模式。在侧重于低建设与维护成本，需要快速部署时，应选择基于运营商公网部署的方案;在对差异化服务有要求时，为便于在SNPN和PLMN网络间实现切换，应选择PNI-NPN方案;在对保密性有较高要求时，且对应的制造企业有较强的经济实力和技术能力的情况下，应选择独立部署的SNPN方案。
4.35G网络化改造
工业有线网络主要分为现场总线与工业以太网，适合于带宽、可靠性、实时性要求高且位置相对固定的设备接入。用于生产的现场总线协议多达几十种，包括主流的Modbus、Profibus、IO-link、CAN/CANopen、CClink等，主要用于PLC南向的简单数据量和模拟量接入，传输距离一般较短，数据传输速率较低，抗干扰能力、安全性相对较差。工业以太网同样协议数量众多，主流协议有DeviceNet、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus-TCP，多数用于PLC北向输出，其优点是通信速率高、网络拓扑灵活，但存在协议间互联互通性较差等问题，难以进行灵活部署与快速扩展。
工业无线网络主要包括WiFi、LoRa、ZigBee、ISA100.11a、WirelessHart、WIAFA/PA等，适用于广覆盖、移动性强但可靠性、带宽要求不高的场景。在各种工业无线网络协议中，WiFi部署容易、组网灵活，但可靠性和安全性难以满足工业级需求;ZigBee等技术受限于传输距离或传输速率。
由此可见，工业制造领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭，工业设备互联互通难，严重制约了设备上云，亟需构建能够兼容多种协议的新一代无线技术体系，因此需进行5G网络化改造，在此基础上孵化新的5G+工业互联网应用，并对新应用进行测试验证。
5 结束语
2021年是“十四五”的开局之年，预计我国将继续通过5G的增强试验加快推进5G上下游产业的成熟。未来5年将进入我国5G发展的关键时期，5G+工业互联网建设也将大大提速，形成智能化制造、网络化协同、服务化延伸、个性化定制、数字化管理等新模式。——论文作者：黄劲安 蒋绍杰 林东云
