5G+工业应用有哪些实际应用场景？ 2019-11-07 18:25
5G牌照发放以来，各界对5G的热情一直不减，尤其工信部苗部长最近还说5G的主要应用在工业互联网领域。但5G到底在工业有哪些实际应用场景？5G作为公共的蜂窝网络，又如何应用在局域网为主的工厂？回答这些问题前，我们可能还要从原理和部署模式出发，搞清一些重要问题，才能真正理解5G将如何用于工业场景。
一、目前5G不完全等于运营商商用网络
首先我们要搞清楚的是，我们所期待的5G工业应用，和目前的各地5G运营商网络建设，还有着明显的区别。
通常讲到5G，我们会提到5G支持三种基本类型的通信：增强型移动宽带（eMBB），大规模机器类型通信（mMTC）和高可靠低延迟通信（URLLC）。正是这3种通信的各种优点，让人们对5G在工业的应用充满了想象。
但我们必须注意的是，目前5G标准是分阶段的，现在冻结的R15版本主要面向eMBB大带宽业务的，面向uRLLC的高可靠低延时标准R16版本还在制定中，预计今年年底才冻结，eMTC的则更晚。R16版本冻结前，目前的5G（R15版本标准）应用主要还是围绕大带宽数据传输展开，当前讨论高可靠低时延的应用还是以畅想为主，至少目前运营商自己通过5G网络开展的应用，并没有uRLLC的部分。
不过，目前已经应用的5G案例有很多也提到了低延迟，但主要是得益于5G的高传输速率。很多延迟能够降到20ms水平，但还达不到uRLLC标准的1ms级别要求。
二、5G的两大类应用方向
在这样的技术现状下，5G在工业领域，其实主要有2大类应用方式：
方式1：工厂内布置5G网络，用于设备数据通信，大规模数据传输等
提到工厂内的应用，最容易想到的还是控制。工业控制大致分为设备级，产线级和车间级，设备级和产线级对可靠性和延时要求很高，又很少移动，因此在uRLLC完成前，目前主要还需要通过现场总线等有线方式。车间级网络的布置和控制倒是有5G应用的空间。
随着工业互联网的发展，越来越多的车间设备，如机床、机器人、AGV等开始接入工厂内网，尤其是AGV等移动设备的通信，有线网络难以满足，对工厂内网的灵活性和带宽要求越来越高。传统工厂有线网络可靠性带宽高，但是灵活性较差，无线网络灵活性较高，但是可靠性，覆盖范围，接入数量等都存在不足。兼具灵活性、高带宽和多终端接入特点的5G，成为承载工厂内设备接入和通信的新选择。
由于1ms级的uRLLC标准还未定，当前应用试点的5G设备数据通信主要是基于5G大带宽和接入设备量多的特性，带来的延迟下降及更好的可靠性，替换目前的WiFi类无线通信方案。
WiFi目前用于设备通信主要问题是和4G网络频段接近，易被干扰，覆盖能力不足，接入能力不足。5G网络相比WiFi的优势，主要是传输速率更快，延时更低，支持同时接入的设备更多，通信的抗干扰性更强。
5G传输速度相比WiFi提升还算明显。WiFi分为2.4Ghz和5Ghz两种，5Ghz WiFi工作在5Ghz频段，速度更快，目前典型的5G WiFi峰值速率约1.7Gbps左右。5G网络采用eLTE技术，我国确定的工作频段也在3Ghz-5Ghz，在100MHz带宽下，5G网络可实现10Gbps峰值速率， 要高于5G WiFi。WiFi的下一代标准WiFi 6，也可以达到9.6Gbps峰值速率，但离普及还有一定距离。
速度快带来延时的降低。有些工厂AGV实测传输延迟从几百ms降低到几十甚至几ms。喜临门的5G网络将数据采集延时从45-200ms降低到了25ms左右。新安化工园将多个数据采集终端通过PLC汇聚后接入5G网络，实现控制平台实时监测，一旦发现数据异常，立即报警并启动反向控制系统，端到端时延平均在20ms左右。
5G支持的设备接入也更多。新凤鸣集团长丝生产车间在5G网络下，企业数据采集点位从8万个提升到21万个。
构建好5G工厂网络后，其应用主要有3个方面：
1.设备数据采集。武汉中科虹信车间的5G示范线、新凤鸣集团长丝生产车间、湖州诺力四期智能工厂、喜临门3条袋装弹簧生产线、2条绗缝生产线、新安化工园等，都布置5G网络用于设备数据采集和通信。
2.AGV通信和控制。AGV、叉车等厂内车辆，目前正在普及无人自动控制和调度，但由于设备持续移动，通信和控制不适合使用有线网络，因此对无线网络需求明显。当前AGV的无线通信主要通过WiFi，新凤鸣、兆丰机电、山推车间则已经在应用基于5G通信的AGV。未来厂区内只要5G无线网络覆盖到的地方，就都可以实现AGV的运行。
3.大规模数据传输及云+边分析。图像、视频等大规模数据，从前只能通过有线传输，或无线延迟较高，如今则可以通过5G传输，并实时在云端进行三维重建、AI识别等分析，将结果返回现场，指导现场生产。应用这类的方向有：
1）高清视频监控
当然如果只是视频监控，对延时要求并不高，使用变焦摄像头也可以解决清晰度问题。
在空旷空间，5G的优势更明显一些。扎哈淖尔煤业公司安装了6座5G基站，实现了生产现场全覆盖，并给煤炭自卸车装上了360度无死角摄像头，利用环视模块的图像拼接，实现驾驶人员对车辆周围环境无盲区直观观察，并通过5G网秒传至安全监控中心，实现了白天有效监控距离10千米,夜间有效监控距离3千米的高清监控。
2）机器视觉质检
通过AI进行缺陷监测等质检，如今已经在很多行业应用，过去这一方式由于数据量大，图像传到服务器分析时间较长，通过5G则可以将高清产品图像快速发送到云端服务器，实时AI分析并反馈结果。中国电信湖南公司携手中兴通讯共同打造的5G智能制造基地内，产品合格率在人工检测的基础上再提升30%，罗博特科则将CCD硅晶片检测分选机接入5G网络，实现硅晶片的自动分选。
这类大规模数据如果不通过5G，目前则可能是采用现场直接放置计算机，通过以太网等方式将视频传输到计算机进行分析识别。本地计算机运行训练好的深度学习模型倒也可以，不过计算量更大的三维重建可能就存在难度，大规模数据还是要上传服务器进行深度学习训练。此外，现场放置计算机可能也会受到场地的限制。
3）AGV视觉导航
目前的AGV视觉导航主要采用磁导、二维码、激光等方式，磁导和二维码需要预先布置场景，灵活性较差，激光导航灵活性较强，但成本较高。直接采用视觉计算导航，灵活性高，成本可低于激光，但技术难度加高，数据计算量大，基于5G将实施视觉画面传输到云端服务器计算，并实时返回结果控制AGV,则有助于AGV视觉导航方式的应用。
不过AGV视觉导航虽然灵活性更高，实际应用范围却并不多，需要产线物流具备高柔性的场景还不多，反而带来很多成本增加，应用空间可能比较有限。
4）ARVR
AVR在工业主要用在远程指导等场景。如产线操作员在生产操作中突遇紧急困难，可通过佩戴AR眼镜，以第一视角与技术专家进行远程实时音视频通讯。专家在看到眼镜端采集的视频后，可即时实施AR标注、冻屏标注等系列操作并反馈到操作员视线中，或将部分实用资料，包括介绍文档、视频解说等，一并传输给现场人员，辅助现场解决疑难问题。
AR远程指导对5G的应用，可能主要是更清晰的视频传输，VR则主要是需要以5G实现Gbps级数据的传输，去掉连接头显的线。不过在5G之前，TPCAST们已经实现了这一目标，5G或许能简化TPCAST们的方案。海尔智能+5G互联工厂内，就应用了AR远程指导的场景。
方式2：通过5G广域网络，实现设备远程遥控和大规模数据传输等
在广阔室外运行的一些作业车辆、飞行器等，由于工况危险、作业范围偏僻等原因，有一定的遥控需求，也初步实现了一些遥控功能。但这些遥控要么使用近距离通信方式，场景受限，要么使用广域无线网络，但数据传输能力有限。广阔场景，如大型矿山，只能使用广域网络，但4G实时行驶画面传输延滞后明显 ，导致车辆运行速度无法提高，不能实现远程遥控的有效应用。
除了远程遥控，车辆、无人机等运行、作业时，还有运行信息回传的需求。随着通信网络发展，车辆回传信息从2G时代基本GPS信息，到3G时代各类运行参数，以及4G时代的视频，一直在持续提升。5G的大带宽网络用更低的延时实时回传高清视频，结合数据的实时云端分析和结果返回，则可以形成一系列实时分析控制应用。
1. 车辆、飞行器远程遥控
中兴联合浙江电信、宁波工业互联网研究院、浙江大学控制学院则测试了基于5G的汽车远程驾驶业务。测试时驾驶舱位于杭州电信武林展厅，而车辆则在上百公里之外的宁波工业互联网研究院，宁波远端车辆的车载高清摄像头通过中兴通讯5G模组，将宁波现场道路情况、驾驶实况高清视频回传至杭州驾驶舱，驾驶舱则实时将控制信号回传至远端车辆，两地联动实现了远程实时控制。
丰田和日本电信运营商NTT DoCoMo也联手实现了通过5G网络操控10公里以外的人形机器人，展示了5G设备操控更多的潜力。
如果此技术远程操控的换成武装无人机，很多电影中无人机追杀人的场景无疑很快就会到来。当然，现有的不少军用无人机，依靠军用通信系统，已经实现了远程遥控和攻击。
当然，设备遥控在空间较大的工厂内也可以通过布置5G网络的方式应用。
2.远程巡检、数据采集分析
广州海工船舶设备公司则给无人艇安装各类摄像头，用5G将数据实时传输到后方数据库，用于水质监控。无人船船舱下面是浸没水中的水质检测探头，船顶上是全景摄像头时刻记录水面和水域环境，船舱内精密的仪器现场分析水质情况和各类参数。这些水质分析数据与水面、水域情况，都通过5G信号实时回传到后方数据库。相比传统采用后分析的过程，水质监控的实时性极大的提高。
三、5G网络接入方式，未来工业应用的关键
作为为运营商网络而生的技术，5G网络天然就是要构建一张巨大的公网，但这个网络跟日常工业企业的内网需求存在显著差别，工厂内部不同的业务需要的网络不同，更重要的是工厂网络一般是局域网，为了安全很多都追求与公网的物理隔离。
将一个广域网技术用在需求局域网的场景，显然会有很多问题，因此5G也衍生了MEC边缘处理器、切片等一系列新技术来适应工业应用。简单来说，目前企业应用5G的话，有这么3种方式：
第一种，也就是目前5G工业应用最多的方式，通过放置在最低到工厂MEC边缘处理器，实现以边缘计算节点（从整个运营商网络看，一个MEC处理器是一个边缘计算节点）为服务器的局域网。
这种模式下，联网的设备加装5G通信模组（或厂内布置CPE，将5G信号转为WiFi信号连接设备），适当布置基站构成整个网络，在车间布置MEC服务器，用于企业内数据通信，及与运营商大网的连通。这种模式下，企业的数据通过MEC服务器在企业内中转，没有流向公网，从而事实上构建了一个给企业专用的小型局域网。事实上要保证低时延，也只有尽可能的将服务器靠近企业。
目前不少应用都有这方面尝试，但要将MEC服务器下放到企业内部并不容易，广东移动给广东一家钢铁厂打造5G+智慧钢厂时，将边缘服务器下沉到了地市数据中心，实测数据从钢厂产线到网络边缘物联网平台之间的回传时间，约为21ms。电信和三一重工合作了一个AGV+5G+MEC的案例，获得了“绽放杯”一等奖，MEC则准备部署在企业级边缘。
这种方式组网时，仍然也需要布置在厂内布置基站。根据工厂面积，5G的布置也可能使用宏基站，或者小基站。室外环境宏基站更适合，室内可能也以小基站为主。
小基站为主的组网布置方式，相比WiFi布置上并没有简单很多。一般WiFi室内覆盖范围几十米左右，5G小基站覆盖范围也是半径50-200m左右，与WiFi接近。湖州诺力四期智能工厂通过5G基站的设置，取代了原有的70个无线AP，但武汉中科虹信车间的5G示范线只有30米长，却布置了30个每个辐射范围只有30米半径的小基站。
空间更开阔的港口环境下，5G基站需要量少很多。华为在宁波港一共布置了3个宏基站和8个AAU，就覆盖了45万平米的区域。
第二种方式，则是不设置MEC服务器，但通过软件手段，类似VPN的方式，在整个大的网络中，开辟一条软的网络通道给企业，形成虚拟局域网，也就是5G切片。由于服务器可能离企业较远，这种方式传输延迟可能天然不如第一种方式更好。
第三种方式，则是针对要求更高的情况，使用5G基站组网的这个原理，为企业组建一个与运营商大网物理隔离的真正的专网。这种模式下，企业更像是一个小运营商，自己搭建了一整个网络，与三大运营商没有太多关联，不像前两种方案，还是与运营商网络有连通。5G的高带宽、低延时和高可靠性能如果全都达到，企业建设一个专网，可能会大大简化目前多种方式并存的网络布置方案。
不论从安全性，还是性能方面，这种企业专网都更符合工业企业的需求，德国的宝马、大众、戴姆勒，中国台湾的鸿海集团、中油、台塑等企业，都表达了自己建设企业专网的意向（尤其是汽车企业面向未来的自动驾驶）。但是在当前的政策下，企业建专网，其频段是需要经过政府审批许可的。我国大陆目前的5G网络给三大运营商的频段都是用于5G大公网的，并没有针对工业应用的频段。
其它国家、地区针对这一问题已经提出了一些解决思路，台湾给了5G专网三个选择，一是向电信运营商租用专有网络，二是向电信运营商租用频谱，自己建设，三是政府规划专用5G频谱，让企业申请调配。而目前德国、日本、英国、中国香港等则都已经针对垂直行业应用，保留了特定5G频谱。我国大陆这块会如何处理，目前似乎还不清楚。
假设5G企业专网能够落地，工业互联网的概念，将和我们现在的理解不一样。如果5G的eMBB、uLLRC、eMTC都成熟，规划了面向行业的频段，企业或行业建设成了专门面向工业应用的，与运营商大网隔离的工业网络，这个网络就成为纯粹面向工业的专用网络。在这种条件下，整个工业网络接入的市场将会非常庞大，工业数据安全的问题也能够得到更好的解决。
5G企业专网将冲击运营商的商业模式。如果政策限制5G专网只能由运营商来建，则5G专网给运营商带来一块纯2B做网络建设解决方案的业务。如果不是，这部分业务很大可能会流失到华为、中兴们手中。5G专网不再与运营商大网连通，运营商可能会失去不少企业客户。
面对工业场景的组网需求，运营商已经在积极发力。中国移动提出企业专网解决方案（简称ENS），基于基站和频率是否和公众用户共享，ENS包含三种网络架构满足港口等典型行业的多业务的组网需求，包含：频率独享、基站共享的混合专网（M.ENS）；频率和基站都共享的虚拟专网（V.ENS）；频率和基站都独享的物理专网（P.ENS）。青岛港龙门吊远程作业应用就采用了其中的M.ENS组网模式。
总结：5G到底将优先应用在哪些场景
短期看，5G比较适合优先应用的场景有大概四种：
1. 一般工厂车间，5G用于AGV等移动设备。
2. 一般工厂车间，5G用于大规模数据传输和后台实时分析。
3. 港口、矿山等面积较大的封闭工业现场，5G用于设备远程遥控作业等。
4. 燃气管道、电力输送线、河流等开放场景，通过5G实现远程巡检和监测
当然，这只是目前应用试点中体现出来的较多的应用场景。目前的应用试点离实际商用，还差着投入产出比和数据安全两个关键问题要解决。
花费方面，1，2，3都可以做成MEC服务器部署于企业的形式，避免数据通过运营商大网形成流量费，主要费用在于整个网络建设。单就一个简单应用场景布置5G网络，1，2可能并不如用PON、工业以太网、WiFi成本更低，只有3从应用需求，成本各方面更容易落地。
布置1个网络，承载多种应用，从投入产出角度讲才相对比较划算。当前的eMBB业务能够承载的应用场景在整个工厂的占比可能还不高，如果未来大带宽、ms级高可靠和低延迟都实现，能替代掉大部分工厂通信方式，新建工厂只需要布置好5G网络，就可以实现全厂通信，那带来的变革和市场将是巨大的。当然，这块核心在于5G技术上能否替代各种工业有线、无线网络，还需要后续深度研究。
对于4，以目前的网络而言，数据通过运营商网络传输的巨额流量，对应的费用可能不低，对实际的应用影响较大。未来如果能建成行业专网，数据在专网 传输，不经过运营商网络，才有望显著降低流量费用，不过建专网的成本本身也不会低。
安全方面，目前的MEC服务器方案，企业数据连通到了整个运营商网络，理论上存在被从公网攻入工厂内网的风险，目前的工业互联网面临的也是同样的问题，也是为何目前大型企业普遍倾向于自建私有云，而非接入公有云。即便与运营商网络隔离的5G专网，无线通信天然容易接入的特点，仍然对应着一定的安全风险。如何保证数据和网络安全，成为运营商想推进5G工业应用的关键问题。
综合成本和安全考虑，或许未来5G用于工业市场巨大，但要解决的问题仍然很多。5G工业应用本质上还是运营商拿着锤子找钉子，拿5G去找应用场景。如果从工业需求出发看这个问题，用5G的通信技术，工作在非授权频段，在制造企业自建局域网，或许才是更容易被市场接收的方案，但重点就在于政策的考量了，这块NB-IOT与LoRa已经有了前车之鉴。（来源：https://www.sohu.com/a/345491729_654585）