5G+工业互联网行业解决方案

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5G+工业互联网行业解决方案

1     概述1.1. 行业背景

工业互联网是新一代信息通信技术与现代工业技术深度融合的产物，是制造业数字化、网络化、智能化的重要载体，也是全球新一轮产业竞争的制高点。相继在德国提出工业4.0计划，美国提出工业互联网概念之后，我国自2015年以来陆续出台了“中国制造2025”、“互联网+”等多项产业政策，推动工业互联网的建设。中国作为第一大工业强国、第二大互联网产业强国，工业互联网发展前景广阔。

5G 是新一代移动通信系统，5G 与工业生产融合之后，逐步成为支撑工业生产的基础设施。5G 与工业生产中既有研发设计系统、生产控制系统及服务管理系统等相结合，可以全面推动 5G 垂直行业的研发设计、生产制造、管理服务等生产流程的深刻变革，实现制造业向智能化、服务化、高端化转型。同时，工业互联网具有难度大、风险高、成本高、跨领域等特点，因此5G+工业互联网既具有广阔的前景，也是最具挑战性的领域。

1.2. 需求分析

工业互联网是实现人、机器、车间、企业等主体以及设计、研发、生产、管理、服务等产业链环节的全要素的泛在互联。

在工厂内，要实现工厂内生产装备、信息采集设备、生产管理系统以及劳动力之间的互联。在工厂内有IT网络和OT网络，智能工厂希翼所有设备都能连接到一个IT和OT完全融合的网络上，实现直接的互通互联。这个网络不光具备有线网络，还要有各种无线技术的接入，还应该承载各种不同的业务，不同的服务，实现不同的服务质量。5G网络其优越的网络性能、良好的移动性和QoS保障，在工厂内网具有很多应用场景。

工厂外：随着智能工厂与工厂外实体的联系日益密切，工厂的部分业务系统上云后，企业对上网、上云和企业间互联的需求日益增强。工厂外的联网的目的是实现生产企业、协作企业、智能产品、用户、金融机构、供应链、物流企业的广泛互联。此外，对出厂产品的跟踪，是服务化转型的基础。5G网络具体覆盖广、产业链标准化等优势，对于广域互联、产品跟踪等应用场景具备天然优势。

1.3. 痛点分析

1、 安全生产与人文关怀：

工业生产存在部分危险、恶劣工作环境，不适于人工操作，或者某些区域人员进入为较困难，需要远程操控设备或机器人

2、 降低人工成本，提升工作效率：

工业生产存在大量的生产数据采集、设备巡检需求，人工巡检效率低，对一些有技能要求的操作，需要专业人员在远程进行协助。

3、 节能环保要求：

很多工厂是能耗和污染排放大户，需要实时、海量监控相关数据。

4、 柔性制造：

工业互联网对于柔性制造与个性化定制的需求，要求生产区域能够根据需求进行灵活重构，智能机器可能在不同生产域间调整和迁移。这就要求工厂内的网络架构，能够适应快速组网与灵活调整的需求。

5、 现有网络技术的局限：

工业生产的网络连接需求：数量多、带宽大、移动性强、稳定性高。工厂又具有特殊的环境条件：如高温、高湿、噪声、粉尘，还收到复杂的网络部署条件制约：如各种设备、管线等。现有的固定网络、4G、Wifi等在网络性能，抗干扰、移动性、稳定性和部署的方便性等方面存在一定的局限，难以满足工业互联网需求。

2     整体方案设计2.1. 总体方案

以下是5G产业自动化联盟认为的5G智能工厂，以5G为基础，实现制造基地之间运营管理与控制远程集中化，基地内通讯网络无线化，通过网络切片保证通信质量和安全隔离，通过边缘云降低时延，保证数据安全。

2.2. 系统组成2.2.1.   工厂内网组成

工厂内网络，主要用于连接生产设备和办公设备，通常包含生产网络和办公网络两张网，二者通过网关实现互联和安全隔离。车间内大量AGV、机器人、移动手持设备、传感器、设备、物品等需要通过网络进行互联互通，以实现对生产现场的实时数据采集等功能。

5G 使能工厂生产柔性化。在制造自动化控制系统中，典型的闭环控制过程周期低至毫秒级别，同时对可靠性也有极高的要求。未来工厂中，静态的顺序制造系统，越来越多的被新型的模块化生产系统取代，从而提供更高的灵活性和多用途适应性。5G在满足高可靠低时延的基础上，带来生产设备无线连接的灵活性，使得工厂生产系统模块化和柔性制造成为可能，极大降低生产线重组的时间开销及成本。

基于 5G 的工业增强现实及远程控制。采用增强现实技术，对生产任务进行分步指引，引导工厂工作人员现场手动装配过程,可以快速满足新生产任务的需求。在恶劣环境下，基于增强现实应用实现人机远程交互与控制，用工业机器人代替人的现场参与。5G 的低时延和高速率特性，使这些应用成为现实。 5G支撑生产设备、移动机器人、AGV 等之间的协作。在未来工厂中，移动机器人、AGV起到日益重要的作用。在生产过程中，要求这些智能设备间的密切协同和无碰撞作业，需要以无线方式，低时延、高可靠的进行实时数据交换。5G对于这些设备间的精密协作至关重要，可以提升制造效率。

2.2.2.   工厂外网组成

智能工厂需要大量外部连接，包括：上网专线、互联专线、上云专线等满足智能工厂与互联网、其他工厂、云端应用和客户、产业链等的连接。

在工厂外部，利用NB-IOT、LTE增强、5G切片等技术，实现对各类为满足各类海量的智能产品的无线接入。对一些网络质量要求较高，或比较关键的业务，需要用专网或VPN的方式来承载。专网中需要利用SDN、NFV等技术实现业务、流量的隔离，并实现网络的开放可编程。通过产业互联网服务，开放核心网部分能力整合成网络服务API，App驱动加服务编排，给工业企业提供个性化的封装网络服务。

2.3. 系统功能及主要应用场景

5G与工业互联网融合应用出现了八大类新型场景，分别为 5G+超高清视频、5G+AR、5G+VR、5G+无人机、5G+云端机器 人、5G+远程控制、5G+机器视觉以及 5G+云化 AGV，相应应用场景 对 5G网络提出了新的需求。在应用场景发展节奏方面：5G与超高清视频的融合应用已进入应用成熟期，将成为 5G在工业互联网领域的第一批应用场景；5G+AR、5G+VR 以及 5G+机器视觉等应用已进入高速发展期，经济价值逐渐显现，未来 1-2年将成为工业互联网的主流应用场景；5G+云化 AGV、5G+无人机等应用受限于与设备深度融 合的需求，还需等待产品成熟，未来 2-3 年将有较快发展；5G+远程控制和 5G+云端机器人等应用由于涉及工业核心控制环节，目前还处 于探索期，有待进一步的测试验证。

场景一： 5G+超高清视频

超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新， 将带动视频采集、制作、传输、呈现、应用等产业链各环节发生深刻 变革。高清视频被认为是 5G 时代应用最早的核心场景之一，加快发展超高清视频产业，对满足人民日益增长的美好生活需要、驱动以视 频为核心的行业智能化转型、促进我国信息产业和学问产业整体实力 提升等具有重大意义。

随着技术发展，超高清视频已不局限于监视、录像、回放等传统 功能，开始向字符识别、人脸识别、行为分析、物体识别等智能化方 向发展，对视频流的清晰度以及流畅度提出了更高的要求，而 5G 网络的承载力成为解决这些需求的有效手段。在工业环境下，高清视频 的主要应用在于智慧园区的安防、人员管理等场景，通过 5G 高速率 的特性，将采集的监测视频/图像实时回传，实现视频、图片、语音、 数据的双向实时传输，同时结合 5G MEC 统一监控平台，实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警，提高作业安全规范 性。

超高清技术是高清技术的延伸，代表了近年来音视频产业发展的 主要方向。与高清技术（1920×1080，约 200万个像素）相比，4K（3840×2160，约 830 万个像素）超高清像素数为高清的 4倍，理论清晰度为高清的 2倍；8K（7680×4320，约 3300 万个像素点）超高清分辨率为高清的 16倍，理论清晰度为高清的 4倍。超高清视频提升了分辨率、亮度、色彩、帧率、色深、声道、采样率等指标，这些技 术指标的提高虽然可以给观众带来极为清晰、逼真和沉浸感的画面， 但是也使音视频数据量成倍增长。按照目前超高清视频产业主流标准， 4K/8K 视频对网络速率要求至少为 12-40Mbps，甚至可达 48-160Mbps。

[/table]场景二： 5G+AR 增强现实（AR）是人工智能和人机交互的交叉的学科，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D 模型 的技术，也是一种把真实世界和虚拟世界信息有机集成的技术。AR 把原本在现实世界一定时空范围内很难体验到的实体信息（主要包括 视觉和听觉信息）通过计算机模拟仿真后叠加，将虚拟的信息应用到 真实世界并被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。 目前 AR的应用已融入到了工业制造的交互、营销、设计、采购、 生产、物流和服务等各个环节，典型的应用包括 AR远程协助、AR 在线检测、AR 样品展示等。利用基于 5G 的 AR 远程协助，后台专家可以通过语音视频通讯、AR 实时标注进行远程协作，实现了现场 人员和远程专家的“零距离”沟通，提高了工业生产、设备维修、专业培训等价值链的效率。 场景三：5G+VR     虚拟现实（VR），是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。虚拟 现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象， 并通过三维模型表现出来。 目前 VR 的在工业互联网中主要应用在虚拟装配、虚拟培训、虚拟展厅等场景：VR 虚拟装配是工业设计必不可少的审核环节，可以在设计接口、部件外观大小等方面最大化优化产品实际装配时的能效； VR 虚拟培训相较于传统的课堂更能全面、及时反馈，相比于教科书 里面难懂的文字和需要考验学生想象力的平面图，虚拟现实的场景表 达更直观，并传递更多的信息；VR 虚拟展厅将展厅及展示产品 3D 化，带给观展者足不出户就能身临现场的体验。 基于 5G 的 Cloud VR，结合眼球跟踪渲染技术、GPU 定点渲染、 LED 高 PPD 屏幕技术，VR 终端可以完全实现无线化和轻量化；由于云端内容与无线 VR 直连，不能被本地复制，进一步保护了内容版权； 用户互动数据传输到云端并进行计算，再反馈回本地终端，降低VR 的成本。 场景四：5G+无人机 无人机作为高新科技发展的产物，目前在大家周边的应用已经越来越广泛。从应用领域来说，无人机可分为消费级无人机和工业级无 人机，相对于已经较为成熟的消费级无人机，工业级无人机的应用还 处在不断探索的阶段。目前，工业级无人机被广泛的应用在智慧物流、 智慧园区、设备巡检等领域。 以智慧园区安防为例，安保人员需要按照固定的岗位和流动的岗 位分别安排并进行厂区安全巡视，内容包括人员、财产、治安、消防 安全。为了确保厂区每一个角落都能得到合理的监控，需要大量的摄 像头设备进行固定视角的管控，对于摄像头的盲区，需要安排安保人 员定期巡检。这种传统方式往往存在固定视角监控不到位、安保人员 人工费用成本高以及昼夜交替等原因带来的管理问题。 通过 5G 无人机平台，可以实现厂区范围内规范化、常态化的空中安保巡视和设备点检。利用 5G 的高速率、高可靠低时延无线网络，可以将搭载在无人机上的摄像头视频（可见光高清、红外等）实时传 送到厂区综合控制中心。通过对视频图像进行基于人工智能的物体识 别、模式识别分析，判断所巡检的地点是否存在安保异常或火警异常 并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。 从设备巡检的角度来说，工业领域有大量的设备工作在位置较高或条件较为恶劣的环境下，传统的人员巡检不仅浪费时间，还带来人身安全隐患。传统的基于 4G 的无人机时延大，画面不清晰，而采用 5G的无人机设备巡检有两个优势：一是 5G 的上行速率可达 200Mbps，可以支撑 4K、 8K甚至全景的视频回传；二是 5G 毫秒级的低时延高可靠特性可以有效地保障无人机的精确控制和精准定位。 场景五：5G+云端机器人 2017 年发布的《人工智能时代的机器人 3.0 新生态》白皮书把机器人的发展历程划分为三个时代，分别称之为机器人 1.0、机器人 2.0、 机器人 3.0。在机器人 2.0 的基础上，机器人 3.0 实现从感知到认知、推理、决策的智能化进阶。2019 年 6 月，《机器人 4.0 白皮书》发布，机器人 4.0 时代是在机器人 3.0 时代加上自适应能力，对三维环境语义的理解，在知道它是什么的基础上，把看到的信息变成常识，让存 储就变得更加合理，而且可搜索、可查询、可关联、可推理。 近几年来人工成本不断提高，不但使得工业企业的利润持续降低，而且大量的人工操作不利于产品质量控制和企业管理。机器人成为了 解决人工成本的优秀替代方式，很多制造业工厂都开始加快机器人应 用的步伐，尤其是一些操作工序复杂或精密度较高的工作。传统的工 业机器人存在不足，比如工作范围受限、工作内容有限、设备成本高 等问题。随着人工智能、云计算等技术的不断成熟，云化机器人将逐 渐成为主流。云化机器人将控制“大脑”放在云端，根据本地机器人的 不同工作内容和工作地点针对性控制，真正实现机器人的自主服务和自主判断。同时由于“大脑”放在了云端，“大脑”可以将所有机器人检索的信息进行整合，完善自身的学习能力和自优化能力。随着云端学 习能力的提升和数据共享，本地机器人本身不需要存储资料信息，也 不需要具备超强的计算能力，这样一来机器人的开发成本和时间也会 缩减。 实现云端机器人大规模密集部署和应用拓展，对 5G 网络提出了两个需求，即：满足通信调度及业务数据实时交互需求和集成其它视 觉应用的通信需求。云端机器人系统包括室内及室外应用场景，可满 足工业高可用指标 99.999%，通信时延 10~100ms。目前单个机器人 安装 10~20 个摄像头（实现视觉导航、视觉检查等多种功能），移动 速度提升到 2~3m/s，因而网络上行带宽需求小于1Gbps（随着低时延 的视频压缩和解压技术成熟，可以在机器人端实现视频压缩预处理，节省上行带宽），时延 10~100ms。 [table=98%]

场景六：5G+远程控制

远程控制一直是工业生产中保障人员安全、提升生产效能、实现 多生产单元协助的必要手段。由于远程控制会直接关系生产环节的产 品质量和生产效率，目前工业上大多数远程控制还是基于有线网络。 虽然有线网络稳定，但也限制了生产的灵活性，同时也在一定程度上限制了生产过程的控制范围。 为了达到远程控制的效果，受控者需要在远程感知的基础之上通过通信网络向控制者发送状态信息。控制者根据收到的状态信息进行 分析判断并做出决策，再通过通信网络向受控者发送相应的动作指令。 受控者根据收到的动作指令实行相应的动作，完成远程控制的处理流 程。为了保证控制效果，通信网络时延和可靠性就更加重要。

在工业生产中某些环境场合确实不适宜人工作业，比如高温、高空、环境指标差等场合。甚至有的工作人工无法完成，比如工厂内大 件货物或港口集装箱的装卸，都需要远程控制机械来实现。要实现远 程控制，不仅需要足够高清晰度视频提供视觉支撑，还需要实时稳定 的网络保证操控的灵敏度和可靠性。这些对现有工业网络和 4G 技术 来说是一个挑战。考虑远程控制的需求，5G网络的优势一方面在于高速率可以满足高清视频回传的要求，另一方面也可以在保证可靠性 的前提下满足远程控制对于时延的要求。

场景七：5G+机器视觉

机器视觉是人工智能的一个重要分支，在工业上的应用极为广泛， 可以有效提高生产的柔性和自动化水平。适用于一些人工作业的危险 工作环境或者人工难以满足要求的场合。目前机器视觉的应用主要包含五大类，包括图像识别、图像检测、 视觉定位、物体测量、物体分拣等。

为了保证判别结果的准确性和应用的正常运作，整套系统的信号传输是一个关键的因素。通过 5G网络，机器视觉系统实现以移代固， 将视觉系统单元配置为无线传输来替代传统有线连接方式；图像采集 自由分布于多个工位且共享图像处理单元，共同实现高速，低成本自 动化检测生产线。同时通过 5G+MEC 搭建的“5G 虚拟专用网”将生产 过程数据的传输范围控制在企业工厂内，满足生产数据安全性要求， 确保了网络安全和生产安全。

基于 5G 虚拟专网和万物互联部署，机器视觉系统可以实现实时远程监测功能。依托 5G 高速率、大连接特性，不用进车间即可通过 移动终端和便携终端监视制造企业生产过程实行管理系统（MES）， 获取视觉检测系统的运行状态，如正常运行时间，有效运行时间，故障原因等。

场景八：5G+云化 AGV

自动导引运输车（AGV），指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输 车。AGV 不需驾驶员，以可充电之蓄电池为其动力来源，一般可透过电脑来控制其行进路线以及行为。AGV 的活动区域无需铺设轨道、 支座架等固定装置，因而在自动化物流系统中能充分地体现其自动性 和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。在制造业，多台 AGV 组成柔性生产搬运系统，运行路线可以随着生产工艺流程的调整而及 时调整，提高了生产的柔性和企业的竞争力。对于港口、码头和 机场等密集搬运场所，AGV 被赋予了更为强大的并行化、自动化、智能化等特性。在一些特殊环境要求的场景，如医药、食品、化工， 甚至危险场所和特种行业，AGV 除了基本的搬运工作外，还自带多 种传感器，可以实行检查、探测、自动识别等工作。

所谓云化 AGV，是把 AGV 上位机运行的定位、导航、图像识别 及环境感知等需要复杂计算能力需求的模块上移到 5G 的边缘服务器，以满足 AGV 日益增长的计算需求，而运动控制/紧急避障等实时性要 求更高的模块仍然保留在 AGV 本体以满足安全性等要求。这相当于 在云端为 AGV 增加了一个大脑，除 AGV 原有的复杂计算以外，各种各样的 AI 能力扩展成为可能。

实现云化 AGV 大规模密集部署、大范围无缝切换以及应用拓展， 对 5G 网络提出了相关需求：即满足通信调度及业务数据实时交互需求，以及集成其它视觉应用的通信需求。云化AGV 系统包括室内及室外应用场景，室外覆盖范围约 2km；满足工业高可用指标 99.999%， 通信时延小于 100ms。目前的双目视觉 AGV，网络需求为上行带宽 144Mbps（如果 AGV  端视觉预处理，上行带宽要求不高），时延30~40ms。未来 AGV 安装 6~10 多摄像头（视觉导航、视觉检查等多种功能），移动速度提升到2~3m/s，网络上行带宽需求小于 1Gbps（随 着低时延的视频压缩和解压技术成熟，可以在AGV 端实现视频压缩预处理，节省上行带宽），时延约为 20ms。

2.4. 网络方案2.4.1．概述

5G网络具备三类应用场景:增强型移动宽带（eMBB）、大规模机器类通信（mMTC）、高可靠低时延通信（uRLLC）。其中，eMBB 场景,可支撑工业互联网逐渐兴起的大流量低时延、高可靠性业务。

5G 网络架构灵活开放，通过边缘计算等与工业应用紧密结合，并保证数据安全性和降低时延。5G网络支撑网络切片，可以为工业用户提供高可靠性的资源保障。5G 为工业互联网提供更可靠、更开放、按需定制的网络。满足工业互联网应用需求。

2.4.2. 边缘计算

1、系统架构

多接入边缘计算（MEC）是将多种接入形式的部分功能、内容和应用一同部署到靠近接入侧的网络边缘，通过靠近用户处理业务，配合内容、应用与网络的协同，提供低时延且安全可靠的服务，达成极 致用户体验。

在 5G 服务工业互联网领域，边缘计算在基本业务实现、业务安全保障、商业模式支撑等方面都具备价值。

从业务实现角度看，核心网用户面功能下沉到边缘部署，可降低网络时延，支撑低时延高可靠业务。时延需要在 空口、传输、应用服务等多环节实现端到端保障，引入 MEC 后业务 可以直接部署在离基站较近的位置，有助于端到端低时延的实现。

MEC支撑无线网络能力开放和运营能力开放，通过公开 API 的方式为运 行在开放平台上的第三方应用提供无线网络信息、位置信息、业务使 能控制等多种服务，实现电信行业和垂直行业的快速深度业务融合和 创新，为移动视频加速业务、AR/VR 低时延业务、企业专网应用、需 要实时响应的 AI 视频分析业务等提供支撑。

从业务安全角度看，核心网用户面下沉到企业园区，实现企业业务数据不出工厂，可为企业提供更高的安全保障。

从商业角度看，MEC可以节省传输资源，尤其针对视频类存在大量数据传输需求的应用，数据能够实现在园区内的本地存储和运算， 节省边缘到核心网和 Internet 的传输资源开销和商业成本。

2、基于边缘云的联通产品

           基于5G、物联网、边缘计算、云计算、大数据、人工智能等技术，打造符合中国联通特点的厂区侧、工业园区侧的5G工业制造企业边缘云，以工业制造全流程数字化为需求场景，满足工业企业数字化、智能化升级的需求。支撑工业企业高带宽、海量的无线设备连接、低时延计算、高数据安全等能力，实现计算边缘化、应用本地化、数据的安全化。

工业制造边缘云云服务和PaaS平台为核心，通过提供PaaS平台提供业务能力，通过边缘云汇聚工业应用，实现AR/VR、车间看板、预测性维护、机器视觉、动态智能排产等各类应用场景。相较于纯云端平台系统，具备低时延、大带宽、高可靠、高安全的特性；相较于位于现场的工业网关、工控机等边缘设备具备更强算力，更灵活的应用部署能力，承载更多连接、提供更多样PaaS、SaaS服务能力。

2.4.3. 切片网络架构

切片是一种按需组网的技术， 独立组网（SA）架构下将一张物理网络虚拟出多个不同特性的逻辑子网络，可满足不同场景的差异化需求。

基于5G SA架构，采用虚拟化和App定义网络技术，可在一张5G的物理网络基础上切分出多个虚拟的端到端网络，支撑各种类型服务的不同特征需求，切片间的彼此隔离增强了网络安全性，一个网络切片将构成一个端到端的逻辑网络，按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。

5G 的网络切片关键特征包括：按需部署、端到端 SLA保障、按需隔离、运维自动化等。

5G E2E网络切片由无线、承载网及核心网三部分共同配合完成，网络切片管理与运营架构如下：

2.4.4. 5G专网

为了简单起见，将3GPP所定义的网元进行抽象，详见附录

2.4.4.1独立专网场景

在这个场景中，专网是一个独立的网络。如图所示，专网通过防火墙连接到公众网。类似一个小的运营商网络，可以与一个或多个公用网络运营商签订漫游协议，这种方案由于政策限制等原因，不推荐。数据业务服务。

可以在平台上集成多种应用，包括资产管理、设备跟踪、故障预测、能源管理、经营分析等创新应用。

业务应用呈现多样化，可以针对不同业务的安全需求提供灵活的安全服务能力，提供统一灵活的认证、授权、审计等安全服务能力。