5G對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響

5G的技術(shù)特點(diǎn)

5G并不是為某一個(gè)“殺手級(jí)應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，而是面向很多至今甚至尚未可知的應(yīng)用場(chǎng)景。5G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是一種自上而下的方法，先定義未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景，然后從場(chǎng)景里抽象出技術(shù)的需求，再根據(jù)每個(gè)特定的需求，尋找解決辦法，研發(fā)具體的解決方案。

因?yàn)橄到y(tǒng)的要求十分的廣泛，過(guò)去幾代通信系統(tǒng)的技術(shù)并不適用于5G的需求。在5G眾多的預(yù)設(shè)場(chǎng)景之中，5G在技術(shù)方面的需求被ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）歸納為3個(gè)大的方面：

（1）超高數(shù)據(jù)速率（增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬，eMBB）

提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及極端的信號(hào)覆蓋能力

（2）超大連接量（大規(guī)模機(jī)器類通信，mMTC）

提供海量設(shè)備的數(shù)據(jù)連接能力，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)需求

（3）超低時(shí)延（超可靠低時(shí)延通信，uRLLC）

提供超可靠低時(shí)延的通信連接服務(wù)，要求極高的可用性和可靠性、極低的時(shí)延

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求

對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，高可靠低時(shí)延的通信系統(tǒng)可以說(shuō)是至關(guān)重要。

一直以來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用只能停留在表層的數(shù)據(jù)采集展示和由此延伸出來(lái)的一些管理功能，很難涉及到工業(yè)系統(tǒng)的控制等核心領(lǐng)域，其中通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延時(shí)達(dá)不到要求是其中主要的制約因素。

工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備投入巨大，無(wú)論是機(jī)床、生產(chǎn)線，還是機(jī)械設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程中的故障導(dǎo)致的停工，往往會(huì)影響整條生產(chǎn)線，甚至整個(gè)產(chǎn)品交付周期。

為確保穩(wěn)定性，工業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)還是以本地為主，部署大量的硬件和軟件系統(tǒng)。這一方面導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，投入巨大，另一方面，也限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。在消費(fèi)者需求日新月異的今天，生產(chǎn)系統(tǒng)的更新跟不上消費(fèi)者需求的變化，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)失很多新的機(jī)會(huì)。

當(dāng)前的移動(dòng)通信系統(tǒng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及并不深入，雖然4G在網(wǎng)速上已經(jīng)有很大的提升，能滿足用戶隨時(shí)觀看視頻的需求，但網(wǎng)絡(luò)的可靠性和時(shí)延都還有很大的提升空間，并不能滿足工業(yè)場(chǎng)景的要求。

4G在工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用，更多是在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景里，作為數(shù)據(jù)上傳到云端的一種方式。比如工廠里的機(jī)床設(shè)備，每5-10秒鐘會(huì)采集一次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)匯總一般會(huì)匯集到一個(gè)統(tǒng)一的終端，由終端通過(guò)4G發(fā)送到云平臺(tái)。

為了保證機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆�(wěn)定性，在工廠內(nèi)部，各個(gè)機(jī)床與統(tǒng)一終端的連接上，一般都會(huì)采用有線連接的方式。這樣的連接方式還是比較重，大量的線纜也會(huì)導(dǎo)致工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能提升到可以替代有線電纜的時(shí)候，工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也會(huì)降低，更加便于管理。

工業(yè)領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的這些需求，5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以很好的滿足，極低的時(shí)延，保證了工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制的要求；高可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，確保了工業(yè)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求；大帶寬則可以實(shí)現(xiàn)高清3D視頻，甚至AR的傳輸，在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域大幅提高了操作精度。

5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

在2018年6月上海舉行的世界移動(dòng)大會(huì)上，央視財(cái)經(jīng)的記者體驗(yàn)了中國(guó)移動(dòng)帶來(lái)的5G智慧工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景演示：

一臺(tái)遠(yuǎn)在石家莊工地上的挖掘機(jī)，通過(guò)5G技術(shù)與設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的駕駛室相連，不僅可在惡劣環(huán)境下作業(yè)，甚至可以打造無(wú)人工地。

參觀者可以在現(xiàn)場(chǎng)駕駛室真人駕駛，同步實(shí)時(shí)控制位于石家莊的挖掘機(jī)，進(jìn)行挖掘機(jī)前后、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘裝車等操作，操作臺(tái)對(duì)面的大屏幕通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)高清視頻同步傳遞真實(shí)場(chǎng)景及全景視頻效果。

雖然這只是一個(gè)場(chǎng)景演示，但它代表了5G在工業(yè)領(lǐng)域潛在應(yīng)用價(jià)值和未來(lái)應(yīng)用的方向。目前5G的商用還沒(méi)有正式開(kāi)始，還沒(méi)有成熟的5G應(yīng)用場(chǎng)景出來(lái)，但有很多關(guān)注5G領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)，都在探索5G在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景，以及能帶來(lái)什么樣的商業(yè)價(jià)值。

愛(ài)立信為我們分享了2個(gè)具體的研究案例，給我們展示了5G技術(shù)的應(yīng)用，提高了工業(yè)效率，提升了商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤(pán)制造

愛(ài)立信和德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法來(lái)改進(jìn)工業(yè)控制流程，實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)制造過(guò)程中的缺陷。其中有一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是葉盤(pán)的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，葉盤(pán)是噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪的重要組成部分，由輪盤(pán)和圍繞輪盤(pán)邊緣的眾多葉片組成，葉盤(pán)制造是金屬加工典型的應(yīng)用。

確保葉盤(pán)的高質(zhì)量至關(guān)重要，高質(zhì)量的葉盤(pán)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的保障。葉盤(pán)是通過(guò)銑床加工完成的，加工過(guò)程中面臨很多問(wèn)題，其中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題是，加工的過(guò)程很難被監(jiān)控，這也是金屬加工領(lǐng)域普遍存在的問(wèn)題。

這就意味著銑削加工過(guò)程全部結(jié)束之前，操作人員無(wú)法知道結(jié)果，而一個(gè)銑削加工的過(guò)程可以持續(xù)1天甚至達(dá)到100小時(shí)，由于加工缺陷的存在，最終加工產(chǎn)品的返工率卻經(jīng)常高達(dá)25%，拖長(zhǎng)了整體的生產(chǎn)周期。

加工缺陷可能有很多原因產(chǎn)生，但其中主要的原因是銑刀或機(jī)床自身的震動(dòng)，影響了加工結(jié)果，而這個(gè)震動(dòng)則可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過(guò)程來(lái)發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)數(shù)據(jù)反饋來(lái)實(shí)時(shí)優(yōu)化加工過(guò)程，最終減少返工率。不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，是整個(gè)制造業(yè)都存在的現(xiàn)象。

雖然葉盤(pán)加工只是一個(gè)具體的案例，但是加工過(guò)程中的震動(dòng)問(wèn)題，卻是機(jī)床加工領(lǐng)域普遍存在的。未來(lái)制造的葉盤(pán)會(huì)朝著更薄的方向發(fā)展，加工結(jié)果更容易受震動(dòng)的影響。

Fraunhofer IPT對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出的解決方案分為2部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制——

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在葉片部分貼上傳感器，在輪盤(pán)部分加入通訊模組，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉盤(pán)加工的結(jié)果，一旦有加工缺陷產(chǎn)生，及時(shí)停止對(duì)有缺陷部件的進(jìn)一步加工，或者定位到缺陷就啟動(dòng)返工；

實(shí)時(shí)控制

對(duì)加工過(guò)程建立數(shù)據(jù)模型，根據(jù)加工結(jié)果的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行中的加工過(guò)程，比如改變銑刀轉(zhuǎn)速等，以避免加工缺陷的產(chǎn)生。

最終的設(shè)想是建立完全的自動(dòng)化工廠，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備連接，并通過(guò)統(tǒng)一的系統(tǒng)集成并管理。

但當(dāng)前的通信技術(shù)還不能很好的支持這個(gè)解決方案，5G是這個(gè)解決方案的關(guān)鍵所在。這個(gè)案例中，5G最大的優(yōu)勢(shì)是可以提供極低的時(shí)延和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制，傳感器的信息需要在1毫秒內(nèi)響應(yīng)和處理，5G通過(guò)提供極低時(shí)延的能力確保了實(shí)時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)，從而確保了可以應(yīng)用在葉盤(pán)生產(chǎn)的過(guò)程中。