摘要：作為工業互聯網的重要基礎設施，工業網絡正向著IP化、智能化、無線化的方向發展，相比于傳統的工業現場總線和有線網絡, 5G在工業互聯網中將會發揮著怎樣的作用? 是否能夠成為未來工業互聯網的網絡基石?

　　2013年起，德國、美國、日本等制造業先進的國家開始積極推動工業4.0、智能制造和智能工廠的發展。而作為制造業大國的中國卻長期在全球制造業價值鏈中處于中低端環節，大而不強。在新一輪工業革命來臨之際，我國迫切需要借助在互聯網、人工智能等相關領域的優勢地位，實現彎道超車。

　　工業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，而實現智能化的基礎是數字化，只有通過對設備和生產過程的數據采集才有可能通過人工智能、大數據分析等手段提供智能應用。

　　無論是智能制造、工業互聯網還是智能工廠，其本質都是信息的集成與分享，即在工廠實現數字化的基礎上，利用網絡技術和感知技術加強信息管理服務，提高生產過程可控性、減少生產線人工干預，并合理安排生產。

　　但是根據筆者對國內不同領域的大中型工廠的走訪，目前國內大部分制造企業的生產設備只實現了電氣化和部分自動化，很多生產數據仍然無法采集，也沒有對設備進行聯網，因此還處在從工業2.0邁向工業3.0過程中，只有極少數行業領軍大企業處在從3.0向4.0演進的過程中。因此，目前國家相關政策的側重點之一在于夯實相關網絡基礎設施基礎，推動企業的制造業的數字化與網絡化建設。

　　從工業互聯網典型業務看網絡需求

　　目前智能工廠網絡中承載的數據業務,可以根據各類業務分為三類,這三類業務對網絡性能的要求也各不相同。

　　控制類業務(傳輸設備控制指令)對網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，數據傳輸成功率大于99.999%。承載采集類業務(如采集設備狀態數據的傳感器數據)的網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。承載交互類業務(如文件傳輸、網頁瀏覽)的工業網絡需要提供高傳輸速率(Gbit/s)和較高的頻譜利用率。

　　總之，與普通的網絡應用場景相比，工業場景對網絡傳輸有著更嚴苛的低時延、高可靠性需求，工業場景中數據包小，工作環境較為惡劣，這些特點都決定著工業網絡中不同網絡技術的應用推廣。

　　傳統的工廠網絡

　　傳統的工廠控制網絡主要是現場控制網絡等有線網絡為主，如工業以太網/現場總線(CAN，ModBus, ProfiBus，ProfiNet，FF，HART)等，其優點主要在于價格低廉，穩定可靠，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，互聯互通性差

　　此外，有線網絡普遍具有靈活性/移動性差、網絡線纜在惡劣環境(高溫高壓腐蝕)無法工作等缺點。隨著無線通信技術的成熟，一些工業控制標準組織也陸續推出了WirelessHART,ISA100.11a等無線工業控制網絡標準，短距離無線通信，如Zigbee，Wifi，NB-IoT，Lora等，也在陸續被工業網絡采用。這些短距離通信方案大多基于IEEE802.15.4標準，數據率低問題、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務。Wifi基于IEEE802.11標準，但是由于其主要針對的場景是節點數量低、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網絡業務

　　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主要關注無人駕駛、工業自動化等需要低時延、高可靠連接的業務。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構和TTI周期，更靈活的調度和高層協議優化，目前從各大主要廠商的測試結果來看，其指標都低于ITU的時延上限，因此承載工業場景中運動控制和閉環控制類業務在時延、可靠性等方面問題。

　　mMTC針對大規模物聯網業務，主要關注的指標包括海量連接、低成本和低功耗，是一種低優先級的不確定網絡，適合于數據采集，監測應用，尤其是惡劣環境的傳感器數據上報。因此，很契合工業場景中數據采集類業務。

　　eMBB針對3D/超高清視頻等大流量移動寬帶業務，關注的指標包括高移動性、高帶寬和高傳輸速率。通過超密集網絡和多連接，適合工廠環境的遠距離大數據量的檢測應用(如視頻監控、產品質量視覺檢測)和遠程維護類應用。

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

圖1 5G的三大應用

       5G在工業互聯網中應用存在的問題

　　雖然在技術性能指標上，5G可以承載工業網絡不同的典型業務，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，由于不少工業企業更看重的是工業互聯網帶來的生產體系改造和業務模式創新，而無線網絡相對于有線網絡天然存在安全性和可靠性的問題，網絡中斷對于工廠設備和生產的正常運營影響非常大，尤其是控制類業務。

　　兼容性的問題，傳統生產設備上裝備的現場總線和數據采集設備兼容性存在很多問題，因此，升級改造技術難度較大，成本較高。通過部署網關等設備實現互聯互通，又必然引入額外的時延。

　　驅動力不足的問題，中小微企業對工業互聯網和網絡建設的價值認識不足，企業升級的驅動力不足，投入產出比低，存在資金、技術、人才等多方面的制約。雖然工信部等國家部委通過工業互聯網等資金項目在鼓勵5G等先進網絡技術在工業中的應用，但是目前仍然還是一些大型企業在積極行動。

　　此外，5G技術和設備的成熟程度，5G頻譜規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技術在工業互聯網中承載控制類業務仍然看不到廣泛應用的前景，但是有望在一些大中型領軍企業看到一些5G在工業互聯網中承載數據采集類業務和交互類業務的事例。

　　結語

　　智能制造和工業互聯網是未來制造業升級改造的必然重點，網絡基礎設施又是工業互聯網的基石，5G有望在未來數年內在工業場景中占據一席之地，但是仍然存在著安全性、兼容性、驅動力不足的挑戰。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在工業互聯網中的應用是比較切實可行的路線。