工業(yè)5G技術(shù)與應(yīng)用的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

由于可以在惡劣條件下更好的提供現(xiàn)場(chǎng)支持，更好地連接設(shè)備和機(jī)器, 5G正在成為滿足工業(yè)過(guò)程要求的先進(jìn)無(wú)線技術(shù)。

在整個(gè)過(guò)程工業(yè)應(yīng)用無(wú)線通信，有助于實(shí)現(xiàn)工廠的高效運(yùn)營(yíng)。例如，ISA100.11a是一種可靠的工業(yè)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。符合ISA100要求的設(shè)備，遍布從過(guò)程監(jiān)控到閉環(huán)控制等諸多應(yīng)用。另一種技術(shù)是可用于資產(chǎn)監(jiān)控應(yīng)用的低功耗、廣域（LPWA）無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是各種節(jié)能技術(shù)和遠(yuǎn)程通信。無(wú)線通信還可用于現(xiàn)場(chǎng)連接手機(jī)和平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，從而提高現(xiàn)場(chǎng)操作的效率。

過(guò)程工業(yè)和其它制造業(yè)正在引入數(shù)字技術(shù)，以進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。作為一項(xiàng)核心技術(shù)，無(wú)論部署在何處都能提供連接的無(wú)線通信變得越來(lái)越重要。與此同時(shí)，無(wú)線通信需要滿足各種應(yīng)用的需求，這一點(diǎn)也變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。例如，為了支持現(xiàn)場(chǎng)工人，必須確保在整個(gè)工廠內(nèi)的可靠連接。更精確地控制移動(dòng)機(jī)器人，需要高可靠性和實(shí)時(shí)交互。

此外，為了利用人工智能（AI）實(shí)現(xiàn)工廠的自主運(yùn)營(yíng)，現(xiàn)場(chǎng)部署了許多傳感器。連接這些傳感器、獲取大量數(shù)據(jù)并將其傳輸至基于AI的分析，需要大容量通信。5G正在成為滿足工業(yè)過(guò)程要求的先進(jìn)無(wú)線技術(shù)。

01

5G通信特性概述

繼3G和4G/LTE之后，“5G”是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)。雖然這幾代系統(tǒng)更多地是為個(gè)人通信服務(wù)而開發(fā)的，但5G也可用于物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，物聯(lián)網(wǎng)將連接日常生活、制造業(yè)和其它行業(yè)的所有設(shè)備和物體。

如圖1所示，國(guó)際電信聯(lián)盟的無(wú)線電通信部門（ITU-R）定義了5G通信的三個(gè)特性：增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信(uRLLC)以及大規(guī)模機(jī)器通信(mMTC)。以下的章節(jié)描述了對(duì)每個(gè)通信特性的性能要求。請(qǐng)注意，沒(méi)有必要同時(shí)滿足所有要求，例如，用20Gbps的高速通信同時(shí)連接100萬(wàn)個(gè)終端。

▲5G通信的三個(gè)特性及其實(shí)際應(yīng)用。圖片來(lái)源：Yokogawa

● 增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶

5G專注于提高寬帶無(wú)線通信的數(shù)據(jù)吞吐量，這在前幾代中已經(jīng)得到了增強(qiáng)。智能手機(jī)和其它移動(dòng)終端的寬帶服務(wù)，就是利用這一特性的典型案例。需求包括高達(dá)20Gbps的通信速度和對(duì)特定區(qū)域用戶的大約100Mbps的穩(wěn)定通信帶寬。

●超可靠低時(shí)延通信

5G旨在實(shí)現(xiàn)高可靠性、低延遲和實(shí)時(shí)的無(wú)線通信。該特性適用于關(guān)鍵工業(yè)應(yīng)用，如生產(chǎn)控制、遠(yuǎn)程手術(shù)和智能電網(wǎng)。要求包括1ms或者更短的無(wú)線延時(shí)，和99.999%或更高的數(shù)據(jù)包接收成功率。

●大規(guī)模機(jī)器通信

這一特性意味著同時(shí)連接許多通信量低的終端。假設(shè)具有大量廉價(jià)的、電池供電的設(shè)備的應(yīng)用（如物聯(lián)網(wǎng)傳感器）。要求包括每平方公里容納100萬(wàn)個(gè)以上終端的能力，以及出色的節(jié)能特性，可以由電池供電運(yùn)行10年以上。

02

5G中的專用頻譜

大多數(shù)現(xiàn)有的無(wú)線通信技術(shù)，如Wi-Fi和ISA100.11a，使用非許可的頻譜（例如，2.4GHz頻帶），這樣用戶無(wú)需許可證即可使用。這種非許可的頻譜可用于多種場(chǎng)景，用戶數(shù)量無(wú)上限。然而，同一頻段上的不同無(wú)線系統(tǒng)之間存在相互干擾的風(fēng)險(xiǎn)。

5G和其它移動(dòng)通信系統(tǒng)通常使用許可頻譜.許可頻譜只能由被許可方使用，因此不易受到其它系統(tǒng)的無(wú)線電干擾。這提供了更可靠的無(wú)線通信。由于通信的可靠性在工業(yè)應(yīng)用中至關(guān)重要，專用頻譜是5G與非許可頻段無(wú)線技術(shù)的區(qū)別。分配給5G的頻段因國(guó)家和地區(qū)而異，但預(yù)計(jì)將使用“Sub-6”和毫米波頻段：

● Sub-6（小于6 GHz）：該頻段在覆蓋面積和通信容量之間具有良好的平衡。在一些國(guó)家，分配的頻段為3.7 GHz和4.5 GHz。

●毫米波（24 GHz及更高）：由于具有高都的方向性，這種高頻無(wú)線電波無(wú)法輕易繞過(guò)障礙物，但寬帶可以提供更高的通信容量。在日本等國(guó)家，已經(jīng)分配的頻段為28GHz。

03

運(yùn)營(yíng)專用網(wǎng)絡(luò)（本地5G）

現(xiàn)有的移動(dòng)通信系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)為在由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商建立的全國(guó)性網(wǎng)絡(luò)中提供廣泛的通信服務(wù)。另一方面，5G有望允許非電信運(yùn)營(yíng)商在有限的區(qū)域內(nèi)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)專用網(wǎng)絡(luò)。專用網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)應(yīng)用定制通信性能，比如由于其獨(dú)立于其它網(wǎng)絡(luò)和用戶，因此它們可應(yīng)用于需要高安全性和高穩(wěn)定性的應(yīng)用場(chǎng)景。

04

5G的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化

在一些國(guó)家，公司和地方政府預(yù)計(jì)將建設(shè)和運(yùn)營(yíng)自己的專用5G網(wǎng)絡(luò)。表1比較了全國(guó)性運(yùn)營(yíng)商5G和本地5G的主要特點(diǎn)。除了分配給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的頻段之外，Sub-6（4.5GHz頻帶）和毫米波頻帶被分配給本地5G。獲得許可證后，當(dāng)?shù)剡\(yùn)營(yíng)商可以在其區(qū)域內(nèi)獨(dú)家使用這些頻段。

由主要國(guó)家和地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化組織領(lǐng)導(dǎo)的第三代合作

伙伴計(jì)劃（3GPP），正在開發(fā)移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。繼3G和4G/LTE之后，3GPP正在開發(fā)符合ITU-R需求的5G標(biāo)準(zhǔn)。

▲比較運(yùn)營(yíng)商5G和本地5G的特點(diǎn)，展示其在運(yùn)營(yíng)商、通信、許可、干擾、定制和安全方面的差異。

5G有望用于傳統(tǒng)移動(dòng)通信行業(yè)和更多其它行業(yè)。納入工業(yè)應(yīng)用所需的新要求，是成功制定標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要因素。每個(gè)行業(yè)都成立了專注于5G應(yīng)用的國(guó)際研討會(huì)，并與3GPP合作制定5G標(biāo)準(zhǔn)。制造領(lǐng)域于2018年4月成立了5G產(chǎn)業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟（5G-ACIA）。來(lái)自制造業(yè)和電信業(yè)的主要公司正在積極參與并探討5G技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用。

05

過(guò)程工業(yè)的五個(gè)潛在應(yīng)用

在制造業(yè)領(lǐng)域，不同現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)通信的要求各不相同，例如遠(yuǎn)程資產(chǎn)監(jiān)控、過(guò)程監(jiān)視和控制、現(xiàn)場(chǎng)工人移動(dòng)終端的連接以及移動(dòng)機(jī)器人的操作。如前所述，5G有望被用作無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施，能夠引入各種無(wú)線工廠應(yīng)用。此外，那些能最好地利用5G的通信特性的應(yīng)用正在開發(fā)中，以促進(jìn)制造業(yè)的數(shù)字化遠(yuǎn)程操作。圖2展示了工廠潛在的5G應(yīng)用案例。

1.移動(dòng)設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)操作支持

移動(dòng)設(shè)備正在被部署到現(xiàn)場(chǎng)以提高工作效率，例如巡視和檢查工廠設(shè)施。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍和現(xiàn)場(chǎng)帶寬的限制，使得通過(guò)無(wú)線通信對(duì)應(yīng)用的支持受限。5G將以更高的速度和更低的延遲，在工廠內(nèi)任何區(qū)域?qū)崿F(xiàn)寬帶無(wú)線通信。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是5G增強(qiáng)移動(dòng)寬帶的應(yīng)用場(chǎng)景之一。盡管AR需要大量數(shù)據(jù)，但它可以將高清圖像疊加到目標(biāo)設(shè)備上，并將其實(shí)時(shí)顯示在工人的平板電腦或可穿戴終端設(shè)備上，從而提供直觀的解決方案。現(xiàn)場(chǎng)工人可以在參考疊加的工作程序的同時(shí)操作目標(biāo)設(shè)備，或者與遠(yuǎn)程位置的技術(shù)人員實(shí)時(shí)共享圖像并獲得具體建議。該用例不僅有助于提高現(xiàn)場(chǎng)工作的效率、可靠性和安全性，而且還可以通過(guò)實(shí)踐更有效地傳承技能。

2.具有高清圖像的遠(yuǎn)程監(jiān)控

5G比上一代的4G/LTE有更大的容量，尤其是在上行通信方面。這樣就可以實(shí)時(shí)傳輸4K或更高分辨率的視頻。在工廠中，一個(gè)潛在用途就是使用無(wú)線攝像頭進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。當(dāng)圖像的清晰度高到足以區(qū)分液體表面顏色的細(xì)微變化或管道的腐蝕時(shí)，就可以遠(yuǎn)程進(jìn)行目視檢查。高分辨率圖像也可以用作AI分析的輸入，它可以自動(dòng)檢測(cè)異常情況，如未經(jīng)授權(quán)的人員入侵或火災(zāi)等情況。

3.云機(jī)器人

隨著工作人口的減少，移動(dòng)機(jī)器人有望確保工廠安全、可靠地運(yùn)行。機(jī)器人在整個(gè)工廠內(nèi)自主移動(dòng)，代替工人執(zhí)行危險(xiǎn)區(qū)域的巡視任務(wù)。無(wú)人機(jī)可以執(zhí)行高空作業(yè)，而這對(duì)工人來(lái)說(shuō)是危險(xiǎn)的?！霸茩C(jī)器人”正成為一項(xiàng)大有前途的技術(shù)。由于云端的控制功能不受機(jī)器人計(jì)算性能的限制，因此可以部署高級(jí)控制功能。

利用其高速和大容量的特性，5G可使移動(dòng)機(jī)器人實(shí)時(shí)無(wú)線連接到云端的控制功能。使用云端大量的計(jì)算資源并實(shí)時(shí)處理大量傳感器數(shù)據(jù)，例如來(lái)自機(jī)器人的相機(jī)圖像和位置數(shù)據(jù)，將有可能執(zhí)行更精確的態(tài)勢(shì)分析和控制。5G提供的超可靠和低延遲特性，使其可用于緊急的、時(shí)間敏感型通信，從而可以避免機(jī)器人和移動(dòng)過(guò)程設(shè)備之間的碰撞等事件。

4.無(wú)線/云控制系統(tǒng)

現(xiàn)有的無(wú)線技術(shù)無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)高可靠性和低延遲，但可以通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)。這使得5G可應(yīng)用于關(guān)鍵任務(wù)。一種可能的應(yīng)用是將分布式控制系統(tǒng)（DCS）的一部分無(wú)線化，以降低在廣泛的工廠區(qū)域內(nèi)安裝和維護(hù)通信電纜的成本。還可以添加和修改監(jiān)測(cè)點(diǎn)，而無(wú)需對(duì)通信電纜進(jìn)行任何操作。

此外，如果5G能夠確?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和云之間的高可靠性、低延遲通信，則控制器和其它DCS功能可以配置在云中，同時(shí)保持關(guān)鍵任務(wù)的性能。除了外部云系統(tǒng)外，5G還可與多接入邊緣計(jì)算（MEC）一起使用，MEC將在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建一個(gè)低延遲計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)在MEC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)控制應(yīng)用時(shí)，可以啟用云控制服務(wù)，無(wú)需互聯(lián)網(wǎng)或其它網(wǎng)絡(luò)，就可以充分利用5G的高可靠性和低延遲。

5.互聯(lián)的傳感器以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是網(wǎng)絡(luò)空間中實(shí)際工廠的數(shù)字實(shí)現(xiàn)，是實(shí)現(xiàn)工廠運(yùn)營(yíng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。應(yīng)用不限于靜態(tài)數(shù)字工廠設(shè)計(jì)信息。數(shù)字孿生實(shí)時(shí)反映真實(shí)的工廠狀況，可通過(guò)仿真和AI分析實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)維護(hù)和優(yōu)化運(yùn)營(yíng)。

為了更精確地同步物理設(shè)備和數(shù)字孿生設(shè)備的狀態(tài)，企業(yè)必須準(zhǔn)確掌握設(shè)備、管道和其它資產(chǎn)的狀態(tài)以及天氣和其它工況。為此，工廠必須安裝許多傳感器。為了滿足這一需求，每個(gè)傳感器必須是無(wú)線的、價(jià)格低廉的，并且能夠在無(wú)需更換電池的情況下運(yùn)行數(shù)年。5G可以同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備的特性，是實(shí)現(xiàn)這一應(yīng)用的關(guān)鍵。

▲工廠潛在的5G應(yīng)用案例包括對(duì)移動(dòng)設(shè)備的支持、遠(yuǎn)程監(jiān)控、云機(jī)器人、無(wú)線/云控制系統(tǒng)、用于數(shù)字孿生優(yōu)化的增強(qiáng)型傳感器連接。

06

工業(yè)5G應(yīng)用的現(xiàn)狀和挑戰(zhàn)

盡管在工廠中的潛在應(yīng)用案例很多，但5G尚未在過(guò)程工業(yè)中獲得廣泛實(shí)施。工業(yè)5G應(yīng)用仍面臨著很多挑戰(zhàn)。

為了滿足消費(fèi)者和工業(yè)應(yīng)用的需求，5G必須支持多種功能。5G標(biāo)準(zhǔn)正在以不同優(yōu)先級(jí)、分階段的方式開發(fā)。2018年發(fā)布的第一個(gè)5G標(biāo)準(zhǔn)3GPP R15版本，側(cè)重于為消費(fèi)者提供增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶。

R16和更高版本的5G標(biāo)準(zhǔn)，包括了可用于工業(yè)應(yīng)用的功能。它們?cè)鰪?qiáng)了高可靠性、低延遲通信和專用網(wǎng)絡(luò)，還支持與時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）的互操作，這是自動(dòng)化領(lǐng)域的一項(xiàng)基本網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。盡管5G R16于2020年7月發(fā)布，但截至2021年7月，符合這些要求的產(chǎn)品尚未在工業(yè)市場(chǎng)廣泛銷售。2022年6月，R17版本的協(xié)議編碼凍結(jié)，標(biāo)志著5G的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)正式完成。

工業(yè)領(lǐng)域的功能將在R18和更高版本（5G-Advanced）標(biāo)準(zhǔn)中得到進(jìn)一步增強(qiáng)。雖然5G提供了高可靠性、低延遲和多點(diǎn)同時(shí)連接等先進(jìn)的工業(yè)功能，但需要進(jìn)一步開發(fā)5G標(biāo)準(zhǔn)、合規(guī)產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)支持這些功能。

為了使?jié)撛诘挠美诠S中廣泛實(shí)施，標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施必須成熟。此外，有必要證明新5G技術(shù)的投資回報(bào)。盡管規(guī)范顯示：5G技術(shù)優(yōu)于現(xiàn)有的無(wú)線通信，但5G的商業(yè)價(jià)值才剛剛顯現(xiàn)。

▲概念驗(yàn)證測(cè)試配置使用新算法和5G，來(lái)解決棘手的先進(jìn)過(guò)程控制挑戰(zhàn)。

07

使用5G的遠(yuǎn)程控制技術(shù)概念驗(yàn)證

橫河電機(jī)和NTT Docomo公司成功完成了使用5G的遠(yuǎn)程控制技術(shù)的概念驗(yàn)證（PoC）測(cè)試。PoC測(cè)試包括一個(gè)基于AI的自主控制云環(huán)境，使用橫河電機(jī)和奈良科學(xué)技術(shù)研究所開發(fā)的階乘內(nèi)核動(dòng)態(tài)策略編程（FKDPP）算法，以及Docomo提供的5G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。該驗(yàn)證用于測(cè)試仿真過(guò)程運(yùn)營(yíng)的控制，確定5G在遠(yuǎn)程控制實(shí)際工廠過(guò)程方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

雖然PoC是一個(gè)充滿希望的步驟，但仍需進(jìn)一步測(cè)試，以開發(fā)工業(yè)5G解決方案清晰的商業(yè)價(jià)值。例如，通信可靠性和延遲相關(guān)問(wèn)題仍有待長(zhǎng)期研究。近年來(lái)，將生產(chǎn)設(shè)施部署在偏遠(yuǎn)或危險(xiǎn)地區(qū)的趨勢(shì)，推動(dòng)了對(duì)遠(yuǎn)程工業(yè)運(yùn)營(yíng)日益增長(zhǎng)的需求，并改變了人們的工作方式。一種可能的解決方案是在工廠部署高速無(wú)線通信邊緣設(shè)備，并使用基于云的自主AI技術(shù)實(shí)時(shí)控制設(shè)備。

08

5G和基于云的自主控制AI

FKDPP算法已被證明是一種可行的自主控制AI解決方案。2022年2月，一家化工廠結(jié)束了為期35天的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在測(cè)試中FKDPP成功控制了某工藝過(guò)程，該工藝過(guò)程難以使用現(xiàn)有的比例-積分-微分（PID）?和先進(jìn)過(guò)程控制（APC）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，這些過(guò)程之前都是由人工手動(dòng)完成的。FKDPP和云與5G的結(jié)合，提供了低延遲和連接許多設(shè)備的能力，有望成為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自主控制的核心技術(shù)。

該展示旨在驗(yàn)證：可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)，在云中使用FKDPP算法來(lái)控制三水箱液位系統(tǒng)。設(shè)定目標(biāo)水位，執(zhí)行低至高速控制周期的測(cè)試，結(jié)果確認(rèn)了移動(dòng)通信延遲對(duì)FKDPP控制的影響。測(cè)試表明：與4G相比，尤其是在高速控制的情況下，5G提供了更低的延遲，相對(duì)于目標(biāo)水位的超調(diào)量更小，并且能夠處理短至0.2秒的控制周期，從而實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的質(zhì)量和更高的能源效率。

許多行業(yè)開始考慮使用5G無(wú)線通信技術(shù)來(lái)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型。高可靠性、低延遲和同時(shí)連接多個(gè)設(shè)備的功能，對(duì)工業(yè)應(yīng)用至關(guān)重要。為了實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用，需要不斷完善5G標(biāo)準(zhǔn)，提供更成熟的合規(guī)產(chǎn)品和基礎(chǔ)設(shè)施，并向用戶展示5G帶來(lái)的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和價(jià)值。

審核編輯：劉清