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5G+工业应用有哪些实际应用场景?我们认真地做了这份研究

文章作者:www.gzzhangyang.com发布时间:2019-11-10浏览次数:773

在实际业务中,必须考虑投入产出比和数据安全性两个关键点。

作者|欧洲氪星(电子邮件:)

编辑|石亚琼

5G。自执照颁发以来,各界对5G的热情并没有降低,特别是工业和信息化部苗学部部长最近表示,5G主要用于工业互联网领域。 但是5G在行业中的实际应用场景是什么?作为公共蜂窝网络,5G如何应用于基于局域网的工厂?在回答这些问题之前,我们可能必须从原理和部署模式入手,找出一些重要的问题,然后才能真正理解5G将如何在工业场景中使用。

1。目前5G并不完全等同于运营商的商业网络。

首先,我们需要明确的是,我们期望的5G工业应用明显不同于目前各地5G运营商的网络建设。

通常说到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(EmB)、大规模机器类型通信(mMTC)和高可靠性低延迟通信(URLLC) 正是这三种交流方式的优势让人们对5G在工业中的应用充满了想象。

然而,我们必须注意5G标准目前正处于阶段。目前冻结的R15版本主要用于EmB大带宽服务。uRLLC的R16版本的高可靠性和低延迟标准仍在开发中。预计将在今年年底冻结,eMTC版本甚至会更晚。 在R16版本被冻结之前,当前的5G(R15版本标准)应用主要集中在大带宽数据传输上。当前关于高可靠性、低延迟应用的讨论主要基于想象。至少,运营商自己通过5G网络执行的当前应用程序没有uRLLC的一部分。

然而,目前已经应用的许多5G情况也提到了低延迟,但这主要是由于5G的高传输速率。 许多延迟可以减少到20毫秒,但仍然不符合uRLLC标准的1毫秒级要求。 然而,华为和其他开发了通信设备的公司在1ms uRLLC领域确实有一些试点项目。例如,X实验室在5G下实现了1毫秒的延时,实现了倒立摆的实时控制、云华Festo测试AGV的远程闭环控制、与Beckoff的PLC无线通信等。然而,它们还没有大规模商业化。 不排除一些企业已经与运营商和华为合作,在工厂内延迟1毫秒构建5G切片,并进行工业实时控制的试点应用。

Two和5G应用方向

在这样的技术现状下,5G在工业领域有两种主要的应用模式:

模式1: 5G网络在工厂内布置,用于设备数据通信、大规模数据传输等。

谈到工厂中的应用,最容易考虑的是控制。 工业控制大致分为设备级、生产线级和车间级。设备级和生产线级对可靠性和延迟要求高,很少移动。因此,在uRLLC完成之前,目前仍然需要使用有线方法,如现场总线。 车间级网络的布局和控制有5G应用空

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、自动导引车等,已经开始接入工厂内部网,尤其是自动导引车等移动设备的通信。有线网络难以满足,工厂内部网的灵活性和带宽要求越来越高。 传统的工厂有线网络可靠性带宽高,但灵活性差,而无线网络灵活性高,但在可靠性、覆盖范围、接入数量等方面存在不足。 5G具有灵活性、高带宽和多终端接入的特点,已成为工厂承载设备接入和通信的新选择。

由于1ms级别的uRLLC标准尚未确定,目前试点应用的5G设备数据通信主要是基于5G大带宽和大量接入设备的特点,导致较低的延迟和较好的可靠性,取代了目前的WiFi无线通信方案。

WiFi目前用于设备通信。主要问题是接近4G网络频带,易受干扰,覆盖能力不足,接入能力不足。 与WiFi相比,5G网络具有传输速率更快、延时更低、支持同时接入的设备更多、通信抗干扰能力更强等优点。

与无线网络相比,5G传输速度明显提高 WiFi可分为2.4千兆赫和5千兆赫。5Ghz WiFi工作在5Ghz频段,速度更快。目前,5G WiFi的典型峰值速率约为1.7Gbps。 5G网络采用eLTE技术,我国确定的工作频带也在3 GHz至5 GHz之间。在100兆赫兹的带宽下,5G网络可以实现10Gbps的峰值速率,高于5G WiFi。 下一代WiFi标准WiFi 6也可以达到9.6Gbps的峰值速率,但离普及还有一段距离。

快速减少延迟 在一些工厂,AGV的测量传输延迟从几百毫秒减少到几十毫秒甚至几毫秒。 锡林门(古坝)的5G网络将数据采集延迟从45-200毫秒减少到大约25毫秒 新安化工园区通过可编程控制器集成多个数据采集终端,并将其连接到5G网络,实现对控制平台的实时监控。一旦发现数据异常,将立即报警并启动反向控制系统。端到端时间延迟约为20毫秒

5G支持更多设备访问 在5G网络下,新凤鸣集团长丝生产车间将企业数据采集点从8万个增加到21万个。

建立5G工厂网络后,其应用主要有三个方面:

1。设备数据采集 武汉中科洪欣车间5G示范线、新凤鸣集团长丝生产车间、湖州诺瑞四期智能厂、西林三条袋装弹簧生产线、两条绗缝生产线、新安化工园区等。均配有5G网络,用于设备数据采集和通信。

2.自动导向车辆通信和控制 目前,AGV、叉车等厂内车辆正在普及无人自动控制和调度。然而,由于设备的不断移动,通信和控制不适合有线网络,因此对无线网络的需求是显而易见的。 目前,自动导引车的无线通信主要是通过无线网络进行的,而基于5G通信的自动导引车已经在新凤鸣、兆丰机电和山地车上得到应用 未来,只要5G无线网络覆盖工厂内的场所,AGV就可以实现运行。

3。大规模数据传输和云+边缘分析 过去,图像和视频等大规模数据只能通过有线或高无线延迟传输。现在,它们可以通过5G传输,并通过三维重建和人工智能在云中实时识别进行分析。结果可以返回到现场以指导现场生产。 这种应用方向是:

1)高清视频监控

新凤鸣长丝生产车间同步向生产调度中心传输8K超高清图像,监控中心的专家组为现场维护人员提供实时操作指导 金陵石化厂实现了全5G网络覆盖,并向监控室传输实时高清视频。安全监督员无需跑到现场监督安全,没有死角。

当然,如果只是视频监控,延迟要求不高,使用变焦相机也可以解决清晰度问题。

在空匡空之间,5G具有更明显的优势 扎哈诺尔煤炭工业公司安装了6个5G基站,实现了生产现场的全覆盖,并在煤炭自卸车上安装了360度无死角摄像机。利用环视模块的图像拼接,驾驶员可以无盲区地直观观察车辆周围环境,并通过5G网秒传输到安全监控中心,实现高清监控,有效监控距离白天10公里,晚上3公里。

2)机器视觉质量检测

通过人工智能进行质量检测,如缺陷监控,已在许多行业得到应用。过去,由于数据量很大,将图像传输到服务器进行分析需要很长时间。通过5G,高清产品图像可以快速传输到云服务器,用于实时人工智能分析和结果反馈 在中国电信湖南公司和中兴通讯(古坝)联合建设的5G智能制造基地,在人工检测的基础上,产品合格率将提高30%。机器人科(Guba)将把电荷耦合器件硅片检测分拣机连接到5G网络,实现硅片的自动分拣。

杭州汽轮机集团5G三维扫描建模测试系统传输三维数据 车间将零件的三维扫描数据实时传输到云服务器,物理重建零件的三维模型,并通过与标准模型的比较,判断产品的差错率是否在正常范围内返回现场。 由于5G的高速传输,系统将检测时间从2-3天缩短到3-5分钟,使产品从随机检测到全面检测,并建立了质量信息数据库。

如果这种大规模数据不通过5G,目前可以直接将计算机放在现场,通过以太网等方法将视频传输到计算机进行分析和识别。 本地计算机运行训练有素的深度学习模型是可以的,但是用更多的计算来重建三维图像可能是困难的。大规模数据仍然需要上传到服务器进行深度学习培训。 此外,计算机在现场的放置也可能受到现场的限制。

3)AGV视觉导航

目前,AGV的视觉导航主要采用渗透、二维码、激光等方法。渗透和二维码需要预先安排场景,灵活性较差,激光导航更灵活,但成本较高。 视觉计算直接导航比激光具有更高的灵活性和更低的成本,但技术难度更高,数据计算量大。基于5G将实现的可视图像传输到云服务器进行计算,并返回结果实时控制自动导航车,方便了自动导航车可视导航模式的应用。

然而,虽然AGV的视觉导航更加灵活,但其实际应用范围并不大,也没有多少场景需要生产线物流的高度灵活性,这将带来很大的成本增加,应用空可能有限。

4)ARVR

AVR主要用于远程制导和工业中的其他场景。 如果生产线操作人员在生产操作中遇到紧急困难,他们可以使用自动防辐射眼镜在第一视角与远程实时音频和视频技术专家进行通信。 专家在看到眼镜收集的视频后,可以立即执行一系列操作,如增强现实标签(AR labeling)和冻结屏幕标签(freeze screen label),并将它们反馈给操作者的视线,或者向现场人员传送一些实际数据,包括介绍文件和视频评论,以协助现场人员解决难题。

5G应用的AR远程引导可能主要是更清晰的视频传输,而VR主要需要用5G实现Gbps数据传输,并去掉连接器显示的线路 然而,在5G之前,tpcasters已经实现了这个目标。5G可以简化tpcasters的计划。 在海尔智能+5G互联工厂,应用了增强现实远程制导场景。

模式2:通过5G广域网实现设备远程控制和大规模数据传输。

由于危险的工作条件和远程操作范围,一些户外作业车辆和飞机有一定的远程控制要求,一些远程控制功能已经初步实现。 然而,这些遥控器要么使用短程通信模式,场景有限,要么使用广域无线网络,但数据传输能力有限。 大型矿井等宽场景只能使用广域网,但4G实时驾驶画面的传输延迟明显,导致无法提高车辆行驶速度和实现远程控制的有效应用。

除了远程控制,当车辆和无人驾驶飞行器运行和操作时,也需要返回操作信息。 随着通信网络的发展,车辆返回的信息从2G时代的基本全球定位系统信息不断提高到3G时代的各种运行参数和4G时代的视频。 5G的大带宽网络能够以较低的延迟实时返回高清视频,并将数据的实时云分析和结果返回相结合,形成一系列实时分析和控制应用。

1。车辆和飞机远程控制

洛阳栾川矿业有限公司已在该矿联合安装了9 5G基站。一些采矿设备和运输车辆接入5G网络,将作业画面毫秒级低延时实时传输到1200公里外的控制室和华为展厅,实现射孔、铲装设备和运输车辆的远程操作控制。 基于5G的无人矿车速度从4G时的10公里/小时提高到30公里/小时,大大提高了效率。

中兴通讯与浙江电信、宁波工业互联网研究所和浙江大学控制学院一起,测试了基于5G的长途汽车驾驶服务。 测试期间,驾驶舱位于杭州电信武林展厅,而车辆位于数百公里外的宁波工业互联网研究所。宁波远程车辆车载高清摄像头通过中兴5G模块,将宁波路况和驾驶状况的高清视频传输到杭州驾驶舱,驾驶舱将控制信号实时传输到远程车辆。通过两地的联动实现远程实时控制

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。宁波舟山港梅山岛国际集装箱码头4号堆场,就通过5G的布设,将轮式龙门吊作业视频回传远程控制台,使操作人员通过控制手柄远程遥控龙门吊吊具等。系统可以达到18X30-60M的传输带宽,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着差别,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(,股吧)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(,股吧)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(,股吧)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,才有望显着降低流量费用,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。

(文章撰写过程中,得到了一位中国电信朋友的支持和指导,在此表示感谢,文章中专业方面有不对的地方,也欢迎各位专家批评指导)

(责任编辑:罗萍 )

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