4G/5G工业物联网络通讯

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一。从消费互联网到工业互联网

在这个互联网如我们生活中的水和电一样无孔不入的时代，不能联网的设备是可耻的。它们像是一个一个的信息孤岛，原始而静寂。

然而 50 年前，这样的信息孤岛却是这个世界的常态，直到美国阿帕网的诞生。

它一开始仅用于军事，但一投入民用，便爆发出了空前的生命力，以「互联网」成其名。

这张互联网在全球急剧扩张，把其神经末梢延伸到了地球的每一个角落。

曾经，这个末梢是无数的个人电脑（Personal Computer，简称 PC 机），显示器背后的人们孜孜不倦地汲取着外部世界的信息，同时向外传播自己的声音。

这张由大量 PC 机终端组成的互联网就叫做 PC 互联网。但 PC 机大而重，没法随身携带，人又不可能随时都守在电脑跟前，所以有了「在线」和「离线」的概念。在电脑跟前，信息可达就是「在线」，反之就是「离线」。

随着 3G 和 4G 网络带来的高速上网服务，以及智能手机的普及，手机逐渐取代 PC 机成为了互联网的末梢，移动互联网迅速发展，并几乎覆盖了几乎所有的智能手机用户。

手机的特点是可以揣在兜里随身携带，并且 4G 网络覆盖完善随时可达，原先「在线」和「离线」的说法就没有了意义。也就是说，在移动互联网时代，大家都是「实时在线」的。

移动互联网是一个划时代的革命，它深刻地改变了人们（尤其是中国人）的生活方式。手机在手，生活无忧，出门可以不带钱，但没了手机就寸步难行。

随着智能手机普及率的不断提升，人口红利趋近结束，移动互联网的发展已经接近饱和状态。

于是，为了寻求新的蓝海，互联网的概念进一步扩展，从「生活方式」向「生产工具」的不断延伸。

这样一来，原先的 PC 互联网和移动互联网被被统称为「消费互联网」。

和消费这个词对应的，自然就是生产，因此用于生产的互联网就被称作「工业互联网」。

二。什么是工业互联网？

早在 2012 年，美国通用电气公司在提出「工业互联网」这个概念时，是这么说的：「工业互联网，就是把人、数据和机器连接起来」。

也就是说，工业互联网的三要素，是人、数据、机器。

人和人的连接，就是传统的互联网；物和物（机器）之间的连接，就是近来发展迅速的物联网；而网络存在的核心，自然就是数据中蕴藏的巨大价值。

可以看出，工业互联网其实并太多没有新的技术，更多的是架构的整合，从而把互联网中成熟的网络架构和技术移植到工业生产的应用中，用于效率的提升。

工业互联网可以从「网络」，「数据」和「安全」这三个方面来理解。

网络是基础，即通过互联网，物联网等技术实现工业全系统的互联互通，促进工业数据的充分流动和无缝集成。

数据是核心，即通过网络采集得到的工业生产全周期的海量数据，并进行大数据分析，形成基于数据的智能系统，实现机器弹性生产，运营管理优化，生产协同组织以及商业模式创新。

安全是保障，如果没有严密的安全保障体系，上层的应用就无从谈起，网络和数据的价值就难以得到良好的应用。

上图是蜉蝣君根据工业互联网联盟的图重绘的，可以看出在物理系统，网络，数据，安全，以及应用和用户中存在三个闭环（也就是图中三个红色的虚线圆圈）。

首先是面向设备运行优化的闭环。通过工厂车间内的物联网系统采集机器操作数据和生产环境数据，再经过边缘计算进行分析，实现设备的动态智能调整和生产质量控制。

然后是生产运营优化的闭环。其核心是基于上一层闭环中的数据分析结果，进行生产建模，仿真和分析，并将结论用于车间 / 工厂 / 企业的运营决策优化。

最后是面向企业协同，用户交互及企业服务优化的闭环。这一层次的闭环终于走出了企业内部局域网的范围，真正实现了企业间的工业系统互联和数据共享。可用于企业之间的资源组织，商业活动创新，形成网络化协同，个性化定制，服务化延伸等新模式。

三。 5G+工业互联网？

说了这么多，5G 到底能在工业互联网中承担哪些重任呢？

我们还是先祭出这张经典的图片。三角形的三个顶点国际电联定义的就是 5G 三大应用场景：增强型移动宽带（eMBB），大规模机器类型通信（mMTC），超可靠和低延时通信（uRLLC）。

如果 5G 像 4G 一样，仅仅用于支撑消费互联网的话，仅仅需要 eMBB 就足够了。

毕竟普通手机用户要的是网速，所谓的 mMTC 专注于大连接数，速率低和时延大，在手机上毫无用武之地；那么 uRLLC 呢？人的反应速度至少就要 100 毫秒了，5G 在手机上要 1 毫秒的超低时延完全没有意义。

也就是说，5G 的大部分应用场景都不是给人用的，理所当然也就不是给消费互联网用的。那给谁用呢？结果显而易见，那就是工业互联网。

工业互联网包含多个不同的垂直行业，需求包罗万象，5G 要在其中发挥作用，无非是作为网络基础设施，然后借助它高速率，大连接，与超可靠低时延这三项能力，在其上构筑适合的行业应用。

这些行业应用在初期大多用于智慧园区的安防，巡检，远程协助，虚拟培训等外围应用，用于核心的工业制造控制还比较困难，随着业界不断的研究和试探，待到更多应用的成熟，后续才会逐步触碰到工业核心控制环节。

以下是一些 5G 用于工业互联网的例子。

1、5G+超高清视频：随着技术的发展，超高清视频已经不再局限于监视，录像，回放等传统功能，对视频流的清晰及流畅度提出了更高的要求。

在工业环境下高清视频的主要应用是：智慧园区的安防，人员管理等场景。

通过 5G 将采集的监控视频 / 图像实时回传，结合边缘计算（MEC）统一监控平台，实现人员违规，厂区环境风险监控的实时分析和报警，提高作业安全性。

在超高清采集分析的技术上，经过人工智能的分析，视频应用逐渐向字符识别，人脸识别，视觉定位，行为分析，物体识别，物体测量，物体分拣等智能化发展，也就可称之为「机器视觉」。

到了这个层次，5G+机器视觉就可以用于工业生产的某些环节了。

2、5G+VR/AR：VR 需要超高带宽和时延才能让人虚拟现实的感受更真实，而 AR 对带宽和时延的要求相对来说宽松一些。

VR 由于沉浸，交互和构想这三大特点，在工业互联网中的主要应用是虚拟装配，虚拟培训，虚拟展厅等场景，720°全景的展示让人身临其境，信息传递更丰富而直观。

AR 则融入到了工业制造的交互，营销，设计，采购，生产，物流和服务等多个环节。

比如，通过 AR 远程协助，专家可远程在 AR 眼镜中实时标注设备状态和操作方法，实现了现场人员和远程专家等零距离沟通。

3、5G+无人机：工业级无人机可以通过 5G 进行远程操控，并进行实时高清视频回传，可用于智慧园区的 24 小时不间歇，无死角的安防，或者恶劣环境下的设备巡检等场景。

4、5G+远程控制：在工业环境中，很多场景不适合人进行作业，比如高位，高空，有毒等恶劣环境，这就需要远程控制。

远程控制不但需要超高清视频的回传，还需要极低的时延和可靠性。5G 正好可以满足这些方面的要求。

在上述几种应用场景中，5G 与超高清视频的融合应用已进入成熟期，将成为 5G 在工业互联网领域的第一批应用场景。

5G+VR/VR，5G+无人机以及 5G+机器视觉等应用已进入高速发展期，经济价值逐渐显现，未来将成为 5G 在工业互联网的主流应用场景。

5G+远程控制等应用涉及工业核心控制环节，目前还处于探索期，还有待进一步的测试验证。

实现以上的应用场景需要两个关键技术：5G 网络切片和边缘计算。

5G 网络切片在一个物理网络上实现多个资源隔离的逻辑网络。

不同特点的应用，对于网络的需求千差万别。有的要求大带宽，有的要求大连接，还有的要求低时延，同一网络下同时满足这些要求代价很大，而网络切片可以通过给它们定制不同的逻辑网络来满足。

综合商业视角，切片网络的目标架构包括商业层，切片管理层和网络层。

商业层为垂直客户提供切片设计服务以及购买入口；切片管理层提供切片调度，管理和实例化；切片网络层就是支撑上层应用的物理设备和逻辑模块。

边缘计算（MEC，Multi-access Edge CompuTIng，多接入边缘计算），就是让大量的数据计算在网络的边缘就近进行。

这样不但可以降低时延，还可以减少向上的传输带宽，更重要的是把关键数据保存在企业之内，更具安全性。

5G 可天生支持 MEC。由于 5G 核心网采用了用户面和控制面分离的服务化架构，其用户面单元 UPF 可以很方便得部署在企业内，甚至 MEC 服务器之上，从而实现用户面就近处理，关键数据也不会流出企业。

5G+MEC 的架构如下图所示。

综上，有了 5G 对 eMBB，mMTC 和 uRLLC 这三大应用场景，网络切片，边缘计算，以及核心网用户面下沉的支持，才能更好地服务工业互联网。

并且，这些 5G 功能必须在 SA 场景下才能实现，这也是中国目前大力发展 5G SA 部署模式的原因之一。

责任编辑：ct

工业网络是指安装在工业生产环境中的一种全数字化、双向、多站的通信系统

具体有以下三种类型：

(1)专用、封闭型工业网络：该网络规范是由各公司自行研制，往往是针对某一特定应用领域而设，效率也是最高。但在相互连接时就显得各项指标参差不齐，推广与维护都难以协调。

专用型工业网络有三个发展方向：

①走向封闭系统，以保证市场占有率。

②走向开放型，使它成为标准。

③设计专用的Gateway与开放型网络连接。

(2)开放型工业网络：除了一些较简单的标准是无条件开放外，大部分是有条件开放，或仅对成员开放。生产商必须成为该组织的成员，产品需经过该组织的测试、认证，方可在该工业网络系统中使用。

(3)标准工业网络：符合国际标准IEC61158、IEC62026、ISO11519或欧洲标准EN50170的工业网络，它们都会遵循ISO/OSI7层参考模型。工业网络大都只使用物理层、数据链路层和应用层。一般工业网络的制定是根据现有的通信界面，或是自己设计通信IC，然后再依据应用领域设定数据传输格式。例如，DeviceNet的物理层与数据链路层是以CANbus为基础，再增加适用于一般I/O点应用的应用层规范。