5G對工業(yè)物聯(lián)網可能產生的影響

5G的技術特點

5G并不是為某一個“殺手級應用”而設計的系統(tǒng)，而是面向很多至今甚至尚未可知的應用場景。5G系統(tǒng)的設計采用的是一種自上而下的方法，先定義未來的應用場景，然后從場景里抽象出技術的需求，再根據每個特定的需求，尋找解決辦法，研發(fā)具體的解決方案。

因為系統(tǒng)的要求十分的廣泛，過去幾代通信系統(tǒng)的技術并不適用于5G的需求。在5G眾多的預設場景之中，5G在技術方面的需求被ITU（國際電信聯(lián)盟）歸納為3個大的方面：

（1）超高數據速率（增強型移動帶寬，eMBB）

提供極高的數據傳輸速率，以及極端的信號覆蓋能力

（2）超大連接量（大規(guī)模機器類通信，mMTC）

提供海量設備的數據連接能力，是物聯(lián)網的基礎需求

（3）超低時延（超可靠低時延通信，uRLLC）

提供超可靠低時延的通信連接服務，要求極高的可用性和可靠性、極低的時延

工業(yè)物聯(lián)網的需求

對于工業(yè)領域來說，高可靠低時延的通信系統(tǒng)可以說是至關重要。

一直以來工業(yè)物聯(lián)網的應用只能停留在表層的數據采集展示和由此延伸出來的一些管理功能，很難涉及到工業(yè)系統(tǒng)的控制等核心領域，其中通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延時達不到要求是其中主要的制約因素。

工業(yè)領域的設備投入巨大，無論是機床、生產線，還是機械設備，生產過程中的故障導致的停工，往往會影響整條生產線，甚至整個產品交付周期。

為確保穩(wěn)定性，工業(yè)領域的控制系統(tǒng)還是以本地為主，部署大量的硬件和軟件系統(tǒng)。這一方面導致整個控制系統(tǒng)非常復雜，投入巨大，另一方面，也限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴展性。在消費者需求日新月異的今天，生產系統(tǒng)的更新跟不上消費者需求的變化，也會導致錯失很多新的機會。

當前的移動通信系統(tǒng)在工業(yè)物聯(lián)網領域的應用涉及并不深入，雖然4G在網速上已經有很大的提升，能滿足用戶隨時觀看視頻的需求，但網絡的可靠性和時延都還有很大的提升空間，并不能滿足工業(yè)場景的要求。

4G在工業(yè)場景的應用，更多是在對實時性要求不高的場景里，作為數據上傳到云端的一種方式。比如工廠里的機床設備，每5-10秒鐘會采集一次數據，這些數據匯總一般會匯集到一個統(tǒng)一的終端，由終端通過4G發(fā)送到云平臺。

為了保證機床設備數據傳輸的穩(wěn)定性，在工廠內部，各個機床與統(tǒng)一終端的連接上，一般都會采用有線連接的方式。這樣的連接方式還是比較重，大量的線纜也會導致工廠內部結構比較復雜。移動網絡系統(tǒng)的性能提升到可以替代有線電纜的時候，工廠內部結構復雜度也會降低，更加便于管理。

工業(yè)領域對通信系統(tǒng)的這些需求，5G的技術標準可以很好的滿足，極低的時延，保證了工業(yè)領域實時監(jiān)測和控制的要求；高可靠的網絡質量，確保了工業(yè)系統(tǒng)對穩(wěn)定性的要求；大帶寬則可以實現(xiàn)高清3D視頻，甚至AR的傳輸，在遠程操控領域大幅提高了操作精度。

5G在工業(yè)物聯(lián)網的應用

在2018年6月上海舉行的世界移動大會上，央視財經的記者體驗了中國移動帶來的5G智慧工業(yè)應用場景演示：

一臺遠在石家莊工地上的挖掘機，通過5G技術與設在現(xiàn)場的駕駛室相連，不僅可在惡劣環(huán)境下作業(yè)，甚至可以打造無人工地。

參觀者可以在現(xiàn)場駕駛室真人駕駛，同步實時控制位于石家莊的挖掘機，進行挖掘機前后、旋轉運動以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘裝車等操作，操作臺對面的大屏幕通過現(xiàn)場實時高清視頻同步傳遞真實場景及全景視頻效果。

雖然這只是一個場景演示，但它代表了5G在工業(yè)領域潛在應用價值和未來應用的方向。目前5G的商用還沒有正式開始，還沒有成熟的5G應用場景出來，但有很多關注5G領域的研究機構，都在探索5G在工業(yè)領域會有哪些具體的應用場景，以及能帶來什么樣的商業(yè)價值。

愛立信為我們分享了2個具體的研究案例，給我們展示了5G技術的應用，提高了工業(yè)效率，提升了商業(yè)價值和社會價值。

一、航空發(fā)動機葉盤制造

愛立信和德國弗勞恩霍夫生產技術研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法來改進工業(yè)控制流程，實時檢測生產制造過程中的缺陷。其中有一個應用領域就是葉盤的生產制造領域，葉盤是噴氣式航空發(fā)動機中渦輪的重要組成部分，由輪盤和圍繞輪盤邊緣的眾多葉片組成，葉盤制造是金屬加工典型的應用。

確保葉盤的高質量至關重要，高質量的葉盤是航空發(fā)動機安全性的保障。葉盤是通過銑床加工完成的，加工過程中面臨很多問題，其中最關鍵的一個問題是，加工的過程很難被監(jiān)控，這也是金屬加工領域普遍存在的問題。

這就意味著銑削加工過程全部結束之前，操作人員無法知道結果，而一個銑削加工的過程可以持續(xù)1天甚至達到100小時，由于加工缺陷的存在，最終加工產品的返工率卻經常高達25%，拖長了整體的生產周期。

加工缺陷可能有很多原因產生，但其中主要的原因是銑刀或機床自身的震動，影響了加工結果，而這個震動則可以通過實時監(jiān)控加工過程來發(fā)現(xiàn)，并通過數據反饋來實時優(yōu)化加工過程，最終減少返工率。不能及時發(fā)現(xiàn)加工過程中產生的問題，是整個制造業(yè)都存在的現(xiàn)象。

雖然葉盤加工只是一個具體的案例，但是加工過程中的震動問題，卻是機床加工領域普遍存在的。未來制造的葉盤會朝著更薄的方向發(fā)展，加工結果更容易受震動的影響。

Fraunhofer IPT對這個問題給出的解決方案分為2部分，實時監(jiān)測和實時控制——

實時監(jiān)測

在葉片部分貼上傳感器，在輪盤部分加入通訊模組，這樣可以實時監(jiān)測葉盤加工的結果，一旦有加工缺陷產生，及時停止對有缺陷部件的進一步加工，或者定位到缺陷就啟動返工；

實時控制

對加工過程建立數據模型，根據加工結果的數據，實時調整運行中的加工過程，比如改變銑刀轉速等，以避免加工缺陷的產生。

最終的設想是建立完全的自動化工廠，實現(xiàn)所有設備連接，并通過統(tǒng)一的系統(tǒng)集成并管理。

但當前的通信技術還不能很好的支持這個解決方案，5G是這個解決方案的關鍵所在。這個案例中，5G最大的優(yōu)勢是可以提供極低的時延和穩(wěn)定的網絡。為了達到實時控制，傳感器的信息需要在1毫秒內響應和處理，5G通過提供極低時延的能力確保了實時控制的實現(xiàn)，從而確保了可以應用在葉盤生產的過程中。