一個真正的智慧工廠，到底需要什么樣的網(wǎng)絡(luò)？

近日的武漢，從高規(guī)格的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，傳來幾組數(shù)據(jù)，既讓ICT業(yè)和制造業(yè)感到振奮，又感到了更艱巨的挑戰(zhàn)。

在全國5G基站已建成70萬座的快速布網(wǎng)下，應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G基站也達到了3.2萬個，而且在建的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目超過了1100個。運營商、設(shè)備商，都已經(jīng)強烈意識到了5G在toB市場的重大意義。

但各類復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境如何一一應(yīng)對、工業(yè)環(huán)境上行帶寬的需求尚不能被滿足、安全性與經(jīng)濟性有待協(xié)同、產(chǎn)業(yè)支撐體系待完善等，都是決定5G能否真正融入到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的幾大待解難題。

北京科技大學(xué)國家“萬人計劃”領(lǐng)軍人才王健全教授團隊牽頭承擔(dān)的研究課題，就是“網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造和智能工廠”重點專項，也是本年度國家重點研發(fā)計劃中5G研究領(lǐng)域唯一由高校牽頭承擔(dān)的項目。

結(jié)合上述問題，在“預(yù)見2021”專欄中，王健全教授接受了紫金山科技的采訪。他的一席話，讓我們茅塞頓開。

5G+工業(yè)，大機遇下的大挑戰(zhàn)

紫金山科技：5G應(yīng)用于制造業(yè)，加快工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，是去年到今年的一個大趨勢，運營商今年也在很多工廠做了不少5G案例，但工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，每一個細分領(lǐng)域都有其工業(yè)/制造特性，您認為，2020年國內(nèi)在5G進入工業(yè)領(lǐng)域方面，還處于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一個什么發(fā)展水平？與國際上相對進展較快的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)部署案例相比，我們主要該提高哪些方面進度或者意識？

王健全：經(jīng)過一年多的發(fā)展，5G+行業(yè)應(yīng)用已經(jīng)有了很多成功的案例，如5G+高清攝像的遠程醫(yī)療， 5G+視覺檢測的故障缺陷自動檢測，5G+遠程操控的集中遠程操控，有了很多實際應(yīng)用。5G拓寬了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)涵，改變了工業(yè)互聯(lián)的感知與計算。

但當前開展的5G行業(yè)示范應(yīng)用，仍然以大帶寬能力示范為主，是5G+應(yīng)用， 是大管道+應(yīng)用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主體是工業(yè)，要從工業(yè)生產(chǎn)效率提升、工業(yè)投資有效率提升、安全生產(chǎn)性能提升等工業(yè)自身角度看賦能的效果，5G+雖然已經(jīng)解決了不少應(yīng)用場景，但是5G與行業(yè)的深化融合發(fā)展尚面臨不少挑戰(zhàn)，從工業(yè)思考角度也面臨不少挑戰(zhàn)。

一是服務(wù)對象的理解有待加強。5G之前的移動網(wǎng)絡(luò)主要的服務(wù)對象為人，是to C的服務(wù)，5G要賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，其服務(wù)的對象是機器，或者廣義上說是人、機、物、料的混合體，這個to B可不僅簡單等同于原先基于互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的to B，這個變化不僅是商業(yè)模式上有很大的變化，對技術(shù)層面也提出了具體的挑戰(zhàn)。

二是投資回報不明朗。to C的收入模型很簡單，但在to B領(lǐng)域，由于機器、物、料等涉及到大量的連接，無法按照簡單的to C思路進行照搬，所以5G的投資回報是個問題，賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的to B商業(yè)模式上存在兩個層面的問題。一個是從網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和網(wǎng)絡(luò)維護的角度，誰來承擔(dān)相關(guān)費用的問題，因為以往大多數(shù)場景下由運營商統(tǒng)一承擔(dān)建網(wǎng)和維護費用，顯然完全照搬這種方式，運營商壓力太大，所服務(wù)的企業(yè)也必須分擔(dān)相關(guān)費用；二是在第一個層面確定的情況下，對人、機、物、料如何收費的問題，這兩個問題是一個整體，目前還沒有特別成熟的參考模式。

三是技術(shù)和產(chǎn)品還不夠成熟和完善。工廠級的終端功能還有所欠缺，終端不僅能接入移動通信網(wǎng)絡(luò)，還要求能適配多種工業(yè)協(xié)議，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與感知的融合；此外，終端性能上穩(wěn)定性、可靠性要求更高，要能耐高溫，防粉塵，抗強電磁干擾。網(wǎng)絡(luò)功能也要可定制化/可裁剪化，可結(jié)合MEC及部分核心網(wǎng)功能的下移，根據(jù)服務(wù)的對象（人、機、物、料）的性質(zhì)，簡化工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的按需定制化，降低網(wǎng)絡(luò)投資。

同時，制造業(yè)內(nèi)部有很多復(fù)雜的流程，對不同工序或者機器設(shè)備之間提出了很高的時間同步和指令傳遞確定性的要求，5G技術(shù)雖然在低時延方面已經(jīng)相比前幾代移動通信技術(shù)有了大幅提升，但是由于其本質(zhì)服務(wù)對象是人，在實現(xiàn)機理上就沒有考慮確定性的保障，因此，為了能夠滿足特定場景的需求，必須提升自身網(wǎng)絡(luò)性能，或者與確定性網(wǎng)絡(luò)融合來解決。

所以，一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景，要想實現(xiàn)真正的智能化，能實現(xiàn)感知、控制、執(zhí)行及通信的一體化，還有很多工作需要去做。

四是缺乏相應(yīng)的行業(yè)標準。目前5G+行業(yè)應(yīng)用還在試用和示范階段，具體的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、接口、技術(shù)方案、終端方面還缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，無法形成規(guī)模效應(yīng)，急需制定相應(yīng)的行業(yè)標準。

五是缺乏產(chǎn)學(xué)研用的體系化銜接。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合賦能智能制造，主要推動者還是傳統(tǒng)的IT和CT企業(yè)，還是從平臺化和網(wǎng)絡(luò)化的角度各自側(cè)重，還缺乏體系化、理論化的頂層設(shè)計，需要政產(chǎn)學(xué)研用聯(lián)合推動，才能加速其進程。

所以，2020年5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)主要是在用To C 產(chǎn)品服務(wù)to B市場的一年，是逐步摸索賦能智能制造和發(fā)現(xiàn)問題的一年。

紫金山科技：工業(yè)尤其是制造業(yè)，對時延的要求非常敏感，理論上，5G無線傳輸速率高達每秒10G比特，時延不到1毫秒，據(jù)您了解，5G方案在真正解決制造業(yè)的時延要求方面還有哪些問題？

王健全：對于工廠內(nèi)遠程操控類、AGV及移動監(jiān)控類業(yè)務(wù)對于時延的要求是很高的，5G的傳輸時延是指空口側(cè)，而這些業(yè)務(wù)的時延要求是端到端的要求，所以為了降低時延要求，必須采用用戶面下沉的方式，最大化的降低基站到核心網(wǎng)，傳輸時延，同時進一步降低空口的時延。

除了時延以外，對于工業(yè)系統(tǒng)，更重要的是實現(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的確定性，網(wǎng)絡(luò)具有確定性時延這一特征對工業(yè)業(yè)務(wù)傳輸尤為重要，意味著整個系統(tǒng)的可行與可靠，是工業(yè)系統(tǒng)安全可控的基礎(chǔ)。雖然5G在R16版本中針對低時延和超高可靠技術(shù)方面做了較大提升，但在滿足工業(yè)實時類、工業(yè)自動控制類業(yè)務(wù)確定性傳輸需求方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

紫金山科技：您所在的團隊正在研發(fā)攻關(guān)的“適配工業(yè)自動化的5G與TSN協(xié)同傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)”項目，在工業(yè)自動化與智能化領(lǐng)域的交叉融合上，主要側(cè)重點是什么？

王健全：3GPP在2020年8月發(fā)布的R16版本中，已經(jīng)對5G與TSN的適配做了部分的規(guī)范，其主要是將5G作為TSN的橋接功能做了相關(guān)的規(guī)定，側(cè)重點是5G如何適配TSN，但5G橋接TSN并不等同于5G與TSN的融合，我們牽頭承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃項目“適配工業(yè)自動化的5G與TSN協(xié)同傳輸理論與關(guān)鍵技術(shù)”是在R16的基礎(chǔ)上，從5G與TSN交互的全局信息共享與端到端統(tǒng)一管控、5G與TSN的雙向柔性適配、異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的全局優(yōu)化與高效協(xié)同三個角度進行研究。此外，我們的研究將著重面向工業(yè)自動化場景，力爭將提升了確定性保障能力的5G系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)制造場景中。

紫金山科技：在基礎(chǔ)理論研究之外，TSN與5G新技術(shù)協(xié)同傳輸，在研制核心設(shè)備，搭建試驗床， 并為智能工廠提供完備網(wǎng)絡(luò)支撐方面是如何與產(chǎn)業(yè)各方合作的？

王健全：承擔(dān)國家研發(fā)項目的團隊中，除了高校之外，我們的團隊還有中興通訊、東土科技、中國聯(lián)通合作，在協(xié)同架構(gòu)與關(guān)鍵理論指引下，中興通訊負責(zé)適配TSN的5G核心設(shè)備升級改造的研發(fā)，東土科技負責(zé)自主TSN設(shè)備的研發(fā)，雙方合作搭建試驗床進行技術(shù)驗證，并適時在湛江鋼鐵或者唐山鋼鐵的現(xiàn)場環(huán)境中進行測試驗證。

當然，除了上述國家項目的合作伙伴之外，我們還會積極和新型的移動通信設(shè)備商如京信、佰才邦一同推進基于軟件定義的適配工業(yè)環(huán)境的移動設(shè)備的研發(fā)，同時也會和工業(yè)TSN廠家開展兩方面的工作，一方面是推動TSN設(shè)備在工業(yè)場景，尤其是鋼鐵冶金等自動化程度較高的場景的應(yīng)用；另一方面是發(fā)揮高校橋梁的作用，聯(lián)合TSN生產(chǎn)廠商、儀器儀表廠商及5G產(chǎn)業(yè)廠商一起研究5G與TSN協(xié)同傳輸?shù)脑O(shè)備、無線TSN設(shè)備等的研發(fā)，并一同推進相關(guān)技術(shù)方案的標準化工作。

紫金山科技：具體來說，基于5G與TSN協(xié)同能給工廠帶來哪方面質(zhì)的變化？

王健全：智能工廠的重要特征是數(shù)字化，以實現(xiàn)控制決策的智能化。傳統(tǒng)工廠中，由于網(wǎng)絡(luò)能力的不足，感知、執(zhí)行與控制都在靠近設(shè)備側(cè)來完成，導(dǎo)致了設(shè)備間、產(chǎn)線間的協(xié)同協(xié)作較難完成。隨著智能化工業(yè)設(shè)備的逐步成熟，大規(guī)模機器間協(xié)作、機械臂協(xié)作生產(chǎn)、跨產(chǎn)線協(xié)同等場景需求日趨強烈，這對單體化、煙囪化的工業(yè)自動化控制體系提出了挑戰(zhàn)。

基于5G與TSN的協(xié)同，或者說基于確定性網(wǎng)絡(luò)，可以使得傳統(tǒng)制造行業(yè)的感知、執(zhí)行與控制分離，改變現(xiàn)在感知、執(zhí)行、控制融合的單體化、煙囪化的現(xiàn)狀，控制集中化，接口標準化，決策全局化，大大提高控制效率，降低網(wǎng)絡(luò)成本，還可以打破傳統(tǒng)控制設(shè)備受國外控制的局面，逐步實現(xiàn)國有化。

與運營商合作，是智慧工廠的必然方式嗎？

紫金山科技：此前德國、日本等地為工廠自建5G提供了政策或分配了頻率，一些先進的汽車企業(yè)已經(jīng)開始自建5G專網(wǎng)，但國內(nèi)似乎是運營商與工廠合作為主，您認為國內(nèi)更適合那種方式來構(gòu)建基于5G的智慧工廠？是否需要專門的頻段來支撐？

王健全：專有頻率問題不僅是技術(shù)問題，更是國家政策方面的問題，在目前沒有給工廠自建5G分配專有頻率的情況下，制造企業(yè)必須選擇與運營商合作（不包括煤礦井下封閉系統(tǒng)直接與設(shè)備商合作的情況，因為井下的頻率不會對地面上公網(wǎng)造成影響）。

單從技術(shù)和市場角度來看，工廠內(nèi)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對象是工廠（人、機、物），也就是工廠運營方，他們希望用最盡量少的花費來達到智慧效果，這些花費包括建網(wǎng)投資、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費和設(shè)備維護費等。是否有專門的頻段其差別就在于是否有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費，而這個也是影響工廠建網(wǎng)積極性的關(guān)鍵因素，無論這張網(wǎng)絡(luò)是誰來建，其建設(shè)和維護成本都是必要的支出，如果是和運營商合作，除了分攤建網(wǎng)成本、設(shè)備維護外包（部分有實力的）外，還需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)費（包括人、機、物的連接服務(wù)）。從這方面看，如果有單獨的頻點，自己獨立組網(wǎng)，對一些有資金實力的工廠主動意愿會更強，此外，自己建網(wǎng)如果不和公網(wǎng)相連，本質(zhì)上還是一個物理專網(wǎng)，其安全性也會高。

但從另一個層面看，如果企業(yè)獨立建網(wǎng)的話，所有的建設(shè)和維護費用都需要企業(yè)自己負責(zé)，這不是一般性企業(yè)能夠負擔(dān)的，此外，運營商在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)服務(wù)（端管邊云集成服務(wù)）方面已經(jīng)積累了大量的經(jīng)驗，而且有專業(yè)的維護隊伍，傳統(tǒng)企業(yè)很難在這方面快速形成能力，即使形成能力也需要不小的花費，所以從實際效果來看，和運營商或者和有集成方案能力的廠家合作，對于工廠也是很好的選擇。

建議對于專有頻率，可以小范圍開展試點，從試點總結(jié)經(jīng)驗，來評估是否發(fā)放專用頻率。

紫金山科技：2021年，您認為5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)能發(fā)展到一個什么階段？會有哪些明顯的轉(zhuǎn)折點出現(xiàn)？

王健全：5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的進程，取決于是否真正解決企業(yè)的實際問題、痛點問題。2020年各方都在大力推進，在進入工廠內(nèi)部、與工業(yè)內(nèi)部需求對接的時候就會發(fā)現(xiàn)真正的問題，而遇到問題并不可怕，沒遇到問題才說明是“真的問題”，說明5G還沒有真正與工業(yè)生產(chǎn)融合。

所以經(jīng)過2020年5G大規(guī)模、高起點的行業(yè)推進建設(shè)，2021-2025年之間都是5G加速向行業(yè)滲透的發(fā)展期，而且會變得更務(wù)實、更貼近企業(yè)生產(chǎn)流程、更靠近企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備，將逐步實現(xiàn)行業(yè)標準上的突破、商業(yè)模式上新的創(chuàng)新、技術(shù)上的改進和革新，包括適配多種工業(yè)協(xié)議的終端、適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境的高效覆蓋方案，低成本的可定制化的網(wǎng)絡(luò)方案，5G如何與TSN、DetNET等確定性網(wǎng)絡(luò)的融合，綜合考慮終端、網(wǎng)絡(luò)、平臺、智能化等解決方案。

基于上述各個方面問題的解決或者解決方案的升級，可以真正推動智能工廠一些技術(shù)上的革新或者升級，從以大帶寬提供監(jiān)控類服務(wù)走向可實現(xiàn)控制與感知執(zhí)行分離的云化PLC、可遠程管理和控制的智能化的AGV等。
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