5G技術在工業物聯網中應用研究

蔣勇?朱力量

摘要：5G技術具有高速率、低時延和大連接等優勢。隨著工業從數字化向智能化的發展，5G技術在工業物聯網發展中發揮了重要作用，促進了工業物聯網發展進程。文章對5G技術及工業物聯網進行闡述，構建出基于5G技術的工業物聯網平臺，并對5G技術在工業物聯網中打造的工業機器視覺、無人機巡檢、AGV、工業AR、遠程運維及遠程操作等典型應用場景進行了簡單闡述，最后提出了5G技術在工業物聯網應用中的建議。

關鍵詞：5G；工業物聯網；應用

工業物聯網是傳統工業向智能化方向發展的新階段。從應用形式上講，工業物聯網具有自動化、智能化、實時性等特點。工業物聯網發展中，傳感器技術、設備兼容技術、網絡技術、信息處理技術、安全技術等關鍵技術。特別是網絡技術，是工業物聯網發展的一大核心。隨著5G技術商用的發展，5G在工業物聯網中的應用逐漸深入，進一步促進了工業物聯網的發展，促進了工業發展的智能化步伐。文章主要對5G技術在工業物聯網中的應用場景進行了分析，為工業物聯網中5G網絡的建設和應用發展提供參考。

一、5G技術與工業物聯網概念

（一）5G技術

5G技術，即第五代移動通信技術，是新一代的寬帶移動通信技術，具有高速率、低時延和大連接等優勢，不僅解決了人與人的通信，也解決了人與物、物與物的通信[1]。5G技術峰值速率最高為10～20Gbit/s，具有超大連接實現了萬物互聯，基于超低延時實現的實時交互等讓5G技術能夠滿足大數據量傳輸、物聯網通信的需求。隨著5G技術的發展，已經不斷滲透到社會公共領域和行業中，在工業、車聯網與自動駕駛、能源、醫療、教育等領域和行業中應用廣泛，5G技術的發展和應用為社會經濟發展提供了數字化、智能化支持。將5G技術應用到工業物聯網中，促進了工業物聯網的萬物互聯，為工業產業的智能化、規?；l展奠定基礎。

（二）工業物聯網

工業物聯網是在工業生產中融入各種具有感知、監控功能的傳感器、控制器或最新的技術，以提高工業生產效率和水平，促進工業產品質量提升，最終達到工業智能化發展的目的[2]。工業物聯網的應用主要體現在制造業供應鏈管理、生產工藝優化、生產設備監控、安全生產管理、環保監測等方面。

在信息時代下，工業智能化發展是工業發展的必然趨勢。工業智能化發展能夠幫助工業企業降低生產經營成本，滿足工業流程中信息傳輸需求，協同工業產業鏈優化生產流程，提高生產水平。因此工業智能化發展解決了當今時代下工業企業發展中的瓶頸和痛點。

工業物聯網發展中，由于多種先進技術的融合，因此發展中技術問題是面臨的最大問題。5G技術則為工業物聯網的實現提供了技術支持。在5G技術的支持下，工業生產中的所有流程和環節都實現了信息流的互通，對工業生產來講，這是一次重大顛覆。因此就有了4G改變的是生活，5G改變的是生產的說法。

二、5G技術在工業物聯網中的應用場景

（一）基于5G技術的工業物聯網平臺

基于5G技術的工業物聯網中，網絡是基礎，平臺是核心，安全是保障。如圖1所示為基于5G的工業物聯網平臺。

在基于5G的工業物聯網平臺中，主要包括應用層、支撐層、網絡層、感知層四個層次。其中應用層中主要是5G技術在工業運營決策、需求分析、智能設計等工業生產運營中的具體應用層次；支撐層則是為工業生產提供了工業大數據支持、數據分析等，將各種先進的技術如人工智能、云計算等融入工業生產中；網絡層主要是網絡技術即5G技術，在5G技術的支持下為工業發展提供實時交互、超大連接的支持；感知層中則通過工業控制軟件、傳感器等實現對工業中各類設備的支持，滿足工業生產。除了網絡和平臺外，基于5G工業物聯網平臺還離不開網絡安全系統的支持，以為平臺運行提供安全防御能力。

（二）5G技術在工業物聯網中的應用場景

當前5G在工業物聯網中應用時，從工業設計到工業質檢，再到工業營銷展示等，衍生出工業機器視覺、無人機巡檢、AGV、工業AR、遠程運維及遠程操作等典型應用場景，為實現工業生產流程的智能化奠定了基礎。如圖1所示為5G在工業物聯網中的應用概覽。

1.5G+工業機器視覺

在人工智能的發展促進下，融合了圖像處理、控制技術、傳感器等多種技術的機器視覺，替代了人眼完成了測量和判斷。機器視覺的發展和應用，提高了工業生產的靈活性和自動化，特別是一些環境惡劣、危險的工作中，人工視覺工作難度較大，就需要機器視覺來代替人工視覺。通過機器視覺對物體進行識別、定位、測量和檢測。在工業中經常用機器視覺進行產品檢測。5G技術的發展更為機器視覺發展和應用提供了加持作用。工業中的機器視覺，已經成為當前工業生產中的重要構成，而5G技術則為機器視覺提供了必要的網絡基礎，促進工業物聯網的實現。如圖3所示為5G+工業機器視覺應用場景示意圖。在5G技術的支持下，機器視覺的數據存儲、數據計算、數據協同都實現了云化，促使機器視覺朝著云計算的方向發展[3]。

在汽車制造業中5G+工業機器視覺應用較多。5G+工業機器視覺的應用，取代了產品質檢中人工抽檢的模式，在高清圖像拍攝、云平臺數據快速處理下實現了機器質檢，使人工抽檢變成為全量檢測，降低了汽車制造業的人工成本。此外。有些5G+工業機器視覺系統還能對產品檢測的總數、缺陷總數、缺陷類型等信息進行統計，并將之上傳到云端，為市場需求提供數據支持。

2.5G+無人機巡檢

巡檢作為工業生產經營中的重要環節，是保證工業產品質量的有效途徑。傳統方式中，巡檢大多依靠人工實現。人工巡檢，費時費力，還存在著安全隱患。近年來無人機巡檢應用廣泛。如管道巡檢、廠區巡檢等領域，紛紛開啟了無人機巡檢的新模式。但傳統中的無人機是利用無線遙控、程序控制的飛行器，一般通過Wi-Fi、藍牙連接，存在著通訊距離有限、圖傳清晰度受限、定位不精確等弊端。而5G技術的發展和應用，則擴寬了無人機的應用范圍。5G+無人機巡檢，結合5G技術的高速度、低功耗、低時延性特點，首先讓遠程巡檢范圍更廣闊，提高了遠程控制飛行的安全性；其次滿足了實時傳輸高清巡檢畫面的需求。5G和無人機的結合，提升了通信寬帶，數據傳輸速度提升到1Gbps以上，相比4G網絡數據傳輸速度提升10倍。在這一傳輸速度下，無人機不僅能承載高清圖像數據等的傳送，還能滿足超清、實時的直播畫面需求。第三在5G通信系統的支持下提高了無人機的定位精確度，滿足了對無人機的實時準確定位[4]。

在5G+無人機巡檢應用方面，神東煤炭集團的5G+無人機智能巡檢系統最為典型。神東煤炭集團通過和中國電信合作，在上灣煤礦深達500米的井下覆蓋了5G網絡，打造了5G SA MEC專網架構，制定了5G智慧礦山建設標準，滿足5G基站建設的安全性需要。再利用帶有激光掃描定位的5G無人機實現了對上灣煤礦井下500米的實時巡檢，并通過5G無人機將巡檢到的井下畫面及時傳輸到監測中心處，提高了煤礦生產的安全性。

3.5G+AGV

AGV，自動導引運輸車，主要依靠充電式蓄電池為其提供動力，無需駕駛員通過自動駕駛實現運輸。AGV小車集環境感知、無人駕駛、規劃決策等多功能于一身，并融合了計算機、信息、傳感、導航等多種高新技術。近年來隨著AGV技術的發展，其應用場景也不斷拓寬，倉儲物流、工廠搬運等領域中都能看到AGV的應用身影。隨著產品運輸要求日益嚴格，在5G技術的支持下，AGV應用也將更加廣泛。5G+AGV中，將雷達、傳感器、視頻等設備加載在AGV小車上，AGV小車在運作過程中能夠對周圍環境中的信息進行收集，并通過5G路由器將信息傳輸到后臺中。5G路由器通過和雷達的等設備的連接達到萬物互通的目的，也能對AGV小車進行精準定位，讓AGV小車在預定的道路上行駛[5]。

4.5G+工業AR

AR是一種利用三維建模、多媒體等技術將虛擬信息和真實世界融合在一起的技術，以達到對真實世界增強的目的。近年來AR技術應用廣泛，在工業、醫療、教育等領域中應用較多。5G技術的高速率、低時延性、工業切片等優勢為AR產業發展注入了新活力，促進了AR進一步發展，在工業領域中，5G+工業AR的應用，借助5G技術無需終端計算的優勢，有效降低了工業企業的生產經營成本。同時借助5G技術的低延遲、高度精準定位等，AR技術能夠為工業企業提供更穩定的體驗[6]。具體應用方面，中國電信協同廣東省第二人民醫院完成5G手術直播，助力安徽省立醫院實現遠程醫療。通過遠程直播可指導醫生遠程手術，使用5G技術建立醫療3D模型，提升醫療急救能力。

5.5G+遠程運維及遠程操作

工業生產中，隨著企業規模的擴大，降低生產運營中的維修控制成本是降低生產成本的一條重要路徑。隨著網絡信息技術的應用，工業自動控制、無人值守遠程控制系統已經發展成熟，在有線或無線網絡的調度下能夠實現工業運維及操作的遠程控制。數據傳播速度快、數據傳輸延遲小的5G技術，也在工業物聯網中的遠程運維及遠程操作中進行應用。在5G技術的支持下，實現設備之間、維修人員與設備等之間的互聯，通過遠程運維為工業生產自動化控制奠定基礎，降低設備發生故障概率，促進設備生產效率的提高。在采煤、采礦、工業制造等領域中，5G+遠程運維及遠程操作應用廣泛?；?G技術，將先進技術如視頻、毫米波雷達等和工業生產中的設備設施連接在一起，在工業環境分析的基礎上實現對設備的遠程操作[7]。

如兗礦集團利用5G技術實現了采煤的遠程開采。兗礦集團在礦井中覆蓋了5G網絡，彌補了4G網絡信息傳輸的延時性，將數據延遲壓縮在20毫秒內。工作人員在地面集控中心中按下按鈕就能實現距離地面四百多米的地下采掘設備的操作。在瓦斯超限等危險環境下均可以采用這種遠程操作實現無人煤炭開采。這種5G+遠程運維及遠程操作，大大減少了煤炭開采中的危險系數，降低了開采工人的工作難度。同時借助于遠程操作，實現了人員成本的節約，雖然工人減少到只有原來的一半，但工作效率卻翻了一倍。

三、關于工業物聯網5G網絡建設的建議

當前5G在工業物聯網中的應用正在從點狀示范向面狀應用方向發展。要加快5G技術在工業物聯網中的應用，需要工業產業圈企業之間的協同合作和配合，共同探索和實踐，擴大5G技術的應用范圍，強化應用深度，促進5G技術在工業物聯網中的良性發展[8]。

（一）加強對成本管理的重視

5G技術在工業物聯網中應用時，5G網絡的部署及運營需要有較高的成本做支撐。工業物聯網利用5G技術發展時，應重視5G技術應用中的成本管理，通過多種途徑和手段降低建設成本。

（二）鼓勵工業產業鏈中的更多企業參與到5G生態圈打造中來

當前打造5G產業生態已經成為很多行業的共識。5G技術要想在工業物聯網中大放異彩，需要產業鏈中各企業的參與，在眾多的合作下以客戶為中心，以能力為半徑，以賦能為抓手，打造出5G生態圈。打造5G生態圈，鼓勵產業鏈上更多伙伴的參與，也有利于降低5G網絡建設成本，提高整個行業的智能化發展。

（三）工業企業應加強生產設備及生產線的數字化改造

5G網絡在工業物聯網中的應用，也是生產設備及生產線數字化轉型的方向。工業企業應通過內網改造，實現公共移動通信和專網的融合，發揮出5G技術在工業物聯網中的應用優勢。

四、結束語

5G技術的發展和應用，改變了生產，對實現工業領域的萬物相連提供了網絡支持，也是促使工業第四次革命發展的重要推力。當前5G技術在工業物聯網中的應用還有待繼續深入和探索，工業企業也應加強合作，不斷對5G技術進行探索和應用，才能發揮出5G技術在工業物聯網發展中的作用。

作者單位：蔣勇 朱力量 中國電信股份有限公司湖州分公司

參? 考? 文? 獻

[1]徐祥運，李金秀. 從5G技術的特點看其對工商業發展的影響[J]. 自然辯證法研究， 2019，35（08）：119-123.

[2]劉宇. 工業物聯網帶來怎樣的機遇和挑戰？距離現實有多遠？[J]. 電子產品世界， 2018，25（03）：15-17.

[3]張暉，張欣，胡琳. 基于5G的工業機器視覺發展趨勢與政策建議[J]. 智能制造， 2021（02）：28-32..

[4]盛從兵， 邵震， 胡永輝，等. 基于5G網絡和AI邊緣計算的無人機巡檢實時視頻傳輸技術研究[J]. 光源與照明， 2021（02）：28-32.

[5]楊東. 5G工業自動導航AGV技術分析[J]. 通信與信息技術， 2022（01）：59-61.

[6]陳力，張海濤，聞磊. 基于5G的工業AR/VR模式[J]. 通信企業管理， 2021（03）：31-35.

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[8]郭宇光. 5G網絡時代工業物聯網面臨的挑戰與對策[J]. 數字通信世界， 2020（03）：35，21.