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              什么是5G+工業互聯網?

              2020-04-13 08:43 無線深海
              關鍵詞:5G+工業互聯

              導讀:在這個互聯網如我們生活中的水和電一樣無孔不入的時代,不能聯網的設備是可恥的。它們像是一個一個的信息孤島,原始而靜寂。

              一 . 從消費互聯網到工業互聯網

              在這個互聯網如我們生活中的水和電一樣無孔不入的時代,不能聯網的設備是可恥的。它們像是一個一個的信息孤島,原始而靜寂。

              然而 50 年前,這樣的信息孤島卻是這個世界的常態,直到美國阿帕網的誕生。

              它一開始僅用于軍事,但一投入民用,便爆發出了空前的生命力,以「互聯網」成其名。

              這張互聯網在全球急劇擴張,把其神經末梢延伸到了地球的每一個角落。

              曾經,這個末梢是無數的個人電腦(Personal Computer,簡稱 PC 機),顯示器背后的人們孜孜不倦地汲取著外部世界的信息,同時向外傳播自己的聲音。

              這張由大量 PC 機終端組成的互聯網就叫做 PC 互聯網。但 PC 機大而重,沒法隨身攜帶,人又不可能隨時都守在電腦跟前,所以有了「在線」和「離線」的概念。在電腦跟前,信息可達就是「在線」,反之就是「離線」。

              隨著 3G 和 4G 網絡帶來的高速上網服務,以及智能手機的普及,手機逐漸取代 PC 機成為了互聯網的末梢,移動互聯網迅速發展,并幾乎覆蓋了幾乎所有的智能手機用戶。

              手機的特點是可以揣在兜里隨身攜帶,并且 4G 網絡覆蓋完善隨時可達,原先「在線」和「離線」的說法就沒有了意義。也就是說,在移動互聯網時代,大家都是「實時在線」的。

              移動互聯網是一個劃時代的革命,它深刻地改變了人們(尤其是中國人)的生活方式。手機在手,生活無憂,出門可以不帶錢,但沒了手機就寸步難行。

              隨著智能手機普及率的不斷提升,人口紅利趨近結束,移動互聯網的發展已經接近飽和狀態。

              于是,為了尋求新的藍海,互聯網的概念進一步擴展,從「生活方式」向「生產工具」的不斷延伸。

              這樣一來,原先的 PC 互聯網和移動互聯網被被統稱為「消費互聯網」。

              和消費這個詞對應的,自然就是生產,因此用于生產的互聯網就被稱作「工業互聯網」。

              二 . 什么是工業互聯網?

              早在 2012 年,美國通用電氣公司在提出「工業互聯網」這個概念時,是這么說的:「工業互聯網,就是把人、數據和機器連接起來」。

              也就是說,工業互聯網的三要素,是人、數據、機器。

              人和人的連接,就是傳統的互聯網;物和物(機器)之間的連接,就是近來發展迅速的物聯網;而網絡存在的核心,自然就是數據中蘊藏的巨大價值。

              可以看出,工業互聯網其實并太多沒有新的技術,更多的是架構的整合,從而把互聯網中成熟的網絡架構和技術移植到工業生產的應用中,用于效率的提升。

              工業互聯網可以從「網絡」,「數據」和「安全」這三個方面來理解。

              網絡是基礎,即通過互聯網,物聯網等技術實現工業全系統的互聯互通,促進工業數據的充分流動和無縫集成。

              數據是核心,即通過網絡采集得到的工業生產全周期的海量數據,并進行大數據分析,形成基于數據的智能系統,實現機器彈性生產,運營管理優化,生產協同組織以及商業模式創新。

              安全是保障,如果沒有嚴密的安全保障體系,上層的應用就無從談起,網絡和數據的價值就難以得到良好的應用。

              上圖是蜉蝣君根據工業互聯網聯盟的圖重繪的,可以看出在物理系統,網絡,數據,安全,以及應用和用戶中存在三個閉環(也就是圖中三個紅色的虛線圓圈)。

              首先是面向設備運行優化的閉環。通過工廠車間內的物聯網系統采集機器操作數據和生產環境數據,再經過邊緣計算進行分析,實現設備的動態智能調整和生產質量控制。

              然后是生產運營優化的閉環。其核心是基于上一層閉環中的數據分析結果,進行生產建模,仿真和分析,并將結論用于車間 / 工廠 / 企業的運營決策優化。

              最后是面向企業協同,用戶交互及企業服務優化的閉環。這一層次的閉環終于走出了企業內部局域網的范圍,真正實現了企業間的工業系統互聯和數據共享。可用于企業之間的資源組織,商業活動創新,形成網絡化協同,個性化定制,服務化延伸等新模式。

              三 . 5G+工業互聯網?

              說了這么多,5G 到底能在工業互聯網中承擔哪些重任呢?

              我們還是先祭出這張經典的圖片。三角形的三個頂點國際電聯定義的就是 5G 三大應用場景:增強型移動寬帶(eMBB),大規模機器類型通信(mMTC),超可靠和低延時通信(uRLLC)。

              如果 5G 像 4G 一樣,僅僅用于支撐消費互聯網的話,僅僅需要 eMBB 就足夠了。

              畢竟普通手機用戶要的是網速,所謂的 mMTC 專注于大連接數,速率低和時延大,在手機上毫無用武之地;那么 uRLLC 呢?人的反應速度至少就要 100 毫秒了,5G 在手機上要 1 毫秒的超低時延完全沒有意義。

              也就是說,5G 的大部分應用場景都不是給人用的,理所當然也就不是給消費互聯網用的。那給誰用呢?結果顯而易見,那就是工業互聯網。

              工業互聯網包含多個不同的垂直行業,需求包羅萬象,5G 要在其中發揮作用,無非是作為網絡基礎設施,然后借助它高速率,大連接,與超可靠低時延這三項能力,在其上構筑適合的行業應用。

              這些行業應用在初期大多用于智慧園區的安防,巡檢,遠程協助,虛擬培訓等外圍應用,用于核心的工業制造控制還比較困難,隨著業界不斷的研究和試探,待到更多應用的成熟,后續才會逐步觸碰到工業核心控制環節。

              以下是一些 5G 用于工業互聯網的例子。

              1、5G+超高清視頻:隨著技術的發展,超高清視頻已經不再局限于監視,錄像,回放等傳統功能,對視頻流的清晰及流暢度提出了更高的要求。

              在工業環境下高清視頻的主要應用是:智慧園區的安防,人員管理等場景。

              通過 5G 將采集的監控視頻 / 圖像實時回傳,結合邊緣計算(MEC)統一監控平臺,實現人員違規,廠區環境風險監控的實時分析和報警,提高作業安全性。

              在超高清采集分析的技術上,經過人工智能的分析,視頻應用逐漸向字符識別,人臉識別,視覺定位,行為分析,物體識別,物體測量,物體分揀等智能化發展,也就可稱之為「機器視覺」。

              到了這個層次,5G+機器視覺就可以用于工業生產的某些環節了。

              2、5G+VR/AR:VR 需要超高帶寬和時延才能讓人虛擬現實的感受更真實,而 AR 對帶寬和時延的要求相對來說寬松一些。

              VR 由于沉浸,交互和構想這三大特點,在工業互聯網中的主要應用是虛擬裝配,虛擬培訓,虛擬展廳等場景,720°全景的展示讓人身臨其境,信息傳遞更豐富而直觀。

              AR 則融入到了工業制造的交互,營銷,設計,采購,生產,物流和服務等多個環節。

              比如,通過 AR 遠程協助,專家可遠程在 AR 眼鏡中實時標注設備狀態和操作方法,實現了現場人員和遠程專家等零距離溝通。

              3、5G+無人機:工業級無人機可以通過 5G 進行遠程操控,并進行實時高清視頻回傳,可用于智慧園區的 24 小時不間歇,無死角的安防,或者惡劣環境下的設備巡檢等場景。

              4、5G+遠程控制:在工業環境中,很多場景不適合人進行作業,比如高位,高空,有毒等惡劣環境,這就需要遠程控制。

              遠程控制不但需要超高清視頻的回傳,還需要極低的時延和可靠性。5G 正好可以滿足這些方面的要求。

              在上述幾種應用場景中,5G 與超高清視頻的融合應用已進入成熟期,將成為 5G 在工業互聯網領域的第一批應用場景。

              5G+VR/VR,5G+無人機以及 5G+機器視覺等應用已進入高速發展期,經濟價值逐漸顯現,未來將成為 5G 在工業互聯網的主流應用場景。

              5G+遠程控制等應用涉及工業核心控制環節,目前還處于探索期,還有待進一步的測試驗證。

              實現以上的應用場景需要兩個關鍵技術:5G 網絡切片和邊緣計算。

              5G 網絡切片在一個物理網絡上實現多個資源隔離的邏輯網絡。

              不同特點的應用,對于網絡的需求千差萬別。有的要求大帶寬,有的要求大連接,還有的要求低時延,同一網絡下同時滿足這些要求代價很大,而網絡切片可以通過給它們定制不同的邏輯網絡來滿足。

              綜合商業視角,切片網絡的目標架構包括商業層,切片管理層和網絡層。

              商業層為垂直客戶提供切片設計服務以及購買入口;切片管理層提供切片調度,管理和實例化;切片網絡層就是支撐上層應用的物理設備和邏輯模塊。

              邊緣計算(MEC,Multi-access Edge Computing,多接入邊緣計算),就是讓大量的數據計算在網絡的邊緣就近進行。

              這樣不但可以降低時延,還可以減少向上的傳輸帶寬,更重要的是把關鍵數據保存在企業之內,更具安全性。

              5G 可天生支持 MEC。由于 5G 核心網采用了用戶面和控制面分離的服務化架構,其用戶面單元 UPF 可以很方便得部署在企業內,甚至 MEC 服務器之上,從而實現用戶面就近處理,關鍵數據也不會流出企業。

              5G+MEC 的架構如下圖所示。

              綜上,有了 5G 對 eMBB,mMTC 和 uRLLC 這三大應用場景,網絡切片,邊緣計算,以及核心網用戶面下沉的支持,才能更好地服務工業互聯網。

              并且,這些 5G 功能必須在 SA 場景下才能實現,這也是中國目前大力發展 5G SA 部署模式的原因之一。

              好了,本期的內容就到這里,希望對大家有所幫助。

              —— 全文完 ——

              參考文獻:

              1、《工業互聯網體系架構(版本 1.0)》,工業互聯網產業聯盟

              2、《5G 與工業互聯網融合應用發展白皮書》,工業互聯網產業聯盟

              工業互聯網智能手機人工智能機器視覺5GVR邊緣計算


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