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打造一個真正智慧的工廠,5G還差幾步?

5G+工業,大機遇下的大挑戰。

 

一個真正的智慧工廠,到底需要什么樣的網絡?

近日的武漢,從高規格的5G+工業互聯網,傳來幾組數據,既讓ICT業和制造業感到振奮,又感到了更艱巨的挑戰。

在全國5G基站已建成70萬座的快速布網下,應用于工業互聯網的5G基站也達到了3.2萬個,而且在建的“5G+工業互聯網”項目超過了1100個。運營商、設備商,都已經強烈意識到了5G在toB市場的重大意義。

但各類復雜的工業環境如何一一應對、工業環境上行帶寬的需求尚不能被滿足、安全性與經濟性有待協同、產業支撐體系待完善等,都是決定5G能否真正融入到工業互聯網的幾大待解難題。

北京科技大學國家“萬人計劃”領軍人才王健全教授團隊牽頭承擔的研究課題,就是“網絡協同制造和智能工廠”重點專項,也是本年度國家重點研發計劃中5G研究領域唯一由高校牽頭承擔的項目。

結合上述問題,在“預見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,大機遇下的大挑戰

紫金山科技:5G應用于制造業,加快工業互聯網,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,但工業互聯網中,每一個細分領域都有其工業/制造特性,您認為,2020年國內在5G進入工業領域方面,還處于工業互聯網的一個什么發展水平?與國際上相對進展較快的工業互聯網部署案例相比,我們主要該提高哪些方面進度或者意識?

王健全:經過一年多的發展,5G+行業應用已經有了很多成功的案例,如5G+高清攝像的遠程醫療, 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,有了很多實際應用。5G拓寬了工業互聯網的內涵,改變了工業互聯的感知與計算。

但當前開展的5G行業示范應用,仍然以大帶寬能力示范為主,是5G+應用, 是大管道+應用。工業互聯網的主體是工業,要從工業生產效率提升、工業投資有效率提升、安全生產性能提升等工業自身角度看賦能的效果,5G+雖然已經解決了不少應用場景,但是5G與行業的深化融合發展尚面臨不少挑戰,從工業思考角度也面臨不少挑戰。

一是服務對象的理解有待加強。5G之前的移動網絡主要的服務對象為人,是to C的服務,5G要賦能工業互聯網,其服務的對象是機器,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網服務的to B,這個變化不僅是商業模式上有很大的變化,對技術層面也提出了具體的挑戰。

二是投資回報不明朗。to C的收入模型很簡單,但在to B領域,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,賦能工業互聯網的to B商業模式上存在兩個層面的問題。一個是從網絡建設和網絡維護的角度,誰來承擔相關費用的問題,因為以往大多數場景下由運營商統一承擔建網和維護費用,顯然完全照搬這種方式,運營商壓力太大,所服務的企業也必須分擔相關費用;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。

三是技術和產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絡,還要求能適配多種工業協議,實現網絡與感知的融合;此外,終端性能上穩定性、可靠性要求更高,要能耐高溫,防粉塵,抗強電磁干擾。網絡功能也要可定制化/可裁剪化,可結合MEC及部分核心網功能的下移,根據服務的對象(人、機、物、料)的性質,簡化工廠內網絡功能,實現網絡功能的按需定制化,降低網絡投資。

同時,制造業內部有很多復雜的流程,對不同工序或者機器設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技術雖然在低時延方面已經相比前幾代移動通信技術有了大幅提升,但是由于其本質服務對象是人,在實現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,必須提升自身網絡性能,或者與確定性網絡融合來解決。

所以,一個工業互聯網場景,要想實現真正的智能化,能實現感知、控制、執行及通信的一體化,還有很多工作需要去做。

四是缺乏相應的行業標準。目前5G+行業應用還在試用和示范階段,具體的網絡架構、接口、技術方案、終端方面還缺乏統一的行業標準,無法形成規模效應,急需制定相應的行業標準。

五是缺乏產學研用的體系化銜接。5G與工業互聯網融合賦能智能制造,主要推動者還是傳統的IT和CT企業,還是從平臺化和網絡化的角度各自側重,還缺乏體系化、理論化的頂層設計,需要政產學研用聯合推動,才能加速其進程。

所以,2020年5G+工業互聯網主要是在用To C 產品服務to B市場的一年,是逐步摸索賦能智能制造和發現問題的一年。

紫金山科技:工業尤其是制造業,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,據您了解,5G方案在真正解決制造業的時延要求方面還有哪些問題?

王健全:對于工廠內遠程操控類、AGV及移動監控類業務對于時延的要求是很高的,5G的傳輸時延是指空口側,而這些業務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,傳輸時延,同時進一步降低空口的時延。

除了時延以外,對于工業系統,更重要的是實現傳輸網絡的確定性,網絡具有確定性時延這一特征對工業業務傳輸尤為重要,意味著整個系統的可行與可靠,是工業系統安全可控的基礎。雖然5G在R16版本中針對低時延和超高可靠技術方面做了較大提升,但在滿足工業實時類、工業自動控制類業務確定性傳輸需求方面仍面臨諸多挑戰。

紫金山科技:您所在的團隊正在研發攻關的“適配工業自動化的5G與TSN協同傳輸理論與關鍵技術”項目,在工業自動化與智能化領域的交叉融合上,主要側重點是什么?

王健全:3GPP在2020年8月發布的R16版本中,已經對5G與TSN的適配做了部分的規范,其主要是將5G作為TSN的橋接功能做了相關的規定,側重點是5G如何適配TSN,但5G橋接TSN并不等同于5G與TSN的融合,我們牽頭承擔的國家重點研發計劃項目“適配工業自動化的5G與TSN協同傳輸理論與關鍵技術”是在R16的基礎上,從5G與TSN交互的全局信息共享與端到端統一管控、5G與TSN的雙向柔性適配、異構網絡資源的全局優化與高效協同三個角度進行研究。此外,我們的研究將著重面向工業自動化場景,力爭將提升了確定性保障能力的5G系統應用到工業制造場景中。

紫金山科技:在基礎理論研究之外,TSN與5G新技術協同傳輸,在研制核心設備,搭建試驗床, 并為智能工廠提供完備網絡支撐方面是如何與產業各方合作的?

王健全:承擔國家研發項目的團隊中,除了高校之外,我們的團隊還有中興通訊、東土科技、中國聯通合作,在協同架構與關鍵理論指引下,中興通訊負責適配TSN的5G核心設備升級改造的研發,東土科技負責自主TSN設備的研發,雙方合作搭建試驗床進行技術驗證,并適時在湛江鋼鐵或者唐山鋼鐵的現場環境中進行測試驗證。

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備商如京信、佰才邦一同推進基于軟件定義的適配工業環境的移動設備的研發,同時也會和工業TSN廠家開展兩方面的工作,一方面是推動TSN設備在工業場景,尤其是鋼鐵冶金等自動化程度較高的場景的應用;另一方面是發揮高校橋梁的作用,聯合TSN生產廠商、儀器儀表廠商及5G產業廠商一起研究5G與TSN協同傳輸的設備、無線TSN設備等的研發,并一同推進相關技術方案的標準化工作。

紫金山科技:具體來說,基于5G與TSN協同能給工廠帶來哪方面質的變化?

王健全:智能工廠的重要特征是數字化,以實現控制決策的智能化。傳統工廠中,由于網絡能力的不足,感知、執行與控制都在靠近設備側來完成,導致了設備間、產線間的協同協作較難完成。隨著智能化工業設備的逐步成熟,大規模機器間協作、機械臂協作生產、跨產線協同等場景需求日趨強烈,這對單體化、煙囪化的工業自動化控制體系提出了挑戰。

基于5G與TSN的協同,或者說基于確定性網絡,可以使得傳統制造行業的感知、執行與控制分離,改變現在感知、執行、控制融合的單體化、煙囪化的現狀,控制集中化,接口標準化,決策全局化,大大提高控制效率,降低網絡成本,還可以打破傳統控制設備受國外控制的局面,逐步實現國有化。

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已經開始自建5G專網,但國內似乎是運營商與工廠合作為主,您認為國內更適合那種方式來構建基于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,制造企業必須選擇與運營商合作(不包括煤礦井下封閉系統直接與設備商合作的情況,因為井下的頻率不會對地面上公網造成影響)。

單從技術和市場角度來看,工廠內網絡服務的對象是工廠(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,這些花費包括建網投資、網絡服務費和設備維護費等。是否有專門的頻段其差別就在于是否有網絡服務費,而這個也是影響工廠建網積極性的關鍵因素,無論這張網絡是誰來建,其建設和維護成本都是必要的支出,如果是和運營商合作,除了分攤建網成本、設備維護外包(部分有實力的)外,還需要網絡服務費(包括人、機、物的連接服務)。從這方面看,如果有單獨的頻點,自己獨立組網,對一些有資金實力的工廠主動意愿會更強,此外,自己建網如果不和公網相連,本質上還是一個物理專網,其安全性也會高。

但從另一個層面看,如果企業獨立建網的話,所有的建設和維護費用都需要企業自己負責,這不是一般性企業能夠負擔的,此外,運營商在網絡技術服務(端管邊云集成服務)方面已經積累了大量的經驗,而且有專業的維護隊伍,傳統企業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,從試點總結經驗,來評估是否發放專用頻率。

紫金山科技:2021年,您認為5G+工業互聯網能發展到一個什么階段?會有哪些明顯的轉折點出現?

王健全:5G+工業互聯網發展的進程,取決于是否真正解決企業的實際問題、痛點問題。2020年各方都在大力推進,在進入工廠內部、與工業內部需求對接的時候就會發現真正的問題,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還沒有真正與工業生產融合。

所以經過2020年5G大規模、高起點的行業推進建設,2021-2025年之間都是5G加速向行業滲透的發展期,而且會變得更務實、更貼近企業生產流程、更靠近企業生產設備,將逐步實現行業標準上的突破、商業模式上新的創新、技術上的改進和革新,包括適配多種工業協議的終端、適應復雜電磁環境的高效覆蓋方案,低成本的可定制化的網絡方案,5G如何與TSN、DetNET等確定性網絡的融合,綜合考慮終端、網絡、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上的革新或者升級,從以大帶寬提供監控類服務走向可實現控制與感知執行分離的云化PLC、可遠程管理和控制的智能化的AGV等。

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