5G对工业物联网可能产生的影响

5G的技术特点

5G并不是为某一个“杀手级应用”而设计的系统，而是面向很多至今甚至尚未可知的应用场景。5G系统的设计采用的是一种自上而下的方法，先定义未来的应用场景，然后从场景里抽象出技术的需求，再根据每个特定的需求，寻找解决办法，研发具体的解决方案。

因为系统的要求十分的广泛，过去几代通信系统的技术并不适用于5G的需求。在5G众多的预设场景之中，5G在技术方面的需求被ITU（国际电信联盟）归纳为3个大的方面：

（1）超高数据速率（增强型移动带宽，eMBB）

提供极高的数据传输速率，以及极端的信号覆盖能力

（2）超大连接量（大规模机器类通信，mMTC）

提供海量设备的数据连接能力，是物联网的基础需求

（3）超低时延（超可靠低时延通信，uRLLC）

提供超可靠低时延的通信连接服务，要求极高的可用性和可靠性、极低的时延

工业物联网的需求

对于工业领域来说，高可靠低时延的通信系统可以说是至关重要。

一直以来工业物联网的应用只能停留在表层的数据采集展示和由此延伸出来的一些管理功能，很难涉及到工业系统的控制等核心领域，其中通信系统的稳定性和延时达不到要求是其中主要的制约因素。

工业领域的设备投入巨大，无论是机床、生产线，还是机械设备，生产过程中的故障导致的停工，往往会影响整条生产线，甚至整个产品交付周期。

为确保稳定性，工业领域的控制系统还是以本地为主，部署大量的硬件和软件系统。这一方面导致整个控制系统非常复杂，投入巨大，另一方面，也限制了系统的灵活性和可扩展性。在消费者需求日新月异的今天，生产系统的更新跟不上消费者需求的变化，也会导致错失很多新的机会。

当前的移动通信系统在工业物联网领域的应用涉及并不深入，虽然4G在网速上已经有很大的提升，能满足用户随时观看视频的需求，但网络的可靠性和时延都还有很大的提升空间，并不能满足工业场景的要求。

4G在工业场景的应用，更多是在对实时性要求不高的场景里，作为数据上传到云端的一种方式。比如工厂里的机床设备，每5-10秒钟会采集一次数据，这些数据汇总一般会汇集到一个统一的终端，由终端通过4G发送到云平台。

为了保证机床设备数据传输的稳定性，在工厂内部，各个机床与统一终端的连接上，一般都会采用有线连接的方式。这样的连接方式还是比较重，大量的线缆也会导致工厂内部结构比较复杂。移动网络系统的性能提升到可以替代有线电缆的时候，工厂内部结构复杂度也会降低，更加便于管理。

工业领域对通信系统的这些需求，5G的技术标准可以很好的满足，极低的时延，保证了工业领域实时监测和控制的要求；高可靠的网络质量，确保了工业系统对稳定性的要求；大带宽则可以实现高清3D视频，甚至AR的传输，在远程操控领域大幅提高了操作精度。

5G在工业物联网的应用

在2018年6月上海举行的世界移动大会上，央视财经的记者体验了中国移动带来的5G智慧工业应用场景演示：

一台远在石家庄工地上的挖掘机，通过5G技术与设在现场的驾驶室相连，不仅可在恶劣环境下作业，甚至可以打造无人工地。

参观者可以在现场驾驶室真人驾驶，同步实时控制位于石家庄的挖掘机，进行挖掘机前后、旋转运动以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘装车等操作，操作台对面的大屏幕通过现场实时高清视频同步传递真实场景及全景视频效果。

虽然这只是一个场景演示，但它代表了5G在工业领域潜在应用价值和未来应用的方向。目前5G的商用还没有正式开始，还没有成熟的5G应用场景出来，但有很多关注5G领域的研究机构，都在探索5G在工业领域会有哪些具体的应用场景，以及能带来什么样的商业价值。

爱立信为我们分享了2个具体的研究案例，给我们展示了5G技术的应用，提高了工业效率，提升了商业价值和社会价值。

一、航空发动机叶盘制造

爱立信和德国弗劳恩霍夫生产技术研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法来改进工业控制流程，实时检测生产制造过程中的缺陷。其中有一个应用领域就是叶盘的生产制造领域，叶盘是喷气式航空发动机中涡轮的重要组成部分，由轮盘和围绕轮盘边缘的众多叶片组成，叶盘制造是金属加工典型的应用。

确保叶盘的高质量至关重要，高质量的叶盘是航空发动机安全性的保障。叶盘是通过铣床加工完成的，加工过程中面临很多问题，其中最关键的一个问题是，加工的过程很难被监控，这也是金属加工领域普遍存在的问题。

这就意味着铣削加工过程全部结束之前，操作人员无法知道结果，而一个铣削加工的过程可以持续1天甚至达到100小时，由于加工缺陷的存在，最终加工产品的返工率却经常高达25%，拖长了整体的生产周期。

加工缺陷可能有很多原因产生，但其中主要的原因是铣刀或机床自身的震动，影响了加工结果，而这个震动则可以通过实时监控加工过程来发现，并通过数据反馈来实时优化加工过程，最终减少返工率。不能及时发现加工过程中产生的问题，是整个制造业都存在的现象。

虽然叶盘加工只是一个具体的案例，但是加工过程中的震动问题，却是机床加工领域普遍存在的。未来制造的叶盘会朝着更薄的方向发展，加工结果更容易受震动的影响。

Fraunhofer IPT对这个问题给出的解决方案分为2部分，实时监测和实时控制——

实时监测

在叶片部分贴上传感器，在轮盘部分加入通讯模组，这样可以实时监测叶盘加工的结果，一旦有加工缺陷产生，及时停止对有缺陷部件的进一步加工，或者定位到缺陷就启动返工；

实时控制

对加工过程建立数据模型，根据加工结果的数据，实时调整运行中的加工过程，比如改变铣刀转速等，以避免加工缺陷的产生。

最终的设想是建立完全的自动化工厂，实现所有设备连接，并通过统一的系统集成并管理。

但当前的通信技术还不能很好的支持这个解决方案，5G是这个解决方案的关键所在。这个案例中，5G最大的优势是可以提供极低的时延和稳定的网络。为了达到实时控制，传感器的信息需要在1毫秒内响应和处理，5G通过提供极低时延的能力确保了实时控制的实现，从而确保了可以应用在叶盘生产的过程中。