真正的智慧工厂到底需要怎样的网络?

一个真正的智慧工厂，到底需要什么样的网络？

近日的武汉，从高规格的5G+工业互联网，传来几组数据，既让ICT业和制造业感到振奋，又感到了更艰巨的挑战。

在全国5G基站已建成70万座的快速布网下，应用于工业互联网的5G基站也达到了3.2万个，而且在建的“5G+工业互联网”项目超过了1100个。运营商、设备商，都已经强烈意识到了5G在toB市场的重大意义。

但各类复杂的工业环境如何一一应对、工业环境上行带宽的需求尚不能被满足、安全性与经济性有待协同、产业支撑体系待完善等，都是决定5G能否真正融入到工业互联网的几大待解难题。

北京科技大学国家“万人计划”领军人才王健全教授团队牵头承担的研究课题，就是“网络协同制造和智能工厂”重点专项，也是本年度国家重点研发计划中5G研究领域唯一由高校牵头承担的项目。

结合上述问题，在“预见2021”专栏中，王健全教授接受了紫金山科技的采访。他的一席话，让我们茅塞顿开。

5G+工业，大机遇下的大挑战

紫金山科技：5G应用于制造业，加快工业互联网，是去年到今年的一个大趋势，运营商今年也在很多工厂做了不少5G案例，但工业互联网中，每一个细分领域都有其工业/制造特性，您认为，2020年国内在5G进入工业领域方面，还处于工业互联网的一个什么发展水平？与国际上相对进展较快的工业互联网部署案例相比，我们主要该提高哪些方面进度或者意识？

王健全：经过一年多的发展，5G+行业应用已经有了很多成功的案例，如5G+高清摄像的远程医疗， 5G+视觉检测的故障缺陷自动检测，5G+远程操控的集中远程操控，有了很多实际应用。5G拓宽了工业互联网的内涵，改变了工业互联的感知与计算。

但当前开展的5G行业示范应用，仍然以大带宽能力示范为主，是5G+应用， 是大管道+应用。工业互联网的主体是工业，要从工业生产效率提升、工业投资有效率提升、安全生产性能提升等工业自身角度看赋能的效果，5G+虽然已经解决了不少应用场景，但是5G与行业的深化融合发展尚面临不少挑战，从工业思考角度也面临不少挑战。

一是服务对象的理解有待加强。5G之前的移动网络主要的服务对象为人，是to C的服务，5G要赋能工业互联网，其服务的对象是机器，或者广义上说是人、机、物、料的混合体，这个to B可不仅简单等同于原先基于互联网服务的to B，这个变化不仅是商业模式上有很大的变化，对技术层面也提出了具体的挑战。

二是投资回报不明朗。to C的收入模型很简单，但在to B领域，由于机器、物、料等涉及到大量的连接，无法按照简单的to C思路进行照搬，所以5G的投资回报是个问题，赋能工业互联网的to B商业模式上存在两个层面的问题。一个是从网络建设和网络维护的角度，谁来承担相关费用的问题，因为以往大多数场景下由运营商统一承担建网和维护费用，显然完全照搬这种方式，运营商压力太大，所服务的企业也必须分担相关费用；二是在第一个层面确定的情况下，对人、机、物、料如何收费的问题，这两个问题是一个整体，目前还没有特别成熟的参考模式。

三是技术和产品还不够成熟和完善。工厂级的终端功能还有所欠缺，终端不仅能接入移动通信网络，还要求能适配多种工业协议，实现网络与感知的融合；此外，终端性能上稳定性、可靠性要求更高，要能耐高温，防粉尘，抗强电磁干扰。网络功能也要可定制化/可裁剪化，可结合MEC及部分核心网功能的下移，根据服务的对象（人、机、物、料）的性质，简化工厂内网络功能，实现网络功能的按需定制化，降低网络投资。

同时，制造业内部有很多复杂的流程，对不同工序或者机器设备之间提出了很高的时间同步和指令传递确定性的要求，5G技术虽然在低时延方面已经相比前几代移动通信技术有了大幅提升，但是由于其本质服务对象是人，在实现机理上就没有考虑确定性的保障，因此，为了能够满足特定场景的需求，必须提升自身网络性能，或者与确定性网络融合来解决。

所以，一个工业互联网场景，要想实现真正的智能化，能实现感知、控制、执行及通信的一体化，还有很多工作需要去做。

四是缺乏相应的行业标准。目前5G+行业应用还在试用和示范阶段，具体的网络架构、接口、技术方案、终端方面还缺乏统一的行业标准，无法形成规模效应，急需制定相应的行业标准。

五是缺乏产学研用的体系化衔接。5G与工业互联网融合赋能智能制造，主要推动者还是传统的IT和CT企业，还是从平台化和网络化的角度各自侧重，还缺乏体系化、理论化的顶层设计，需要政产学研用联合推动，才能加速其进程。

所以，2020年5G+工业互联网主要是在用To C 产品服务to B市场的一年，是逐步摸索赋能智能制造和发现问题的一年。

紫金山科技：工业尤其是制造业，对时延的要求非常敏感，理论上，5G无线传输速率高达每秒10G比特，时延不到1毫秒，据您了解，5G方案在真正解决制造业的时延要求方面还有哪些问题？

王健全：对于工厂内远程操控类、AGV及移动监控类业务对于时延的要求是很高的，5G的传输时延是指空口侧，而这些业务的时延要求是端到端的要求，所以为了降低时延要求，必须采用用户面下沉的方式，最大化的降低基站到核心网，传输时延，同时进一步降低空口的时延。

除了时延以外，对于工业系统，更重要的是实现传输网络的确定性，网络具有确定性时延这一特征对工业业务传输尤为重要，意味着整个系统的可行与可靠，是工业系统安全可控的基础。虽然5G在R16版本中针对低时延和超高可靠技术方面做了较大提升，但在满足工业实时类、工业自动控制类业务确定性传输需求方面仍面临诸多挑战。

紫金山科技：您所在的团队正在研发攻关的“适配工业自动化的5G与TSN协同传输理论与关键技术”项目，在工业自动化与智能化领域的交叉融合上，主要侧重点是什么？

王健全：3GPP在2020年8月发布的R16版本中，已经对5G与TSN的适配做了部分的规范，其主要是将5G作为TSN的桥接功能做了相关的规定，侧重点是5G如何适配TSN，但5G桥接TSN并不等同于5G与TSN的融合，我们牵头承担的国家重点研发计划项目“适配工业自动化的5G与TSN协同传输理论与关键技术”是在R16的基础上，从5G与TSN交互的全局信息共享与端到端统一管控、5G与TSN的双向柔性适配、异构网络资源的全局优化与高效协同三个角度进行研究。此外，我们的研究将着重面向工业自动化场景，力争将提升了确定性保障能力的5G系统应用到工业制造场景中。

紫金山科技：在基础理论研究之外，TSN与5G新技术协同传输，在研制核心设备，搭建试验床， 并为智能工厂提供完备网络支撑方面是如何与产业各方合作的？

王健全：承担国家研发项目的团队中，除了高校之外，我们的团队还有中兴通讯、东土科技、中国联通合作，在协同架构与关键理论指引下，中兴通讯负责适配TSN的5G核心设备升级改造的研发，东土科技负责自主TSN设备的研发，双方合作搭建试验床进行技术验证，并适时在湛江钢铁或者唐山钢铁的现场环境中进行测试验证。

当然，除了上述国家项目的合作伙伴之外，我们还会积极和新型的移动通信设备商如京信、佰才邦一同推进基于软件定义的适配工业环境的移动设备的研发，同时也会和工业TSN厂家开展两方面的工作，一方面是推动TSN设备在工业场景，尤其是钢铁冶金等自动化程度较高的场景的应用；另一方面是发挥高校桥梁的作用，联合TSN生产厂商、仪器仪表厂商及5G产业厂商一起研究5G与TSN协同传输的设备、无线TSN设备等的研发，并一同推进相关技术方案的标准化工作。

紫金山科技：具体来说，基于5G与TSN协同能给工厂带来哪方面质的变化？

王健全：智能工厂的重要特征是数字化，以实现控制决策的智能化。传统工厂中，由于网络能力的不足，感知、执行与控制都在靠近设备侧来完成，导致了设备间、产线间的协同协作较难完成。随着智能化工业设备的逐步成熟，大规模机器间协作、机械臂协作生产、跨产线协同等场景需求日趋强烈，这对单体化、烟囱化的工业自动化控制体系提出了挑战。

基于5G与TSN的协同，或者说基于确定性网络，可以使得传统制造行业的感知、执行与控制分离，改变现在感知、执行、控制融合的单体化、烟囱化的现状，控制集中化，接口标准化，决策全局化，大大提高控制效率，降低网络成本，还可以打破传统控制设备受国外控制的局面，逐步实现国有化。

与运营商合作，是智慧工厂的必然方式吗？

紫金山科技：此前德国、日本等地为工厂自建5G提供了政策或分配了频率，一些先进的汽车企业已经开始自建5G专网，但国内似乎是运营商与工厂合作为主，您认为国内更适合那种方式来构建基于5G的智慧工厂？是否需要专门的频段来支撑？

王健全：专有频率问题不仅是技术问题，更是国家政策方面的问题，在目前没有给工厂自建5G分配专有频率的情况下，制造企业必须选择与运营商合作（不包括煤矿井下封闭系统直接与设备商合作的情况，因为井下的频率不会对地面上公网造成影响）。

单从技术和市场角度来看，工厂内网络服务的对象是工厂（人、机、物），也就是工厂运营方，他们希望用最尽量少的花费来达到智慧效果，这些花费包括建网投资、网络服务费和设备维护费等。是否有专门的频段其差别就在于是否有网络服务费，而这个也是影响工厂建网积极性的关键因素，无论这张网络是谁来建，其建设和维护成本都是必要的支出，如果是和运营商合作，除了分摊建网成本、设备维护外包（部分有实力的）外，还需要网络服务费（包括人、机、物的连接服务）。从这方面看，如果有单独的频点，自己独立组网，对一些有资金实力的工厂主动意愿会更强，此外，自己建网如果不和公网相连，本质上还是一个物理专网，其安全性也会高。

但从另一个层面看，如果企业独立建网的话，所有的建设和维护费用都需要企业自己负责，这不是一般性企业能够负担的，此外，运营商在网络技术服务（端管边云集成服务）方面已经积累了大量的经验，而且有专业的维护队伍，传统企业很难在这方面快速形成能力，即使形成能力也需要不小的花费，所以从实际效果来看，和运营商或者和有集成方案能力的厂家合作，对于工厂也是很好的选择。

建议对于专有频率，可以小范围开展试点，从试点总结经验，来评估是否发放专用频率。

紫金山科技：2021年，您认为5G+工业互联网能发展到一个什么阶段？会有哪些明显的转折点出现？

王健全：5G+工业互联网发展的进程，取决于是否真正解决企业的实际问题、痛点问题。2020年各方都在大力推进，在进入工厂内部、与工业内部需求对接的时候就会发现真正的问题，而遇到问题并不可怕，没遇到问题才说明是“真的问题”，说明5G还没有真正与工业生产融合。

所以经过2020年5G大规模、高起点的行业推进建设，2021-2025年之间都是5G加速向行业渗透的发展期，而且会变得更务实、更贴近企业生产流程、更靠近企业生产设备，将逐步实现行业标准上的突破、商业模式上新的创新、技术上的改进和革新，包括适配多种工业协议的终端、适应复杂电磁环境的高效覆盖方案，低成本的可定制化的网络方案，5G如何与TSN、DetNET等确定性网络的融合，综合考虑终端、网络、平台、智能化等解决方案。

基于上述各个方面问题的解决或者解决方案的升级，可以真正推动智能工厂一些技术上的革新或者升级，从以大带宽提供监控类服务走向可实现控制与感知执行分离的云化PLC、可远程管理和控制的智能化的AGV等。
责任编辑:tzh