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5G赋能工业互联网 规模化应用等待放量

时间:2019-10-08 11:42来源:美狮贵宾会
5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,

5G是驱动工业互联网蓬勃发展的关键使能技术之一,而工业互联网也是加快5G商用规模部署的重要突破口之一,二者相辅相成。到2035年,工业将占据5G创造的全部经济活动中的最大份额,实现约3.4万亿美元产出,占5G总产出的28%。

在上海世界移动通信大会爱立信的展台上,送料机器人和物件加工机械臂,通过5G信号的连接实现了流畅的配合,在短短几分钟内完成整套操作任务。这是5G赋能工业的一个小缩影。

5G将从四个方面由浅入深赋能工业互联网,从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸、从辅助功能向生产过程控制逐步延伸、从eMBB向mMTC和uRLLC逐步延伸、从5G无线连接技术向5G网络技术边缘计算/网络切片/TSN等逐步延伸。

5G商用牌照正式发布,意味着中国提前进入5G元年。5G技术高带宽、低时延和低功耗的特点,将使得企业在安全稳定的环境下,能够以更低的成本和更简单的方式采集数据,这也催生更多商业应用,工业互联网就是其中一项。

01 工业互联网及其体系架构

不过,目前5G在工业互联网行业的应用仍然处于早期阶段,施耐德全球工业控制与驱动业务高级副总裁马跃在达沃斯论坛期间对第一财经记者表示,在需求侧还没有太多所谓通用的工业互联网技术,在供给侧还需要大量投入和试错。此外,还需探索一条可负担、渐进的升级之路,否则工业互联网可能会造成工业的两极化。

工业互联网是利用基础科学、工业、信息技术、互联网等领域的综合优势,从大数据应用等软服务切入,注重软件、网络、大数据、安全,促进工业化和信息化融合带动工业全流程、全环节竞争力的整体提升。

多家拥抱工业互联网

为满足工业智能化发展需求,工业互联网迫切需要具有低时延、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施,5G发展恰逢其时。“5G+工业互联网”将形成新一代信息通信技术与先进制造业深度融合的新兴业态与应用模式。

爱立信东北亚区首席市场官张至伟对第一财经记者表示:“自动驾驶、远程控制、智能制造将成为5G时代率先受益的三个领域。这些场景到2021年就基本都能大范围地实现了。”

中国高度重视工业互联网和5G产业发展,聚焦化工、机械、船舶、飞机制造、电力等工业领域,积极推进5G与工业互联网的融合应用和创新发展。

通过爱立信自己开发的增强现实App软件,在5G场景下,虚拟图像能够根据交通路况、矿山、建筑等现实的物体实时模拟正在或即将发生的场景。这些应用在自动驾驶、远程控制等领域已经出现了实际应用案例。

国际上,“5G产业自动化联盟”(5G-ACIA:The 5G Alliance for Connected Industries and Automation)于2018年中在德国电气和电子制造商协会基础上正式成立,该联盟旨在推动5G在工业生产领域落地。5G-ACIA组织成员即囊括了传统自动化和制造业代表如博世、西门子、ABB、三菱等,又涵盖了信息和通信技术行业领先企业如DT、Vodafone、中国移动等。

“5G使人工智能、云计算和大数据等技术具备了广泛应用的基础。”张至伟告诉第一财经记者,“5G低时延、高速率等特点的使能下,这些过去谈论了好几年的技术,如今都可以部署在云端,通过5G与本地应用很好地结合,降低本地部署的应用成本,从而使得人工智能等技术能够在各行业普及使用起来。”

工业互联网体系架构包括“两大联接场景+三大业务闭环+四大应用模式”。

“5G大规模建网预计会从明年开始,明年的终端应用也会更多。”张至伟对第一财经记者表示。爱立信与ABB已经签署了一份基于5G技术面工厂自动化的谅解备忘录,专注推动5G网络切片在汽车、电子等垂直行业的合作标准制定和应用服务,旨在使用5G和工业互联网联网来提高工厂自动化程度。

两大联接场景:工厂内和工厂外全面联接。其中工厂内网络主要采用有线方式,包括单对双绞线以太网、时间敏感网络TSN、工业无源光网络PON、确定性网络DetNet等。5G网络将为工厂无线网络部署提供更大可能性。工厂外网络主要包括互联专线(实现分支机构或者上下游企业及用户互联)、上云专线(实现工厂与工业云平台互联)、上网连接(实现工厂和互联网连接)等。

积极拥抱工业互联网的远不止爱立信一家。

三大业务闭环:面向机器设备运行优化的闭环、面向生产运营优化的闭环、面向企业系统/用户交互/产品服务优化的闭环。

根据天风证券的研报,在国内,工业互联网平台参与企业大致分为四类。首先是头部制造企业,比如航天科工、中船工业、三一重工、海尔、美的、富士康等制造行业龙头企业,在践行企业平台化转型的过程中,孵化出专业的工业互联网平台公司,建设运营平台,提升第三方平台服务能力。

四大应用模式:智能化生产、网络化协同、个性化定制和服务化延伸。其中智能化生产包括预测性运维、产品良率、资产优化、虚拟仿真、智能控制、智能管理等;网络化协同包括设计协作、供应协作、制造协作等;个性化定制包括C2B定制、B2B定制等;服务化延伸包括智能服务等。

第二类是传统系统解决方案提供商(包含传统机械和自动化企业),比如华为、徐工信息、宝信软件、石化盈科、浙江中控、华龙讯达、浪潮等基于长期服务行业的经验,正从传统系统解决方案服务商向平台解决方案服务商转型。

图片 15G将成为未来工厂的中枢神经,为工业生产带来颠覆性的变化。

第三类是传统软件企业,比如东方国信、用友、金蝶、索为等软件企业,基于平台架构加速软件云化发展,强化工业机理模型的开发部署。

02 5G由浅入深赋能工业互联网

第四类是互联网企业,比如阿里、腾讯、百度等在消费互联网向产业互联网转型中,纷纷向各工业领域拓展,或与传统制造企业合作共建工业互联网平台。

未来工业互联网发展将面临三个典型阶段。当下依旧处于工业数字化转型阶段,积极探索工业企业数字化深化应用,实现工业企业各项活动全过程数字化集成;2025年进入全面互联阶段,实现企业全生命周期互联;2030年进入自主智能阶段,实现工况自感知、工艺自学习、装备自执行、系统自组织。

5G赋能工业互联网

工业互联网平台的发展需要依托于实现工业数字化、工业互联化、工业智能化。因此,工业互联网平台发展也将是个长周期的过程。

5G作为数字化时代驱动经济增长最重要的技术,将为全球经济做出非常可观的贡献。作为行业标准制定的参与者,爱立信仍在继续关注5G的演进。张至伟向第一财经记者透露:“5G标准下一个演进目标之一是在标准内增强对工业自动化应用的更好支持,通过更高效地支持工业自动化协议,来满足更严苛条件下工业自动化互联网场景,预计将在下一版标准中初步体现。”

图片 21. 从工业企业OT+IT架构底层向上层逐步延伸

法国电气巨头施耐德中国CEO尹正在近期接受第一财经记者专访时表示,在5G场景下,施耐德电气不仅仅要用信息技术赋能传统的工业运维,而且未来信息技术与通信技术之间也将有更加紧密的联系。

工业企业OT和IT底层网络通常是基于有线网络,占比高达90%。随着工业现场环境的复杂化、变化多端、灵活性等影响,很多的工业通信逐步采取无线传输方式。但在工业领域使用到的无线通信协议和通讯行业相比,存在协议众多,标准缺失,难以互联互通等弊端。

国务院参事室特约研究员姚景源表示,5G时代有高达80%的应用场景都是对工业和企业的。

传统工业无线网络包括如下四类:Wifi网络,用于AGV调度、巡逻机器人通信、仓储移动扫码等,但是很明显Wifi覆盖范围小,性能不稳定,尤其是存在非常高的安全隐患;蓝牙、Zigbee、超宽频、RFID射频技术等,用于资产管理和定位、传感器数据采集等,但是该类技术通常存在覆盖范围受限的短板;工业无线技术三大标准HART基金会发布的WirelessHART标准,ISA国际自动化协会(原美国仪器仪表协会)发布的ISA100.11a标准、和我国自主研发的WIA-PA和WIA-FA标准,均工作在2.4GHz,但是该类技术的产业链相对较窄,价格昂贵;蜂窝网络如2G/3G/4G/NB-IOT,用于车辆远程监控等场景,但该类技术很难完成大带宽、广连接和实时性要求高的场景。

马跃在达沃斯论坛期间对第一财经记者表示:“工业互联网早期布局进入到B2B细分应用领域的企业,基于比较扎实的行业经验,开始提供不少扎实的案例。在5G的推动下,这些案例将能加速落地。”

5G网络本身具备的大带宽、广连接、高可靠低时延特性,令5G成为支撑工业互联网的无线网络最佳选项。虽然当前工业通信连接中无线连接占比仅10%,但在未来几年会进入高速发展期。预计到2026年,工业通信连接中无线连接占比将达58%,其中5G将发挥重要作用。

不过目前5G在工业互联网行业的应用仍然处于早期阶段。马跃表示,目前在实际落实过程中,工业互联网的难点主要在于,需求侧是工业行业的竖井深,没有太多所谓通用的工业互联网技术,目前大家还在找能快速上规模的工业互联网场景和应用。此外,供给侧是人才的培养需要大量投入、大量试错。大企业可以接受,但对于中小企业,能否有一条可负担、渐进的升级之路需要很多探索和多方努力,否则工业互联网可能会造成工业的两极化。

工业企业的OT(Operation Technology)和IT(Information Technology)系统采取分级架构。其中OT系统从下往上包括Level 0级外部仪器、传感器、执行器等;Level 1级控制系统PLC,DCS等;Level 2级监督控制和数据采集SCADA。IT系统从下往上包括Level 3级生产管理系统MES、PMS;Level 4级商业和物流系统管理ERP、MRP、CRM等;Level 5级云计算、数据分析和AI等。5G的无线接入技术和网络技术对OT和IT系统的支撑,将从架构底层向上层逐步延伸。

“5G理论上解决了时间延迟问题,不过目前很多工业场景对于防爆安全的需求使5G在重资产场景下推广困难。”马跃对第一财经记者说道,“除非有更多的AI进入场景,高级应用带来更大的双向数据流,否则不需要那样的带宽。当然,5G也带来了非常正面的冲击。目前很多对于5G的讨论,比如时间同步技术、信息安全,正在启发工业物联网技术的进步。”

另外,现有的OT和IT系统分层架构,数据难以跨层交互,存在明显弊端。未来5G网络技术,尤其是网络切片、边缘计算、TSN等的使用,将加速工业企业OT和IT系统深度融合,从传统的分级架构过渡到基于微服务的新型网状交互架构。

图片 32. 从辅助功能向生产过程控制逐步延伸

当前进行的5G工业应用,大多聚焦在辅助功能上,比如基于5G的远程监控、AR装配辅助、运维和巡检辅助等。

远程监控:例如钢铁生产工厂,生产环境复杂,移动设备多,数据回传设备线路铺设难度大、成本高。另一方面,生产设备监控系统需要根据生产任务,配合产线频繁地进行调整,因此采用有线组网的方式极为复杂,且工期长。可以将生产视频监控数据和设备运行状态数据通过5G网络进行回传。

图片 4AR装配辅助:例如飞机制造工厂,装配工艺复杂,工人需要经过严格培训认证。而AR眼镜及其后台技术,可实现基于空间定位和物体识别的数模全息显示,应用在飞机装配的辅助装配、线缆端接、支架拆装、虚拟测试等各个环节。如可以做到自动识别线缆,然后直观地在连接器上指示这根线缆对应的孔位,工人根据指示直接插入即可。利用该解决方案,原来需要同时工作的3个工人将会缩减为1个,装配时间大幅缩短,而装配准确性也会进一步提高,同时整个装配过程会通过视频自动记录在云端,方便后续查验。

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