5G技术在工业互联网领域中的应用

2022-03-13徐建伟

今日自动化 2022年12期

徐建伟

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东湛江 524000）

5G 技术是目前最为先进、快速、稳定的移动通信技术，其与工业互联网的良好融入，拓宽了工业互联网的网络渠道。5G 技术作为基础网络，实现工业互联网大规模业务数据的承载传输，从而催生了一大批工业互联网相关应用，为企业的生产赋能，加速企业的数字化转型。

1 5G技术概述

在新一代信息技术革命浪潮中，5G 技术真正实现了万物互联，成为领衔新一轮基础网络建设的排头兵。5G 作为新一代移动通信系统，与工业融合后，逐步成为支撑工业生产的基础设施。5G 与工业生产中既有研发设计系统、生产控制系统及服务管理系统等相结合，可以全面推动5G 垂直行业的研发设计、生产制造、管理服务等生产流程的深刻变革，实现企业向智能化、服务化、高端化转型。随着工业互联网的发展，5G 技术低时延、大带宽、高速率的特性可以承载工业互联网的庞大的数据量，而5G 更大的价值在于与云计算、大数据、人工智能、区块链等数字技术的深度融合，推动与各行各业的结合，从而促进经济社会的数字化转型，助力数字中国和智慧社会的发展。

2 5G技术在工业互联网领域中的应用

5G 技术的大带宽、低时延及高速率特性，以及在网络架构上的灵活性，让它相比于以往任何一代无线通信技术都更能满足行业所需。而工业对于无线连接的诉求，直接影响着生产网络的变革，以及包括柔性化生产、预测性维护、服务化延伸等在内的关键行业价值的兑现。在供给侧和需求侧的双轮驱动下，5G 在工业领域前景非常广阔且意义深远。

3 具体应用场景探析

3.1 基于5G+工业互联网的阀门智能巡检应用

在传统的阀门巡检中，企业需要耗费大量人力和物力，由于受限于网络环境，无法很好地实现现场数据的回传。基于5G+工业互联网，设备建立了完整的数据链和信息化系统，打造了自主创新的工业阀门全生命周期管理系统。为实现工业阀门的5G+智能化的目标，在阀门的巡检修服务过程中，利用5G+技术，采用契合阀门检维修过程的智能巡检修系统，将长时间积累的巡检修经验进行标准化、数字化和智能化，优化巡检修过程的准确性、及时性和高效性，提升客户满意度和降低自身的运营成本；通过服务过程中采用的5G+移动式检测设备，搜集阀门本体运行的基本物理参数信息，为下一步完成5G+智慧阀门的开发和生产奠定良好基础和数据支撑；同时，充分应用大数据技术，打通阀门制造和维修行业的数据孤岛，积极将阀门的研发、制造和维修服务信息相结合，通过研发、制造信息来支撑和指导产品维修，通过维修服务信息来优化产品的研发制造，打造了一个可持续发展的集阀门研发、制造、销售、维护为一体的全生命周期管理体系。

3.2 基于5G+工业互联网的智能工厂应用

5G+MEC 技术替代工厂原有的有线无线网络，规避原有网络在工业生产现场环节存在的种种弊端，实现PTL 料车控制、AGV 自动化调度运行、PLC 到PLC（C2C）自动协同控制、焊装群控电脑IPC 无线化控制焊机等功能。

基于5G 技术，工业总装线PTL（亮灯选拣）小车，单小区每分钟近万次的通信，5G 的大并发能力能很好地满足该需求。焊装车间AGV 在密集的机械臂、电焊电弧环境下工作，能有效体现5G 抗干扰、无切换的能力，5G 的高可靠性可很好地满足复杂工业环境下的此类需求。工岛控制器之间的C2C 控制，实现5G 商用网络下E2E 的C2C 控制15 ms 低时延，不断向工业控制10 ms 实时控制靠近。而且消除了工岛之前的有线连接，实现了柔性制造。群控IPC 无线化，实现了现场工人移动办公，极大提高工作效率。

5G+工业互联网贯穿了制造的全过程，场景应用覆盖了仓储物流、AGV、柔性制造、生产过程控制、机器人协作等各个环节。这些5G 智能制造应用将显著降低企业运营成本，提高生产效率，优化制造资源配置，提升产品高端化、装备高端化和生产智能化水平，推动制造业实现质量效益提高、产业结构优化、发展方式转变、增长动力转换，为构建工业经济体系提供有力保障。

3.3 基于5G+工业互联网的智慧码头应用

智慧码头通过信息技术综合应用于码头各业务环节和管理工作中，使码头业务和管理深度融合，促进码头逐步走上集约、高效、便捷、安全、绿色的可持续发展道路。

智慧码头将先进的信息技术和自动化技术包括云计算、大数据、物联网、GIS、RFID、实时监控系统、船舶配载系统、智能监控技术、作业自动调度等通过网络的连接应用到整个码头物流作业、运输服务及码头管理中，在信息全面感知和互联的基础上，实现码头集疏运体系、生产操作、仓库管理、物流跟踪等方面的智能化，实现车、船、人、物与码头各功能系统之间无缝连接与协同联动的智能自感知、自适应、自优化，最终使码头形成安全、高效、便捷、绿色可持续发展的形态。

5G 网络在智慧港口的建设运行中，能够充分发挥差异化性能优势，突破以往传统方式的局限性，能够极大提升自动化码头的运营效率，为传统人工码头的改造注入新动力，助力打造“绿色、环保、高效”的智慧港口。

3.3.1 码头智能安防

港口现场实时监控是建设智慧港口的基础保障。智慧港口需要实现对生产运营过程全面安全监控，包括港口人员、车辆、船舶和货物等进行实时跟踪和不安全因素监测。5G 的超大带宽特性可实现港区多路高清监控视频回传，结合高精度定位能力，基于港口已安装及新安装高清摄像头，可部署边缘服务器，增加对视频内容的识别分析，并且利用5G 超大带宽特性及无线优势，可灵活部署监控点位，实现港口区域全时（白天、倍晚、凌晨、夜晚）、全方位（无死角覆盖）、全气候（大雾、雨天等）条件下的视频监控。在车辆经过的关键点位架设卡口设备，可实现对港区车辆的远程监督、远程调度、超速报警、逆行分析、定位追踪等功能；5G+无人机+高清摄像头对港口关键基础设施、电力线路和环境等进行超视距密集巡检和安防，并通过5G 网络回传超高清视频：5G+AR 全景相机可满足港口生产作业调度、安全作业防范、海事等监管部门对全港区视频监控系统的监管和应急处置等应用需求。5G+8K+VR 即摄即传，可构建港区实景立体作战指挥平台，完成港区作业线实时指挥、作业方式调整等功能，形成港区集成一体化智能综合安防解决方案。将港口的出入口、堆场、海陆侧装卸区、作业区、停车场、港区道路、查验平台等统一纳入港口可视化、智能化的安全管控体系，为港务局、海关、港口公安局、海事局、边防、国检、港口经营人等港区相关业务单位提供全方位可视化的综合监管手段，从而实现创建一个安全、方便、快捷、高效的港口营运环境的目标。

3.3.2 无人运输

港口相对封闭，运行车辆相对规则，是5G+自动驾驶的重要应用场景：此外，港口是劳动密集型产业区域，一般7×24h 作业，集卡驾驶员工作强度大，疲劳驾驶现象突出，存在安全隐患；同时集卡驾驶员培养周期长等，人才较为短缺。目前港区自动驾驶主要有地磁AGV 和单车智能集卡两种技术路线，但是地磁AGV 要求地面铺设地磁设备，对原有港区路面改造较大，同时因为采用依据预先设定好的毫米波雷达探测距离为1～280 m，红外线传感器探测距离为0.2～120 m，视觉摄像头探测距离为0～80 m，中短距毫米波雷达探测距离为0.2～120 m，短距毫米波雷达探测距离为0.2～30 m，激光雷达探测距离为80～150 m，车端感知范围还受到障碍物限制存在感知盲区，面对持殊道路情况会有“犹豫不决”的情况，无法在安全、效率等多个维度满足业主方需求。自动驾驶是港区重点应用的场景，其对信号传输、协同互通、定位精度等要求较高，需高精度定位、车路协同、5G 等技术的融合应用。基于5G 近实时的高清视频传输，让自动驾驶能“看得更远更清楚”，实现更高安全性。5G 网络切片技术提供始终如一的QoS 保障，能优先保障汽车通信的高速率和低时延性能。5G 边缘计算则是自动驾驶的未来，5G 核心网控制面与数据面彻底分离，网络虚拟化技术令网络部署更加灵活，从而使能分布式的边缘计算部署，边缘计算将更多的数据计算和存储从“核心”下沉到“边缘”，部署于接近数据源的地方，一些数据不必再经过网络到达云端处理，从而降低时延和网络负荷，也提升了数据安全性和隐私性。这对于时延要求极高、数据处理和存储量极大的自动驾驶领域而言，重要性不言而喻。未来对于靠近港口集卡车辆的移动通信设备，如基站路边单元等或均将部署车联网的边缘计算，完成本地端的数据处理、加密和决策，并提供实时、高可靠通信能力的5G-V2X 通信技术结合高精度定位，能有效建立车车/车路低时延、高可靠的数据交互通路，精准规划与监测车辆行驶路径，减轻单车智能实现难度，降低港区自动驾驶单车智能化改造的成本，实现港区集卡自动驾驶、AGV 小车自动驾驶等应用。

3.3.3 AI人员行为管理

港口司机行为管理系统主要利用5G 回传驾驶员的面部特征、眼部信号、头部运动特征等全天候监测驾驶员的疲劳状态、驾驶行为等，在发现驾驶员出现疲劳、打哈欠、分神、抽烟、打电话及其他错误驾驶状态后，预警系统将会对此类行为进行及时的分析，并进行语音灯光提示，达到警示驾驶员，纠正错误驾驶行为的方式。通过对司机行为的管控，并进行报警提示和采取相应措施，有利于驾驶员更直观地判断车辆状态，对驾乘者给予主动智能的安全保障，提升码头现场作业安全。

3.4 基于5G+工业互联网的智慧风电应用

近年来，风电上网电价正在逐年下降，如何缓解成本压力，提高风电机组发电效率逐渐成为行业关注的焦点。在此背景下，以信息流贯穿风电机组生产、服役、运维等关键环节的智慧风电应运而生。智慧风电作为风电行业在新形势下发展的必然选择，以高效可靠的通信网络为载体，正逐步形成驱动风电机组全生命周期智能化、数字化的良性发展模式。智慧风电应充分发挥5G 低时延、大带宽、海量连接的特性，在风电场部署5G 网络，实现风电场海量数据上云，动风电场大数据在风电行业的升级和落地。5G 作为面向工业领域的新一代通信技术，实现“信息物理融合”，助力风电行业实现新的跨越式发展。

3.4.1 高空无人机巡检

风场偏远，环境恶劣，人工巡检存在成本较高、效率低下的问题，并伴随一定的安全风险。针对此问题，利用5G 大带宽、高速率的传输特性，结合网联无人机、全景VR 相机等专业的巡检辅助设备，可实现智能化巡检。无人机与控制台均与就近的5G 基站连接，在5G 基站侧部署边缘计算服务，实现视频、图片、控制信息的本地卸载，保障通信时延在毫秒级。同时还可利用5G 高速移动切换的特性，使无人机在相邻基站快速切换的同时，保障业务的连续性，从而扩大巡线范围到数公里范围以外，提升巡线效率。

3.4.2 风机吊装协同

风机吊装场景是采用多台起重机对塔筒、机舱进行安装，操作人员通过对讲机将安装情况与后台指挥平台同步，但该方式的实时性、准确性差，存在信息不对等的风险。针对风机吊装现场多台吊机协同工作的场景，利用无人机实时采集现场高清画面，并通过5G 网络将现场环境全景无死角地反馈给指挥平台，由后台吊装专家进行集中管理和实时调度，从而实现风机的安全快速吊装

3.4.3 风机AR远程运维

在风电场建立5G 通信网络，利用AR 技术实现风机的远程诊断和远程维修指导。风电场操作人员佩戴AR 眼镜，通过5G 网络将现场环境及故障情况实时反馈至异地专家，异地专家通过视频画面，对现场人员进行指导，最大化复用专家的能力。风电场AR远程运维提高了效率，降低了成本，解决了技术专家紧缺的难题。