5G 应用于工业互联网的必要性研究

2023-08-04漆新华管玉荣雷跃华

通信电源技术 2023年9期

漆新华，管玉荣，雷跃华

（中国铁塔股份有限公司云南省分公司，云南玉溪 653100）

0 引言

工业互联网将工业和互联网技术相结合，形成了一种新的工业生产模式[1]。工业互联网通过连接各种设备、传感器以及系统，实现了设备之间的智能互联和数据共享，提高了生产效率和产品质量，随着5G 技术的发展和普及，工业互联网的应用场景也将得到进一步拓展。

1 5G 技术与工业互联网

1.1 5G 的定义

5G 是第五代移动通信技术，是一种新型的无线网络技术，具有带宽高、速度快、延迟低以及多连接数多等特点。5G 网络采用了更高频段的无线电波，同时也采用了更先进的编码和调制技术，使得其具备了超高速的数据传输能力和更可靠的连接质量。另外，5G 支持网络切片、多路径传输、网络虚拟化等技术，能够为不同的应用场景提供个性化的网络服务[2]。

1.2 工业互联网的定义

工业互联网将物联网技术、大数据技术、云计算技术等先进信息技术应用于制造业领域，实现生产过程中设备、工件和人员之间的互联互通和智能化管理的技术。工业互联网的核心是实现“设备－设备”“设备－云端”以及“云端－云端”之间的信息交换和协作，以期提高生产效率、降低成本、提高产品质量、加强安全性和保密性等。工业互联网不仅仅是单纯的物联网应用，而是以工业为基础的物联网，更强调智能化、自动化以及集成化的应用，使生产过程更高效、灵活、精准和可控[3]。工业互联网的应用领域涵盖了制造、物流、能源、交通以及医疗等多个领域，成为数字经济发展的重要支撑。

2 5G 技术在工业互联网领域的必要性

2.1 提高通信速率与带宽

5G 技术的最大特点是高速率和大带宽。相较于4G 技术，5G 技术的理论峰值速率可达到20 Gb/s，大大提高了数据传输速度和处理效率。5G 技术的最大带宽可达到1 GHz，可以满足更多的用户需求。在工业互联网领域，数据的传输量很大，尤其在大型工厂和企业，需要传输的传感器数据、监测数据、控制数据的数据量更大。如果数据传输速度慢，那么工厂的生产效率就会受到影响。因此，提高通信速率和带宽对于工业互联网来说至关重要[4]。一方面，高速率可以让工业互联网设备之间的数据传输更加快速和实时，使生产过程更加智能化和自动化，提高了生产效率和产品质量。例如，在一个大型制造工厂中，需要对所有生产设备进行实时监测和控制。如果数据传输速度慢，那么生产设备的响应速度也会变慢，会直接影响生产效率和产品质量。另一方面，大带宽可以使工业互联网设备同时传输更多数据，让工业互联网设备之间的数据传输更加高效和可靠。

2.2 提高网络安全性

工业互联网的安全问题一直备受关注，尤其在当前的数字化转型和智能化升级的背景下。随着工业互联网的不断发展和普及，数据泄漏、网络攻击、恶意软件等情况时有发生，网络安全问题越来越突出，不仅威胁着工业生产的稳定和效率，还会对企业的利益和声誉造成严重影响。为了保护工业互联网的安全，5G 技术可以提供数据加密、认证以及访问控制等一系列的网络安全措施，有效增强了工业互联网的安全性能和可靠性。相较于4G，5G 技术使用了更加安全的数据传输协议和身份验证机制，保证了数据只能被授权的用户访问，有效防止了数据泄露和篡改的风险[5]。例如，5G 技术可以使用网络传输层安全（Transport Layer Security，TLS）和互联网安全协议（Internet Protocol Security，IPSec）等协议对数据进行加密和认证，防止数据被窃取或篡改，并且可以实时检测和拦截异常的数据流量。此外，5G 技术采用了基于用户、设备和应用的访问控制策略，可以根据用户的角色、权限和设备的属性等信息来限制用户的访问范围，从而减少安全威胁。例如，5G 技术可以实现工厂内部的分级管理，只允许特定的人员或设备访问数据或资源，并且可以根据不同的场景和需求动态调整访问权限。

2.3 提高网络可靠性

在当前的智能制造和工业4.0 的背景下，工业生产中的网络可靠性非常重要。网络故障会导致生产停滞，甚至可能造成生产事故，从而给企业带来巨大的损失。通过高密度的网络连接、低时延和高带宽的数据传输以及网络的自动化管理等技术，可以降低网络故障率，增强生产的稳定性和可靠性。因此，提高网络的可靠性是工业互联网发展的关键之一，也是实现工业互联网与物理系统的无缝对接和协同的基础。5G 技术支持大规模机器类通信和超可靠低延迟通信，可以实现每平方千米内数千个设备的连接，保证99%的可靠性和1 ms 以下的延迟，大大提高了网络的承载能力，减少了网络拥堵，提升了网络效率。此外，5G 技术使用高频段的无线信号进行数据传输，并通过网络切片将网络划分成多个虚拟网络，以便根据不同应用场景的需求进行优化，使其具有更高的传输速率和更低的时延，从而提高网络的灵活性和可靠性。

图1 4G 与5G 特性对比

3 5G 技术在工业互联网领域的应用优势

3.1 实现智能化生产

随着工业互联网技术的不断发展，智能化生产已经成为了工业发展的趋势。5G 技术可以为智能化生产提供更好的支持。5G 技术的高速通信和低延迟可以实现设备之间的高效通信和协同，实现设备的智能化和自动化。

例如，在智能制造领域，工厂通过5G 技术可以实现对设备的监控、分析和优化，设备可以通过传感器等技术实时采集数据，并通过5G 网络进行传输和处理，实现设备状态的实时监控。通过数据分析技术，可以对设备的运行状况进行预测和优化，提高设备的使用效率和延长使用寿命。此外，5G 技术可以实现智能物联网的应用，通过5G 网络连接智能传感器和监控设备，实现对生产环境的实时监控和管理，以便对设备进行实时调整和优化。5G 技术还可以实现生产过程中自动化控制和机器人技术的应用，提高生产效率和降低成本。

3.2 降低生产成本

5G 技术的应用可以实现设备的远程监控和维护，减少人工维护的成本，降低设备故障率，从而降低生产成本。在传统的工业生产中，为了保证设备的正常运行，需要定期对设备进行维护和检修，这些工作需要投入大量的人力和物力。而5G 技术依靠高速、高质量、高可靠性的数据传输，使得设备的状态信息可以实时反馈给工程师，工程师可以根据数据分析设备的运行情况和潜在问题，并通过远程的方式对设备进行调整或修复，不仅可以节省时间和人力成本，而且可以更快速地解决问题，提高生产效率。

4 拓展工业互联网的应用场景

4.1 工业物联网

工业物联网是将工业生产中的各种设备和机器连接起来，形成一个智能化的系统。5G 技术可以实现设备之间的高速互联，从而可以形成高效的工业物联网。在工业生产中，通过工业物联网，可以实现设备之间的实时通信和数据共享，通过数据的监测、分析和处理，优化工作流程，提高生产效率和降低成本。

以工厂生产为例，5G 技术可以实现各种生产设备之间的互联，形成一个智能化的生产线。每个设备都可以实时地向系统传递数据，系统可以对数据进行分析和处理，从而对生产线进行优化，实现智能化的生产管理。例如，在汽车制造工厂中，各种机器人可以通过5G 技术实现互联，形成自动化的生产线，机器人之间可以实现协同作业，根据生产任务的变化自动调整动作和速度，提高生产效率和质量。同时，机器人可以实时地向系统反馈自身的状态和性能，系统可以实现生产数据交换，并根据数据进行故障诊断和预测维护，提高设备的可靠性和寿命，从而让工厂生产实现更高的智能化、自动化和协同化水平，提升工业互联网的发展水平。

图2 5G 技术应用场景

4.2 智能仓储和物流

智能仓储和物流是5G 技术在工业互联网领域的另一个应用场景。传统的仓储和物流管理往往需要大量的人力和物力，而且容易出现信息不对称、货物丢失等问题。5G 技术的应用可以实现仓储和物流的智能化管理，从而提高工作效率、降低成本、减少损失和浪费。

5G 技术可以实现货物的实时监控和追踪，结合电子标签技术，监测货物的位置、温度、湿度等信息，并将数据实时传输到后台进行分析和处理，从而明确货物的状态和位置，及时调整运输和仓储计划，减少货物的损失和浪费。仓库内安装的传感器和摄像头，可以通过5G 的毫秒级回传，实时监测货物的存储情况和库存量，并将数据实时传输到后台进行分析和处理，帮助管理者更好地掌握仓库的状态和库存情况，及时调整仓储计划，提高仓储利用率，降低成本。

5 为企业带来更加广阔的发展平台

5.1 促进企业的数字化转型

企业的数字化管理系统建设离不开5G 技术，5G+物联网能够实现数据的集成、分析和决策，从而提高企业的管理水平和决策能力。企业可以通过5G 技术搭建数字化管理平台，将生产过程、质量控制、物流管理等数据进行集成和分析，实现数据的可视化和智能化，为企业的决策提供更加科学和精准的支持。同时，5G 技术可以支持企业的数字化服务平台建设，实现客户的沟通、满足和留存。通过5G 技术的应用，企业可以实现对客户需求的实时响应和个性化服务，提高客户的满意度和忠诚度。企业可以通过5G 技术搭建数字化服务平台，实现客户与企业之间的高效沟通和信息共享，从而为客户提供更加便捷和高质量的服务。

5.2 提升企业的竞争力

5G 技术可以为各行各业提供更加智能、高效、安全和便捷的通信服务，从而支持企业的产品创新、服务创新以及模式创新，提高企业竞争力。5G 技术还可以实现对客户的精准定位和需求分析，从而实现对产品的个性化定制和智能化升级。例如，5G 技术可以实现对智能家居设备的实时监控和控制，从而实现家庭环境的智能化管理和个性化定制，提供更加便捷、精准和增值的家庭服务。