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5G与工业互联网融合应用研究报告

2020年5G与工业互联网融合应用研究报告

第一章5G+工业互联网应用发展现状

5G是新一代移动通信系统，5G与工业融合之后，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，实现制造业向智能化、服务化、高端化转型。

1.1全球5G+工业互联网政策及应用现状

目前，世界各国都在以制定政策和成立联盟的方式加快推动5G与工业互联网的融合发展，并已开展了5G+工业互联网应用的初步探索。

2017年起，美国就开始着手5G的应用并逐步扩大，美国联邦通信委员会（FCC）通过设立5G基金等方式推进5G向精准农业、远程医疗、智能交通等领域渗透。

“5G美洲”是美国的一个工业贸易组织，主要由领先的电信服务提供商和制造商组成。

“5G美洲”通过发布涉及5G+工业应用的白皮书来推动5G技术在美洲工业领域的应用，例如在2018年11月发布了垂直行业内用于自动化的《5G通信白皮

书》和《5G高可靠低时延通信支持的新业务和应用》白皮书，在2018年3月发布了《蜂窝V2X通信到5G》白皮书。

与此同时，美国电信运营商也加快了5G与制造业融合的应用实践，例如美国电信运营商

AT&T与三星电子在德克萨斯州打造了美国第一个专注于制造业的

5G应用测试平台，并且探索了工业设备状态监测、员工培训等5G应用。

欧盟早在2016年就发布了“5GActionPlan”,并在2018年启动了

5G规模试验。

2018年4月，欧盟成立工业互联与自动化5G联盟（5G-

ACIA），联盟集合了OT龙头企业、ICT龙头企业、学术界等完整的生态系统，共同推进对工业需求的理解并向3GPP标准导入，同时探讨5G用于工业领域所涉及的话题，包括组网架构、运营模式、频谱需求等。

2018年7月，欧洲5G研究计划——5G公私合作伙伴关系

（5GPPP）正式启动了第三阶段的研究，其中5GVerticals创新基础设施项目通过提供端到端（E2E）设施，支持工业、港口等垂直行业应用的端到端试验。

德国作为工业4.0的发起国，更是通过“5GStrategyforGermany”和“DigitalStrategy2025”推进5G在德国的应用，尤其是在工业领域，以西门子、博世为代表的OT企业积极推进5G服务工业的应用研究与实践，并在汉诺威工业展上展示了基于5G的

AGV应用等研究成果。

欧盟各国电信运营商也纷纷与制造企业合作开展5G应用探索，如英国伍斯特郡5G工厂，探索使用5G进行预防性维护、机器维护远程指导等应用。

在亚洲，日本确定了2020年东京奥运会实现5G大规模商用部署的目标，5GMF组织推动了5G规模试验，同时日本发布了“WhitePaperonManufacturingIndustries”以推进5G在工业领域的应用。

韩国于2018年底成为全球第一个向公众提供基于3GPP标准的5G商用服务国家，同时韩国发布了“ManufacturingIndustryInnovation3.0”，

推进制造创新发展。

韩国在2019年4月发布5G+战略，确定五项核心服务和十大5G+战略产业，其中智慧工厂是五项核心业务之一。

韩国三大电信运营商在2018年12月推出的5G网络服务主要聚焦在企业侧，首批用户均为制造厂商。

韩国SK电讯的第一个5G客户锁定为汽车配件商明化工业，为其提供5G+AI机器视觉质检服务，资费模式因客户而定制。

LGU+的第一个5G客户是从事工业机械和先进零件的公司斗山工程机械，LGU+与其共同开发了5G远程控制挖掘机。

此外，加拿大（“DigitalCanada150”）、澳大利亚（“DigitalEconomy

Strategy”）、新加坡（“SmartNation2025”）、沙特阿拉伯（“"Vision2030"supportsdigitaleconomygrowth”）、印度（"MadeinIndia"and"DigitalIndia"forthefuture）、巴西（“EfficientBrazilStrategy”）、俄罗斯（“DigitalEconomyStrategy”）、泰国（“Thailand4.0”）、马来西亚（“DigitalMalaysia”）等发达国家以及发展中国家也都制定了数字化战略，直接或间接地为5G服务工业提供了国家战略支持。

1.2我国5G+工业互联网政策及应用现状

我国高度重视5G与工业互联网的融合发展，各省市也纷纷制定政策推进5G+工业互联网的应用示范落地。

2017年11月，国务院印发《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》，明确将5G列为工业互联网网络基础设施，并开展5G面向工业互联网应用的网络技术试验，协同推进5G在工

业企业的应用部署。

2019年1月，工业和信息化部发布《工业互联网网络建设及推

广指南》，工作目标中指出到2020年，形成相对完善的工业互联网网络顶层设计，初步建成工业互联网基础设施和技术产业体系。

5G作为工厂外网及内网重要组成部分，将在标准、标杆网络、公共服务平台、测试床等方面获得国家项目及政策支撑。

2019年，工业和信息化部在工业互联网创新发展工程中设置工业互联网企业内5G网络化改造及推广服务平台项目，支持5家国内工业企业及联合体开展5G内网部署模式、应用孵化推广、对外公共服务等方面开展探索。

2019年

8月，工业和信息化部在上海中国商用飞机有限责任公司召开“5G+工业互联网”全国现场工作会议，会议首次提出落实“5G+工业互联网”512工程，加强试点示范、应用普及、培育解决方案供应商，加快“5G+工业互联网”在全国推广普及。

同时我国已有十几个省市地区发布了5G产业规划，北京、上海、广东、深圳、浙江、福建等地都将5G与工业的融合应用作为产业规划的重点。

浙江省明确提出开展“5G+工业互联网”试点示范，在重点企业打造人、机、物全面互联的工厂物联网网络体系，推进5G与物联网、人工智能的融合应用。

在5G+工业互联网的应用方面，我国以5G应用产业方阵和工业互联网产业联盟为跨界合作交流平台，以“绽放杯”5G应用征集大赛为抓手推动5G向工业互联网领域渗透，涌现出一大批优秀的5G+工业互联网应用示范企业，如中国上飞、杭汽轮、精功科技、青岛港、

南方电网等。

依托5G网络，中国上海飞机制造有限公司实现了大飞机制造的智慧工业园区，青岛港已成为全球首个5G试点智慧港口，南方电网实现了电力场景采集和控制类关键业务的智能化改造。

中国电信、中国移动、中国联通三大电信运营商纷纷制定计划，推进5G应用的落地和发展。

中国电信正在积极推进5G+工业互联网的创新研发工作，坚持SA发展方向，引领行业发展，通过5G网络切片、行业MEC、工业互联网平台等自主研发成果，助力企业数字化转型。

中国移动全面实施“5G+”计划，通过推进5G+4G协同发展、

5G+AICDE融合创新、5G+Ecology生态共建，实现5G+X应用延展，推动5G融入工业互联网等行业，目前已在14大行业与头部企业开展探索，在2020年将打造100个标杆示范应用。

中国联通先后成立了中国联通5G应用创新联盟、中国联通工业互联网联盟，面向制造业数字化、网络化与智能化升级进行了深入的研究与探索，结合自身的通信管道技术、云平台服务以及资源优势赋能工业企业创新转型升级，在港口、钢铁、电子家电等行业进行了基于5G+工业互联网的技术验证与应用，取得了良好的示范效果。

第二章5G+工业互联网应用场景及需求

2.1概述

5G是数字化从个人娱乐为主推向全连接社会的起点，是移动通信行业的机遇。

然而5G与工业互联网的融合也对现有移动通信技术

提出了挑战。

5G与工业互联网融合应用出现了八大类新型场景，分别为5G+超高清视频、5G+AR、5G+VR、5G+无人机、5G+云端机器人、5G+远程控制、5G+机器视觉以及5G+云化AGV，相应应用场景对5G网络提出了新的需求。

在应用场景发展节奏方面：

5G与超高清视频的融合应用已进入应用成熟期，将成为5G在工业互联网领域的第一批应用场景；5G+AR、5G+VR以及5G+机器视觉等应用已进入高速发展期，经济价值逐渐显现，未来1-2年将成为工业互联网的主流应用场景；5G+云化AGV、5G+无人机等应用受限于与设备深度融合的需求，还需等待产品成熟，未来2-3年将有较快发展；5G+远程控制和5G+云端机器人等应用由于涉及工业核心控制环节，目前还处于探索期，有待进一步的测试验证。

2.25G+超高清视频

超高清视频是继视频数字化、高清化之后的新一轮重大技术革新，将带动视频采集、制作、传输、呈现、应用等产业链各环节发生深刻变革。

高清视频被认为是5G时代应用最早的核心场景之一，加快发展超高清视频产业，对满足人民日益增长的美好生活需要、驱动以视频为核心的行业智能化转型、促进我国信息产业和文化产业整体实力提升等具有重大意义。

随着技术发展，超高清视频已不局限于监视、录像、回放等传统功能，开始向字符识别、人脸识别、行为分析、物体识别等智能化方向发展，对视频流的清晰度以及流畅度提出了更高的要求，而5G网

络的承载力成为解决这些需求的有效手段。

在工业环境下，高清视频的主要应用在于智慧园区的安防、人员管理等场景，通过5G高速率的特性，将采集的监测视频/图像实时回传，实现视频、图片、语音、数据的双向实时传输，同时结合5GMEC统一监控平台，实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警，大大提高作业安全规范性。

超高清技术是高清技术的延伸，代表了近年来音视频产业发展的主要方向。

与高清技术（1920×1080，约200万个像素）相比，4K

（3840×2160，约830万个像素）超高清像素数为高清的4倍，理论

清晰度为高清的2倍；8K（7680×4320，约3300万个像素点）超高清

分辨率为高清的16倍，理论清晰度为高清的4倍。

超高清视频提升了分辨率、亮度、色彩、帧率、色深、声道、采样率等指标，这些技术指标的提高虽然可以给观众带来极为清晰、逼真和沉浸感的画面，但是也使音视频数据量成倍增长。

按照目前超高清视频产业主流标准，

4K/8K视频对网络速率要求至少为12-40Mbps，甚至可达48-160Mbps。

超高清视频对于5G网络的需求

典型应用

分辨率

通信速率

（压缩后）

编码格式

帧率

（fps）

通信时延

应用范围

高清视频实时上传

1080p

2-10Mbps,

蓝光视频约

20Mbps

H.264、H.265

30、60

<30ms

图片视频信息采集传输

4K

12-40Mbps

H.264、H.265

30、60

<30ms

人脸识别等

高清视频采集等

8K

48-

160Mbps

H.264、H.265、

H.266

60、120

<20ms

超高清检测

等

2.35G+AR

增强现实（AR）是人工智能和人机交互的交叉的学科，是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，也是一种把真实世界和虚拟世界信息有机集成的技术。

AR把原本在现实世界一定时空范围内很难体验到的实体信息（主要包括视觉和听觉信息）通过计算机模拟仿真后叠加，将虚拟的信息应用到真实世界并被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。

目前AR的应用已融入到了工业制造的交互、营销、设计、采购、生产、物流和服务等各个环节，典型的应用包括AR远程协助、AR在线检测、AR样品展示等。

利用基于5G的AR远程协助，后台专家可以通过语音视频通讯、AR实时标注进行远程协作，实现了现场人员和远程专家的“零距离”沟通，大大提高了工业生产、设备维修、

专业培训等价值链的效率。

AR远程协助对于5G网络的需求

典型应用

通信速率

通信时延

应用范围

维修指导

>50Mbps（下行）；

>20Mbps（上行）

<20ms

工厂设备维保

辅助装配

>50Mbps（上行）

<10ms

设备辅助装配于远程

协助

2.45G+VR

虚拟现实（VR），是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机生成一种模拟环境，使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实技术就是利用现实生活中的数据，通过计算机技术产生的电子信

号，将其与各种输出设备结合使其转化为能够让人们感受到的现象，并通过三维模型表现出来。

目前VR的在工业互联网中主要应用在虚拟装配、虚拟培训、虚拟展厅等场景：

VR虚拟装配是工业设计必不可少的审核环节，可以在设计接口、部件外观大小等方面最大化优化产品实际装配时的能效；

VR虚拟培训相较于传统的课堂更能全面、及时反馈，相比于教科书里面难懂的文字和需要考验学生想象力的平面图，虚拟现实的场景表达更直观，并传递更多的信息；VR虚拟展厅将展厅及展示产品3D化，带给观展者足不出户就能身临现场的体验。

基于5G的CloudVR，结合眼球跟踪渲染技术、GPU定点渲染、

LED高PPD屏幕技术，VR终端可以完全实现无线化和轻量化；由于云端内容与无线VR直连，不能被本地复制，进一步保护了内容版权；用户互动数据传输到云端并进行计算，再反馈回本地终端，大大降低

VR的成本。

VR对于5G网络的技术需求

典型应用

沉浸等级

速率要求

时延

应用范围

VR虚拟应用

初步沉浸

25Mpbs

<40ms

虚拟展示等静态展示

部分沉浸

100Mbps

<30ms

虚拟培训等交互场景

深度沉浸

400Mbps

<20ms

虚拟装配等强交互场景

完全沉浸

1Gpbs

<20ms

强交互，全沉浸场景

2.55G+无人机

无人机作为高新科技发展的产物，目前在我们周边的应用已经越

来越广泛。

从应用领域来说，无人机可分为消费级无人机和工业级无人机，相对于已经较为成熟的消费级无人机，工业级无人机的应用还处在不断探索的阶段。

目前，工业级无人机被广泛的应用在智慧物流、智慧园区、设备巡检等领域。

以智慧园区安防为例，安保人员需要按照固定的岗位和流动的岗位分别安排并进行厂区安全巡视，内容包括人员、财产、治安、消防安全。

为了确保厂区每一个角落都能得到合理的监控，需要大量的摄像头设备进行固定视角的管控，对于摄像头的盲区，需要安排安保人员定期巡检。

这种传统方式往往存在固定视角监控不到位、安保人员人工费用成本高以及昼夜交替等原因带来的管理问题。

通过5G无人机平台，可以实现厂区范围内规范化、常态化的空中安保巡视和设备点检。

利用5G的高速率、高可靠低时延无线网络，可以将搭载在无人机上的摄像头视频（可见光高清、红外等）实时传送到厂区综合控制中心。

通过对视频图像进行基于人工智能的物体识别、模式识别分析，判断所巡检的地点是否存在安保异常或火警异常并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。

从设备巡检的角度来说，工业领域有大量的设备工作在位置较高或条件较为恶劣的环境下，以冰箱的发泡工艺环节为例，设备最高处达到5m，传统的人员巡检不仅浪费时间，还带来人身安全隐患。

传统的基于4G的无人机时延大，画面不清晰，而采用5G的无人机设备巡检有两个优势：

一是5G的上行速率可达200Mbps，可以支持4K、

8K甚至全景的视频回传；二是5G毫秒级的低时延高可靠特性可以

有效地保障无人机的精确控制和精准定位。

无人机对于5G网络的需求

典型应用

上行速率要求

下行操控速率

控制时延

应用范围

智慧园区安防/设备巡检数据回传

>25Mbps（4K）

600kbps

<10ms

厂区无人机安防

>100Mbps

（8K）

设备巡检

2.65G+云端机器人

2017年发布的《人工智能时代的机器人3.0新生态》白皮书把机器人的发展历程划分为三个时代，分别称之为机器人1.0、机器人2.0、机器人3.0。

在机器人2.0的基础上，机器人3.0实现从感知到认知、

推理、决策的智能化进阶。

2019年6月，《机器人4.0白皮书》发布，

机器人4.0时代是在机器人3.0时代加上自适应能力，对三维环境语义的理解，在知道它是什么的基础上，把看到的信息变成知识，让存储就变得更加合理，而且可搜索、可查询、可关联、可推理。

近几年来人工成本不断提高，不但使得工业企业的利润持续降低，而且大量的人工操作不利于产品质量控制和企业管理。

机器人成为了解决人工成本的优秀替代方式，很多制造业工厂都开始加快机器人应用的步伐，尤其是一些操作工序复杂或精密度较高的工作。

传统的工业机器人存在不足，比如工作范围受限、工作内容有限、设备成本高等问题。

随着人工智能、云计算等技术的不断成熟，云化机器人将逐渐成为主流。

云化机器人将控制“大脑”放在云端，根据本地机器人的不同工作内容和工作地点针对性控制，真正实现机器人的自主服务和自主判断。

同时由于“大脑”放在了云端，“大脑”可以将所有机器人检

索的信息进行整合，完善自身的学习能力和自优化能力。

随着云端学习能力的提升和数据共享，本地机器人本身不需要存储资料信息，也不需要具备超强的计算能力，这样一来机器人的开发成本和时间也会大大缩减。

实现云端机器人大规模密集部署和应用拓展，对5G网络提出了两个需求，即：

满足通信调度及业务数据实时交互需求和集成其它视觉应用的通信需求。

云端机器人系统包括室内及室外应用场景，可满足工业高可用指标99.9999%，通信时延10~100ms。

目前单个机器人安装10~20个摄像头（实现视觉导航、视觉检查等多种功能），移动速度提升到2~3m/s，因而网络上行带宽需求小于1Gbps（随着低时延的视频压缩和解压技术成熟，可以在机器人端实现视频压缩预处理，

节省上行带宽），时延10~100ms。

云端机器人对于5G网络的需求

典型应用

上行带宽

通信时延

应用范围

云端机器人调度通信

1Mbps-10Mbps

10-100ms

机器人端处理机器人语音、视觉、遥操作协同。

云端机器人实时

通信调度及语音、视觉、遥操作协同

操控或协作集成

其它视觉应用需

10Mbps-1Gbps

10-100ms

等业务数据实时交互，机器人本体完

成终端传感器预处理（网络需求按移

求

动速度、预处理方案不同而不同）

2.75G+远程控制

远程控制一直是工业生产中保障人员安全、提升生产效能、实现多生产单元协助的必要手段。

由于远程控制会直接关系生产环节的产品质量和生产效率，目前工业上大多数远程控制还是基于有线网络。

虽然有线网络稳定，但也限制了生产的灵活性，同时也在一定程度上

限制了生产过程的控制范围。

为了达到远程控制的效果，受控者需要在远程感知的基础之上通过通信网络向控制者发送状态信息。

控制者根据收到的状态信息进行分析判断并做出决策，再通过通信网络向受控者发送相应的动作指令。

受控者根据收到的动作指令执行相应的动作，完成远程控制的处理流程。

为了保证控制效果，通信网络时延和可靠性就更加重要。

在工业生产中某些环境场合确实不适宜人工作业，比如高温、高空、环境指标差等场合。

甚至有的工作人工无法完成，比如工厂内大件货物或港口集装箱的装卸，都需要远程控制机械来实现。

要实现远程控制，不仅需要足够高清晰度视频提供视觉支持，还需要实时稳定的网络保证操控的灵敏度和可靠性。

这些对现有工业网络和4G技术来说是一个挑战。

考虑远程控制的需求，5G网络的优势一方面在于高速率可以满足高清视频回传的要求，另一方面也可以在保证可靠性

的前提下满足远程控制对于时延的要求。

远程控制对于5G网络的需求

典型应用

通信速率

平均时延

应用范围

图像/视频流上传

上行>50Mbps（8K）

<20ms

远程控制图像回传

PLC控制指令下达

下行>50kbps

<10ms

控制指令下达

2.85G+机器视觉

机器视觉是人工智能的一个重要分支，在工业上的应用极为广泛，可以有效提高生产的柔性和自动化水平。

适用于一些人工作业的危险工作环境或者人工难以满足要求的场合。

目前机器视觉的应用主要包含五大类，包括图像识别、图像检测、视觉定位、物体测量、物体分拣等。

为了保证判别结果的准确性和应用的正常运作，整套系统的信号传输是一个关键的因素。

通过5G网络，机器视觉系统实现以移代固，将视觉系统单元配置为无线传输来替代传统有线连接方式；图像采集自由分布于多个工位且共享图像处理单元，共同实现高速，低成本自动化检测生产线。

同时通过5G+MEC搭建的“5G虚拟专用网”将生产过程数据的传输范围控制在企业工厂内，满足生产数据安全性要求，确保了网络安全和生产安全。

基于5G虚拟专网和万物互联部署，机器视觉系统可以实现实时远程监测功能。

依托5G高速率、大连接特性，不用进车间即可通过移动终端和便携终端监视制造企业生产过程执行管理系统（MES），获取视觉检测系统的运行状态，如正常运行时间，有效运行时间，故

障原因等。

机器视觉对于5G网络的需求

典型应用

通信速率

通信时延

应用范围

图像信息实时上传

>50Mbps（8K）

<10ms

所有图像信息采集传输应用场合

MES系统信息反馈

>1Mbps

<100ms

所有数据反馈应用场合

2.95G+云化AGV

自动导引运输车（AGV），指装备有电磁或光学等自动导引装置，能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。

AGV不需驾驶员，以可充电之蓄电池为其动力来源，一般可透

过电脑来控制其行进路线以及行为。

AGV的活动区域无需铺设轨道、支座架等固定装置，因而在自动化物流系统中能充分地体现其自动性和柔性，实现高效、经济、灵活的无人化生产。

在制造业，多台AGV组成柔性生产搬运系统，运行路线可以随着生产工艺流程的调整而及时调整，大大提高了生产的柔性和企业的竞争力。

对于港口、码头和机场等密集搬运场所，AGV被赋予了更为强大的并行化、自动化、智能化等特性。

在一些特殊环境要求的场景，如医药、食品、化工，甚至危险场所和特种行业，AGV除了基本的搬运工作外，还自带多种传感器，可以执行检查、探测、自动识别等工作。

所谓云化AGV，是把AGV上位机运行的定位、导航、图像识别及环境感知等需要复杂计算能力需求的模块上移到5G的边缘服务器，以满足AGV日益增长的计算需求，而运动控制/紧急避障等实时性要求更高的模块仍然保留在AGV本体以满足安全性等要求。

这相当于在云端为AGV增加了一个大脑，除AGV原有的复杂计算以外，各种各样的AI能力扩展成为可能。

实现云化AGV大规模密集部署、大范围无缝切换以及应用拓展，对