5G 与工业互联网融合应用发展白皮书.docx
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5G与工业互联网融合应用发展白皮书
5G与工业互联网融合应用发展
白皮书
工业互联网产业联盟（AII）
5G应用产业方阵（5GAIA）
2019年10月
第一章5G+工业互联网应用发展现状............................................1
1.1全球5G+工业互联网政策及应用现状.................................1
1.2我国5G+工业互联网政策及应用现状.................................3
第二章5G+工业互联网应用场景及需求........................................5
2.1概述...................................................................................5
2.25G+超高清视频..................................................................6
2.35G+AR...............................................................................8
2.45G+VR...............................................................................8
2.55G+无人机.........................................................................9
2.65G+云端机器人................................................................11
2.75G+远程控制....................................................................12
2.85G+机器视觉....................................................................13
2.95G+云化AGV..................................................................14
第三章5G+工业互联网应用的网络架构......................................16
3.1概述.................................................................................16
3.2切片网络架构...................................................................17
3.3边缘计算网络架构............................................................19
第四章5G+工业互联网应用的典型案例......................................21
案例1：
5G+电子制造............................................................21
案例2：
5G+港口...................................................................23
案例3：
5G+电网...................................................................27
I
案例4：
5G+家电制造............................................................29
案例5：
5G+物流仓储............................................................31
第五章5G+工业互联网应用的主要挑战......................................32
5.1工业场景基础设施数字化改造有待增强............................32
5.2ICT与OT企业跨行业对接不足........................................33
5.3产业发展驱动存在问题....................................................34
第六章5G+工业互联网应用的发展建议......................................35
6.1加大ICT/OT行业的对接交流...........................................35
6.2提供融合应用政策保障，完善产业发展体系.....................36
II
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
1
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“5G
StrategyforGermany”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“White
PaperonManufacturingIndustries”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”，
2
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"Digital
India"forthefuture）、巴西（“EfficientBrazilStrategy”）、俄罗斯（“Digital
EconomyStrategy”）、泰国（“Thailand4.0”）、马来西亚（“Digital
Malaysia”）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
3
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、
4
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
5
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
6
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
通信速率
（压缩后）
2-10Mbps,
蓝光视频约
20Mbps
帧率
典型应用
分辨率
编码格式
通信时延
应用范围
（fps）
图片视频信
息采集传输
1080p
H.264、H.26530、60
H.264、H.26530、60
<30ms
高清视频
实时上传
人脸识别等
高清视频采
集等
4K
8K
12-40Mbps
<30ms
<20ms
48-
H.264、H.265、60、120
超高清检测
等
160Mbps
H.266
7
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
维修指导
通信速率
通信时延
应用范围
>50Mbps（下行）；
>20Mbps（上行）
<20ms
工厂设备维保
辅助装配
设备辅助装配于远程
协助
>50Mbps（上行）
<10ms
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
8
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
初步沉浸
25Mpbs
<40ms
虚拟展示等静态展示
部分沉浸
深度沉浸
完全沉浸
100Mbps
400Mbps
1Gpbs
<30ms
<20ms
<20ms
虚拟培训等交互场景
虚拟装配等强交互场景
强交互，全沉浸场景
VR虚拟应用
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
9
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
10
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
>25Mbps（4K）
厂区无人机安防
智慧园区安防/设
600kbps
<10ms
>100Mbps
备巡检数据回传
设备巡检
（8K）
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
升级会员 