5G与工业互联网融合应用研究报告.docx

1、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

2、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

3、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“5G Action Plan”,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（5G PPP）正式启动了第三阶段的研究，其中 5G V

4、erticals 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 Strategy for Germany”和“Digital Strategy 2025”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

5、 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 Paper on Manufacturing Industries”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“Manufacturing Industry Innovation 3.0”，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

6、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（“Digital Canada 150”）、澳大利亚（“Digital EconomyStrategy”）、新加坡（“Smart Nation 2025”）、沙特阿拉伯（“Vision 2030 supports digital economy growth”）、印度（Made in India an

7、d Digital India for the future）、巴西（“Efficient Brazil Strategy”）、俄罗斯（“Digital Economy Strategy” ）、泰国（ “Thailand 4.0” ）、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、 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、

13、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。2.2 5G+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

14、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 5G MEC 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

15、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（19201080 ，约 200 万个像素）相比，4K（38402160 ，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（76804320 ，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

16、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1080p2-10Mbps,蓝光视频约20MbpsH.264、H.26530、6030ms图片视频信息采集传输4K12-40MbpsH.264、H.26530、6030ms人脸识别等高清视频采集等8K48-160MbpsH.264、H.265、H.26660、12050Mbps（下行）；20Mbps（上行）50Mbps（上行）10ms设备辅助装配于远程协助2.4 5G+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

17、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。

18、基于 5G 的 Cloud VR，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25Mpbs40ms虚拟展示等静态展示部分沉浸100Mbps30ms虚拟培训等交互场景深度沉浸400Mbps20ms虚拟装配等强交互场景完全沉浸1Gpbs25Mbps（4K）600kbps100Mbps（8K）设备巡检2.6

19、 5G+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。

20、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

21、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 10100ms。目前单个机器人安装 1020 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 23m/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 10100ms。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

22、端机器人调度通信1Mbps-10Mbps10-100ms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-1Gbps10-100ms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）2.7 5G+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

23、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

24、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）50kbps50Mbps（8K）1Mbps100ms所有数据反馈应用场合2.9 5G+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

25、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