5G技术在石油化工行业的应用研究.pdf

技术研究 102 2023年第9期进入2010年代以来，国务院、工业和信息化部、发展和改革委员会等部门相继印发和出台了多次5G和工业互联网相关的政策规划，如国务院关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见、关于推动5G加快发展的通知、“5G+工业互联网”512工程推进方案等，引导并助推5G、工业互联网等新型基础设施的快速建设，进而驱动经济社会数字化转型的高速、高质发展1。近年来，我国高度重视“5G+工业互联网”的融合发展，工业和信息化部发布的工业互联网专项工作组2022年工作计划中则提到要加快5G全连接工厂建设，进而奠定了“5G+工业互联网”的发展基调2。5G 技术对石化行业的企业数字化转型、智能化发展起到了巨大的推动力，开拓了新的产业格局。一方面 5G 的发展为工业互联网落地起到加速助推的作用，加速产业融合，助推企业转型升级；另一方面，企业在 5G+工业互联网下也推动石油化工行业在数字化推进过程中发展出现代化运营新模式，石化行业衍生产品也参与到 5G 行业的建设与扩张中，对化工产业升级起到推动作用。1 5G 的主要特点4G（第四代移动通信技术）改变生活，5G改变社会。随着通信网络的演进，5G已于2020年迎来商用。相较于4G以个人用户为主、企业用户为辅，5G则兼顾个人和企业用户。在设计上，4G相比于3G以移动宽带增强为主，而5G网络的三大场景，增强移动宽带（eMBB）、海量大连接（mMTC）和超可靠低延时（uRLLC）则兼顾了速率、连接、时延、可靠性等要求，在多个技术方向上取得了突破，更加贴合了基于工业互联网的生产需求。1.1 支持了更高的频谱范围4G及以前的通信标准的工作带宽基本都部署在3GHz以下，5G的工作频率则在36GHz以及2452GHz（毫米波段）这两个广阔频谱空间。对移动通信而言，频谱是最珍贵的资源。低频谱的可用范围小，而且被已有的移动通信系统长期占用，无法部署满足需求的通信带宽。而更高的频谱范围意味着更宽的通信带宽也就是更高的传输速率。1.2 支持了更大的系统带宽4G系统的最大单载波带宽为20MHz。5G扩展了系统带宽，它在6GHz以下这个频段，其最大单载波带宽为100MHz，而在毫米波段，其最大单载波带宽可以达到400MHz。此外，5G相比4G，大幅提升了系统带宽的有效频谱效率，5G系统的频谱使用效率也从4G的90%提升到98%。1.3 增强了空口低时延技术空口即空中接口，是指无线通信设备之间通过无线电波进行连接的接口。空口时延是通信系统时延的瓶颈，只有把空口时延做得更低，整个系统的低时延需求才可以得到保障。5G网络在空口时延方面是大大低于4G网络的，从4G的10ms降低为1ms。1.4 支持了大规模天线技术大规模天线技术是对高频通信短板的补充。4G网络之所以不能使用更高的频谱范围，一个很重要的原因就是它不支持大规模天线技术。1.5 增强了终端节能技术终端节能技术是保证海量大连接的基础。在工业生产领域，无线通信终端的种类繁多，受体积、重量、工作环境等因素的影响，这些终端无法像手机一样可以及时充电或更换电池，因此节能技术就显得尤为重要。1.6 增强了终端移动性终端移动性是指手机或其它通信设备从一个基站所控制的小区切换到另一个小区时候，不可避免地产生业务中断的现象。5G技术相比于4G，满足了0ms的中断要求和更高的切换鲁棒性。因此，它是保证超可靠低延时特性的基础。1.7 支持了网络切片功能网络切片是5G网络引入的新特性，也是5G5G技术在石油化工行业的应用研究陈悦石化盈科信息技术有限责任公司 北京 100007摘要：结合典型用例，研究了5G在智能工厂建设中的六大应用场景及三张网络切片，通过和云计算、物联网、人工智能等新一代数字技术的协同发展，推进石化企业的数字化转型和智能化升级。随着5G技术的普及和深化应用，它将在石油化工行业提高效能、提升效益方面发挥越来越重要的作用。关键词：5G 工业互联网 智能制造 103 技术研究2023年第9期网络的代表性特征。网络切片即通过不同的网络部署满足不同业务相互隔离的需求。切片间独立工作、互不干扰，网络攻击无法穿越网络切片。网络采用加密传输，能够防止任何形式的数据盗取，从而最大限度地提供网络安全保障。5G在以上七个技术领域的增强，所带来的是相比于4G技术全方位的关键能力指标提升。国际电信联盟依托5G网络三大典型应用场景拟定了八条关键能力指标，包括峰值速率、用户体验速率、时延、移动性、连接密度、流量密度、频谱效率和能量效率，其基本描述见表1。表1 移动通信系统关键能力指标指标基本描述峰值速率理想条件下，终端的最大可达数据速率用户体验速率覆盖区域内，移动终端普遍可达到的数据速率时延网络从发送端传输数据包至接收端正确接收后的单向空口时延移动性在保证服务质量的条件下，能够支持的收发双方的最大相对速度连接密度单位区域内的总连接数及可连接数流量密度单位区域内所能支持的总吞吐量频谱效率每小区（cell）内单位频谱资源提供的吞吐量能量效率网络端/用户端的每焦耳能量所能传输的比特数量具体来讲，5G的峰值速率从4G的1Gbps提升到20Gbps，用户体验速率由10Mbps提升到100Mbps，时延从10ms缩短至1ms。在移动性方面，从最大可支持移动速度350Kmph提高到500Kmph，连接密度从105数量级提高到106数量级，流量密度从0.1Mbit/s/m2提高到10Mbit/s/m2，频谱效率提升至原来的3倍，能量效率提升至原来的100倍。图1 4G/5G 系统关键能力指标对比425G 在石油化工行业的应用5G+工业互联网将帮助石油化工企业在生产运营、安全环保、应急指挥、物流等多个方面发挥重要作用。工业互联网的一个典型应用就是智能工厂，因此建设属于石油化工行业的智能工厂是5G+工业互联网在石油化工行业落地的首要任务。具体说来，一个典型的5G智能工厂的解决方案主要包括三张网络切片及六大应用场景。2.1 三张网络切片（1）工业控制切片：主要面向对可靠性，时延敏感要求高的业务领域，5G三大典型场景中的超可靠低延时（uRLLC）正是解决此类需求的方案。在石油化工行业中，主要针对某些可靠性要求较高的工厂作业区的气体、温度、压力、振动、图像、声音等信息的采集，反馈和控制。比如工业自动化控制、机器人调度、远程操控等业务。（2）工业多媒体切片：主要面向移动性强、高带宽、数据量大的业务领域，5G三大典型场景中的增强移动宽带（eMBB）正是解决此类需求的方案。在石油化工行业中，事故、火灾的救援防护是重中之重。利用5G+AR技术，可以建立与实际环境相一致的场景，快速提高消防人员对现场环境、装置特性的熟悉能力，提高消防人员的应急处置能力。（3）工业物联网切片：主要面向低成本、低能耗、小数据量、海量连接的业务领域，5G三大典型场景中的海量大连接（mMTC）正是解决此类需求的方案。在石油化工行业中，利用5G物联网的广泛连接，可以实现对人员、设备、生产过程、仓储物料、安全保障等各方面信息的物联感知。2.2 六大应用场景（1）安全与应急管理针对直接作业环节中的受限空间类型作业，基于5G技术，可采集罐内的图像信息并远传展示，支持受限空间内部可燃气体浓度显示和远程行走路径控制，实现即时的气体检测和异常声、光报警。利用5G实施机器人巡检，可基于作业违章分析模型，开展用火作业、受限空间作业、高处作业等智能分析，对人员违章作业进行辅助管控，有效减少安全隐患。（2）远程操控5G时代的远程操控，可以弥合人与设备的距离。5G远程实时操控主要适用于封闭区域和开放道路下自动驾驶，以及化工生产等高危、恶劣环境下的远程作业，确保一线人员的作业安全。（3）工业自动控制5G可提供极低时延、高可靠、海量连接的网络，使得闭环控制应用通过无线网络连接成为可能。借助工业机器人等手段，工厂维护模式将全面升级。基于5G的智能工厂可以大幅度改善员工的劳动环境，促进数据流的贯通和共享，推进5G与自动控制的深层融合，连接工厂内外的人和机器，减少人工对生产线的干预，进一步提高生产过程的可控性，促进工厂实现自主化决策，提升生产效率和产品质量。技术研究 104 2023年第9期（4）供应链管理。以5G赋能物联网，借助AGV自动化搬运机器人，基于工业互联网平台，可以实现仓库无人值守化自动作业和物资收发高效流转，提高仓库整体运转效能；借助智能终端、摄像头视频监控，实现进出厂检查、厂内车辆轨迹监控、装卸作业的风险监控；借助图像识别、现场控制技术，实现车辆排队叫号、无人值守称重，提高物流安全水平以及作业效率。（5）设备管理。石油石化企业属于资产密集型企业，生产连续性强，稳定的设备运行是保障生产正常的重要基础。5G网速的提升，可以支持图片、视频大数据量的传输与共享，带领我们进入万物互联的新时代，改变企业设备管理模式。将5G网络与各类传感器互联，无需布线，安装简单，同时还具备功耗低、可靠性高的优点，能够及时检测生产过程中发生的问题，发现故障位置。借助AI等手段，5G网络能够实现实时的监测预警，自动化的处置和修复设备故障，有效减少发现故障和排除问题隐患的时间，极大的提高工程人员对日常设备维护效率，降低现场人员工作强度，让专业人员有更丰富的时间深入研究设备状态及故障机理。（6）环保管理。采用5G通信技术，对装置高点、隐蔽点等开展泄漏全方位监测，支持高清视频、光谱成像等大数据流量传输，实现单一数据监测向综合监测转变，使监测网络“耳聪目明”，从而进一步减少泄漏。基于环保系统的泄漏扩散模拟、泄漏危险源识别、泄漏监测、闭环管理功能，打造“全面感知、预警预测、集成协同、分析优化”能力。3 5G 在石油化工行业的应用前景展望5G的发展极大地促进了工业数据的增长和算力的发展，加速了行业数字化转型、智能化升级的进程，催生出以“端（智能终端设备/物联网）-边（边缘计算）-云（云计算）-网（5G和高速光纤网络）-智（行业智能）”为代表的新IT架构，推动数字化时代基础设施的代际革命6。然而，不可忽略的是，IT和OT的融合仍然面临不少挑战，尤其是大量企业原有的工控设备是进口来的，标准碎片化、协议不开放，面临一些接入的难题，同时面向公众通信网的5G直接用到工业互联网也需要进行适应性改造7。另一方面，除了5G技术标准不断的演进之外，物联网、云计算、边缘计算、人工智能等新一代数字技术仍然需要不断融合、创新与发展。同时，相关行业标准，如软件定义、虚拟化、云化等，也亟待进一步完善和加速落地。回顾历代移动通信技术，不难发现，每一代技术都肩负起了“提升业务性能，扩展应用范围”的使命。从1G到4G，主要是实现人与人之间的信息交互，满足信息互通、情感交流和感官享受的需要。在4G后期开始引入了物联网技术，而5G将移动物联网作为其核心业务，并逐步实现了工业互联网，即“生产工作的移动化”，可称为“移动物联网”。时至今日，6G规划早已开展。在人工智能应用蓬勃发展的今天，6G技术需要补充的一个短板是“思考学习的移动化”，我们可称之为“移动智联网”4。当前很多石化企业还需要进行工业2.0的“补课”，基础设施升级改造势在必行，要实现人、机、料、法、环、测的全面感知，就离不开工业有线和5G网络的升级改造，通过融合通信，形成支持协同互联的生产环境。我国“5G+工业互联网”的发展已经进入快车道，随着技术创新持续赋能，产业突破从无到有，生态构建从有到优，发展环境日益完善，我国石油化工行业的“5G+工业互联网”必将迎来新的发展阶段8。参考文献1工业和信息化部：“5G+工业互联网”系列科普问答.2中国移动通信研究院.中国移动 5G 确定性工业生产网白皮书.2022.9.3 中国信息通信研究院，中国通信企业协会.5G 消息发展报告.2022.9.45G 技术核心与增强-从 R15 到 R16.清华大学出版社.5 中国移动 5G 联合创新中心，爱立信中国.通信 5G 与 5G 工厂研究报告.6中国信息通信研究院.企业数字化转型蓝皮报告新 IT 赋能实体经济低碳绿色转型.7邬贺铨.5G2B 创新数字转型赋能.8中国信通院.202