AII-5G 与工业互联网融合应用发展白皮书-2019.10-41页.pdf

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（5G AIA）2019 年 10 月 I 目 录 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 2.2 5G+超高清视频.6 2.3 5G+AR.8 2.4 5G+VR.8 2.5 5G+无人机.9 2.6 5G+云端机器人.11 2.7 5G+远程控制.12 2.8 5G+机器视觉.13 2.9 5G+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 II 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 5.2 ICT 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 1 第一章第一章 5G+工业互工业互联网应用发展现状联网应用发展现状 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 全球全球 5G+工业互联网政策及应用现状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2 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 Verticals 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 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”，3 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（“Digital Canada 150”）、澳大利亚（“Digital Economy Strategy”）、新加坡（“Smart Nation 2025”）、沙特阿拉伯（“Vision 2030 supports digital economy growth”）、印度（Made in India and 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 我国我国 5G+工业互联网政策及应用现状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4 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、5 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。第二章第二章 5G+工业互联网应用场景及需求工业互联网应用场景及需求 2.1 概述概述 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6 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。2.2 5G+超高清视频超高清视频 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7 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 50Mbps（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9 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 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 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 25Mbps（4K）600kbps 100Mbps（8K）设备巡检 2.6 5G+云端机器人云端机器人 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12 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 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。云端机器人实时操控或协作集成其它视觉应用需求 10Mbps-1Gbps 10-100ms 通信调度及语音、视觉、遥操作协同等业务数据实时交互，机器人本体完成终端传感器预处理（网络需求按移动速度、预处理方案不同而不同）2.7 5G+远程控制远程控制 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13 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）50kbps 50Mbps（8K）1Mbps 100ms 所有数据反馈应用场合 2.9 5G+云化云化 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15 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 5G 网络提出了相关需求：即满足通信调度及业务数据实时交互需求，以及集成其它视觉应用的通信需求。云化 AGV 系统包括室内及室外应用场景，室外覆盖范围约2km；满足工业高可用指标99.9999%，通信时延小于 100ms。目前的双目视觉 AGV，网络需求为上行带宽144Mbps（如果 AGV 端视觉预处理，上行带宽要求不高），时延3040ms。未来 AGV 安装 610 多摄像头（视觉导航、视觉检查等多16 种功能），移动速度提升到 23m/s，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 AGV 端实现视频压缩预处理，节省上行带宽），时延约为 20ms。云化 AGV 对于 5G 网络的需求 典型应用 上行带宽 通信时延 应用范围 云化AGV调度通信 1Mbps 100ms AGV 调度通信、状态管理等。室外覆盖范围 2km。云化AGV实时通信需求（SLAM）1Mbps-200Mbps 20-40ms 通信调度及业务数据实时交互（网络需求按移动速度、终端传感器预处理方案不同而不同）云化AGV集成其它视觉应用需求 10Mbps-1Gbps 10-100ms AGV 集成其它应用通信（与终端传感器、应用密切相关）第三章第三章 5G+工业互联网应用的网络架构工业互联网应用的网络架构 3.1 概述概述 5G 服务于工业场景的网络架构设计主要考虑以下几个方面：基本的业务实现需求基本的业务实现需求：工业会有 eMBB、uRLLC、mMTC 等多种业务并发的场景，需要从架构设计上确保资源、算法的协调/隔离，确保并发场景下的性能保障；另外，部分工业应用需要数据在尽可能靠近现场的近端闭环，部分工业应用则更期望集中处理。架构设计需要考虑如何灵活适配这些不同的业务要求。业务安全的需求：业务安全的需求：对于具备一定敏感度或机密性的业务数据，行业不希望数据进入公网，认为这会增加被窃取或被攻击破坏的风险，因此数据不出园区通常是一个基本的需求。在网络架构设计时，就需要确保数据的输出端口被限制在园区内，并且根据需要采取与外部网17 络的隔离措施，例如防火墙的设置等；投资经营类需求：投资经营类需求：包括行业的战略定位、商业模式、成本与收益三个方面。这三个方面会相互影响，并且会影响到包括行业客户、运营商等在内的多个产业链实体。产业链各方的战略定位会决定性地影响他们的合作商业模式，继而影响成本投入与后期的收益，而商业模式及成本收益诉求的实现，在技术上对网络架构的设计有重要依赖。基于运营商网络提供行业服务，可以缩短行业在引入 5G 上的时间并降低投资成本，而在网络架构上需要考虑如何确保运营商网络同时服务于行业（2B）和消费者（2C）两个不同的群体，从且确保他们的业务各自得到合适的保障。综合国际牵头产业链企业（ICT&OT）在标准组织、联盟、项目、技术合作等平台所提供的信息或观点，切片和边缘计算是关键的基础网络架构需求，已经形成行业共识。3.2 切片网络架构切片网络架构 切片是一种按需组网的技术，独立组网（SA）架构下将一张物理网络虚拟出多个不同特性的逻辑子网络，可满足不同场景诸如工业控制、自动驾驶、远程医疗等各类行业业务的差异化需求。传统的 4G网络只能服务于单一的移动终端，无法适用于多样化的物与物之间的连接。5G 时代将有数以千亿计的人和设备接入网络，不同类型业务对网络要求千差万别，运营商需要提供不同功能和 QoS 的通信连接服务。网络切片将解决在一张物理网络设施上，满足不同业务对网络18 的 QoS 要求。基于 5G SA 架构，采用虚拟化和软件定义网络技术，可以让运营商在一个物理网络上切分出多个虚拟的、专用的、隔离的、按需定制的端到端网络，每个网络切片从接入网、传输网到核心网，实现逻辑上的隔离，从而灵活适配各种类型的业务要求，实现一网多用，不需要为每一个服务重复建设一个专用网络，极大降低成本。图 1 给出了切片网络架构的示意图。图 1 切片网络架构 5G 的网络切片关键特征包括：1）按需部署：5G 网络功能将会采用基于云的服务化架构，5G 核心网可以根据不同业务服务等级的要求（SLA）对网络功能进行自由组合和灵活编排，并且可以选择网络功能部署在不同层级的 DC 数据中心。19 2）端到端 SLA 保障：网络的 SLA 指的是不同的网络能力要求，网络切片需要端到端网络共同进行 SLA 的保障。其中，无线和传输网保障和调配资源，核心网为不同的业务提供差异化的网络能力和业务体验。3）按需隔离：5G 网络切片是一个逻辑上隔离的网络，根据应用的不同，切片可以提供部分隔离以及逻辑隔离，也可以提供独立的物理隔离，需要根据行业特性，在综合考虑投资成本的基础上做出选择。4）运维自动化：5G 网络中会存在很多个网络切片，管理维护会及其复杂，必须要提供全生命周期自动化运维的能力。综合商业视角，切片网络的目标架构包括商业层、切片管理层和网络层。商业层为垂直行业客户提供切片设计服务以及购买入口；切片管理层提供跨域的切片调度、管理和实例化；切片网络层就是支撑上层应用的物理设备和逻辑功能模块。对运营商来说，切片是进入具有海量市场规模的垂直行业的关键推动力，与独立网络相比，通过切片实现的统一基础设施网络能够适应差异化业务的需求，可大大减少投资，实现业务快速部署。每个网络切片还可以独立进行生命周期管理和功能升级，网络运营和维护将变得非常灵活和高效。3.3 边缘计算网络架构边缘计算网络架构 多接入边缘计算（MEC）是将多种接入形式的部分功能、内容和应用一同部署到靠近接入侧的网络边缘，通过靠近用户处理业务，配20 合内容、应用与网络的协同，提供低时延且安全可靠的服务，达成极致用户体验。在 5G 服务工业互联网领域，边缘计算在基本业务实现、业务安全保障、商业模式支撑等方面都具备价值。从业务实现角度看，核心网用户面功能下沉到边缘部署，可降低网络时延，支撑 uRLLC 场景端到端低时延高可靠业务。时延需要在空口、传输、应用服务等多环节实现端到端保障，引入 MEC 后业务可以直接部署在离基站较近的位置，有助于端到端低时延的实现。ETSI 定义的 MEC（对应 3GPP 的 local UPF 本地用户面网元）同时支持无线网络能力开放和运营能力开放，通过公开 API 的方式为运行在开放平台上的第三方应用提供无线网络信息、位置信息、业务使能控制等多种服务，实现电信行业和垂直行业的快速深度业务融合和创新，为移动视频加速业务、AR/VR 低时延业务、企业专网应用、需要实时响应的 AI 视频分析业务等提供支持。从业务安全角度看，核心网用户面下沉到企业园区，实现企业业务数据不出工厂，可为企业提供更高的安全保障。从商业角度看，MEC 可以节省传输资源，尤其针对视频类存在大量数据传输需求的应用，数据能够实现在园区内的本地存储和运算，节省边缘到核心网和 Internet 的传输资源开销和商业成本。5G 核心网架构原生支持 MEC 功能，控制面和用户面完全分离，支持用户面下沉子 MEC，典型的组网架构如图 2 所示。21 图 2 边缘计算网络架构 第四章第四章 5G+工业互联网应用的典型案例工业互联网应用的典型案例 案例案例 1：5G+电子制造电子制造 5G+电子制造的应用背景和需求 电子制造是典型离散生产模式的行业，柔性化、自动化、智能化生产是增强企业竞争优势、提高生产效率的必然选择。中兴通讯长沙工厂是工信部智能制造示范基地，主要生产机顶盒、客户终端设备（CPE）等家庭信息终端等产品。中兴电子制造工厂的应用示范场景 中兴通讯在长沙工厂构建了 5G 工业物联、5G+MEC 的视觉导航+云化 AGV 调度、基于 5G 机器视觉的产品质量检测、5G AR 远程辅助指导等多个生产场景，实现了基于 5G 的电子产品制造业务智能工厂的应用示范，如图 3 所示。22 图 3 中兴 5G 智能工厂应用示范场景 1）5G 工业物联：通过 5G 网络重塑工业互联，实时采集并监控工厂车间内温度、湿度、工位静电、粉尘、气压等参数，进而提升制造合规率、促进节能降耗、减少静电释放及粉尘危害，保障产品制造的质量。2）5G+MEC 视觉导航+云化 AGV 调度：这一环节采用视觉及低成本激光融合导航，利用 5G 网络进行调度和视觉、传感信息的传输；在 MEC 进行视觉 SLAM 及指挥调度。目前基于 5G+MEC 视觉导航的 AGV 已经投入实际生产，这种 AGV 的优势有两个方面：一是与传统磁条 AGV 相比灵活度具有很大提升；二是相对激光导航 AGV，单台成本可节省 10%以上。3）5G 机器视觉产品质量检测：这一环节基于 5G+MEC 技术将机顶盒上盖检测、装配检测、包装盒体检测等工位采集的机器视觉图片传送到 MEC 侧集中处理，随后将检测结果下传到各个工位。此模式与传统单工位自动光学检测（AOI）设备相比，不仅单台成本至少降低 50%，还较大增强地了部署产品换线生产算法处理的灵活性。23 4）5G AR 辅助远程指导：在生产、运维等环节，当一线人员遇到疑难杂症时，可使用 AR 眼镜呼叫后方专家远程指导。该技术的优势是在解放双手的情况下可以通过远程高清音视频沟通。此外，这一技术可以实现基于电子白板的图像共享，快速提升现场作业效率。案例案例 2：5G+港口港口 2-1 德国汉堡港应用案例德国汉堡港应用案例 汉堡港的应用背景和需求 德国汉堡港占地约 8000 公顷，拥有一个复杂而密集的交通网络，其中包括水路、道路、118 座桥梁和 300km 铁路。然而，随着汉堡港规模的不断扩大，预测到集装箱海运量将呈现 2 倍增长，这对其发展提出了新的需求：需要优化海上水面运输网络以及航线、需要有效控制港口陆地车辆运输、需要建立有效机制来跟踪货物并能主动预测货物高峰、需要新的手段提供远程技术支持和快速响应，以应对突发的紧急复杂情况。2018 年，汉堡海港局在德国汉堡港的真实工业环境中测试了 5G技术，主要的应用示范场景如图 4 所示。24 图 4 德国汉堡港 5G 应用示范场景 汉堡港应用案例解决方案 1）引入网络切片功能：为保证海港特定应用及所需的网络质量和安全要求，汉堡港的 5G 网络切片包括支持管理水上和陆地交通信号灯、实时收集并处理环境测量数据以及使用 AR/VR 对工程团队现场支持等。同时每个切片分别支持相应应用案例，所有切片都使用相同的 5G 无线基础设施。2）引入 MEC 功能：为了进一步减小海港各种业务的时延、提高网络运营效率和业务分发传送能力，汉堡海港引入了 MEC 功能，即在距离用户最近的位置提供业务本地化和边缘业务移动性能力。3）引入 5G 无线双连接功能：汉堡港使用 700MHz 许可频段部署了 5G NR 海港通信网络，在使用双连接加专用切片的基础上，终端（传感器）可以同时建立连接两个独立基站的链路来保障海量传感器数据传输的可靠性。汉堡港的应用效果 目前，汉堡海港的通信网络测试及运营已经超过 1 年，其优势已25 逐步显现：水面港口的货物吞吐量大幅提高，每年增加大于 25000 泊位利用次数，增加了 7-10%港口集装箱吞吐率；地面车辆运行效率显著提高；通过部署传感器并实时收集、处理环境测量数据，降低了 30%的人力和 90%的货物损失率；网络自动化运营过程中每辆跨车的年可利用时间增加了 49 小时以上；降低了人力审查成本及 10-15%的维护开销；采用 AR/VR 技术有效地实现了远程故障监控和现场指挥；基于无人机的空域检测，实现了资产监测简洁化和应急反应快速化。2-2 青岛港应用案例青岛港应用案例 青岛港的应用背景及需求 青岛港是目前世界上较大的综合性港口之一，其吞吐量居世界第七位，货物吞吐运输需求日益变大，这对港口的货物装卸能力与装卸效率提出了更高的要求。一直以来青岛港的岸边作业设备依靠工人的现场操作，但是作业环境复杂、作业效率较低且人工成本高，同时有一定的安全隐患。解决这一问题的有效方法是将传统的人工操作方式转换成远程控制方式。青岛港网络连接方式是以有线形式的光纤网络连接为主，而部署光纤实现通讯需要对岸桥吊车设备进行改造，这样的网络部署结构复杂且费用高。即便建成，在后续日常作业过程中损耗较大导致维护成本升高。面对这些问题，现有的 4G、WIFI、特定频段专网等无线网络均无法满足，而 5G 的大带宽、低时延、高可靠的特性恰好能良好满足港口中远程控制信号的传输、高清视频的辅助控制以及全港区复杂环境监控等场景的网络性能需求，。青岛港应用案例解决方案 26 以 5G 网络为基础，结合物联网、移动边缘计算、人工智能等技术的创新应用，青岛港引入了远程控制、无人驾驶、智能物流等场景来构建 5G 智慧港口。1）在远程控制方面，利用 5G 的无线传输方式取代了原有主控PLC 到起吊设备 PLC 之间的有线通信方式，通过 5G 工业控制网关实现与原有工业控制协议的适配。5G 网络特性满足了 PLC 控制信号超低时延要求以及高清视频回传的带宽要求。同时为了进一步保障控制信号与高清视频回传的实时性，在青岛港港区内部署了 MEC 边缘云，MEC 边缘云的分流处理有两方面优势：一方面减少了数据从终端传输到核心网的传输路径，降低了时延；另一方面也保证了港口数据的封闭及安全。2）在港区的交通运输方面，通过 5G 与 MEC 的结合开发了远程辅助驾驶系统，从而实现了对网联车进行远程辅助驾驶和监控。该系统的驾驶服务部分部署在边缘云上，当驾驶端和车辆端距离较近时，可通过 MEC 进一步降低操控和数据传输时延，以提升远程辅助驾驶的效率。此外，针对无人驾驶车辆感知成本高以及感知盲区的问题，在路边部署感知设备，实时感知路况和道路信息等，利用 5G/V2X 技术实现感知信息共享，从而辅助车辆实现决策和控制等功能。这样一来增加了感知范围，降低了感知成本，丰富了感知信息，实现了 5G与智能交通系统的深度融合。青岛港的应用效果 青岛港案例不仅充分利用了 5G 大带宽、低时延、高可靠性的特27 点，还验证了 5G 在智慧港口的建设应用。通过 5G 无线网络的连接与控制，实现了作业现场的无人化操作，提升了操作的灵活性和可靠性，节省了 70%的人力资源，改善了工人的作业环境，综合看来，港口的作业效率显著提高。5G 与工业互联网新技术的结合使得港口业务更加的多元化、高效化和智能化。青岛港案例的验证与试运行，必将有效推动我国港口向机械设备自动化、物流调度智能化以及信息数据可视化的智慧港口方向发展。案例案例 3：5G+电网电网 5G+电网的应用背景和需求 随着我国电力行业中大规模配电网自动化、低压集抄、分布式能源接入、用户双向互动等业务的快速发展，各类电网设备、电力终端和用电客户的通信需求出现爆发式增长。因此，迫切需要一个技术先进、安全可靠、性能稳定、运行高效的无线通信网络支撑电力系统。5G 正是这样一种能更好地支撑智能电网发展需求的通信技术，可以从泛在接入、安全可靠、可管可控等方面助力智能电网典型业务的应用。5G 智能电网应用示范场景总体上分为控制和采集两大类：控制类场景包含智能分布式配电自动化、分布式能源调控等；采集类场景主要包括高级计量等。其中：控制类业务场景的连接模式将出现更多的分布式点到点连接，随着用电负荷需求侧响应、分布式能源调控等应用的出现，主站系统将逐步下沉，出现更多的本地就近控制、且与28 主网控制联动的需求，网络时延需求将达到毫秒级；采集类业务场景对采集频次、内容、双向互动等方面提出更高的要求。5G+电网的应用示范场景 1）智能分布式配电自动化的通信时延要求为 50ms，通过 5G 低时延、高可靠特性可以保障差动保护业务信号的传输，从而实现配电网的差动保护控制。差动保护控制可以通过继电保护自动装置检测配电网线路或设备状态信息，快速实现配网线路区段或配网设备的故障判断及准确定位，快速隔离配网线路故障区段或故障设备，并对非故障区域恢复供电。2）分布式能源调控系统主要利用 5G 来实现大规模分布式能源业务的海量接入及管理