賴小龍 胡慶 鄧華陽

（重慶移通學院，重慶 401520）

0.引言

工業(yè)物聯(lián)網（Industrial Internet of Things, IIoT)是指將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動通信、智能分析等技術不斷融入工業(yè)生產過程各個環(huán)節(jié)，大幅提高制造效率，改善產品質量，降低產品成本和資源消耗，最終實現(xiàn)將傳統(tǒng)工業(yè)提升到智能化的新階段[1]。隨著5G技術逐步成熟以及在我國大規(guī)模商用，人工智能、云計算、物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、大數(shù)據(jù)等技術融合，正在改變人們的生產、生活方式[2]。而5G網絡技術以其優(yōu)越的性能在大規(guī)模高速率場景、AR/VR、物聯(lián)網等方面優(yōu)勢，直接將工業(yè)中設計、制造、管理、運輸、銷售等全流程帶入數(shù)字化、網絡化和智能化。

1.工業(yè)物聯(lián)網技術應用需求

1.1 數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視

數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視（Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA）是將在工業(yè)設備當中的傳感器所采集到的數(shù)據(jù)信息上傳到云平臺中，并以可視化數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來。在當前的工業(yè)體系當中大部分的設備擁有大量各類傳感器，而在一些老舊設備或者特殊場景下的設備也另外部署傳感器得以采集數(shù)據(jù)[3]。在數(shù)據(jù)傳輸方面根據(jù)所處環(huán)節(jié)的情況采用有線或者無線的方式連接到服務器或者云平臺上。在數(shù)據(jù)傳輸過程中，存在困難一般有：環(huán)境的復雜和外部的干擾；設備一般為不同廠商、不同型號的設備，其數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的難以兼容；數(shù)據(jù)的可視化以提高管理人員的工作效率。

1.2 數(shù)據(jù)分析與管理

目前絕大部分的工廠都會采用云服務平臺，將采集到的數(shù)據(jù)在云上進行處理分析，并附有對應軟件應用，如指標異常的告警、故障提示以及原因關聯(lián)分析等。這類數(shù)據(jù)分析還只是專家系統(tǒng)的分析階段，并不設計垂直領域下的行業(yè)數(shù)據(jù)分析。

1.3 深度數(shù)據(jù)分析與應用

通過大量數(shù)據(jù)和人工智能相結合，采用強化深度學習的方法，根據(jù)設備和數(shù)據(jù)特性建立數(shù)據(jù)模型，用以解決行業(yè)疼點，如分析出分子原子級的變化、升級制造工藝、優(yōu)化生產流程、提高設備使用效率和壽命。

1.4 工業(yè)控制

工業(yè)物聯(lián)網的其中重要的目的就是在工業(yè)過程中的精細化控制和管理?；跀?shù)據(jù)采集和監(jiān)視、數(shù)據(jù)分析與管理、建模和深度數(shù)據(jù)分析和應用等環(huán)節(jié)形成最終的決策，并對相對應的設備發(fā)出指令并執(zhí)行。但傳統(tǒng)工業(yè)收到通信技術和執(zhí)行所限制，在智能化工業(yè)方面還難以滿足理想工業(yè)體系的發(fā)展。通過我國將5G技術作為新基建建設的投入，可以滿足工業(yè)界對工業(yè)控制等方面的要求。

2.基于5G下的工業(yè)物聯(lián)網

2.1 總體架構設計

基于5G技術的工業(yè)物聯(lián)網總體架構設計如圖1所示。

圖1 工業(yè)物聯(lián)網總體架構

感知層主要是采集各環(huán)節(jié)中的數(shù)據(jù)流，包括壓力、重力、溫度、速度、流量、偏移、電流、電壓等信息。通過相關模塊單元、軟硬件等實體設備設施進行數(shù)據(jù)的采集和收集。

網絡層主要是5G技術，通過5G網絡中的接入網、邊緣計算、核心網和SDN/NFV等系統(tǒng)組成。面向工業(yè)物聯(lián)網提供對應場景的接入和數(shù)據(jù)傳輸和交換的能力，實現(xiàn)大規(guī)模連接等能力。

支撐層主要完成數(shù)據(jù)處理、分析、儲存和工業(yè)建模等人工智能方面的應用，提供足夠的算力和存儲力。

應用層是針對于特定領域下的具體應用，包括智能分析、制造、設計、生產、加工、供應鏈和管理等反面提供最優(yōu)決策。通過應用層實現(xiàn)全流程的智能化改造和升級。

2.2 基于5G的工業(yè)物聯(lián)網部署

基于5G的工業(yè)物聯(lián)網部署可分網絡切片、企業(yè)專網兩類部署。

（1）網路切片部署。通過運營商的5G公網，根據(jù)廠區(qū)的不同活動區(qū)域的不同需求，采用網絡切片方式，按需求覆蓋，滿足工廠通信的需求。通過經濟、快捷的部署，實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網的建設要求，適合于初創(chuàng)的工廠需求。

（2）企業(yè)專網部署。針對大中型企業(yè)的需要，通過獨立組網的方式，部署5G基站、邊緣計算、企業(yè)級網絡和數(shù)據(jù)中心，建設具有獨立管理能力的應用系統(tǒng)和管理網絡。

2.3 5G邊緣計算部署方案

邊緣計算是核心網功能的下沉的表現(xiàn)，將計算、存儲、處理更接近于用戶，滿足低時延要求。具體包括邊緣節(jié)點、邊緣云、邊緣網關和邊緣應用。

2.4 5G工業(yè)應用平臺

針對于工業(yè)過程中設計到的設計、制造、生產、運營、供應鏈、培訓指導等工作流程，建立實現(xiàn)其功能的工業(yè)化應用平臺，實現(xiàn)產品全流程、全生命周期的數(shù)字化管理，建設虛擬化設計、無人工廠，以“數(shù)據(jù)為核心”，不斷深化人工智能，優(yōu)化人機料法環(huán)等環(huán)節(jié)。

2.5 網絡安全

工業(yè)物聯(lián)網的網絡安全問題一直是重中之重的問題，

我國和其他國家都面臨過各種人為或者為人為的侵害，而后果是不堪想象的，針對安全問題，應積極的從物理環(huán)境、通信網絡、硬件平臺、病毒入侵等方面建立起綜合防御體系，以免造成巨大的損失和傷害。

3.工業(yè)物聯(lián)網的應用方面

3.1 物料供應管理方面

在物料供應中，對于裝配物料感應設備的智能貨架，在通過附加5G通信模塊，采用無線接入方式，將物料管理數(shù)據(jù)上傳云端相應應用平臺，實現(xiàn)端到端數(shù)據(jù)互通，貨架清點和及時補充，貨源溯源。打通整個供應鏈，實現(xiàn)智能物料供需處理，完成實時性和安全性的要求。

3.2 環(huán)境監(jiān)控管理

環(huán)境監(jiān)控設備通常連接大量物聯(lián)網傳感器如光照、溫度、顆粒等器件，通過加裝5G物聯(lián)網通信模塊，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時或者周期性上傳到云端。在云端實現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、建模、管理、計算等聯(lián)動操作，實現(xiàn)環(huán)境檢查的實時性。

3.3 工業(yè)自動化控制

在自動化機械設備（機器人、傳送帶、閥門開關、儀器儀表）中加裝5G通信模塊。將實現(xiàn)低時延、高可靠的控制和監(jiān)控功能。

3.4 工廠全過程智能化改造

通過深度學習和5G物聯(lián)網通信相結合，將工業(yè)中各種業(yè)務場景和生產管理流程進行優(yōu)化升級，形成具有極高生產效率的無線智能化工廠。

4.結語

5G技術的普及讓傳統(tǒng)通信以人與人的相連到物與物相連的巨大轉變，直接推動這個工業(yè)化第四次革命的到來，將單一工廠升級為網絡化工廠；自動化工廠升級為智能化工廠；實體工廠升級為虛擬工廠。實現(xiàn)工廠智能化還存在很多問題和挑戰(zhàn)，工業(yè)在網絡化、智能化、虛擬化的經常也是信息系統(tǒng)建設的過程，伴隨5G技術的不斷發(fā)展，基于5G技術的工業(yè)物聯(lián)網勢必得到充分發(fā)展和應用。