基于5G的工业智能化云系统

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摘要：【摘 要】目前国内制造业面临技术改造和转型升级等问题，5G将作为支撑智能制造转型的重要使能技术。首先，结合国内工业互联网的应用现状分析其典型的业务应用;其次，从系统架构、技术需求等方面，深入研究分析工业智能化云系统;最后，搭建网络环境将工业互联

　　【摘 要】目前国内制造业面临技术改造和转型升级等问题，5G将作为支撑智能制造转型的重要使能技术。首先，结合国内工业互联网的应用现状分析其典型的业务应用;其次，从系统架构、技术需求等方面，深入研究分析工业智能化云系统;最后，搭建网络环境将工业互联网应用场景与工厂内本地网、工厂外传输网有效地连接起来。通过验证表明，5G网络能很好地满足上行高带宽传输、下行低时延控制的结合，同时，基于5G的AR智能巡检、远程运维指导、机器视觉检测，已成为当前工业互联网的典型应用。

　　【关键词】AI;AR;MEC;大数据;工业互联网

　　0 引言

　　自2015年以来，国务院先后出台《中国制造2025》《国务院关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》《深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》等一系列指导性文件。如今，5G、工业互联网作为新型基础设施建设的重要内容，将助力传统产业转型升级，推动工业化与信息化在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合发展。

　　为了支持工业互联网的低时延、高可靠的通信需求，在3GPP R15版本中，主要通过更大的子载波间隔、Mini-slots、快速HARQ-ACK、Pre-scheduling等技术来降低空口时延，并通过PDCP复制传输、增强数据与控制信道的传输系统参数等技术来提升传输的可靠性。在R16版本中，3GPP提出uRLLC高可靠性增强解决方案，如通过PDCCH监视功能、支持多个HARQ-ACK、无序PUSCH调度、UE优先级和多路复用等多个功能[1-2]。综合R15版本和刚冻结的R16版本，将使以往受限于网络接入而不能实现的工业互联网业务，在5G网络下变得可行。面向未来，5G R17版本将持续完善相关的技术指标，进一步满足未来工业互联网中多种业务应用的技术需求。

　　本文将结合国内工业互联网的应用现状，研究探讨5G网络下工业互联网的技术需求、工业智能化云系统的设计以及应用案例的业务价值。

　　1 5G网络下的工业互联网业务分析

　　目前我国“5G﹢工业互联网”业务应用案例超过上千个，典型应用场景集中在AR智能巡检、远程运维指导、机器视觉检测、工业设备操控、智慧工厂应用等[4-5]。

　　(1)AR智能巡检：巡检人员佩戴智能AR眼镜进行远程巡检，对现场生产设备进行数字化管理，通过5G网络实时回传高清巡检画面、设备信息、环境信息等，对收集的数据进行智能化分析，判断厂区设备或环境是否存在异常，保障生产线的稳定运行，提高巡检工作的效率及准确性。

　　(2)远程运维指导：利用“5G+AR”技术实现远程专家对一线工作人员进行技术指导，分析故障类型和解决方案，确保故障判断的准确性、维护的及时性，使生产线现场设备的维修、维护变得更高效、更便捷。

　　(3)机器视觉检测：利用5G网络结合超高清视频对产品的缺损、拼缝缝隙等进行监控，实现检测数据快速传输，通过AI算法实现对产品的智能化检测，提高产品成品率和提升生产效率。

　　(4)工业设备操控：对于高危场景(如矿井、辐射区域等)下，操作人员在控制中心佩戴可穿戴装置，通过5G网络对装载在特殊机器人身上的仿生机械手进行远程控制，实现保养及检修、处理放射性废物等一系列操作，完成预定的工作目标，保证生产的安全性及可靠性。

　　(5)智慧工厂应用：利用5G网络，在工厂内可以实现设备互联、人员互联、工装互联、工具互联、物料互联、产品互联，将产生的数据在云平台进行大数据智能分析决策，实现全连接工厂实时生产优化。

　　2 基于5G的工业智能化云系统的验证与应用

　　2.1 系统总体架构

　　工业互联网需要一张无所不在的宽带网络，把人、物、数据、流程全部连接起来。传统的工业互联网业务，主要依靠有线网络或Wi-Fi进行数据传输和执行控制。当前存在诸多问题，如有线网络对生产线布局带来一定的限制，Wi-Fi网络信号的不稳定及对工业接入点频段带来严重干扰等问题。

　　5G网络不仅能有效解决生产线的有线部署、网络信号不稳定及干扰等问题，通过无线传输、无线控制，改变设备之间的依存关系和连接模式，还能满足操控类业务对网络低时延的要求。本文中工业智能化云系统是基于“云-管-端”的新型架构，由采集终端、工业智能网关、5G网络、MEC服务器、工业云平台和可信云平台组成，将工业互联网应用场景与工厂内本地网、工厂外传输网有效地连接起来[6]。

　　基于5G的工业智能化云系统网络拓扑图如图1所示：

　　采集终端：各种机器、设备组及设施通过传感器、控制器和监控设备与5G网络连接。

　　工业智能网关：部署在工厂内本地网，对异构的设备接入层进行统一，减小甚至消除架构、接入方式和各种设备之间存在的巨大差异，实现5G网络与工业网络之间的互联互通。

　　5G接入网：宏基站或小基站，承载传送本地以及远程业务数据流的职责，是架构中的数据传输主干。

　　MEC服务器：部署在无线接入侧，可提供本地应用服务，减少数据传输过程中的转发和处理时间，降低端到端的传输时延。

　　5G核心网：提供5G网络终端接入的加密鑒权等安全服务。

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