作者 | 歐氪（ 郵箱：hightechpm@163.com）
編輯 | 石亞瓊
5G牌照發放以來，各界對5G的熱情一直不減，尤其工信部苗部長最近還說5G的主要應用在工業網際網路領域。但5G到底在工業有哪些實際應用場景？5G作為公共的蜂窩網絡，又如何應用在區域網為主的工廠？回答這些問題前，我們可能還要從原理和部署模式出發，搞清一些重要問題，才能真正理解5G將如何用於工業場景。
一、目前5G不完全等於運營商商用網絡
首先我們要搞清楚的是，我們所期待的5G工業應用，和目前的各地5G運營商網絡建設，還有著明顯的區別。
通常講到5G，我們會提到5G支持三種基本類型的通信：增強型移動寬帶（eMBB），大規模機器類型通信（mMTC）和高可靠低延遲通信（URLLC）。正是這3種通信的各種優點，讓人們對5G在工業的應用充滿了想像。
但我們必須注意的是，目前5G標準是分階段的，現在凍結的R15版本主要面向eMBB大帶寬業務的，面向uRLLC的高可靠低延時標準R16版本還在制定中，預計今年年底才凍結，eMTC的則更晚。R16版本凍結前，目前的5G（R15版本標準）應用主要還是圍繞大帶寬數據傳輸展開，當前討論高可靠低時延的應用還是以暢想為主，至少目前運營商自己通過5G網絡開展的應用，並沒有uRLLC的部分。
不過，目前已經應用的5G案例有很多也提到了低延遲，但主要是得益於5G的高傳輸速率。很多延遲能夠降到20ms水平，但還達不到uRLLC標準的1ms級別要求。但研發通信設備的華為等，倒確實是在1ms級uRLLC方面有一些試點項目，如X Labs實現了5G下1ms的延遲實現倒立擺實時控制，與Festo測試雲化AGV遠程閉環控制，與Beckoff實現PLC無線通信等，但還未大規模商用。不排除部分企業和運營商、華為等合作在廠內建設了1ms級延遲的5G切片，並開展工業實時控制方面的應用試點。
二、5G的兩大類應用方向
在這樣的技術現狀下，5G在工業領域，其實主要有2大類應用方式：
方式1：工廠內布置5G網絡，用於設備數據通信，大規模數據傳輸等
提到工廠內的應用，最容易想到的還是控制。工業控制大致分為設備級，產線級和車間級，設備級和產線級對可靠性和延時要求很高，又很少移動，因此在uRLLC完成前，目前主要還需要通過現場總線等有線方式。車間級網絡的布置和控制倒是有5G應用的空間。
隨著工業網際網路的發展，越來越多的車間設備，如工具機、機器人、AGV等開始接入工廠內網，尤其是AGV等行動裝置的通信，有線網絡難以滿足，對工廠內網的靈活性和帶寬要求越來越高。傳統工廠有線網絡可靠性帶寬高，但是靈活性較差，無線網絡靈活性較高，但是可靠性，覆蓋範圍，接入數量等都存在不足。兼具靈活性、高帶寬和多終端接入特點的5G，成為承載工廠內設備接入和通信的新選擇。
由於1ms級的uRLLC標準還未定，當前應用試點的5G設備數據通信主要是基於5G大帶寬和接入設備量多的特性，帶來的延遲下降及更好的可靠性，替換目前的WiFi類無線通信方案。
WiFi目前用於設備通信主要問題是和4G網絡頻段接近，易被幹擾，覆蓋能力不足，接入能力不足。5G網絡相比WiFi的優勢，主要是傳輸速率更快，延時更低，支持同時接入的設備更多，通信的抗幹擾性更強。
5G傳輸速度相比WiFi提升還算明顯。WiFi分為2.4Ghz和5Ghz兩種，5Ghz WiFi工作在5Ghz頻段，速度更快，目前典型的5G WiFi峰值速率約1.7Gbps左右。5G網絡採用eLTE技術，我國確定的工作頻段也在3Ghz-5Ghz，在100MHz帶寬下，5G網絡可實現10Gbps峰值速率， 要高於5G WiFi。WiFi的下一代標準WiFi 6，也可以達到9.6Gbps峰值速率，但離普及還有一定距離。
速度快帶來延時的降低。有些工廠AGV實測傳輸延遲從幾百ms降低到幾十甚至幾ms。喜臨門的5G網絡將數據採集延時從45-200ms降低到了25ms左右。新安化工園將多個數據採集終端通過PLC匯聚後接入5G網絡，實現控制平臺實時監測，一旦發現數據異常，立即報警並啟動反向控制系統，端到端時延平均在20ms左右。
5G支持的設備接入也更多。新鳳鳴集團長絲生產車間在5G網絡下，企業數據採集點位從8萬個提升到21萬個。
構建好5G工廠網絡後，其應用主要有3個方面：
1.設備數據採集。武漢中科虹信車間的5G示範線、新鳳鳴集團長絲生產車間、湖州諾力四期智能工廠、喜臨門3條袋裝彈簧生產線、2條絎縫生產線、新安化工園等，都布置5G網絡用於設備數據採集和通信。
2.AGV通信和控制。AGV、叉車等廠內車輛，目前正在普及無人自動控制和調度，但由於設備持續移動，通信和控制不適合使用有線網絡，因此對無線網絡需求明顯。當前AGV的無線通信主要通過WiFi，新鳳鳴、兆豐機電、山推車間則已經在應用基於5G通信的AGV。未來廠區內只要5G無線網絡覆蓋到的地方，就都可以實現AGV的運行。
3.大規模數據傳輸及雲+邊分析。圖像、視頻等大規模數據，從前只能通過有線傳輸，或無線延遲較高，如今則可以通過5G傳輸，並實時在雲端進行三維重建、AI識別等分析，將結果返回現場，指導現場生產。應用這類的方向有：
1）高清視頻監控
新鳳鳴集團長絲生產車間以8K超高清的影像同步傳輸到生產調度中心，監控中心的專家團隊實時向現場維護人員作出操作指導。金陵石化廠區內實現5G網絡全覆蓋，將現場高清視頻傳輸到監控室，安全督導員不需跑現場進行無死角安全督導。
當然如果只是視頻監控，對延時要求並不高，使用變焦攝像頭也可以解決清晰度問題。
在空曠空間，5G的優勢更明顯一些。扎哈淖爾煤業公司安裝了6座5G基站，實現了生產現場全覆蓋，並給煤炭自卸車裝上了360度無死角攝像頭，利用環視模塊的圖像拼接，實現駕駛人員對車輛周圍環境無盲區直觀觀察，並通過5G網秒傳至安全監控中心，實現了白天有效監控距離10千米,夜間有效監控距離3千米的高清監控。
2）機器視覺質檢
通過AI進行缺陷監測等質檢，如今已經在很多行業應用，過去這一方式由於數據量大，圖像傳到伺服器分析時間較長，通過5G則可以將高清產品圖像快速發送到雲端伺服器，實時AI分析並反饋結果。中國電信湖南公司攜手中興通訊共同打造的5G智能製造基地內，產品合格率在人工檢測的基礎上再提升30%，羅博特科則將CCD矽晶片檢測分選機接入5G網絡，實現矽晶片的自動分選。
杭州汽輪集團的5G三維掃描建模檢測系統，傳輸的則是三維數據。車間將零件的立體掃描數據實時傳輸到雲端伺服器，實體重建零件的三維模型，並通過與標準模型的比對，判斷產品誤差率是否在正常範圍內返回現場。由於5G的高速傳輸，系統使得檢測時間從2-3天降低到了3-5分鐘，使得產品從抽檢變為了全檢，還建立了質量信息資料庫。
這類大規模數據如果不通過5G，目前則可能是採用現場直接放置計算機，通過乙太網等方式將視頻傳輸到計算機進行分析識別。本地計算機運行訓練好的深度學習模型倒也可以，不過計算量更大的三維重建可能就存在難度，大規模數據還是要上傳伺服器進行深度學習訓練。此外，現場放置計算機可能也會受到場地的限制。
3）AGV視覺導航
目前的AGV視覺導航主要採用磁導、二維碼、雷射等方式，磁導和二維碼需要預先布置場景，靈活性較差，雷射導航靈活性較強，但成本較高。直接採用視覺計算導航，靈活性高，成本可低於雷射，但技術難度加高，數據計算量大，基於5G將實施視覺畫面傳輸到雲端伺服器計算，並實時返回結果控制AGV,則有助於AGV視覺導航方式的應用。
不過AGV視覺導航雖然靈活性更高，實際應用範圍卻並不多，需要產線物流具備高柔性的場景還不多，反而帶來很多成本增加，應用空間可能比較有限。
4）ARVR
AVR在工業主要用在遠程指導等場景。如產線操作員在生產操作中突遇緊急困難，可通過佩戴AR眼鏡，以第一視角與技術專家進行遠程實時音視頻通訊。專家在看到眼鏡端採集的視頻後，可即時實施AR標註、凍屏標註等系列操作並反饋到操作員視線中，或將部分實用資料，包括介紹文檔、視頻解說等，一併傳輸給現場人員，輔助現場解決疑難問題。
AR遠程指導對5G的應用，可能主要是更清晰的視頻傳輸，VR則主要是需要以5G實現Gbps級數據的傳輸，去掉連接頭顯的線。不過在5G之前，TPCAST們已經實現了這一目標，5G或許能簡化TPCAST們的方案。海爾智能+5G互聯工廠內，就應用了AR遠程指導的場景。
方式2：通過5G廣域網絡，實現設備遠程遙控和大規模數據傳輸等
在廣闊室外運行的一些作業車輛、飛行器等，由於工況危險、作業範圍偏僻等原因，有一定的遙控需求，也初步實現了一些遙控功能。但這些遙控要麼使用近距離通信方式，場景受限，要麼使用廣域無線網絡，但數據傳輸能力有限。廣闊場景，如大型礦山，只能使用廣域網絡，但4G實時行駛畫面傳輸延滯後明顯 ，導致車輛運行速度無法提高，不能實現遠程遙控的有效應用。
除了遠程遙控，車輛、無人機等運行、作業時，還有運行信息回傳的需求。隨著通信網絡發展，車輛回傳信息從2G時代基本GPS信息，到3G時代各類運行參數，以及4G時代的視頻，一直在持續提升。5G的大帶寬網絡用更低的延時實時回傳高清視頻，結合數據的實時雲端分析和結果返回，則可以形成一系列實時分析控制應用。
1. 車輛、飛行器遠程遙控
洛陽欒川礦業聯合華為、聯通、躍薪智能，在礦山安裝了9個5G基站，部分採礦設備和運輸車輛通過接入5G網絡，毫秒級低延時實時傳輸作業畫面到控制室，及1200公裡外的華為展廳，從而實現穿孔、鏟裝設備、運輸車輛的遠程操作控制。基於5G的無人駕駛礦車速度從4G時的10公裡每小時提升到30公裡每小時，效率大大提升。
中興聯合浙江電信、寧波工業網際網路研究院、浙江大學控制學院則測試了基於5G的汽車遠程駕駛業務。測試時駕駛艙位於杭州電信武林展廳，而車輛則在上百公裡之外的寧波工業網際網路研究院，寧波遠端車輛的車載高清攝像頭通過中興通訊5G模組，將寧波現場道路情況、駕駛實況高清視頻回傳至杭州駕駛艙，駕駛艙則實時將控制信號回傳至遠端車輛，兩地聯動實現了遠程實時控制。
豐田和日本電信運營商NTT DoCoMo也聯手實現了通過5G網絡操控10公裡以外的人形機器人，展示了5G設備操控更多的潛力。
如果此技術遠程操控的換成武裝無人機，很多電影中無人機追殺人的場景無疑很快就會到來。當然，現有的不少軍用無人機，依靠軍用通信系統，已經實現了遠程遙控和攻擊。
當然，設備遙控在空間較大的工廠內也可以通過布置5G網絡的方式應用。寧波舟山港梅山島國際貨櫃碼頭4號堆場，就通過5G的布設，將輪式龍門吊作業視頻回傳遠程控制臺，使操作人員通過控制手柄遠程遙控龍門吊吊具等。系統可以達到18X30-60M的傳輸帶寬，<30ms的延時，據稱可以替代光纖。
2.遠程巡檢、數據採集分析
上海聯通和上海上海天然氣管網公司合作5G工業無人機解決方案，現場直播5G工業無人機在崇明島上沿天然氣主幹網實時飛行巡線採集的高清視頻，同時後臺自動識別工作區，對前後兩次無人機拍攝圖像的對比分析，判斷工作區管道變化情況，顯著提升效率，降低成本，並保障作業人員人身安全。
廣州海工船舶設備公司則給無人艇安裝各類攝像頭，用5G將數據實時傳輸到後方資料庫，用於水質監控。無人船船艙下面是浸沒水中的水質檢測探頭，船頂上是全景攝像頭時刻記錄水面和水域環境，船艙內精密的儀器現場分析水質情況和各類參數。這些水質分析數據與水面、水域情況，都通過5G信號實時回傳到後方資料庫。相比傳統採用後分析的過程，水質監控的實時性極大的提高。
三、5G網絡接入方式，未來工業應用的關鍵
作為為運營商網絡而生的技術，5G網絡天然就是要構建一張巨大的公網，但這個網絡跟日常工業企業的內網需求存在顯著差別，工廠內部不同的業務需要的網絡不同，更重要的是工廠網絡一般是區域網，為了安全很多都追求與公網的物理隔離。
將一個廣域網技術用在需求區域網的場景，顯然會有很多問題，因此5G也衍生了MEC邊緣處理器、切片等一系列新技術來適應工業應用。簡單來說，目前企業應用5G的話，有這麼3種方式：
第一種，也就是目前5G工業應用最多的方式，通過放置在最低到工廠MEC邊緣處理器，實現以邊緣計算節點（從整個運營商網絡看，一個MEC處理器是一個邊緣計算節點）為伺服器的區域網。
這種模式下，聯網的設備加裝5G通信模組（或廠內布置CPE，將5G信號轉為WiFi信號連接設備），適當布置基站構成整個網絡，在車間布置MEC伺服器，用於企業內數據通信，及與運營商大網的連通。這種模式下，企業的數據通過MEC伺服器在企業內中轉，沒有流向公網，從而事實上構建了一個給企業專用的小型區域網。事實上要保證低時延，也只有儘可能的將伺服器靠近企業。
目前不少應用都有這方面嘗試，但要將MEC伺服器下放到企業內部並不容易，廣東移動給廣東一家鋼鐵廠打造5G+智慧鋼廠時，將邊緣伺服器下沉到了地市數據中心，實測數據從鋼廠產線到網絡邊緣物聯網平臺之間的回傳時間，約為21ms。電信和三一重工合作了一個AGV+5G+MEC的案例，獲得了「綻放杯」一等獎，MEC則準備部署在企業級邊緣。
這種方式組網時，仍然也需要布置在廠內布置基站。根據工廠面積，5G的布置也可能使用宏基站，或者小基站。室外環境宏基站更適合，室內可能也以小基站為主。
小基站為主的組網布置方式，相比WiFi布置上並沒有簡單很多。一般WiFi室內覆蓋範圍幾十米左右，5G小基站覆蓋範圍也是半徑50-200m左右，與WiFi接近。湖州諾力四期智能工廠通過5G基站的設置，取代了原有的70個無線AP，但武漢中科虹信車間的5G示範線只有30米長，卻布置了30個每個輻射範圍只有30米半徑的小基站。
空間更開闊的港口環境下，5G基站需要量少很多。華為在寧波港一共布置了3個宏基站和8個AAU，就覆蓋了45萬平米的區域。
第二種方式，則是不設置MEC伺服器，但通過軟體手段，類似VPN的方式，在整個大的網絡中，開闢一條軟的網絡通道給企業，形成虛擬區域網，也就是5G切片。由於伺服器可能離企業較遠，這種方式傳輸延遲可能天然不如第一種方式更好。
第三種方式，則是針對要求更高的情況，使用5G基站組網的這個原理，為企業組建一個與運營商大網物理隔離的真正的專網。這種模式下，企業更像是一個小運營商，自己搭建了一整個網絡，與三大運營商沒有太多關聯，不像前兩種方案，還是與運營商網絡有連通。5G的高帶寬、低延時和高可靠性能如果全都達到，企業建設一個專網，可能會大大簡化目前多種方式並存的網絡布置方案。
不論從安全性，還是性能方面，這種企業專網都更符合工業企業的需求，德國的寶馬、大眾、戴姆勒，中國臺灣的鴻海集團、中油、臺塑等企業，都表達了自己建設企業專網的意向（尤其是汽車企業面向未來的自動駕駛）。但是在當前的政策下，企業建專網，其頻段是需要經過政府審批許可的。我國大陸目前的5G網絡給三大運營商的頻段都是用於5G大公網的，並沒有針對工業應用的頻段。
其它國家、地區針對這一問題已經提出了一些解決思路，臺灣給了5G專網三個選擇，一是向電信運營商租用專有網絡，二是向電信運營商租用頻譜，自己建設，三是政府規劃專用5G頻譜，讓企業申請調配。而目前德國、日本、英國、中國香港等則都已經針對垂直行業應用，保留了特定5G頻譜。我國大陸這塊會如何處理，目前似乎還不清楚。
假設5G企業專網能夠落地，工業網際網路的概念，將和我們現在的理解不一樣。如果5G的eMBB、uLLRC、eMTC都成熟，規劃了面向行業的頻段，企業或行業建設成了專門面向工業應用的，與運營商大網隔離的工業網絡，這個網絡就成為純粹面向工業的專用網絡。在這種條件下，整個工業網絡接入的市場將會非常龐大，工業數據安全的問題也能夠得到更好的解決。
5G企業專網將衝擊運營商的商業模式。如果政策限制5G專網只能由運營商來建，則5G專網給運營商帶來一塊純2B做網絡建設解決方案的業務。如果不是，這部分業務很大可能會流失到華為、中興們手中。5G專網不再與運營商大網連通，運營商可能會失去不少企業客戶。
面對工業場景的組網需求，運營商已經在積極發力。中國移動提出企業專網解決方案（簡稱ENS），基於基站和頻率是否和公眾用戶共享，ENS包含三種網絡架構滿足港口等典型行業的多業務的組網需求，包含：頻率獨享、基站共享的混合專網（M.ENS）；頻率和基站都共享的虛擬專網（V.ENS）；頻率和基站都獨享的物理專網（P.ENS）。青島港龍門吊遠程作業應用就採用了其中的M.ENS組網模式。
總結：5G到底將優先應用在哪些場景
短期看，5G比較適合優先應用的場景有大概四種：
1. 一般工廠車間，5G用於AGV等行動裝置。
2. 一般工廠車間，5G用於大規模數據傳輸和後臺實時分析。
3. 港口、礦山等面積較大的封閉工業現場，5G用於設備遠程遙控作業等。
4. 燃氣管道、電力輸送線、河流等開放場景，通過5G實現遠程巡檢和監測
當然，這只是目前應用試點中體現出來的較多的應用場景。目前的應用試點離實際商用，還差著投入產出比和數據安全兩個關鍵問題要解決。
花費方面，1，2，3都可以做成MEC伺服器部署於企業的形式，避免數據通過運營商大網形成流量費，主要費用在於整個網絡建設。單就一個簡單應用場景布置5G網絡，1，2可能並不如用PON、工業乙太網、WiFi成本更低，只有3從應用需求，成本各方面更容易落地。
布置1個網絡，承載多種應用，從投入產出角度講才相對比較划算。當前的eMBB業務能夠承載的應用場景在整個工廠的佔比可能還不高，如果未來大帶寬、ms級高可靠和低延遲都實現，能替代掉大部分工廠通信方式，新建工廠只需要布置好5G網絡，就可以實現全廠通信，那帶來的變革和市場將是巨大的。當然，這塊核心在於5G技術上能否替代各種工業有線、無線網絡，還需要後續深度研究。
對於4，以目前的網絡而言，數據通過運營商網絡傳輸的巨額流量，對應的費用可能不低，對實際的應用影響較大。未來如果能建成行業專網，數據在專網 傳輸，不經過運營商網絡，才有望顯著降低流量費用，不過建專網的成本本身也不會低。
安全方面，目前的MEC伺服器方案，企業數據連通到了整個運營商網絡，理論上存在被從公網攻入工廠內網的風險，目前的工業網際網路面臨的也是同樣的問題，也是為何目前大型企業普遍傾向於自建私有雲，而非接入公有雲。即便與運營商網絡隔離的5G專網，無線通信天然容易接入的特點，仍然對應著一定的安全風險。如何保證數據和網絡安全，成為運營商想推進5G工業應用的關鍵問題。
綜合成本和安全考慮，或許未來5G用於工業市場巨大，但要解決的問題仍然很多。5G工業應用本質上還是運營商拿著錘子找釘子，拿5G去找應用場景。如果從工業需求出發看這個問題，用5G的通信技術，工作在非授權頻段，在製造企業自建區域網，或許才是更容易被市場接收的方案，但重點就在於政策的考量了，這塊NB-IOT與LoRa已經有了前車之鑑。
（文章撰寫過程中，得到了一位中國電信朋友的支持和指導，在此表示感謝，文章中專業方面有不對的地方，也歡迎各位專家批評指導）