国内外5G工业应用、自动化融合挑战及发展展望分析

5G 通信网络为工业控制系统提供新的通信方式。

1.国内外 5G 工业应用情况

（一）我国 5G 工业应用情况 自 2019 年 5G 规模商用以来，我国通过政策引导 5G 行业 应用持续深化。工业和信息化部在 2019 年印发《“5G+工业互 联网”512 工程推进方案》，2021 年分两批共发布 20 个典型应 用场景和 10 个重点行业实践案例，2022 年发布《5G 全连接工 厂建设指南》。系列政策为开展 5G 工厂建设提供了指导，推动 “5G+工业互联网”由起步探索阶段迈向深耕细作、规模化发 展的关键阶段。 当前，5G 在工业领域的应用已从生产外围辅助环节逐步 深入至生产核心控制环节。目前，飞机、船舶、汽车、电子、 采矿等主要产业已开展“5G+工业互联网”创新实践，形成远 程设备操控、机器视觉质检、无人智能巡检等一批典型应用，我国“5G+工业互联网”建设项目数超过 10000 个，对企业降 本、提质、增效的支撑重要作用不断显现。2021 年至 2023 年， 5G 工厂连续三年作为工业互联网试点示范项目，共遴选 83 家。 目前从国内 5G 专网总体应用情况来看，部署方式以虚拟 专网和混合专网方案为主，可满足对实时性要求相对不高的工 厂应用需求。

（二）国外 5G 工业应用情况 欧美各国通过制定政策、成立联盟、分配工业专用频段等 方式，加快推动 5G 工业应用。 2017 年德国开始实施“5G Strategy for Germany”战略， 推进 5G 在德国的应用，尤其在工业领域，以西门子、博世为 代表的工业企业积极推进 5G 服务工业的应用研究与实践。 2018 年欧盟成立了 5G-ACIA 联盟，推动 5G 工厂建设。2018 年 以来欧盟各国电信运营商纷纷与制造企业合作开展 5G 应用探 索。2019 年，爱立信在伍斯特郡建设了英国第一个 5G 工厂， 探索使用 5G 进行预测性维护、机器维护远程指导等应用。 2018 年以来美国电信运营商加快了 5G 与制造业融合应用 的实践。2018 年，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 5G 在制造业应用的创新区，促 进 制 造 业 工 厂 转 型 升 级 。 2021 年 美 国 实 施 “ National Strategy to Secure 5G Implementation Plan”，通过建设 5G系统设备制造基地，面向工业界提供 5G 测试床等措施，加快 5G 技术研发，满足行业应用需求。

对于工业 5G 的部署，欧美各国纷纷选择了优先发展“5G 工业专频专网”建网路线。德国、法国、瑞典、英国等欧洲工 业强国，均分配了工业专用频段。例如，为帮助企业独立部署 5G 专网，推动 5G 专网创新与发展，2019 年 11 月 21 日德国联 邦网络局 BNetzA 正式对外开放 3.7GHz-3.8GHz 的 5G 专网频段 申请。企业只需按照流程申请并支付较低的费用，就可获得这 些 5G 专网频段使用权来自建 5G 专网。在频谱政策的带动下， 垂直行业的龙头企业积极申请频谱自建 5G 专网。截至 2023 年 1 月德国联邦网络局累计已受理并通过 293 份 3.7-3.8GHz 频段 的 5G 专用网络频率申请。在这些申请机构中，奥迪、宝马、 西门子、博世、巴斯夫等多家工业巨头成为主力。 美国也在 2020 年通过拍卖 CBRS 频段（3.55GHz 至 3.7GHz 之间的共享频谱），为 5G 专网发展提供了频谱资源。企业可以 在没有频率干扰风险的区域利用该频段自建 5G 专网。随着频 谱释放，美国运营商、云厂商、垂直行业已经展开了争夺 5G 专网市场的竞争。例如，美国最大的移动运营商 Verizon 推出 了面向 5G 专网的 On Site 5G 一体化解决方案，亚马逊 AWS 已 推出 AWS Private 5G 服务，农机巨头约翰迪尔已在其工厂利 用 CBRS 自建 5G 专网。

2.5G 与工业自动化融合应用挑战

（一）工业自动化低时延场景 5G 终端种类不够丰富 目前基于 3GPP R15 版本标准的工业应用实践，主要分为 两类，第一类是高带宽应用场景，第二类是实时性要求不高的 应用场景。高带宽应用场景包括全厂视频监控、现场辅助装配、 无人智能巡检等，对应的5G 终端包括摄像头、AR/VR 眼镜、巡 检机器人等。实时性要求不高的应用场景包括厂区智能物流、 远程设备操控等，对应的 5G 终端包括物流 AGV、港口龙门吊 等。对于具有低时延需求的制造业中闭环控制场景，相应的 5G 终端产品主要处于研发阶段，如支持 5G 的 PLC。

（二）网络确定性与高实时性不足 现有有线工业网络协议已经从技术上提供了一定的确定性 与实时性保障机制，如何将这些工业网络协议与 5G 网络进行 深度融合，将成为 5G 确定性保障的关键性技术之一。5G 技术 需要与成熟的工业网络技术，例如工业以太网技术深度融合。 虽然当前基于 R15 版本实现了 5G 承载工业以太网协议，但对 于以运动控制为代表的工业自动化应用场景，目前技术路线仍 不能满足确定性与高实时性需求。此外 5G+TSN 在工业现场应 用落地仍存在与现有工业网络融合的问题，包括 5G+TSN 网桥 拓扑与转发还存在一定功能局限。

（三）网络管理困难 传统的工业网络为多层设计：从现场工业控制网络、 SCADA 到 MES。各设备、系统通过工业冗余网络接入工业主干 环网。通过环网进行冗余通信，保障网络的可用性。现场工业 控制网络通过二层网络实现实时通信，有线网络保证数据的低 时延和高可靠的通信需求。 当前商用 5G 网络侧重对工厂全面连接覆盖的部署与实现， 缺乏对工业网络各层级的融合。目前大多数 5G 项目以单系统 通信为主，工业 5G 提供无线接入，但没有考虑和传统工业骨 干网和现场工业控制网络的融合。因此，5G 网络与传统工业网络不得不独立配 置与运维，融合网络难以统一管理。

3.5G 与工业自动化融合应用发展展望

（一）丰富工业自动化低时延场景 5G 终端种类 随着 5G 向生产核心控制环节深入应用，应用于工业自动 化低时延场景 5G 终端需求越来越迫切。面向制造业闭环控制、 设备协同作业等场景，加强支持5G 的PLC、仪表、执行器、工 业相机等产品研发。同时面向不同细分行业，研发满足如石化 行业的特殊需求、低时延通信需求的应用于工业自动化场景的 5G 终端。

（二）攻关工业 5G 确定性和高实时网络技术 3GPP 从 5G R16 开始的各个版本，针对工厂自动化技术均 有不同程度的增强，引入了多种关键技术，包括 5G LAN、TSN、 uRLLC、NPN 等。5G LAN 从一定程度上具备将 5G 网络融入现有 工厂二层网络的能力。TSN 是支撑 5G 确定性的另一关键技 术,5G 系统可作为 TSN 网桥融入到 TSN 网络中。基于 5G LAN、 TSN、uRLLC 等技术，攻关工业 5G 确定性网络技术及满足工业 自动控制高实时要求的 5G 网络技术。

（三）建设工业网络综合管理平台 随着 5G 逐步在工业深入应用，端到端运维越来越成为 5G 融入工业生产的关键因素。其中工业网络跨域 QoS 指标监控与 诊断将会成为其中的核心技术。跨域 QoS 组网及诊断需要各域 之间，如工业控制系统设备、5G 网络、工业有线/无线网络之间，整体协同设计网络架构。涉及包括冗余架构、端到端重点 工业网络性能指标协同、端到端诊断机制协同等。建设工业网 络综合管理平台，支持对工厂 5G 网络与传统工业网络的统一 管控，包括配置管理、拓扑管理、故障管理等，实现 5G 在工 业自动化应用中的跨域网管与运维。