5G来临,在工业领域的运用

2019-07-23 14:24:00
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    5G时代即将到来,对于普通消费者来说,5G的概念可能就是更高的网速,5G大带宽带来的上网体验提升是最直观的,用手机可以实时观看清晰度更高的视频。而在工业领域,情况则完全不同。很多年前,工业互联网的概念就已提出,但直到移动互联网如此普及的现在,工业领域设备联网的比例还是很小,联网设备涉及的应用也都还很浅。主要原因在于,工业各垂直领域行业特性迥异 ,知识壁垒很高,而且工业制造流程对可靠性和稳定性要求非常高,目前的运营商网络还很难满足工业物联网对性能方面要求。因此物联网在工业领域的进展一直比较缓慢,还没有产生比较成熟的商业模式和相对大体量的公司。

5G形成的工业物联网运用到工业领域主要体现在四个方面:数据的采集与展示基础的数据分析与管理深度数据分析与应用工业控制


数据采集与展示

     主要是将工业设备传感器上采集到的数据信息传输到云平台,并用可视化的方式将数据呈现出来。

     现在的大部分工业设备,例如数控机床、风力发电机、工业车辆等,自身就带有大量传感器,并提供集中的数据接口,只有一小部分老旧设备,或者有特殊的数据需求场景,需要单独加装传感器和数据采集装置。

     在数据传输方面,厂房内的设备,环境比较复杂,一般会使用网线将机床设备连接到集中的数据处理装置上,再通过4G或者固网连接到云平台;厂房外的设备,比如工业车辆,则通过内置4G通信模块的终端来完成数据采集和传输。

     数据采集业务的难点在于,面对大量不同种类的品牌的工业设备时,设备数据协议的适配和兼容。最后的数据可视化,是客户比较核心的需求,可以通过统一的平台监控在网设备的状态,便于及时了解设备异常信息,提高管理人员效率。


基础的数据分析与管理


     基于云平台采集到的设备数据,进行基本的数据分析,并产生一些SaaS应用,比如设备性能指标异常的告警、故障代码查询、故障原因的关联分析等。

     这一层的数据分析还偏向于通用分析工具的阶段,不涉及基于垂直领域深入行业知识的数据分析,基于这些数据分析结果,也会有一些通用的设备管理功能,像设备的开关机、调整状态、远程锁机及解锁等,这些管理应用根据具体的领域需求而不同。


深度数据分析与应用


     深度的数据分析,则涉及到具体领域的行业知识,需要特定领域的行业专家来实施,具体根据设备的领域和特性建立数据分析模型。

     目前比较多应用在故障预测领域,大型工业设备的故障预测一直是难以解决的问题,比如机床、风机等,一旦有大的故障发生,带来的影响以及随后产生的修复成本都是巨大的,实时采集数据并预测设备故障,可以大幅度降低设备故障带来的影响。

     在大量数据的基础上,使用机器学习,结合行业专家的知识,可以产生深度的行业应用,比如改进制造工艺,优化制造流程等,可以提高工业设备使用效率。


工业控制


     工业物联网的目的就是能对工业过程实施精准控制。

     基于前述传感器数据的采集、展示、建模、分析、应用等过程,在云端形成决策,并转换成工业设备可以理解的控制指令,对工业设备进行操作,实现工业设备资源之间的精准的信息交互和高效协作。

     当前大部分场景的工业控制系统还需要部署在本地,受通信技术和处理能力的限制,工业云平台涉及工业控制的的深度还不够。5G技术可以满足工业系统对通信能力的要求,实现工业控制的目标。


5G对工业物联网可能产生的影响

     5G并不是为某一个“杀手级应用”而设计的系统,而是面向很多至今甚至尚未可知的应用场景。5G系统的设计采用的是一种自上而下的方法,先定义未来的应用场景,然后从场景里抽象出技术的需求,再根据每个特定的需求,寻找解决办法,研发具体的解决方案。

     因为系统的要求十分的广泛,过去几代通信系统的技术并不适用于5G的需求。在5G众多的预设场景之中,5G在技术方面的需求被ITU(国际电信联盟)归纳为3个大的方面:

 超高数据速率(增强型移动带宽,eMBB)

提供极高的数据传输速率,以及极强的信号覆盖能力


 超大连接量(大规模机器类通信,mMTC)

提供海量设备的数据连接能力,是物联网的基础需求


 超低时延(超可靠低时延通信,uRLLC)

提供超可靠低时延的通信连接服务,要求极高的可用性和可靠性、极低的时延


工业物联网的需求

     对于工业领域来说,高可靠低时延的通信系统可以说是至关重要。

     一直以来工业物联网的应用只能停留在表层的数据采集展示和由此延伸出来的一些管理功能,很难涉及到工业系统的控制等核心领域,其中通信系统的稳定性和延时达不到要求是其中主要的制约因素。

     工业领域的设备投入巨大,无论是机床、生产线,还是机械设备,生产过程中的故障导致的停工,往往会影响整条生产线,甚至整个产品交付周期。

     为确保稳定性,工业领域的控制系统还是以本地为主,部署大量的硬件和软件系统。这一方面导致整个控制系统非常复杂,投入巨大,另一方面,也限制了系统的灵活性和可扩展性。在消费者需求日新月异的今天,生产系统的更新跟不上消费者需求的变化,也会导致错失很多新的机会。

     当前的移动通信系统在工业物联网领域的应用涉及并不深入,虽然4G在网速上已经有很大的提升,能满足用户随时观看视频的需求,但网络的可靠性和时延都还有很大的提升空间,并不能满足工业场景的要求。

     4G在工业场景的应用,更多是在对实时性要求不高的场景里,作为数据上传到云端的一种方式。比如工厂里的机床设备,       每5-10秒钟会采集一次数据,这些数据汇总一般会汇集到一个统一的终端,由终端通过4G发送到云平台。

     为了保证机床设备数据传输的稳定性,在工厂内部,各个机床与统一终端的连接上,一般都会采用有线连接的方式。这样的连接方式还是比较重,大量的线缆也会导致工厂内部结构比较复杂。移动网络系统的性能提升到可以替代有线电缆的时候,工厂内部结构复杂度也会降低,更加便于管理。

     工业领域对通信系统的这些需求,5G的技术标准可以很好的满足,极低的时延,保证了工业领域实时监测和控制的要求;高可靠的网络质量,确保了工业系统对稳定性的要求;大带宽则可以实现高清3D视频,甚至AR的传输,在远程操控领域大幅提高了操作精度。