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5G确定性网络+工业互联网融合白皮书2020年11月工业互联网的发展是多领域创新成果的集中体现，其中通信技术的创新是重要组成部分。5G确定性网络是未来通信网络体系架构中支撑业务确定性可控需求的重要元素，5G标准的演进也充分考虑了工业相关的多个场景对差异性服务保障、确定性带宽和时延的需求。本白皮书首次从工业的七大场景对确定性网络的要求出发，探索工业互联网和5G深度融合的前景，并结合多个业界领先实践案例，对业界具有一定的启发性。当前，5G、工业互联网已成为我国新基建战略的重点，希望以本白皮书的发布为起点，更多企业广泛参与5G确定性网络+工业互联网应用的落地，共促产业生态繁荣。刘韵洁 中国工程院院士紫金山实验室主任智能制造是制造强国战略之主攻方向，随着企业数字化转型及智能制造的推进，无线通信的需求场景会越来越多，5G确定性网络正是满足未来无线通信需求的核心技术。我们看到，5G确定性网络在制造业中的应用，无论是IT和OT的融合、技术标准的成熟，还是相关商业模式的发展，都需要较长时间的探索和产业生态各方持续不断的努力。5G确定性网络产业联盟工业互联网小组及业界伙伴单位，在统一业界共识、推动技术成熟、树立5G确定性网络的工业行业标杆等方面做出了积极努力，在探索道路上迈出了坚实的一步。此白皮书通过理论与实践的有机结合，是业界首份在5G 确定性网络+工业互联网这一具体领域的成果，对5G应用在更多机构和企业场景（尤其是在制造业）的研究及落地具有重要指导和借鉴作用。 李培根 中国工程院院士 中国机械工程学会理事长 本白皮书主要参编人员：黄蔚蓝、赵小飞、郑钟伟、黄云皓、邢懿元、戴继盛、吕明、阮韬、王常玲、赵元、孙明、黄玉宝、赵才军、原轶、董明楷、陈凯、胡晶晶、李绍斌、柯栋、李斌、谢义东、李胜军、薛军、高云英、陆兆刚、艾新荇、饶子仁、刘汤词、公丕操、赵波、王超华、左全、黄韬、陈平平、汪硕、黄玉栋、石林、吴艳华、彭昭 前言参编人员4.2.3 阶段三：自发性创新驱动阶段 4.3 5G确定性网络与工业互联网融合的发展建议 4.3.1 发挥产业联盟在生态促进中的作用 4.3.2 加快形成公网专用的先发优势 4.3.3 选择合适的发展路径 4.3.4 加大资金支持应用创新和落地 10 5G确定性网络与工业互联网融合概述前言1.1 5G确定性网络概述 1.1.1 5G确定性网络具备的4大要素 1.1.2 5G确定性网络服务的3大维度 1.2 5G确定性网络与工业互联网融合的主要推动力 1.2.1 需求方：工业转型升级的自发性驱动 1.2.2 供给方：扩大服务范畴和提升服务价值的驱动 1.3 5G确定性网络在工业领域的市场空间及节奏055G确定性网络工业领域的分类研究0101010202030305050506071112131415070808091016171820212.1 5G确定性网络+工业互联网分类概述 2.2 5G确定性网络+工业互联网各类别及需求解读 2.2.1 5G确定性网络+实时监控 2.2.2 5G确定性网络+机器视觉 2.2.3 5G确定性网络+远程控制 3.1 5G确定性网络在离散制造行业的应用案例分析 3.1.1 海尔5G工业园区案例 3.1.2 TCL 5G彩电制造协作示范产业园案例 3.1.3 三一重工5G智慧园区案例 3.1.4 格力5G智能制造行业专网应用案例 2.2.4 5G确定性网络+物资管理 2.2.5 5G确定性网络+辅助作业 2.2.6 5G确定性网络+海量连接 2.2.7 5G确定性网络+产品生命周期管理 2.3 工业互联网场景与5G确定性网络能力相关度3.2 5G确定性网络在流程制造行业的应用案例分析 3.2.1 华阳新材料集团5G煤矿井下专网案例 3.2.2 柳钢集团5G+智慧钢铁案例 3.2.3 南南铝加工5G+智慧工厂案例 3.2.4 海螺水泥5G+工业互联网基地11 5G确定性网络+工业互联网应用案例解析232323232424242525252525254.1 5G确定性网络与工业互联网融合的挑战4.1.1 工业企业数字化水平的制约 4.1.2 5G确定性网络与工业互联网跨界融合的壁垒 4.1.3 5G确定性网络各方面技术成熟度还需进一步提高 4.2 5G确定性网络与工业互联网融合的阶段 4.2.1 阶段一：试点示范阶段 4.2.2 阶段二：规模化复制探索阶段 23 挑战和展望目录1.1 5G确定性网络概述5G确定性网络（5GDN: 5G Deterministic Networking）是指利用5G网络资源打造可预期、可规划、可验证，有确定性能力的移动专网，提供差异化+确定性的业务体验。5G确定性网络与工业、能源、多媒体、医疗、车联网等领域的融合具有广阔的前景。例如，5G与工业互联网融合的主要场景有机器视觉检测、高清视频监控、AR协作等等，这些场景对时延、带宽、可靠性等有严格的要求，此前的4G、WiFi等其他网络无法满足需求，从而激发了对5G网络的确定性需求，5G确定性网络应运而生。1.1.1 5G确定性网络具备的4大要素移动通信网络整体由“无线接入网（RAN）+传输网（TN）+核心网（CN）”三部分组成。5G确定性网络的规划和建设，围绕“CORE”四要素的能力展开： C-Cloud Native：全云化、O-One Core：全融合、R-Real-Time Opera-tion：全自动、E-Edge/Enterprise：全业务。C-Cloud Native：全云化。 全云化是所有方案的基石。首先，在全云化的通信系统中，运营商可以通过“主机组硬件（HA）隔离”、“虚拟资源池（VDC或VPC）隔离”、“网络切片隔离”、“共享资源”等多级多种方式对SLA进行差异化的定义及动态的调整，使得整个网络更具有可靠性、灵活性，业务部署更敏捷。其次，相比于运营商提供的专网，云化的基础设施提供的虚拟专网服务更加高效。O-One Core：全融合。 确定性网络中不可避免的会涉及到原有的234G终端和业务，5GDN必须是能够支持所有接入制式的全融合网络。此外，由于部分行业应用中对于话音及消息类业务有着很高的依赖性，因此全融合的话音网络以及高效的话音编解码能力也非常重要。R-Real-time Operation：全自动。 全自动能力的体现主要在动态智能网络切片这一技术上，它是5G确定性网络的核心能力。运营商在传统网络中的工单式流程模式已经不能满足行业业务的高效开展，因此必须通过Portal自助服务方式将相应的自主权交给行业客户。每个行业用户通过网上商城模式定制并购买所需要的切片，随后通过一键式开通，远程监控运维的模式对切片网络自行管理。E-Edge/Enterprise：全业务。 5GDN需要采用MEC边缘部署的能力为企业行业提供差异化联接及SLA保障。运营商还可以进一步在MEC的高性能联接能力基础上，针对各行业存在的差异化业务需求及SLA需求提供各类“联接+”的能力。1.1.2 5G确定性网络服务的3大维度5G已经成为千行百业数字化转型的利器，而行业数字化对5G网络的诉求可收敛为3个维度：能力可编排的差异化（Dif-ferentiated）网络，数据安全有保障的专属（Dedicated）网络，以及自主管理可自助服务的DIY网络，5G确定性网络可满足这3大诉求。差异化网络行业数字化的关键诉求。 以工业为例，根据国家统计局国民经济行业分类标准，属于制造业的细分行业多达31个，这31个行业在生产过程中对于无线网络的需求是千差万别、多维度的。即使是同一行业、同一工厂，由于场景广泛，每一场景对无线网络也提出各种不同要求，5G为制造业各行业和客户客提供差异化网络服务。5G确定性网络与工业互联网融合概述 015G确定性网络与工业互联网融合概述 5G确定性网络产业白皮书国民经济行业分类，国家统计局&中国标准化研究院1.2 5G确定性网络与工业互联网融合的主要推动力1.2.1 需求方：工业转型升级的自发性驱动新一轮的科技革命以来，世界制造业格局发生了巨大的变化，全球制造业也呈现出新的发展趋势和动向，随着科技的不断进步和消费者对产品需求的变化，制造业总体呈现以下几个发展趋势：在以上四方面趋势驱动下，工业企业开始自发探索和打造智能工厂，改善关键的制造环节，利用端到端的数据流和网络互联，有效的缩短产品研制周期、降低运营成本、提高生产效率和产品质量。工业领域传统的通信方式在这一过程中成为一个明显的短板，例如工业自动化、产品检测、资产管理等场景中对通信都有万无一失的要求，传统的工业通信方式以及4G、WiFi等无线通信只能做到尽力而为，不能适应工业互联网、智能制造的需求，因此工业领域对于确定性网络的需求有自发的驱动力。为了更好满足市场需求，由规模化生产向着定制化生产转变。 随着中国经济的快速发展和向着创造大国的转变，用户进一步提升了定制化产品的需求，促使制造业向着小众、定制化的方向转型。为了提升客户体验，从单纯的提供产品向着产品服务化转变。 随着人们生活水平的进一步提高，企业不再是单一提供产品的供应商，而是向着完善的服务供应商转变，工业领域也不可避免的从单一的产品提供向着一体化的产品服务转变。为了适应供应链的变化，从专一的分工向着一体化生产转变。 随着生产方式的进步，企业供应链呈现新的趋势，面对供应链的变化，制造业企业正在改变着专一的分工，整合上下游的产业信息向着一体化的生产发展。为了紧跟数字化步伐，由传统生产模式向着智能化生产模式转变。 随着物联网、人工智能、大数据、云计算等新型技术的发展，工厂内开始布局新兴技术手段，帮助制造业从传统的生产方式向着智能化生产转变。专属网络保证数据安全隔离和数据隐私的保护。 对于工业互联网、智能电网等行业，网络安全、分权分域管理、资源的隔离、数据及信令的保护是这类严苛类行业应用场景基本的要求。用户数据以及业务数据不出园区，要求做到公网专用，是行业应用的共性需求。可DIY的自助网络使能行业敏捷创新。 为响应快速变化的业务需求，行业用户希望自定义、按需设计、DIY自己的网络。以工业园区物联网场景为例，客户希望可以自主完成物联网络服务能力的编排/调度/管理，灵活的组网并部署创新应用，随时添加或删除设备。5G确定性网络与工业互联网融合概述02图 1 制造业总体发展趋势规模化生产定制化生产提供产品产品服务化专业分工一体化生产传统制造智能化生产1.2.2 供给方：扩大服务范畴和提升服务价值的驱动随着通信行业管道化趋势的发展，移动通信产业链各厂商希望能为用户提供差异化的产品，探索新的收入增长空间。新的收入空间意味着需要提供新的产品和服务，而为工业场景提供5G确定性网络就是一个新的产品和服务，可以说是通信行业供给方也有很强的主动性，为工业用户提供确定性的通信服务。通过提供5G确定性网络服务，通信业企业可以深入到工业企业核心生产经营流程中，进一步扩大了其服务的范畴。5G确定性网络可以确保数据传输速率比传统网络快数百倍；严格控制时延问题，满足企业的时延需求，保证工业实时控制、云化机器人等场景需求，可以提供接近100%的高可靠性通信要求和确定性SLA。基于5G确定性网络，作为供给方的运营商、通信设备商、方案商等群体，能够为工业企业提供差异化和高质量的服务。当然，5G确定性网络给用户带来的价值远远高于5G公网，因此给相关供给方带来的收益也会进一步提高。1.3 5G确定性网络在工业领域的市场空间及节奏工业领域场景复杂且多样，对于无线网络的需求空间巨大。虽然5G确定性网络尚处于初期阶段，但目前工业企业的生产制造过程、供应链管理、设备资产管理、节能减排、产品生命周期管理等各个领域都有大量场景对网络确定性有明确的需求。工业互联网产业经济发展报告数据显示，2019年我国工业互联网产业经济总体规模达到2.13万亿元，预计到2020年这一数字将达到3.1万亿元，同比增长47.9%，其中工业互联网核心产业约为6520亿元。在工业互联网核心产业中，工业互联网网络产业经济规模在2019年达到了651亿元，近3年复合增长率达到30.7%。随着5G商用的加速，5G与工业互联网深度融合，促进工业互联网网络产业规模中5G应用大幅度提升，预计未来5G应用规模将占据工业互联网网络产业经济规模的大部分。以工业互联网典型应用机器视觉为例，根据国外调研机构Markets and Markets预计，到2020年全球市场规模将达到125亿美元，到2025年年底，全球市场规模将超过192亿美元，机器视觉未来空间巨大。当前，5G确定性网络正在逐渐成为机器视觉在网络侧的主流方案，未来机器视觉百亿级市场背后有5G确定性网络的支持。本白皮书对于5G确定性网络+工业互联网各具体场景的市场空间和节奏判断如下图所示：5G确定性网络与工业互联网融合概述 03图 2 工业互联网核心产业规模（单位：亿元）来源：中国信通院3372100002000300040005000600070004386536165202020201920182017实际上，我们应该认识到，基于5G确定性网络的工业互联网应用是一项长期而宏大的任务，一蹴而就是不可取，也是不可能的。5G确定性网络在与工业互联网融合的同时，也应该与工业网络集成。我们应该从实际需求和可行性的角度推动5G确定性网络与工业互联网融合，即当前的工作重点是将5G确定性网络用于具备条件的工业应用中，实现各类应用分阶段落地，而不必等5G完全成熟才支持整体应用于工业互联网中。5G确定性网络与工业互联网融合概述04图 3 5G确定性网络+工业互联网各场景空间节奏5G确定性网络工业领域的分类研究 052.1 5G确定性网络+工业互联网分类概述从工业互联网的角度来说，整个工业流程大体可以分为研发设计、生产制造、运维服务等环节，5G确定性网络在这些场景下都有典型的应用前景。在研发设计环节，5G与VR/AR技术结合，可实现多方远程虚拟协同设计，有效地解决了异地研发人员沟通困难、成本高昂等问题。在生产环节，5G与超高清视频、传感器、控制系统等结合可以使工业企业实现对设备的远程操作、生产过程实时监测、设备的预测性维护等，有效提升了生产效率、改善了员工的工作条件。在运维服务环节，一方面5G与超高清的结合可以使设备巡检情况实时传到云端识别，提升设备巡检质量和效率。另一方面5G与专家系统的结合带来专家远程实时在场指导的业务体验，将设备维修时间由数天缩短至数小时。基于工业互联网研发设计、生产制造、运维服务等需求，结合5G技术，5G确定性网络在工业领域应用场景分为实时监控、机器视觉、远程控制、物资管理、辅助作业、海量连接以及产品生命周期管理七类，即： 1）5G确定性网络+实时监控，2）5G确定性网络+机器视觉，3）5G确定性网络+远程控制，4）5G确定性网络+物资管理，5）5G确定性网络+辅助作业，6）5G确定性网络+海量连接，7）5G确定性网络+产品生命周期管理。2.2 5G确定性网络+工业互联网各类别及需求解读2.2.1 5G确定性网络+实时监控基于5G网络，可以实现对生产设备的实时监控，包括超高清视频监控、无人机巡检等，其最终目的则是实现对生产设备运行状态监控，及时发现生产过程中的异常现象，助力工业生产的数字化、智慧化，达到降本增效的目的。5G确定性网络助力实时监控，一般有以下应用内容与要求：（1）超高清视频在工业环境下，高清视频的主要应用在于智慧园区的安防、人员管理等场景，通过5G高速率的特性，将采集的监测视频/图像实时回传，实现视频、图片、语音、数据的双向实时传输，同时结合5G MEC统一监控平台，实现人员违规、厂区的环境风险监控的实时分析和报警，大大提高作业安全规范性。5G确定性网络工业领域的分类研究表格 1 超高清视频对于5G网络的需求来源：工业互联网产业联盟典型应用 分辨率 应用范围1080p4K8K通信速率（压缩后） 编码格式 帧率（fps）2-10Mbps，蓝光视频约20 Mbps图片视频信息采集传输人脸识别等高清视频采集等超高清检测等12-40Mbps48-160MbpsH.264H.265H.264H.265H.264H.265H.26530、60 30ms30ms20ms30、6030、120通信时延高清视频实时上传（2）无人机巡检利用5G的高速率、高可靠低时延无线网络，可以将搭载在无人机上的摄像头视频(可见光高清、红外等)实时传送到厂区综合控制中心。通过对视频图像进行基于人工智能的物体识别、模式识别分析，判断所巡检的地点是否存在安保异常或火警异常并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。2.2.2 5G确定性网络+机器视觉机器视觉在工业上的应用极为广泛，可以有效提高生产的柔性和自动化水平，适用于一些人工作业的危险工作环境或者人工难以满足要求的场合。目前机器视觉的应用主要包括图像识别、图像检测、视觉定位、物体测量等。机器视觉已经成为智能制造的一个典型场景，采用无线方式开展机器视觉业务时，需要上行带宽超过50Mbps，端到端通信时延小于10ms，可靠性要求大于99.9999%，这些都能通过5G确定性网络得到满足。同时，机器视觉往往需要实施场景相对隔离的局域组网，5G确定性网络可以为其提供专属网络服务，保证数据安全，实现网络灵活运维和自管理。5G确定性网络工业领域的分类研究06图 5 5G确定性网络+工业互联网应用之机器视觉产品检测图 4 5G确定性网络+工业互联网应用之无人机巡检2.2.3 5G确定性网络+远程控制5G确定性网络能够满足工业生产过程中对控制指令的上传下达需求。以机器人应用为例，传统的工业机器人存在某些不足，比如工作范围受限、工作内容有限、设备成本高等问题。随着人工智能、云计算等技术的不断成熟，云化机器人将逐渐成为主流。云化机器人将控制“大脑”放在云端，根据本地机器人的不同工作内容和工作地点针对性控制，真正实现机器人的自主服务和自主判断。当云端机器人大规模部署时，对无线网络提出比较严苛的要求。一方面要求机器人调度过程中数据的实时交互，一般要满足高达99.9999%的可靠性，通信时延为10-100ms；另一方面，云端机器人往往集成其它视觉应用，这些视觉应用也有确定性网络需求，包括上行带宽10Mbps以上，通信时延10-100ms。5G确定性网络强大的能力能够从容应对机器人对带宽、时延可靠性的挑战，而5G网络切片和MEC能够为云端机器人应用提供端到端定制化的支持，保证远程控制的实现。2.2.4 5G确定性网络+物资管理从物资管理的需求来看，其场景应用会从高速带宽、海量接入、超低时延、切片服务等方面与之结合，是一个综合性的应用，其中不少场景对于确定性网络也有明确要求。5G确定性网络工业领域的分类研究 07图 6 5G确定性网络+工业互联网应用之机器人远程控制图 7 5G确定性网络+工业互联网应用之工厂物资管理