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5G技术对工业4.0的影响

摘要：几个世纪以来，制造行业不断地发展进化，从传统的纯手工制造时代，发展到使用水力和蒸汽动力机器制造，再后来发明了批量生产，随后演变成了自动化电子生产时代。而现在，我们又在以往的制造基础上实现了一次自我突破。如今，“工业4.0”已经成为企业需要紧跟的潮流标杆。在此背景下，制造系统不仅仅依赖简单的连接，而是结合了连接、沟通与分析，并且将收集到的信息作为企业是否进一步开展智能制造活动的决策依据。它代表着物联网、分析学、3D打印、机器人学、人工智能、先进材料科学和增强现实的整合。本文主要讨论工业革命的演化过程以及一些对其发展做出过重大贡献的技术。同时列举了5G技术的特点，论述这些特点是如何影响未来的工业发展，从而带领企业走向“工业4.0”道路的。5G必将成为促成“未来工厂”的关键技术，它能提供一个统一标准的通讯平台来颠覆新的商业模式，并且借此来克服现有通讯技术的不足之处。

关键词：工业4.0，5G技术，物联网（IoT），机器对机器通讯（M2M），信息及通信技术（ICT），人工智能（AI），机器学习，工业物联网（IIoT），网宇实体系统（CPS）

1 绪论

在早些时候，包括食物、衣物、房屋和武器等商品都是由手工或利用动物劳动力制作的。到了19世纪初，制造业开始经历翻天覆地的变化，开启了“工业1.0”时代，企业也从这个时期开始飞速发展。本质上，工业自动化的核心是可靠的信息交流。任何有关自动化的尝试，如：减少或消除人工介入，都要求传感器、控制器和驱动器之间存在信息流。为了达成这个目的，几年间许多工业通讯网络逐渐发展了起来。工业革命的演变过程如下所述。

1.1工业演变进程

1.1.1工业1.0

18世纪末至20世纪初，“工业1.0”在水力和蒸汽动力机械制造系统的应用下逐渐兴起。起初，这种系统是为了辅助工人而设计的。随着产能的增长，企业形态逐渐从主要满足自身需求、偶尔替客户生产的平房工厂，发展成了拥有雇主、管理者和雇员的大型组织来为客户提供服务。

1.1.2工业2.0

“工业2.0”始于20世纪，实现了以劳动分工为基础的电动批量生产。20世纪初期，电力已经成为了主要的动力来源。相比水力和蒸汽动力机器来说，电力机器更便于操作，并且能使企业将动力集中到单个机器上。最终，人们将机器设计成了自带电源的类型，使其变得更加便携。

在这个时期，管理类程序的数量增多，有利于提高制造企业的工作效率和工作质量。在劳动分配中，每人负责整个生产的一部分，从而提高了生产效率。在批量生产中使用装配线已变得司空见惯。人们研究并教授工人提高生产效率的方法，来实现“准时制生产”。主要精力集中在如何用最优的劳动力提高生产质量和效率。

1.1.3工业3.0

“工业3.0”开始于1970年左右，这个时期主要使用电子和信息技术来达到自动化生产的目的。在20世纪的前几十年里，发明了许多电子设备，如：晶体管以及后期的集成电路芯片，使得单个机器能完全自动化，从而辅助或取代人工操作。这个时期也见证了软件系统的成长，将其应用在电子硬件上。像“物料需求计划”一类的整合系统被可以计划、安排并追踪整个工厂实物流的“企业资源计划”所取代。迫于成本压力，许多制造企业选择将部件和装配操作转移到一些低成本国家。地理位置的分散使得企业开始引入供应链管理规范化的概念。

1.1.4工业4.0

“工业4.0”以网宇实体系统为基础。在21世纪，“工业4.0”将物联网和制造技术连接起来，让企业可以对信息进行共享、分析和使用，从而引导智能生产活动。它吸收了尖端科技，包含积层制造、机器人技术、人工智能，其他认知技术，先进材料科学和增强现实。部分上述的技术从20世纪末阶段开始研发，如制造执行系统、车间管理和产品生命周期管理，这些超前的思想在当时缺少对应的技术来实现。而如今，“工业4.0”可以帮助这些技术充分发挥他们的潜力。

1.2”工业4.0”的定义

“工业4.0”的概念最早起源于德国，通过工业自动化领域的物联网和网宇实体系统的整合来实现工厂生产过程自动化，从而以一种非常高效的方式把产品投入到市场中。

“工业4.0”是对当下制造技术的自动化和数据交换热潮的命名。它包括网宇实体系统、物联网、云端运算和认知计算。“工业4.0”创造了被人们称作“智慧工厂”的设施。在这种模块化结构的智能工厂中，网宇实体系统监控着实物的制造过程，它有能力复制出一个虚拟的世界，用来做出分散化的决策。在物联网技术的支持下，网宇实体系统自身和人类之间都能实现实时沟通合作。通过服务网，可以同时提供企业内部和跨企业之间的服务，给价值链上的用户使用。

“工业4.0”旨在将工业革命中机械、网络和设备取得的进步整合起来。网络和通讯革命带来了信息及通信技术的进步，用内置电脑、实时监测和控制来实现生产操作自动化。“工业4.0”引申出了“互联工厂”，其拥有全球互联的价值链，把国际供应商、客户、合作伙伴等联系起来。此外，“工业4.0”情景中的系统是能自我感知的，而且能给工厂提供全方位的发展远见，使企业得以更快速地做出决策。

1.3“工业4.0”的益处

“工业4.0”概念起源于德国，现在已经在全球范围推广开来。世界各地的供应链管理者们将这个概念视为衡量自己供应链系统运作表现的新标准。

“工业4.0”的益处有：

• 使人、机器、传感器和设备之间可以互相连接、互相通讯。
• 自动化和机器人技术在对人类危险的环境中起到了关键性的作用。下一阶段将建立一个可以帮助人类做出决策、解决问题的系统。这种系统和人类相互依赖的关系是“工业4.0”极具代表性的标志。
• 创造了网宇实体系统，可以按需要立即无缝分享实时数据。
• 系统具有自我意识，可以实时独立地做出一些简单的决策。
• 技术整合程度加深，预测分析提高了效率，从而帮助企业降低成本。
• 企业可以提供更多的定制化产品，能更好地获利并且有助于开拓业务。
• 供应链管理全球化，提高企业的竞争力。

2 “工业4.0”的实施

实施“工业4.0”需要的关键技术有：人工智能、物联网、机器学习、云端系统、网络安全、机器人技术和强有力的通讯网络。

2.1 实施的准备工作

实施“工业4.0”必须获得所有利益相关者的一致同意。必须通过成本效益分析，来决定达到预期利润所需的自动化等级。可能会从外部引入一个专业机构来获得正确的技术建议和方向。一个多功能的项目队伍必须由来自制造、工程、人力资源、会计和市场营销各个领域的成员构成，因为每个部分都有各自的任务要完成。必须制定一个项目计划，然后执行下去，同时做好监测和控制。可能需要对一些旧的资产设施进行改善更新来实现自动化。鉴于实施自动化可能会引发对失业的恐惧，关键的任务是要转变企业的文化，使成员接受这种变化。失业的危险确实存在，因此需要不断提高现有员工的技能水平，来胜任未来可能会遇到的新难题。

2.2设计原则

“工业4.0”基于以下的设计原则，帮助公司识别和应用“工业4.0”场景。

• 网宇实体系统、员工、工厂三者能够通过物联网相互交流。
• 软件应用必须贯穿整个企业。
• 启用实时数据读取和控制系统。
• 数据分析在整个价值链中非常重要。必须捕捉并演示历史发展趋势。
• 集成移动功能应允许远程数据读取。
• 多个领域的技术创新，如：传感器、可穿戴设备。机器间的交流应该覆盖整个车间。
• 需要设计好所有机器之间的相互协调。
• 从监控制造过程中得到的传感器数据必须连接到工厂模型中，从而复制出一个虚拟的工厂模型。
• 必须设计机器人自动化程序。
• 允许工厂的网宇实体系统独立做出决策。
• 加入增值服务。
• 要有柔性化的制造过程来适应不断变化的需求。

2.3“工业4.0”——信息及通讯技术需求

网宇实体系统是制造系统智能连接的基础，它的工作范围远远超过了工厂的物理界限。一个支持移动设备的、可靠的全球宽频无线网络是网宇实体系统在“未来工厂”中运作的基础。

在制造环境下，这些网宇实体系统由智能机器、仓储系统和能自动交换信息、触发活动并相互控制的生产设备组成。

信息及通讯技术的需求如下：

• 工业物联网（IIoT）自动化应用于实施工业物联网的全过程。物联网设备控制所有的机器和系统，通过物联网络连接到中央控制系统。
• 云计算要有可扩展性并且可以全球连接。
• 通过弹性库存控制和物流来保证“准时制”生产，来满足顾客对产品外观的特殊要求。
• 将大数据和高性能数据分析应用在传感器、网络连接、云端、内容、协作和个性化中。

对信息及通讯技术的需求能有效减轻按需生产的压力，可以满足客户的需求和偏好，使生产具有弹性和灵活性。

3实施“工业4.0”的限制

标准化一直是“工业4.0”的一大难题。需要有一个标准化的操作界面，这样“智慧工厂”中的任何机器都可以在“工业4.0”生态环境下互相对话来密切分享数据。

对“工业4.0”的要求（如：设备自动化、车辆自动导航、增强现实的需求、用于监测和控制的设备数量极其庞大、过程自动化等等）需要低延迟、高可靠性、高速带宽和数据传输迅速等特点来支持。这些要求在现在的系统环境下还不能被满足。

在工业物联网时代，企业不能单纯地依赖于未经授权的无线网络，如无线局域网（WiFi）/无线个域网（ZigBee）/低功耗广域网（LPWAN）来运行他们未来的任务关键型连接系统。

无线物联网市场受到3G/4G网络的限制如下：

• 无线连接的可靠性不足以支撑关键型应用程序。理想的可靠性应在99.999%以上。
• 设备的能量消耗大，电池的目标寿命不能满足需求。
• 端对端延迟过长且无法通过远程控制器和驱动器来预测。无法将延迟降到1毫秒以下。
• 支撑物联网设备的极限密度。

4 什么是5G？

自从20世纪80年代发布模拟蜂窝系统以来，无线电技术有了迅速的发展，被称作“第一个时代”，简称1G。自此以后，电子无线通讯系统持续更新换代，每十年就进入一个新的时代。2G时代在20世纪90年代开启，主要使用全球移动通信系统标准，用数字传输取代模拟传输，这样有助于减少耗电量。发明了“手机短信服务”。21世纪初，迎来了3G时代，有了高速率IP（网络协议）数据网络。用“分组交换”的办法进行数据传输，代替了以前使用的“电路交换”方法。这将流媒体的数字内容应用到3G手机中。21世纪20年代，4G时代的移动宽带迅速发展，速度比3G要快十倍，是3G网络的延伸并且有更高的带宽和更好的服务。4G长期演进后传输速度甚至可以达到100Mbits/s。

现在，我们正朝着5G时代迈进。5G作为第5个时代，发展了移动通讯、蜂窝技术、网络和解决方案。人们期望它能为移动技术带来重要的转变，它也是物联网发展的重要驱动者。我们正在研究更复杂、更智能的技术。5G有能力改变移动通信技术的意义，在互联社会中掀起一场革命。

5G网络由软件定义的体系结构组成，利用动态规划给不同应用提供独立层面。这会产生新的多样化的企业使用案例。5G支持网络切片，允许虚拟电信运营商（VNO）来定义自己的网络结构，从而快速推出更低成本的可扩展服务。

5G中10Gb/s的高速数据传输有能力支持超高清视频和虚拟现实应用，而且当延迟小于1毫秒时可以支持实时应用。速度比4G长期演进技术的网络速度要快10到100倍，并且有更大容量。它能支持数十亿应用和数千亿有更长使用寿命的设备，从而提供高质量的用户体验。

5G催生的新型使用案例和应用有：

• 对网络延迟要求放宽——如：远程仪表读数计费。
• 对网络延迟要求严格，延迟不超过1毫秒——如：工业生产过程的安全和控制系统，实时病人监测，安保视频监控，实时交通信号灯控制，双向游戏，虚拟与增强现实等等。
• 网络可靠性高——如：电网，工业控制，交通，电子健康和智慧城市管理。
• 网络可靠性低——如：家用温度/湿度传感器。
• 大量信息——如：远程视频监控等。
• 少量信息——如：运输公司的货物追踪等。
• 低设备成本/低能耗——电池供能的传感器网络。

5G提供高可靠性、低延迟性、可伸缩性、功能结构、服务、无边缘计算、无处不在的移动性，来满足物联网关键任务应用的需要。

5 5G——“工业4.0”的技术驱动者

一个高速连接的环境有许多与物联网应用有关的要素，比如一些有活动部件，一些有远程定位部件，一些需要极高的可靠性等。许多现代网络技术并不适合用于未来发展。即使今天，我们还是经常需要同时使用有线和无线网络来完成大量的物联网项目。

5G的目标性能特征，如：可靠性达到99.999%，延迟小于1毫秒，低能耗等，都可以改善现有通讯技术的不足。5G可以运行非常高容量的物联网设备。为了使生产过程更弹性化，增加或改变现有的机器或传感器应该更加简便。5G可以通过标准化来达到这种弹性。

5.1“工业4.0”需要设备驱动

下列呈现指数增长的技术将会是“工业4.0”的主要驱动设备

• 3D打印（增材制造）
• 传感器技术
• 纳米技术
• 人工智能
• 机器人技术
• 无人机技术

上述的技术已经存在有一段时间了。但是，随着新通讯技术的出现和计算能力的大幅度提升，如：云端和大数据分析技术等，使得上述技术在工业制造中变得非常有效。这些呈指数趋势增长的

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