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从边际变化看5G如何与工业互联网融合

日期: 2020-11-17
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边际变化一:5G R16 版本冻结,工业领域发展加速


7 月 3 日,3GPP TSG 第 88 次全体会议正式冻结 5G R16 标准。5G 的三个关键性能指标 是更快的峰值速率(增强移动宽带,eMBB)、连接数密度(大规模机器通信,mMTC) 和 更低的延迟(超可靠低延迟通信,URLLC)。R15 规范主要侧重于 eMBB 用例,R16 则更 侧重于 URLLC,旨在扩展 5G 支持的功能并提高现有功能的效率。5G R16 标准的冻结, 标志着整个 5G 垂直行业应用的落地拓展进入新阶段。


R16 相对于 R15 在网络能力扩展、挖潜以及降低运营成本等方面做了改进。主要场景 包括超可靠低延迟通信(URLLC)的增强、对垂直行业和 LAN 服务的支持、蜂窝物联网 的支持与扩展、增强 V2X 支持、5G 定位和定位服务、UE 无线功能信令优化、5G 卫星 接入、5G 网络自动化架构的支持、无线和有线融合增强、流媒体和广播、用户身份验证, 多设备支持、增强网络切片、增强无线 NR 功能等。


R16 版本 uRLLC 对于工业互联网至关重要。智慧工厂、工业自动化等工业互联网的热 门场景,大多是基于 uRLLC 等场景开展的试验示范项目,但此前 R15 版本中 uRLLC 等 应用场景尚未完善、标准尚未确定,产业链上下游持观望态度,毕竟工业环境对于通信 网络质量要求极高。R15 版本的 5G 网络难以满足零抖动,也基本不具备 SLA 能力,5G 在工业互联网、智能制造等应用中尚未实现大规模产业化应用。uRLLC 对于 5G 的发展 有着深刻意义,它是 5G 面向关键性任务(行业特殊用户)提供通信服务的场景,3GPP 花费了大量时间论证其中的很多技术细节。


R16 的冻结定义了绝大部分工业场景,面向工业互联网应用,R16 标准引入新技术,支持 1 微秒同步精度、0.5~1 毫秒空口时延、“6 个 9”的可靠性和灵活的终端组管理,最 快可实现 5 毫秒以内的端到端时延,具有更高的可靠性,提供支持工业级时间敏感(TSN)。而这些可以有效地满足如工业 AR/VR、工业视觉检测、工业云端机器人等工业场景的通 信需求。除了“运动控制时延达到纳秒级”等个别指标还达不到要求外,5G 性能已经 可以满足绝大多数工业场景,这也意味着“工业 5G 时代”将要到来。


5G 与工业互联网融合,打造云边端一体化工业大脑。从目前的进展来看,主要有三个 层面:一是在边缘智能层面,5G 有利于就近提供算力,将提高设备端的数据处理能力, 实现设备的实时响应;二是在无线下沉层面,5G 逐步下沉与 TSN、工业互联网等融合, 促进 PLC、DCS 等工业控制器通信能力的提升,让机器之间的互通更加扁平化;三是在 应用升级层面,利用 5G 搭建更宽、更广、更快和更可靠的通信基础设施,同时利用云 端的超强计算能力和 AI 技术对海量数据进行分析和学习,可以打造云、边、端一体化的 工业大脑。


工业互联网发展提速,工业互联网是 5G 重要应用领域之一。工信部印发的《工业互联 网专项工作组 2020 年工作计划》指出,要从五方面提升工业互联网的基础能力,包括 要推动基础电信企业建设覆盖全球所有地市的高质量外网,计划在年内打造 20 个企业 工业互联网外网优秀案例;鼓励工业企业升级改造工业互联网内网,预计于今年年底打造 10 个标杆网络,推动 100 个重点行业龙头企业、1000 个地方骨干企业开展工业互联 网内网改造升级。


边际变化二:公网专网优势结合齐发力,助力构建极致工业互联网


工业领域网络升级需求巨大。根据诺基亚的数据,2019 年全球有近 1500 万家企业和场 所具有潜在 4/5G 专网需求,其中工业制造领域需求最大,有超过 1000 万家工厂,其次 是仓库,有 330 万个。若在每个场所仅部署一个 5G 基站,全球就有 1458 万个潜在的 5G 基站需求,这意味着 4/5G 专网基站的市场规模至少是过去的 2 倍,将为设备商带来 成倍的收入增长。而 ABI Research 的一份报告指出,随着 5G R16 标准冻结以及后续 R17 的到来,未来 5G 专网市场将持续攀升,工业领域网络升级需求巨大。


随着 5G R16 版本的冻结,5G 和工业互联网的融合将进一步提速。企业在构建 5G 网络时,通常有两种选择:一种是基于 5G 公网,通过网络切片技术,将用户属于直接传送 到用户内网;另一种则是通过国家分配的专用 5G 频段,企业自建 5G 专网。目前我国尚 未针对 5G 专网分配频谱,业内关于工业领域采用 5G 切片技术还是采用专用频谱自建 5G 专网存在一定讨论,从工信部 2020 年 3 月 24 日发布的《关于推动 5G 加快发展的 通知》来看,对两种形式都给予了支持,未来工业领域更有可能是二者互相结合互补, 针对不同场景采用不同方案,专网通信制式升级速度将加快,公网专网统一的可能性也 会更大。


共享频谱采用 5G 专网频段,指的是政府专门为垂直行业分配或预留的 5G 专网频段,通 常运营商不能使用这些频段。目前,日本、英国、德国、芬兰、法国等国家已经为垂直 行业分配了 5G 专网频段,企业只需申请并支付一定的频率使用费就可使用。共享频谱 指企业采用 5G 专网频段或非授权频谱,部署一张完全独立 5G 公网的,包括核心网、基 站和 MEC 的完整的 5G 专网。授权频谱 5G 专网指运营商基于授权频谱帮助企业建设 5G 专网。


我国专网主要集中在军工、铁路和电网,未来在其他工业/垂直行业领域有望加速落地。我国专网主要集中在军工、铁路系统和电网系统,通常相较公网通信制式落后 1-2 代。随着 5G 标准的冻结,专网有望迎来升级浪潮,包括铁路通信专网,电网专网在内的通 信专网未来将进入加速建设期。而随着广东省工信厅向国家申请专用频段建设 10 个以 上 5G 专网,以及教育部表示正会同工信部研制 5G 教育专网建设方案,我们认为未来公 网和专网将齐发力,针对不同需求共同打造极致工业互联网,工业互联网网络层将更加 趋于成熟。


边际变化三:云+边+AI 有机结合,助力工业领域实现数字内循环


相比 2015 年,近年来伴随着移动互联网的进一步成熟和流量的持续增长,云计算已建 立起成熟的商业模式,实现了长期有效的高速发展。根据 Gartner 的数据,全球云计算 市场在 2019 年达到 1653 亿美元的规模,未来将继续维持 20%左右的增速。而根据 IDC 的数据,我国云计算市场规模在 2019 年达到 608 亿元,未来还将持续保持高速增长。


边缘计算作为云计算的补充,正被越来越多的接受。与集中式的云计算相比,边缘计算 则更具分布性,通过边缘端进行数据采集,如摄像头、传感器等,将获取的大量数据在 边缘端进行数据清洗筛选,将清洗后的有效数据传至云端进行大数据处理分析,并将结 果反馈给边缘端,实现云边端的有机结合,节省网络资源的同时提高了云端计算效率, 帮助企业进行更高效正确的决策。


云+边+AI 有机融合,大幅提升工业效率。据市场研究机构 IDC 预测,到 2020 年全球 超过 50%的物联网数据将在边缘处理。而边缘设备只能处理局部数据,无法形成全局认 知,因此实际应用中仍然需要借助云计算平台来实现信息的融合。现阶段大型工厂在数 字化、智能化改造的过程中面临的核心问题之一是如何规模化提升产品质量和良品率, 从而降低原材料消耗和人工成本投入。企业通过创建基于云边协同的计算平台,将 AI和深度学习等技术应用于工厂产品质量检测,根据英特尔的工业互联网案例显示,相较 于人工操作,云边协同能将效率提升至少5倍,产品缺陷类型的检测率也提升到了100%。


从边际变化看5G如何与工业互联网融合


边际变化四:物联网及工业自动化领域取得长足进步


近年来物联网发展迅速,整个产业处于高速成长期。得益于 5G 的 uRLLC(高可靠低时 延连接)和 mMTC(海量物联)两大特性将逐渐发挥出其功能。3G、4G 更多的实现的 是人与人之间的连接,而 5G 将是万物互联的新时代,整个物联网领域正在高速发展, 其中包括像车联网、智慧城市、智慧家居等空间巨大的垂直领域正处于行业发展的关键 时期,而物联网在工业领域将发挥前所未有的作用。


我国主导的 NB-IoT 正式纳入 5G 标准,我国物联网产业阶段继续高速前进。ITU 在 2020 年 7 月 10 日召开的远程会议宣布:3GPP 5G 技术(含 NB-IoT)满足 IMT-2020 5G 技术 标准的各项指标要求,正式被接受为 ITU IMT-2020 5G 技术标准。这标志着中国 5G 产 业链主导的 NB-IoT 技术,正式被纳入国际通用标准。随着 5G 规模商用,基于 NB-IoT+4G+5GNR 的几大核心物联网技术将承担起开启万物互联的责任,承载起未来满 足大规模物联网场景应用的需求。随着此技术正式纳入全球 5G 标准,我国相关企业在 物联网领域有望施展继续大展身手,扩大领先优势。


工业自动化领域始于上世纪 90 年代,发展至今已达到或接近世界领先水平。上世纪 90 年代诞生了数家以自主创新为主的 DCS 专业化公司,如北京和利时、上海新华公司及杭 州中控技术等,我国工业自动化由此开启了自主创新的蓬勃发展期,这些公司不仅占据 了一定的市场份额,积累了发展的资本和技术,同时也使得国外引进的控制系统价格大 幅度下降,为我国工业自动化的推广事业做出了贡献。目前我国工业自动化技术、产业 有了很大的发展,行业技术水平已经达到或接近世界先进水平,国内已经能自主提供高 精度的自动化仪表、具备国际先进水平的控制系统以及先进工业软件;在工业自动化的 现场总线关键技术领域还拥有了我国制定的 EPA 国际标准。


工业自动化领域技术涵盖先进制造技术、计算机技术、检测技术、网络技术、自动化技 术、微电子技术等多个学科,具有多学科交叉的技术特点。随着 AI、大数据、云计算的 迅速发展以及 5G 物联网时代的到来,控制技术的高速发展和企业信息化进程的推进, 工业自动化系统集多种新一代信息技术、多种基础学科的特点愈加显着,呈现出越来越 复杂、创新技术不断叠加的特点,涵盖了从现场设备层的自动化仪表、过程控制层的控 制系统、制造执行系统层的综合优化调度与协调、企业管理层的企业综合管理信息系统 以及综合四个层级与新一代信息技术结合的智能制造解决方案等。


边际变化五:工业软件迅猛发展,国产力量兴起打好坚实基础


工业软件市场规模大,我国市场持续高速增长。根据 Gartner 的数据,2018 年全球工业 软件市场规模达到 3893 亿美元,同比增长 5.19%。根据工信部数据,我国工业软件市 场规模持续高速增长,在 2019 年市场规模达到 1720 亿元,整体市场空间不断扩大。从 工业软件的市场规模可以看出,整个行业需求旺盛,成长动力足。


工业软件是用于支撑工业企业业务和应用的软件,是工业生产提质增效的重要工具。工 业软件可分为运营管理、生产控制、研发设计、协同集成和嵌入式工业软件几大类别, 其本质是将特定工业场景下的经验知识,以数字化模型或者专业化软件工具的形式积累 沉淀下来,连接起设计与制造,用可视化的方式规划和优化全生命周期的制造过程。


工业软件是工业互联网的核心。工业软件能够对工业流程进行数字化表达,打通各生产 环节,建立起数字孪生,工业互联网利用边缘设备和物联网收集工业大数据,工业软件 则负责工业大数据的处理和利用,将海量工业数据进行归纳学习进行数据反哺生产,实 现工艺与管理流程的优化,大幅提高生产效率,提高产品质量与良率。


进口依赖强,国产工业软件较为薄弱。我国在工业软件方面相较国际起步更晚,且由于 知识版权保护意识较差,破坏了商业竞争环境,进而挤压了国产软件市场空间,导致正 版国产软件难以发展壮大。高端 CAD、CAE、MES、PLM 等工业软件是产被西门子、达 索、PTC、ANYSY 等国外厂商垄断,其中核心工业软件领域中的 CAD 研发设计类软件, 德国西门子、法国达索、美国 PTC 及美国 Autodesk 公司在我国市场占有率达到 90%以 上,国内厂商如中望软件等市占率不到 10%。


近年来国产工业软件发展迅速,为我国工业互联网发展起到良好支撑作用。近年来我国 对科技领域的自主可控重视程度不断提升,工业软件是重要突破环节,政策层面加强对 工业软件的引导与支持,不断涌现出在垂直领域具备顶尖水平的企业。诸如中控技术、 中望软件、柏楚电子、广联达、芯愿景等优秀的国产厂商在各自领域实现国产软件技术 突破,以及如能科股份、宝信软件、用友网络等厂商在工业互联网的不断耕耘,国产自 主可控夯实了我国工业互联网发展的基础。


边际变化六:北斗+卫星互联网构建天地一体化信息网络,为工业领域提供更多可能性


北斗卫星导航系统是国家重要的时空基础设施,2019 年 12 月,北斗三号所有中圆地球 轨道卫星完成组网,标志着北斗三号系统核心星座部署完成。北斗导航技术与地基增强技术、5G 等多种技术融合,可以极大地扩展导航的范围,有效提升时空信息的精准度,为用户提 供稳定可靠的服务。


与其他三个全球定位系统相比,北斗是唯一采用三种轨道搭配的星座,其 27 颗卫星处 在距离地面 2.15 万千米的中圆轨道,分布在三个轨道面上,5 颗卫星采取赤道上空 3.58 万千米的地球静止轨道,3 颗卫星处在 3.58 万千米地球同步轨道。由于卫星定位需要接 收机收到至少 4 颗卫星信号,北斗系统的三轨道搭配可以保持对全球范围内任意一点的 稳定覆盖,在任意时间、任意地点观测到 6 颗星以上,而在亚太地区几乎可以永久保持 至少 12 颗卫星可见,大幅提高该区域定位精度,在配合地面建设的增强基站情况下, 分米乃至厘米级定位均能实现。


北斗三号整体性能大幅提升。北斗三号导航卫星系统旨在打造轻量化、长寿命、高可靠的卫星平台,采用以高精度星载原子钟、星座自主运行等为代表的卫星载荷技术和基于 星地链路、星间链路、全新导航信号体制的导航卫星运行控制技术,推动了“北斗”系 统覆盖范围从区域走向全球,定位精度由 10 米量级向米级跨越,测速和授时精度同步 提高一个量级,可靠性和抗干扰能力大幅提高,并使北斗卫星导航系统与其他系统的兼 容性更好。根据《北斗卫星导航系统建设与发展》,经过在轨测试,北斗三号空间信号用 户测距误差预计达到 0.5 米,系统定位精度将达到 2.5 米 5 米,北斗特色 RDSS 服务容 量提高 10 倍,用户发射功率降低至 1/10,并支持多种终端设备。


北斗系统提供精准导航定位数据。随着北斗三号系统性能的持续提升,北斗作为物联网 的重要组成部分,在感知层方面,北斗的定位、授时功能可完成精准时间信息和位臵信 息感知,在网络层方面,北斗短报文通信功能可实现感知信息和控制信息的全天候、全 天时、无缝传递。北斗系统能够提供精准导航定位数据,大幅提升如港口、物流等特定 领域的数据精准度和实时性。


卫星互联网发展迅速,低轨卫星通信打造天地一体网络。在 Elon Musk 的 Space X 公司 旗下的 starlink 的迅速推动下,低轨卫星互联网产业发展迅速,科技巨头纷纷加入其中, 旨在通过向低空轨道发射小型卫星,为全球用户提供高质量互联网覆盖服务。除 Space X 外,亚马逊、三星公司、卫星运营商 OneWeb、通信卫星公司 Telesat 等公司均已布局卫 星互联网项目。其中,SpaceX 已经发射超过 480 颗小型卫星,计划最终发射共 1.2 万颗 小型卫星。


我国卫星互联网项目开展顺利,未来有望率先在 B 端和工业领域投入使用。我国鸿雁星 座等低轨卫星互联网项目进展顺利,由于其不受传统地面通信网络铺设限制,能有效应 用于航空、海洋、偏远地区等特殊场景,实现无缝通信,未来市场需求广阔。另一方面, 随着全球巨头争相布局,以及被纳入我国新基建范畴,卫星互联网的战略地位凸显,迎 来快速发展机遇,为工业领域和 B 端创造更多可能性。


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“感谢冠卓咨询老师对项目组的全程辅导,通过做项目我们学会了如何用系统科学的方法分析研究问题;开阔了我们的视野并让我们的管理人员明白了团队协作的重要性。”


———北京某公司总经理 苏先生


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