作者 | Hideo Nishimura
由於可以在惡劣條件下更好的提供現場支持，更好地連接設備和機器, 5G正在成為滿足工業過程要求的先進無線技術。
在整個過程工業應用無線通信，有助於實現工廠的高效運營。例如，ISA100.11a是一種可靠的工業無線標準。符合ISA100要求的設備，遍布從過程監控到閉環控制等諸多應用。另一種技術是可用於資產監控應用的低功耗、廣域（LPWA）無線網絡，其特點是各種節能技術和遠程通信。無線通信還可用於現場連接手機和平板電腦等行動裝置，從而提高現場操作的效率。
過程工業和其它製造業正在引入數位技術，以進一步提高生產效率。作為一項核心技術，無論部署在何處都能提供連接的無線通信變得越來越重要。與此同時，無線通信需要滿足各種應用的需求，這一點也變得越來越具有挑戰性。例如，為了支持現場工人，必須確保在整個工廠內的可靠連接。更精確地控制移動機器人，需要高可靠性和實時交互。
此外，為了利用人工智慧（AI）實現工廠的自主運營，現場部署了許多傳感器。連接這些傳感器、獲取大量數據並將其傳輸至基於AI的分析，需要大容量通信。5G正在成為滿足工業過程要求的先進無線技術。
01
5G通信特性概述
繼3G和4G/LTE之後，「5G」是第五代移動通信系統。雖然這幾代系統更多地是為個人通信服務而開發的，但5G也可用於物聯網（IoT）網絡基礎設施，物聯網將連接日常生活、製造業和其它行業的所有設備和物體。
如圖1所示，國際電信聯盟的無線電通信部門（ITU-R）定義了5G通信的三個特性：增強型移動寬帶（eMBB）、超可靠低延遲通信(uRLLC)以及大規模機器通信(mMTC)。以下的章節描述了對每個通信特性的性能要求。請注意，沒有必要同時滿足所有要求，例如，用20Gbps的高速通信同時連接100萬個終端。
▲5G通信的三個特性及其實際應用。圖片來源：Yokogawa
● 增強型移動寬帶
5G專注於提高寬帶無線通信的數據吞吐量，這在前幾代中已經得到了增強。智慧型手機和其它移動終端的寬帶服務，就是利用這一特性的典型案例。需求包括高達20Gbps的通信速度和對特定區域用戶的大約100Mbps的穩定通信帶寬。
● 超可靠低時延通信
5G旨在實現高可靠性、低延遲和實時的無線通信。該特性適用於關鍵工業應用，如生產控制、遠程手術和智能電網。要求包括1ms或者更短的無線延時，和99.999%或更高的數據包接收成功率。
● 大規模機器通信
這一特性意味著同時連接許多通信量低的終端。假設具有大量廉價的、電池供電的設備的應用（如物聯網傳感器）。要求包括每平方公里容納100萬個以上終端的能力，以及出色的節能特性，可以由電池供電運行10年以上。
02
5G中的專用頻譜
大多數現有的無線通信技術，如Wi-Fi和ISA100.11a，使用非許可的頻譜（例如，2.4GHz頻帶），這樣用戶無需許可證即可使用。這種非許可的頻譜可用於多種場景，用戶數量無上限。然而，同一頻段上的不同無線系統之間存在相互干擾的風險。
5G和其它移動通信系統通常使用許可頻譜.許可頻譜只能由被許可方使用，因此不易受到其它系統的無線電干擾。這提供了更可靠的無線通信。由於通信的可靠性在工業應用中至關重要，專用頻譜是5G與非許可頻段無線技術的區別。分配給5G的頻段因國家和地區而異，但預計將使用「Sub-6」和毫米波頻段：
● Sub-6（小於6 GHz）：該頻段在覆蓋面積和通信容量之間具有良好的平衡。在一些國家，分配的頻段為3.7 GHz和4.5 GHz。
● 毫米波（24 GHz及更高）：由於具有高都的方向性，這種高頻無線電波無法輕易繞過障礙物，但寬帶可以提供更高的通信容量。在日本等國家，已經分配的頻段為28GHz。
03
運營專用網絡（本地5G）
現有的移動通信系統通常被設計為在由行動網路運營商建立的全國性網絡中提供廣泛的通信服務。另一方面，5G有望允許非電信運營商在有限的區域內建設和運營專用網絡。專用網絡可以根據應用定製通信性能，比如由於其獨立於其它網絡和用戶，因此它們可應用於需要高安全性和高穩定性的應用場景。
04
5G的國際標準化
在一些國家，公司和地方政府預計將建設和運營自己的專用5G網絡。表1比較了全國性運營商5G和本地5G的主要特點。除了分配給行動網路運營商的頻段之外，Sub-6（4.5GHz頻帶）和毫米波頻帶被分配給本地5G。獲得許可證後，當地運營商可以在其區域內獨家使用這些頻段。
由主要國家和地區的標準化組織領導的第三代合作
夥伴計劃（3GPP），正在開發移動通信系統的標準。繼3G和4G/LTE之後，3GPP正在開發符合ITU-R需求的5G標準。
▲比較運營商5G和本地5G的特點，展示其在運營商、通信、許可、干擾、定製和安全方面的差異。
5G有望用於傳統移動通信行業和更多其它行業。納入工業應用所需的新要求，是成功制定標準的一個重要因素。每個行業都成立了專注於5G應用的國際研討會，並與3GPP合作制定5G標準。製造領域於2018年4月成立了5G產業自動化聯盟（5G-ACIA）。來自製造業和電信業的主要公司正在積極參與並探討5G技術在製造業中的應用。
05
過程工業的五個潛在應用
在製造業領域，不同現場應用對通信的要求各不相同，例如遠程資產監控、過程監視和控制、現場工人移動終端的連接以及移動機器人的操作。如前所述，5G有望被用作無線基礎設施，能夠引入各種無線工廠應用。此外，那些能最好地利用5G的通信特性的應用正在開發中，以促進位造業的數位化遠程操作。圖2展示了工廠潛在的5G應用案例。
1.行動裝置的現場操作支持
行動裝置正在被部署到現場以提高工作效率，例如巡視和檢查工廠設施。當前網絡覆蓋範圍和現場帶寬的限制，使得通過無線通信對應用的支持受限。5G將以更高的速度和更低的延遲，在工廠內任何區域實現寬帶無線通信。
增強現實（AR）是5G增強移動寬帶的應用場景之一。儘管AR需要大量數據，但它可以將高清圖像疊加到目標設備上，並將其實時顯示在工人的平板電腦或可穿戴終端設備上，從而提供直觀的解決方案。現場工人可以在參考疊加的工作程序的同時操作目標設備，或者與遠程位置的技術人員實時共享圖像並獲得具體建議。該用例不僅有助於提高現場工作的效率、可靠性和安全性，而且還可以通過實踐更有效地傳承技能。
2.具有高清圖像的遠程監控
5G比上一代的4G/LTE有更大的容量，尤其是在上行通信方面。這樣就可以實時傳輸4K或更高解析度的視頻。在工廠中，一個潛在用途就是使用無線攝像頭進行遠程監控。當圖像的清晰度高到足以區分液體表面顏色的細微變化或管道的腐蝕時，就可以遠程進行目視檢查。高解析度圖像也可以用作AI分析的輸入，它可以自動檢測異常情況，如未經授權的人員入侵或火災等情況。
3.雲機器人
隨著工作人口的減少，移動機器人有望確保工廠安全、可靠地運行。機器人在整個工廠內自主移動，代替工人執行危險區域的巡視任務。無人機可以執行高空作業，而這對工人來說是危險的。「雲機器人」正成為一項大有前途的技術。由於雲端的控制功能不受機器人計算性能的限制，因此可以部署高級控制功能。
利用其高速和大容量的特性，5G可使移動機器人實時無線連接到雲端的控制功能。使用雲端大量的計算資源並實時處理大量傳感器數據，例如來自機器人的相機圖像和位置數據，將有可能執行更精確的態勢分析和控制。5G提供的超可靠和低延遲特性，使其可用於緊急的、時間敏感型通信，從而可以避免機器人和移動過程設備之間的碰撞等事件。
4.無線/雲控制系統
現有的無線技術無法同時實現高可靠性和低延遲，但可以通過5G實現。這使得5G可應用於關鍵任務。一種可能的應用是將分布式控制系統（DCS）的一部分無線化，以降低在廣泛的工廠區域內安裝和維護通信電纜的成本。還可以添加和修改監測點，而無需對通信電纜進行任何操作。
此外，如果5G能夠確保現場設備和雲之間的高可靠性、低延遲通信，則控制器和其它DCS功能可以配置在雲中，同時保持關鍵任務的性能。除了外部雲系統外，5G還可與多接入邊緣計算（MEC）一起使用，MEC將在網絡中構建一個低延遲計算平台。當在MEC平台上實現控制應用時，可以啟用雲控制服務，無需網際網路或其它網絡，就可以充分利用5G的高可靠性和低延遲。
5.互聯的傳感器以實現數字孿生
數字孿生是網絡空間中實際工廠的數字實現，是實現工廠運營數位化轉型的基礎。應用不限於靜態數字工廠設計信息。數字孿生實時反映真實的工廠狀況，可通過仿真和AI分析實現預測維護和優化運營。
為了更精確地同步物理設備和數字孿生設備的狀態，企業必須準確掌握設備、管道和其它資產的狀態以及天氣和其它工況。為此，工廠必須安裝許多傳感器。為了滿足這一需求，每個傳感器必須是無線的、價格低廉的，並且能夠在無需更換電池的情況下運行數年。5G可以同時連接多個設備的特性，是實現這一應用的關鍵。
▲工廠潛在的5G應用案例包括對行動裝置的支持、遠程監控、雲機器人、無線/雲控制系統、用於數字孿生優化的增強型傳感器連接。
06
工業5G應用的現狀和挑戰
儘管在工廠中的潛在應用案例很多，但5G尚未在過程工業中獲得廣泛實施。工業5G應用仍面臨著很多挑戰。
為了滿足消費者和工業應用的需求，5G必須支持多種功能。5G標準正在以不同優先級、分階段的方式開發。2018年發布的第一個5G標準3GPP R15版本，側重於為消費者提供增強型移動寬帶。
R16和更高版本的5G標準，包括了可用於工業應用的功能。它們增強了高可靠性、低延遲通信和專用網絡，還支持與時間敏感網絡（TSN）的互操作，這是自動化領域的一項基本網絡技術。儘管5G R16於2020年7月發布，但截至2021年7月，符合這些要求的產品尚未在工業市場廣泛銷售。2022年6月，R17版本的協議編碼凍結，標誌著5G的增強標準正式完成。
工業領域的功能將在R18和更高版本（5G-Advanced）標準中得到進一步增強。雖然5G提供了高可靠性、低延遲和多點同時連接等先進的工業功能，但需要進一步開發5G標準、合規產品和基礎設施來支持這些功能。
為了使潛在的用例在工廠中廣泛實施，標準、產品和基礎設施必須成熟。此外，有必要證明新5G技術的投資回報。儘管規範顯示：5G技術優於現有的無線通信，但5G的商業價值才剛剛顯現。
▲概念驗證測試配置使用新算法和5G，來解決棘手的先進過程控制挑戰。
07
使用5G的遠程控制技術概念驗證
橫河電機和NTT Docomo公司成功完成了使用5G的遠程控制技術的概念驗證（PoC）測試。PoC測試包括一個基於AI的自主控制雲環境，使用橫河電機和奈良科學技術研究所開發的階乘內核動態策略編程（FKDPP）算法，以及Docomo提供的5G移動通信網絡。該驗證用於測試仿真過程運營的控制，確定5G在遠程控制實際工廠過程方面的技術優勢。
雖然PoC是一個充滿希望的步驟，但仍需進一步測試，以開發工業5G解決方案清晰的商業價值。例如，通信可靠性和延遲相關問題仍有待長期研究。近年來，將生產設施部署在偏遠或危險地區的趨勢，推動了對遠程工業運營日益增長的需求，並改變了人們的工作方式。一種可能的解決方案是在工厂部署高速無線通信邊緣設備，並使用基於雲的自主AI技術實時控制設備。
08
5G和基於雲的自主控制AI
FKDPP算法已被證明是一種可行的自主控制AI解決方案。2022年2月，一家化工廠結束了為期35天的現場測試，在測試中FKDPP成功控制了某工藝過程，該工藝過程難以使用現有的比例-積分-微分（PID） 和先進過程控制（APC）實現自動化，這些過程之前都是由人工手動完成的。FKDPP和雲與5G的結合，提供了低延遲和連接許多設備的能力，有望成為實現工業自主控制的核心技術。
該展示旨在驗證：可以通過5G網絡，在雲中使用FKDPP算法來控制三水箱液位系統。設定目標水位，執行低至高速控制周期的測試，結果確認了移動通信延遲對FKDPP控制的影響。測試表明：與4G相比，尤其是在高速控制的情況下，5G提供了更低的延遲，相對於目標水位的超調量更小，並且能夠處理短至0.2秒的控制周期，從而實現了更穩定的質量和更高的能源效率。
許多行業開始考慮使用5G無線通信技術來加速數位化轉型。高可靠性、低延遲和同時連接多個設備的功能，對工業應用至關重要。為了實現更廣泛的應用，需要不斷完善5G標準，提供更成熟的合規產品和基礎設施，並向用戶展示5G帶來的獨特優勢和價值。