工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的四個(gè)層級(jí)解析

5G對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響

5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

當(dāng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遇上5G

對(duì)于普通消費(fèi)者來說，5G的概念可能就是更高的網(wǎng)速，5G大帶寬帶來的上網(wǎng)體驗(yàn)提升是最直觀的，用手機(jī)可以實(shí)時(shí)觀看清晰度更高的視頻。

而更低的時(shí)延與更高的可靠性對(duì)C端用戶帶來的體驗(yàn)改善，相對(duì)來說就小很多，打開網(wǎng)頁的時(shí)延從50ms降低到10ms，消費(fèi)者基本是感知不到差異的。

在工業(yè)領(lǐng)域，情況則完全不同。很多年前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念就已提出，但直到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)如此普及的現(xiàn)在，工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的比例還是很小，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涉及的應(yīng)用也都還很淺。主要原因在于，目前互聯(lián)網(wǎng)在時(shí)延和可靠性方面還達(dá)不到要求。

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物聯(lián)網(wǎng)的邊界

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)大而泛的概念，從大的應(yīng)用領(lǐng)域來說，可以分為消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)。

這兩類對(duì)物聯(lián)網(wǎng)性能的要求差別很大，消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)比較大的場(chǎng)景有可穿戴設(shè)備、共享經(jīng)濟(jì)、智能家居等，這些場(chǎng)景與消費(fèi)者的生活息息相關(guān)，連接上以GPRS、WiFi和藍(lán)牙等方式為主，主要的性能要求是低功耗。

智能家居是最近快速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。一方面是交互領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步帶來語音交互體驗(yàn)的提升，另一方面是產(chǎn)業(yè)鏈上連接模組成本的降低，從而使得以音箱作為入口，連接并控制家庭內(nèi)部大量的電器成為可行的場(chǎng)景，并產(chǎn)生了像小米IoT、涂鴉、樂鑫等行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的業(yè)務(wù)或公司。

但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，情況并不一樣。工業(yè)各垂直領(lǐng)域行業(yè)特性迥異 ，知識(shí)壁壘很高，而且工業(yè)制造流程對(duì)可靠性和穩(wěn)定性要求非常高，目前的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)還很難滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)性能方面要求。因此物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展一直比較緩慢，還沒有產(chǎn)生比較成熟的商業(yè)模式和相對(duì)大體量的公司。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域包括眾多垂直行業(yè)，比較大的行業(yè)有制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、能源、建筑業(yè)、采掘業(yè)等，每個(gè)行業(yè)的特性差異巨大，物聯(lián)網(wǎng)與每個(gè)行業(yè)的結(jié)合，也都要根據(jù)行業(yè)自身特性來調(diào)整。

如果把物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)里的應(yīng)用抽象出來，我們可以總結(jié)為四個(gè)層次：數(shù)據(jù)的采集與展示、基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析與管理、深度數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、工業(yè)控制。

1、數(shù)據(jù)采集與展示

現(xiàn)在的大部分工業(yè)設(shè)備，例如數(shù)控機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、工業(yè)車輛等，自身就帶有大量傳感器，并提供集中的數(shù)據(jù)接口，只有一小部分老舊設(shè)備，或者有特殊的數(shù)據(jù)需求場(chǎng)景，需要單獨(dú)加裝傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，廠房?jī)?nèi)的設(shè)備，環(huán)境比較復(fù)雜，一般會(huì)使用網(wǎng)線將機(jī)床設(shè)備連接到集中的數(shù)據(jù)處理裝置上，再通過4G或者固網(wǎng)連接到云平臺(tái)；廠房外的設(shè)備，比如工業(yè)車輛，則通過內(nèi)置4G通信模塊的終端來完成數(shù)據(jù)采集和傳輸。

數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)的難點(diǎn)在于，面對(duì)大量不同種類的品牌的工業(yè)設(shè)備時(shí)，設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的適配和兼容。最后的數(shù)據(jù)可視化，是客戶比較核心的需求，可以通過統(tǒng)一的平臺(tái)監(jiān)控在網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)，便于及時(shí)了解設(shè)備異常信息，提高管理人員效率。

2、 基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析與管理

基于云平臺(tái)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)分析，并產(chǎn)生一些SaaS應(yīng)用，比如設(shè)備性能指標(biāo)異常的告警、故障代碼查詢、故障原因的關(guān)聯(lián)分析等。

這一層的數(shù)據(jù)分析還偏向于通用分析工具的階段，不涉及基于垂直領(lǐng)域深入行業(yè)知識(shí)的數(shù)據(jù)分析，基于這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果，也會(huì)有一些通用的設(shè)備管理功能，像設(shè)備的開關(guān)機(jī)、調(diào)整狀態(tài)、遠(yuǎn)程鎖機(jī)及解鎖等，這些管理應(yīng)用根據(jù)具體的領(lǐng)域需求而不同。

3、深度數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

深度的數(shù)據(jù)分析，則涉及到具體領(lǐng)域的行業(yè)知識(shí)，需要特定領(lǐng)域的行業(yè)專家來實(shí)施，具體根據(jù)設(shè)備的領(lǐng)域和特性建立數(shù)據(jù)分析模型。

目前比較多應(yīng)用在故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域，大型工業(yè)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)一直是難以解決的問題，比如機(jī)床、風(fēng)機(jī)等，一旦有大的故障發(fā)生，帶來的影響以及隨后產(chǎn)生的修復(fù)成本都是巨大的，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)設(shè)備故障，可以大幅度降低設(shè)備故障帶來的影響。

在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合行業(yè)專家的知識(shí)，可以產(chǎn)生深度的行業(yè)應(yīng)用，比如改進(jìn)制造工藝，優(yōu)化制造流程等，可以提高工業(yè)設(shè)備使用效率。

4、工業(yè)控制

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的目的就是能對(duì)工業(yè)過程實(shí)施精準(zhǔn)控制。

基于前述傳感器數(shù)據(jù)的采集、展示、建模、分析、應(yīng)用等過程，在云端形成決策，并轉(zhuǎn)換成工業(yè)設(shè)備可以理解的控制指令，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備資源之間的精準(zhǔn)的信息交互和高效協(xié)作。

當(dāng)前大部分場(chǎng)景的工業(yè)控制系統(tǒng)還需要部署在本地，受通信技術(shù)和處理能力的限制，工業(yè)云平臺(tái)涉及工業(yè)控制的的深度還不夠。5G技術(shù)可以滿足工業(yè)系統(tǒng)對(duì)通信能力的要求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的目標(biāo)。

離散制造業(yè)的產(chǎn)品往往是零部件由多道不連續(xù)的工序加工裝配而成，比如3C產(chǎn)品、汽車、機(jī)械等，生產(chǎn)過程是離散的。而流程制造業(yè)則是原材料按照固定的工藝流程，經(jīng)過一系列設(shè)備和裝置加工而形成產(chǎn)品，生產(chǎn)流程自動(dòng)化程度很高，比如石油、化工、天然氣、造紙等等。

離散制造業(yè)涉及的整個(gè)生產(chǎn)鏈條很長(zhǎng)，而生產(chǎn)鏈條上的各個(gè)環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，產(chǎn)能差異很大，這樣就會(huì)造成各環(huán)節(jié)銜接出現(xiàn)問題，而影響最終產(chǎn)品的生產(chǎn)。比如手機(jī)制造領(lǐng)域，有時(shí)候新機(jī)發(fā)布后產(chǎn)能卻跟不上，可能就是因?yàn)樯a(chǎn)鏈條中，某個(gè)部件良品率過低導(dǎo)致的。因此，在離散制造業(yè)領(lǐng)域，提供統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從信息層面把生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)通起來，就顯得非常有意義。

獲得設(shè)備性能的數(shù)據(jù)，可以對(duì)設(shè)備后面的二手定價(jià)起到幫助，另外也可以獲得設(shè)備故障信息代碼，及時(shí)了解設(shè)備故障情況，方便后續(xù)維修。

管理層面

可以將車間的操作人員與生產(chǎn)過程連通起來，方便對(duì)人員的管理，這種自下而上的數(shù)據(jù)，可以解決車間現(xiàn)場(chǎng)管理靠人的問題。

物聯(lián)網(wǎng)接入終端主要包含定位模塊和通信模塊，一般采用GPRS或者4G的接入方式。其主要的功能是獲取設(shè)備的位置信息，將其部署到工程機(jī)械設(shè)備里面，也可以獲取設(shè)備的部分狀態(tài)信息，并將這些信息及時(shí)傳送到云平臺(tái)。

究其原因，一方面是淺層的應(yīng)用更加通用，相對(duì)來說技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)和行業(yè)深度的要求不會(huì)太高；另一方面是目前連接的技術(shù)水平還無法達(dá)到工業(yè)級(jí)的應(yīng)用要求，尤其是在網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延和可靠性方面，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接無法參與到工業(yè)系統(tǒng)自身的業(yè)務(wù)和生產(chǎn)流程。

5G對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響

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5G的技術(shù)特點(diǎn)

5G并不是為某一個(gè)“殺手級(jí)應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，而是面向很多至今甚至尚未可知的應(yīng)用場(chǎng)景。5G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是一種自上而下的方法，先定義未來的應(yīng)用場(chǎng)景，然后從場(chǎng)景里抽象出技術(shù)的需求，再根據(jù)每個(gè)特定的需求，尋找解決辦法，研發(fā)具體的解決方案。

因?yàn)橄到y(tǒng)的要求十分的廣泛，過去幾代通信系統(tǒng)的技術(shù)并不適用于5G的需求。在5G眾多的預(yù)設(shè)場(chǎng)景之中，5G在技術(shù)方面的需求被ITU（國(guó)際電信聯(lián)盟）歸納為3個(gè)大的方面：

提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及極端的信號(hào)覆蓋能力

■ 超大連接量（大規(guī)模機(jī)器類通信，mMTC）

提供海量設(shè)備的數(shù)據(jù)連接能力，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)需求

■ 超低時(shí)延（超可靠低時(shí)延通信，uRLLC）

提供超可靠低時(shí)延的通信連接服務(wù)，要求極高的可用性和可靠性、極低的時(shí)延

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求

對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來說，高可靠低時(shí)延的通信系統(tǒng)可以說是至關(guān)重要。

一直以來工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用只能停留在表層的數(shù)據(jù)采集展示和由此延伸出來的一些管理功能，很難涉及到工業(yè)系統(tǒng)的控制等核心領(lǐng)域，其中通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延時(shí)達(dá)不到要求是其中主要的制約因素。

工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備投入巨大，無論是機(jī)床、生產(chǎn)線，還是機(jī)械設(shè)備，生產(chǎn)過程中的故障導(dǎo)致的停工，往往會(huì)影響整條生產(chǎn)線，甚至整個(gè)產(chǎn)品交付周期。

為確保穩(wěn)定性，工業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)還是以本地為主，部署大量的硬件和軟件系統(tǒng)。這一方面導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，投入巨大，另一方面，也限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。在消費(fèi)者需求日新月異的今天，生產(chǎn)系統(tǒng)的更新跟不上消費(fèi)者需求的變化，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)失很多新的機(jī)會(huì)。

當(dāng)前的移動(dòng)通信系統(tǒng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及并不深入，雖然4G在網(wǎng)速上已經(jīng)有很大的提升，能滿足用戶隨時(shí)觀看視頻的需求，但網(wǎng)絡(luò)的可靠性和時(shí)延都還有很大的提升空間，并不能滿足工業(yè)場(chǎng)景的要求。

4G在工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用，更多是在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景里，作為數(shù)據(jù)上傳到云端的一種方式。比如工廠里的機(jī)床設(shè)備，每5-10秒鐘會(huì)采集一次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)匯總一般會(huì)匯集到一個(gè)統(tǒng)一的終端，由終端通過4G發(fā)送到云平臺(tái)。

為了保證機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在工廠內(nèi)部，各個(gè)機(jī)床與統(tǒng)一終端的連接上，一般都會(huì)采用有線連接的方式。這樣的連接方式還是比較重，大量的線纜也會(huì)導(dǎo)致工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能提升到可以替代有線電纜的時(shí)候，工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也會(huì)降低，更加便于管理。

工業(yè)領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的這些需求，5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以很好的滿足，極低的時(shí)延，保證了工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制的要求；高可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，確保了工業(yè)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求；大帶寬則可以實(shí)現(xiàn)高清3D視頻，甚至AR的傳輸，在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域大幅提高了操作精度。

5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

在2018年6月上海舉行的世界移動(dòng)大會(huì)上，央視財(cái)經(jīng)的記者體驗(yàn)了中國(guó)移動(dòng)帶來的5G智慧工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景演示：

一臺(tái)遠(yuǎn)在石家莊工地上的挖掘機(jī)，通過5G技術(shù)與設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的駕駛室相連，不僅可在惡劣環(huán)境下作業(yè)，甚至可以打造無人工地。

參觀者可以在現(xiàn)場(chǎng)駕駛室真人駕駛，同步實(shí)時(shí)控制位于石家莊的挖掘機(jī)，進(jìn)行挖掘機(jī)前后、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘裝車等操作，操作臺(tái)對(duì)面的大屏幕通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)高清視頻同步傳遞真實(shí)場(chǎng)景及全景視頻效果。

雖然這只是一個(gè)場(chǎng)景演示，但它代表了5G在工業(yè)領(lǐng)域潛在應(yīng)用價(jià)值和未來應(yīng)用的方向。目前5G的商用還沒有正式開始，還沒有成熟的5G應(yīng)用場(chǎng)景出來，但有很多關(guān)注5G領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)，都在探索5G在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景，以及能帶來什么樣的商業(yè)價(jià)值。

愛立信為我們分享了2個(gè)具體的研究案例，給我們展示了5G技術(shù)的應(yīng)用，提高了工業(yè)效率，提升了商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值

確保葉盤的高質(zhì)量至關(guān)重要，高質(zhì)量的葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的保障。葉盤是通過銑床加工完成的，加工過程中面臨很多問題，其中最關(guān)鍵的一個(gè)問題是，加工的過程很難被監(jiān)控，這也是金屬加工領(lǐng)域普遍存在的問題。

這就意味著銑削加工過程全部結(jié)束之前，操作人員無法知道結(jié)果，而一個(gè)銑削加工的過程可以持續(xù)1天甚至達(dá)到100小時(shí)，由于加工缺陷的存在，最終加工產(chǎn)品的返工率卻經(jīng)常高達(dá)25%，拖長(zhǎng)了整體的生產(chǎn)周期。

加工缺陷可能有很多原因產(chǎn)生，但其中主要的原因是銑刀或機(jī)床自身的震動(dòng)，影響了加工結(jié)果，而這個(gè)震動(dòng)則可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過程來發(fā)現(xiàn)，并通過數(shù)據(jù)反饋來實(shí)時(shí)優(yōu)化加工過程，最終減少返工率。不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過程中產(chǎn)生的問題，是整個(gè)制造業(yè)都存在的現(xiàn)象。

雖然葉盤加工只是一個(gè)具體的案例，但是加工過程中的震動(dòng)問題，卻是機(jī)床加工領(lǐng)域普遍存在的。未來制造的葉盤會(huì)朝著更薄的方向發(fā)展，加工結(jié)果更容易受震動(dòng)的影響。

Fraunhofer IPT對(duì)這個(gè)問題給出的解決方案分為2部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制——

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在葉片部分貼上傳感器，在輪盤部分加入通訊模組，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉盤加工的結(jié)果，一旦有加工缺陷產(chǎn)生，及時(shí)停止對(duì)有缺陷部件的進(jìn)一步加工，或者定位到缺陷就啟動(dòng)返工；

實(shí)時(shí)控制

對(duì)加工過程建立數(shù)據(jù)模型，根據(jù)加工結(jié)果的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行中的加工過程，比如改變銑刀轉(zhuǎn)速等，以避免加工缺陷的產(chǎn)生。

但當(dāng)前的通信技術(shù)還不能很好的支持這個(gè)解決方案，5G是這個(gè)解決方案的關(guān)鍵所在。這個(gè)案例中，5G最大的優(yōu)勢(shì)是可以提供極低的時(shí)延和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制，傳感器的信息需要在1毫秒內(nèi)響應(yīng)和處理，5G通過提供極低時(shí)延的能力確保了實(shí)時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)，從而確保了可以應(yīng)用在葉盤生產(chǎn)的過程中。

Fraunhofer也測(cè)算了引入5G改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，傳統(tǒng)葉盤加工返工率高達(dá)25%，意味著每加工4個(gè)葉盤中就有1個(gè)需要返工。這個(gè)成本是非常高的，降低返工率就可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

如果通過引入5G與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，返工率可以降低10%，就相當(dāng)于減少了單位產(chǎn)品的加工時(shí)間。換算成機(jī)器成本的話，單葉盤成本可以降低3600歐元，全球葉盤的產(chǎn)量大概一年10萬片，這就意味著，通過5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一年可以節(jié)省3.6億歐元的成本。孔、自動(dòng)駕駛礦車、自動(dòng)規(guī)劃和調(diào)度系統(tǒng)等，必須有高性能的通信系統(tǒng)才能滿足這些需求。而5G正是最合適的通信系統(tǒng)，可以處理3D高清視頻的傳輸，大幅提高遠(yuǎn)程操控的精度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理高度復(fù)雜的任務(wù)。

因?yàn)?G連接的數(shù)量、提供的價(jià)值、付費(fèi)的能力，都不是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可以比擬的。所以也有很多人認(rèn)為，5G最大的機(jī)會(huì)在于產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

雖然5G技術(shù)目前還不成熟，大規(guī)模部署和應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但我們相信，5G賦能工業(yè)領(lǐng)域的方向是明確的，未來可期