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OneLink连接慧洞察第十六期:RedCap技术投产,补齐5G智慧工业轻量化无线通信空缺

作者: 编辑 来源: 互联网 时间: 2024-05-10 阅读:

工业界正处于一场数字化转型的变革之中,方兴未艾的工业5G与云技术、边缘计算和人工智能等先进制造技术的融合共振,将为智能制造和工业生态的发展创造无限空间,为全球工业的数字化时代开启新篇章。2022年,工业和信息化部组织编制了《5G全连接工厂建设指南》,加快“5G+工业互联网”向工业生产各领域各环节深度拓展。随着5G技术的规模化商用,5G网络从政策驱动向应用驱动转变,应用场景的挖掘成为重中之重。当前Redcap技术投产,为5G全连接工厂提供了轻量化低成本的应用技术支撑。随着工业5G对于数字化工厂全面升级的有力驱动,针对5G全连接工厂应用场景的思考和实施部署将会不断扩展,更重要的是,工业5G还将为人工智能、边缘计算、大数据等关键技术的相互促进与规模应用提供更多可能,从而进一步赋能工业制造。

一、RedCap完美契合低成本轻量化的大连接工业需求

5GRedCap在速率、时延、可靠性及连接数等关键能力指标上都相比4G有明显提升,这使得5G面向工业等领域的推广应用更具可行性。

图1:5G主要适用场景

工业5G典型逻辑组网架构由以下几部分组成:

工业接入设备:需通过5G无线连接的工厂设备,根据不同的应用场景需求,包括各类工业传感器、伺服器、控制器PLC、分布式IO、HMI设备、工业摄像头等。

5G终端:用于将各种类型工业设备接入至5G网络,并支持3GPP定义的终端功能,与5G网络进行通信。5G终端根据需求场景不同存在多种部署形态,包括5G工业路由器、5GCPE等,也可根据需求集成部分工业应用,比如数据采集等。

5G无线接入网:主要负责与5G终端的无线连接、物理层信号处理、无线资源管理等。

5G核心网:负责5G核心控制以及用户数据路由,主要由控制面(CP)与用户数据面(UP)组成,控制面(CP)基于服务化架构。负责5G用户开通、鉴权、计费、移动性管理、会话管理、QoS策略管理、切片等功能,用户数据面(UP)主要指UPF网元,负责用户数据路由、流量上报、QoS策略执行等功能。

工业内网:包括工厂内OT环网及IT网络,以及连接到内网的各种设备及IT/OT应用。5G作为统一无线接入传输介质,将需要5G无线接入的工业设备,通过二层或三层连接,接入到内网。

图2:工业5G组网架构图

5G为工业环境提供了网络布局可调整及布局的灵活性,以及以多种方式满足最终用户的基础设施。不同的需求导向引发了5G在工业领域部署的不同模式讨论及实践。从广义上讲,客户可以通过下图四种部署模式构建面向工业的5G专用网络。

图3:工业5G组网主流模式

RedCap大连接工业应用与上图模式一最为契合,基于运营商公共网络搭建的5G专网,通过“端到端”网络切片等技术为用户部署虚拟专网。一定程度上保障业务逻辑隔离,以及网络速率、时延、可靠性的优先级。适用于广域移动性业务场景,或者广域虚拟专网场景。模式一的5G控制面和用户面都在运营商公网的范畴,通过切片等技术实现资源预留以及SLA保障,这种模式比较适合于广域类业务,比如移动办公,远程监控等。由于该模式是全共享架构,其安全以及性能指标在满足超低延时、超高速率的精工行业的应用上仍待提升。

二、智慧工业典型应用的发展趋势

智慧工业典型产业技术主要包括工业控制、工业互联网、工业视觉、机器人及系统集成等,其中RedCap技术在中时延的工业控制及中速率要求的工业互联网能有较大的应用空间,提供5G轻量化低成本公用无线网络的支持。

1.工业控制

当下主流关键词:

多品种、小批量离散制造工厂的5G柔性产线。 柔性生产意味着制造产线需要灵活地调整,从而驱动端侧设备从有线走向无线。无论是少品种、多批量还是多品种、小批量离散制造,制造单元的无线化都会对柔性生产带来一定价值。

起重运输的少人化、无人化控制。 起重运输行业具有一定的共性,工作环境危险或恶劣、工作重复性高、招工日益困难等因素驱动着起重运输向少人化无人化的远程控制方向发展,使远程控制驱动端侧设备无线化。

运动控制场景的无线化。 工业应用领域一直在尝试用无线化技术来解决运动控制的线缆部署问题,而5G及5G演进技术的发展为运动控制的无线化带来较大可能。

工业控制发展趋势:

趋势一:OT和IT网络融合是工业控制领域确定性趋势。5G数据采集方案可以更加灵活地在工厂内部署数据采集点,支持更灵活的扁平化架构。

趋势二:从传统的单元自动化控制系统向全流程、多工序的协同优化控制系统发展。实现高效的个性化定制、全局的实时动态优化。

趋势三:将通用算力下沉到车间、现场。实现传统控制系统的智能化升级,支持自动化控制与智能化应用的融合部署。

趋势四:以开放的工业通信协议实现全面网联化。消融数据孤岛,加速工业数据的产生、采集、流转、处理、价值变现。

趋势五:在边缘设备中使用模块化计算机来优化能源使用。可以通过优化功耗来帮助减少计算机及其网络的压力。

趋势六:品种小批量离散制造工厂的5G柔性产线。柔性生产意味着制造产线需要灵活地调整,从而驱动端侧设备从有线走向无线。

趋势七:重运输行业具有一定的共性。工作环境危险或恶劣、工作重复性高、招工日益困难等因素驱动着起重运输向少人化无人化的远程控制方向发展,使远程控制驱动端侧设备无线化。

趋势八:运动控制场景的无线化。工业应用领域试图利用无线化技术来解决运动控制的线缆部署问题,而5G及5G演进技术的发展为运动控制的无线化带来较大可能。

市场规模现状及预测:

图4:工业控制行业市场规模及未来预测

图5:工业控制下游应用类型预测

2.工业互联网

当下主流关键词:

边缘计算: 工业互联网的核心是基于全面互联而形成数据驱动的智能,而边缘计算可以协同调度计算、存储、网络等资源,实现企业内各层数据的纵向集成及实时高效处理,充分释放数据价值。

工业数字孪生: 工业数字孪生是多类数字化技术集成融合和创新应用,基于建模工具在数字空间构建起精准物理对象模型,再利用实时IoT数据驱动模型运转,进而通过数据与模型集成融合构建起综合决策能力,推动全业务流程闭环优化。

工业机理模型:指利用人工智能技术、特别是通用大模型技术来构建具有海量参数、强大泛化能力、跨领域适应性的工业机理模型的技术。工业机理模型技术的主要目标是以知识注入的方式,将工业领域的专业知识和经验融合到通用大模型,孕育出具有工业领域特色机理大模型。

AI+工业互联网: 由于工业行业的复杂性和多样性,单一的技术平台无法满足大量复杂的业务生产需求,大量的工业企业仍存在多个内部系统并存,且无法互通的问题。AI+工业互联网的应用模式可以打通整合数据要素,给制造业带来安全、降成本、提升效率等诸多便利。

“平台+服务”: 工业互联网作为推动数字经济发展快速发展的抓手,将进一步向区域产业集群规模化下沉。以“平台+服务”的方式提供工业互联网新技术、产品和解决方案的模式成为诸多园区数字化转型的首选。

工业互联网发展趋势:

趋势一:价值链的重心向客户侧转移。随着运营商广域覆盖的推进,海量设备会接入统一的CMP平台,产生更大的价值。CMP平台接入数量的增长使得AEP平台存储的数据快速累积,并催生新的应用,驱动价值链继续向应用层传导。

趋势二:工业数字孪生深入发展。工业数字孪生技术通过在数字空间构建物理对象的精准模型,并利用实时数据驱动模型运转,实现数字空间与物理世界的双向映射和交互,显著提升工业数字孪生系统面对复杂经营环境的可用性,从而规模化支撑数字技术落地。

趋势三:工业GPT逐渐兴起。以“华为盘古”为代表的大模型将对工业互联网平台层和软件层进行整合重构,扩大工业互联网可解决工业问题边界的深度和广度。

趋势四:边缘计算得到广泛应用。出于安全性和效率考虑,未来数字工业超过50的数据会在边缘侧产生,同时会出现大量部署在边缘的应用服务,这要求企业管理和利用好这些资源。

市场规模现状及预测:

图6:工业互联网行业市场规模及未来预测

图7:25年工业互联网应用场景分布占比预测

图8:25年工业互联网核心产业增加值占比预测

三、RedCap技术在智慧工业应用中的优势

RedCap技术在保留了5G核心优势的同时,降低了设备复杂性和成本,使5G技术更加适用各种工业大连接场景。RedCap技术对工业大连接的价值主要体现在以下几个方面:

1.降低成本:RedCap通过简化5GNR的某些功能,如降低最大带宽、减少天线配置、控制最大调制阶数等,从而降低了设备的复杂性和成本。这使得更多的工业设备能够采用5G技术进行连接,不需要承受高昂的设备成本。

2.提高效率:RedCap技术保留了5GNR的核心优势,如降低时延、提高可靠性等,使其在工业大连接场景中能够提供更好的性能。通过RedCap技术,工业设备可以更高效地传输数据,提高生产效率。

3.扩大应用场景:RedCap技术填补了中档物联空白,使得5G技术能够适配低、中、高档物联应用,使得更多的工业场景可以采用5G技术进行连接,如工业控制、工业设备运行维护、PLC协同控制、AVG/AMR互联互通、智能制造等。

4.促进统一高效管理:通过RedCap技术,蜂窝物联网可以实现一体化管理,这有助于降低管理成本、提高管理效率,进一步促进工业大连接发展。

四、运营商的机遇

数字化改革浪潮下,网络通信及算力存储服务将作为各行各业发展的技术基石。国内运营商均具备完善的5G网络覆盖及算力和云存储服务,RedCap网络无需额外投入站点,通过升级现有基站,预计24年将实现RedCap县城以上区域连续覆盖。运营商目前进行布局网络演进,通过打造更优质的RedCap网络、提供更高性能的算力和存储服务,进一步促进智慧工业的发展。同时也建议采取以下措施,加快发展的进程:

1.提供定制化解决方案:根据智慧工业的具体需求,运营商可以提供基于RedCap技术的定制化解决方案,包括网络设备、应用程序等,以满足工业生产、监控、管理方面的需求。

2.扩大网络覆盖范围:运营商可以利用RedCap技术的灵活性,将其部署在现有的5G网络中,扩大网络覆盖范围,以提供可靠的连接服务,促进智慧工业发展。

3.降低设备成本:研发RedCap模组及芯片,组织产业链开发RedCap终端,进一步降低整体工业生产链路的设备成本,逐步将中档位的物联网连接依托RedCap网络替代,促进产业升级。

4.提供数据分析服务:运营商利用RedCap技术收集工业设备的运营数据,通过大数据分析技术,为企业提供有价值的信息和建议,帮助企业优化生产流程、提高生产效率、降低运营成本等。

5.加强安全保障:智慧工业的发展无法避免安全问题,运营商可以利用RedCap技术的特性,加强网络安全防护,确保工业数据的安全传输和存储。

数据: 西门子工业5G全连接工厂白皮书、智能制造产业创新发展蓝皮书、各公司官网)

(作者:中移物联)

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