CBC專題·通往5G之路 | 當工業物聯網遇上5G
編者按：本文來自微信公眾號“ 寬頻資本 ”（ID：bjkdzb），作者宋鵬飛，36氪經授權釋出。
日本總務省最近推出了一部熱門短片《連線5G以後的世界》。在3分多鐘時間裡，短片密集呈現了5G支援下超高清視訊、自動駕駛、遠端醫療、智慧零售、即時翻譯、AR/VR等等應用場景。雖然人們對這些概念已不再陌生，但有了5G加持，似乎夢想照進現實的距離又更近了一點。
值得注意的是，面向消費者的領域僅是5G賦能的一部分。5G更大的價值將發揮在並不太受公眾關注的工業領域。事實上，去年12月1日韓國全球首推5G商用服務，三大運營商的第一個5G客戶都是企業。
本期「CBC洞見」特邀 寬頻資本副總裁宋鵬飛 來談談「工業物聯網」，結合案例為大家分析企業存在的痛點與需求，以及與之契合的5G應用場景。
文章主要圍繞以下話題展開：
❶ 工業物聯網與消費物聯網的區別
❷ 工業物聯網應用的四個層級解析
❸ 5G對工業物聯網可能產生的影響
❹ 5G在工業物聯網的應用
當工業物聯網遇上5G
:memo:作者 宋鵬飛
宋鵬飛，寬頻資本副總裁，2012年加入CBC投資團隊，主要負責企業服務、人工智慧、物聯網等領域的投資。 歡迎聯絡：[email protected]
對於普通消費者來說，5G的概念可能就是更高的網速，5G大頻寬帶來的上網體驗提升是最直觀的，用手機可以實時觀看清晰度更高的視訊。
而更低的時延與更高的可靠性對C端使用者帶來的體驗改善，相對來說就小很多，開啟網頁的時延從50ms降低到10ms，消費者基本是感知不到差異的。
在工業領域，情況則完全不同。很多年前，工業網際網路的概念就已提出，但直到移動網際網路如此普及的現在，工業領域裝置聯網的比例還是很小，聯網裝置涉及的應用也都還很淺。主要原因在於，目前網際網路在時延和可靠性方面還達不到要求。
物聯網的邊界
物聯網是一個大而泛的概念，從大的應用領域來說，可以分為 消費級物聯網 和 工業級物聯網 。
這兩類對物聯網效能的要求差別很大，消費級物聯網比較大的場景有可穿戴裝置、共享經濟、智慧家居等，這些場景與消費者的生活息息相關，連線上以GPRS、WiFi和藍芽等方式為主，主要的效能要求是低功耗。
智慧家居是最近快速發展的一個領域。一方面是互動領域技術進步帶來語音互動體驗的提升，另一方面是產業鏈上連線模組成本的降低，從而使得以音箱作為入口，連線並控制家庭內部大量的電器成為可行的場景，併產生了像小米IoT、塗鴉、樂鑫等行業內領先的業務或公司。
但在工業物聯網領域，情況並不一樣。工業各垂直領域行業特性迥異 ，知識壁壘很高，而且工業製造流程對可靠性和穩定性要求非常高，目前的運營商網路還很難滿足工業物聯網對效能方面要求。因此物聯網在工業領域的進展一直比較緩慢，還沒有產生比較成熟的商業模式和相對大體量的公司。
工業物聯網的現狀
工業領域包括眾多垂直行業，比較大的行業有製造業、運輸業、能源、建築業、採掘業等，每個行業的特性差異巨大，物聯網與每個行業的結合，也都要根據行業自身特性來調整。
如果把物聯網在行業裡的應用抽象出來，我們可以總結為四個層次： 資料的採集與展示 、 基礎的資料分析與管理 、 深度資料分析與應用 、 工業控制 。
這四個層次根據涉及業務流程的深度，由淺入深的總結了工業物聯網目前的應用和價值，越淺層次的應用，涉及到的業務流程越少，通用性會比較強，應用領域越廣。
資料採集與展示
主要是將工業裝置感測器上採集到的資料資訊傳輸到雲平臺，並用視覺化的方式將資料呈現出來。
現在的大部分工業裝置，例如數控機床、風力發電機、工業車輛等，自身就帶有大量感測器，並提供集中的資料介面，只有一小部分老舊裝置，或者有特殊的資料需求場景，需要單獨加裝感測器和資料採集裝置。
在資料傳輸方面，廠房內的裝置，環境比較複雜，一般會使用網線將機床裝置連線到集中的資料處理裝置上，再通過4G或者固網連線到雲平臺；廠房外的裝置，比如工業車輛，則通過內建4G通訊模組的終端來完成資料採集和傳輸。
資料採集業務的難點在於，面對大量不同種類的品牌的工業裝置時，裝置資料協議的適配和相容。最後的資料視覺化，是客戶比較核心的需求，可以通過統一的平臺監控在網裝置的狀態，便於及時瞭解裝置異常資訊，提高管理人員效率。
基礎的資料分析與管理
基於雲平臺採集到的裝置資料，進行基本的資料分析，併產生一些SaaS應用，比如裝置效能指標異常的告警、故障程式碼查詢、故障原因的關聯分析等。
這一層的資料分析還偏向於通用分析工具的階段，不涉及基於垂直領域深入行業知識的資料分析，基於這些資料分析結果，也會有一些通用的裝置管理功能，像裝置的開關機、調整狀態、遠端鎖機及解鎖等，這些管理應用根據具體的領域需求而不同。
深度資料分析與應用
深度的資料分析，則涉及到具體領域的行業知識，需要特定領域的行業專家來實施，具體根據裝置的領域和特性建立資料分析模型。
目前比較多應用在故障預測領域，大型工業裝置的故障預測一直是難以解決的問題，比如機床、風機等，一旦有大的故障發生，帶來的影響以及隨後產生的修復成本都是巨大的，實時採集資料並預測裝置故障，可以大幅度降低裝置故障帶來的影響。
在大量資料的基礎上，使用機器學習，結合行業專家的知識，可以產生深度的行業應用，比如改進製造工藝，優化製造流程等，可以提高工業裝置使用效率。
工業控制
工業物聯網的目的就是能對工業過程實施精準控制。
基於前述感測器資料的採集、展示、建模、分析、應用等過程，在雲端形成決策，並轉換成工業裝置可以理解的控制指令，對工業裝置進行操作，實現工業裝置資源之間的精準的資訊互動和高效協作。
當前大部分場景的工業控制系統還需要部署在本地，受通訊技術和處理能力的限制，工業雲平臺涉及工業控制的的深度還不夠。5G技術可以滿足工業系統對通訊能力的要求，實現工業控制的目標。
工業物聯網應用案例
製造業按其產品製造工藝過程的特點，總體上可分為離散製造業和流程製造業。
離散製造業的產品往往是零部件由多道不連續的工序加工裝配而成，比如3C產品、汽車、機械等，生產過程是離散的。而流程製造業則是原材料按照固定的工藝流程，經過一系列裝置和裝置加工而形成產品，生產流程自動化程度很高，比如石油、化工、天然氣、造紙等等。
離散製造業涉及的整個生產鏈條很長，而生產鏈條上的各個環節相互獨立，產能差異很大，這樣就會造成各環節銜接出現問題，而影響最終產品的生產。比如手機制造領域，有時候新機發布後產能卻跟不上，可能就是因為生產鏈條中，某個部件良品率過低導致的。因此，在離散製造業領域，提供統一的物聯網平臺，從資訊層面把生產的各個環節聯通起來，就顯得非常有意義。
具體到生產製造環節，大多時候涉及到的裝置都是機床，目前國內也有一些公司，在機床資訊聯網這個方向上探索，這也是工業物聯網裡一個比較典型的應用。
通過採集與管理數控機床和相關感測器的資訊，可以實現兩個方面的價值：
裝置層面
獲得裝置效能的資料，可以對裝置後面的二手定價起到幫助，另外也可以獲得裝置故障資訊程式碼，及時瞭解裝置故障情況，方便後續維修。
管理層面
可以將車間的操作人員與生產過程連通起來，方便對人員的管理，這種自下而上的資料，可以解決車間現場管理靠人的問題。
通過SaaS層面的應用，一方面可以將裝置的狀態資訊清晰的展示出來，另一方面，也可以開發一些管理和控制方面的應用，提高機床和工廠生產效率。離散製造業鏈條上各個環節都通過統一的物聯網平臺聯通之後，可以從全域性的角度更加方便對整體制造流程的管理。
工程機械領域也是工業物聯網的一個行業應用，工程機械裝置加裝物聯網接入終端之後，可以及時獲取裝置的位置和狀態資訊，提高裝置使用和管理效率。物聯網接入服務一般包含兩部分，第一部分是提供物聯網接入終端，第二部分是工業物聯網大資料平臺。
物聯網接入終端主要包含定位模組和通訊模組，一般採用GPRS或者4G的接入方式。其主要的功能是獲取裝置的位置資訊，將其部署到工程機械裝置裡面，也可以獲取裝置的部分狀態資訊，並將這些資訊及時傳送到雲平臺。
▲ 來源：鐵甲網 鐵甲雲盒
物聯網雲平臺可實時、準確地查詢每一臺機械裝置的位置等引數和工況資訊，實時監測裝置生產作業資料，並在裝置引數異常時推送預警資訊，以實現對裝置的精準監控。同時，平臺還可以對車輛故障進行診斷分析，並找到故障解決方案，以協助售後人員及時趕到現場維修，提高服務質量。
此外，物聯網平臺還可以對裝置線上數量分佈、裝置開工率、裝置平均工時、裝置區域工作熱度等進行分析，可以對售後服務備件市場進行預測分析，從而優化生產計劃及庫存。
▲ 來源：鐵甲網 鐵甲物聯網雲平臺
以上兩個只是比較典型的應用案例，市場上有很多做工業物聯網平臺的公司，專注在各個細分領域，業務上大部分集中在資料的採集與展示這一層，也有一部分涉及到第二層，會根據客戶的行業特性做一些基礎的資料分析和管理，但做到第三層和第四層的非常少。
究其原因，一方面是淺層的應用更加通用，相對來說技術上易於實現，對團隊的技術和行業深度的要求不會太高；另一方面是目前連線的技術水平還無法達到工業級的應用要求，尤其是在網路的低時延和可靠性方面，導致網路連線無法參與到工業系統自身的業務和生產流程。
5G對工業物聯網可能產生的影響
5G的技術特點
5G並不是為某一個“殺手級應用”而設計的系統，而是面向很多至今甚至尚未可知的應用場景。5G系統的設計採用的是一種 自上而下 的方法，先定義未來的應用場景，然後從場景裡抽象出技術的需求，再根據每個特定的需求，尋找解決辦法，研發具體的解決方案。
因為系統的要求十分的廣泛，過去幾代通訊系統的技術並不適用於5G的需求。在5G眾多的預設場景之中，5G在技術方面的需求被ITU（國際電信聯盟）歸納為3個大的方面：
■ 超高資料速率（增強型移動頻寬，eMBB）
提供極高的資料傳輸速率，以及極端的訊號覆蓋能力
■ 超大連線量（大規模機器類通訊，mMTC）
提供海量裝置的資料連線能力，是物聯網的基礎需求
■ 超低時延（超可靠低時延通訊，uRLLC）
提供超可靠低時延的通訊連線服務，要求極高的可用性和可靠性、極低的時延
工業物聯網的需求
對於工業領域來說，高可靠低時延的通訊系統可以說是至關重要。
一直以來工業物聯網的應用只能停留在表層的資料採集展示和由此延伸出來的一些管理功能，很難涉及到工業系統的控制等核心領域，其中通訊系統的穩定性和延時達不到要求是其中主要的制約因素。
工業領域的裝置投入巨大，無論是機床、生產線，還是機械裝置，生產過程中的故障導致的停工，往往會影響整條生產線，甚至整個產品交付週期。
為確保穩定性，工業領域的控制系統還是以本地為主，部署大量的硬體和軟體系統。這一方面導致整個控制系統非常複雜，投入巨大，另一方面，也限制了系統的靈活性和可擴充套件性。在消費者需求日新月異的今天，生產系統的更新跟不上消費者需求的變化，也會導致錯失很多新的機會。
當前的移動通訊系統在工業物聯網領域的應用涉及並不深入，雖然4G在網速上已經有很大的提升，能滿足使用者隨時觀看視訊的需求，但網路的可靠性和時延都還有很大的提升空間，並不能滿足工業場景的要求。
4G在工業場景的應用，更多是在對實時性要求不高的場景裡，作為資料上傳到雲端的一種方式。比如工廠裡的機床裝置，每5-10秒鐘會採集一次資料，這些資料彙總一般會彙集到一個統一的終端，由終端通過4G傳送到雲平臺。
為了保證機床裝置資料傳輸的穩定性，在工廠內部，各個機床與統一終端的連線上，一般都會採用有線連線的方式。這樣的連線方式還是比較重，大量的線纜也會導致工廠內部結構比較複雜。行動網路系統的效能提升到可以替代有線電纜的時候，工廠內部結構複雜度也會降低，更加便於管理。
工業領域對通訊系統的這些需求，5G的技術標準可以很好的滿足，極低的時延，保證了工業領域實時監測和控制的要求；高可靠的網路質量，確保了工業系統對穩定性的要求；大頻寬則可以實現高清3D視訊，甚至AR的傳輸，在遠端操控領域大幅提高了操作精度。
5G在工業物聯網的應用
在2018年6月上海舉行的世界移動大會上，央視財經的記者體驗了中國移動帶來的5G智慧工業應用場景演示：
一臺遠在石家莊工地上的挖掘機，通過5G技術與設在現場的駕駛室相連，不僅可在惡劣環境下作業，甚至可以打造無人工地。
參觀者可以在現場駕駛室真人駕駛，同步實時控制位於石家莊的挖掘機，進行挖掘機前後、旋轉運動以及大臂、小臂、挖鬥配合挖掘裝車等操作，操作檯對面的大螢幕通過現場實時高清視訊同步傳遞真實場景及全景視訊效果。
雖然這只是一個場景演示，但它代表了5G在工業領域潛在應用價值和未來應用的方向。目前5G的商用還沒有正式開始，還沒有成熟的5G應用場景出來，但有很多關注5G領域的研究機構，都在探索5G在工業領域會有哪些具體的應用場景，以及能帶來什麼樣的商業價值。
愛立信為我們分享了2個具體的研究案例，給我們展示了5G技術的應用，提高了工業效率，提升了商業價值和社會價值。
愛立信和德國弗勞恩霍夫生產技術研究院（Fraunhofer IPT）共同合作研究新的方法來改進工業控制流程，實時檢測生產製造過程中的缺陷。其中有一個應用領域就是葉盤的生產製造領域，葉盤是噴氣式航空發動機中渦輪的重要組成部分，由輪盤和圍繞輪盤邊緣的眾多葉片組成，葉盤製造是金屬加工典型的應用。
▲ 來源： 愛立信5G研究
確保葉盤的高質量至關重要，高質量的葉盤是航空發動機安全性的保障。葉盤是通過銑床加工完成的，加工過程中面臨很多問題，其中最關鍵的一個問題是，加工的過程很難被監控，這也是金屬加工領域普遍存在的問題。
這就意味著銑削加工過程全部結束之前，操作人員無法知道結果，而一個銑削加工的過程可以持續1天甚至達到100小時，由於加工缺陷的存在，最終加工產品的返工率卻經常高達25%，拖長了整體的生產週期。
加工缺陷可能有很多原因產生，但其中主要的原因是銑刀或機床自身的震動，影響了加工結果，而這個震動則可以通過實時監控加工過程來發現，並通過資料反饋來實時優化加工過程，最終減少返工率。不能及時發現加工過程中產生的問題，是整個製造業都存在的現象。雖然葉盤加工只是一個具體的案例，但是加工過程中的震動問題，卻是機床加工領域普遍存在的。未來製造的葉盤會朝著更薄的方向發展，加工結果更容易受震動的影響。
Fraunhofer IPT對這個問題給出的解決方案分為2部分，實時監測和實時控制——
實時監測
在葉片部分貼上感測器，在輪盤部分加入通訊模組，這樣可以實時監測葉盤加工的結果，一旦有加工缺陷產生，及時停止對有缺陷部件的進一步加工，或者定位到缺陷就啟動返工；
實時控制
對加工過程建立資料模型，根據加工結果的資料，實時調整執行中的加工過程，比如改變銑刀轉速等，以避免加工缺陷的產生。
▲ 來源： 愛立信5G研究
最終的設想是建立完全的自動化工廠，實現所有裝置連線，並通過統一的系統整合並管理。
但當前的通訊技術還不能很好的支援這個解決方案，5G是這個解決方案的關鍵所在。這個案例中，5G最大的優勢是可以提供極低的時延和穩定的網路。為了達到實時控制，感測器的資訊需要在1毫秒內響應和處理，5G通過提供極低時延的能力確保了實時控制的實現，從而確保了可以應用在葉盤生產的過程中。
Fraunhofer也測算了引入5G改進生產技術後產生的經濟價值，傳統葉盤加工返工率高達25%，意味著每加工4個葉盤中就有1個需要返工。這個成本是非常高的，降低返工率就可以產生很大的經濟價值。
如果通過引入5G與物聯網技術實現自動化後，返工率可以降低10%，就相當於減少了單位產品的加工時間。換算成機器成本的話，單葉盤成本可以降低3600歐元，全球葉盤的產量大概一年10萬片，這就意味著，通過5G技術實現實時監控，一年可以節省3.6億歐元的成本。
礦業是全球經濟活動的基礎產業，市場規模巨大，全球前40家礦業公司年收入總和就超過了5000億美元。
提高採礦行業的盈利能力，要求在採掘效率、運輸和金屬提取技術方面不懈的努力，來最優化礦石的流動效率。然而，在這些方面增加的投入卻面臨著邊際效應遞減的問題。自動化正在成為採礦行業新的機會和焦點。要實現自動化的一個前提條件是，礦區內要有比較完善的網路覆蓋和連線能力，礦區內環境惡劣，部署行動通訊網路是一個比較好的解決方案。
瑞典的Boliden公司是世界頂級礦業公司之一，在全球有8個礦場，其中位於瑞典北部的Aitik礦場是歐洲最大的露天礦場。Boliden和愛立信聯合成立了一個研究小組，來探索5G技術如何幫助採礦行業提高效率和經濟價值。
▲ 來源： Boliden官網
Aitik是一個快速擴張的礦場，為了獲得銅礦石，必須轉移大量的岩石。每年在礦場內來回運輸的石頭的量都在增長，根據礦石所處位置，巖礦比不同，平均下來每獲得一噸銅礦石就要移額外移動一噸的岩石。Aitik目前的年產量是3600萬噸礦石，並且預計很快會增長到4500萬噸，這樣需要移動的岩石的量也會相應增長。
礦場內的複雜和繁忙程度非常高，為移走岩石而增加巨型裝置，以及保持住這些新增裝置的利用率都不是一件簡單的事。
▲ 來源： Boliden官網
另外，礦石都是通過鑽孔爆破獲得，每次爆破都會產生有毒氣體，只有等這些有毒氣體被驅散後，人類才能進入礦區進行挖掘作業，這些都是影響採礦效率的因素。
針對這些問題，比較好的解決方案是 自動化和遠端控制裝置 。
自動化鑽機可以按照預設的路徑自主從一個鑽孔自動移動到下一個目標鑽孔，並且可以自動重複任務。傳統上需要人工在現場操作裝置來移動鑽機，如果某個任務或者移動路徑並未被預先設定好，操作人員可以藉助鑽機上裝備的攝像頭遠端控制他們的移動。
大多數情況下，自動化已經能完成大部分工作，然而少數只有人才能做出評估決策的情況下，比如對岩石狀況的評估，還是需要人工參與遠端甚至現場的評估。
▲ 來源： atlascopcomr
Aitik將5個傳統鑽機改造成了有自動化和遠端控制功能的鑽機，為這些傳統鑽機安裝了攝像頭，升級了控制系統，加裝了通訊模組，但由於當前的網路頻寬只能支援中等質量視訊的傳輸，這限制了遠端控制的能力。
改造後的自動化鑽機可以將年工作小時數從5000小時提高到了7000小時，相當於Boliden用5臺改進後的鑽機完成了之前需要7臺或者更多鑽機才能完成的工作量。
除此之外，自動化同樣減少了對人員數量、服務站、停車區的需求，降低了礦區內繁忙運輸路線的壓力。因為人員的減少，也降低了礦區內人員安全的風險，Boliden可以在保持裝置量和員工數量不變的情況下增加爆破工作量。經過測算，用自動化技術進行鑽孔和爆破可以為Aitik礦場每年節省250萬歐元。
而要實現完全的自動化，遠端控制裝置和高效能通訊系統是必須的。目前採礦業中使用的通訊技術還是WiFi，通過仔細優化後覆蓋率和效能還可以被接受，但也只能處理自動化中簡單、重複性的任務，比如調整鑽孔的形式。
Boliden之前已經在Aitik礦場部署了WiFi通訊系統來滿足控制鑽機的需要，雖然這樣也提高了一定的生產力水平，但是WiFi的效能還是有很多不足。畢竟WiFi並不是為戶外大區域覆蓋設計的，而Aitik的露天礦場正是這樣的場景。WiFi連線能力有限，也限制了新增連線其他自動化機器裝置的可能。
大到整個採礦行業，小到Boliden這家公司，WiFi通訊系統的效能嚴重限制了自動化方面的進一步發展，比如要實現複雜鑽孔、自動駕駛礦車、自動規劃和排程系統等，必須有高效能的通訊系統才能滿足這些需求。而5G正是最合適的通訊系統，可以處理3D高清視訊的傳輸，大幅提高遠端操控的精度，從而實現遠端管理高度複雜的任務。
▲ 來源： 愛立信5G研究
為實現礦區自動化的目標，Boliden的通訊系統需要滿足以下的需求：
■ 首先，要確保實現遠端監控，這就需要通訊系統的大頻寬和低時延能力；
■ 其次，礦區內的系統要能適配其他的自動化和遠端控制裝置，包括不同品牌和不同的控制系統；
■ 另外還要實現全覆蓋，能覆蓋到礦場的所有角落，確保所有的機器和人員能被連線和定位到；
■ 最後是在礦場這種複雜多變的環境下，保證系統的穩定執行。
5G通訊系統可以滿足Boliden最高的需求，包括頻寬、網路服務質量、時延和定位。通過引入高效能的通訊網路，礦場變得更加安全和高效。雖然有一部分應用需要傳輸的資料量並不大，但像遠端實時操控機器這樣的應用，只有5G通訊系統才有實現的能力，有了5G的賦能之後，採礦業會成為創新領域之一，產生出新的應用和商業模式。
5G賦能，任重而道遠
解決了時延和穩定性的問題，工業領域大量裝置聯網的制約因素就消除了。這個巨大的市場之前未曾被網際網路觸及，就好像4G和智慧手機的出現，打開了移動網際網路的大門，5G面對的可能是一個比移動網際網路更大的機會。
因為5G連線的數量、提供的價值、付費的能力，都不是移動網際網路可以比擬的。所以也有很多人認為，5G最大的機會在於產業網際網路。
雖然5G技術目前還不成熟，大規模部署和應用還有很長的路要走，但我們相信，5G賦能工業領域的方向是明確的，未來可期。
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