面向特定行业的“5G全连接工厂”组网技术及验证研究报告

面向特定行业的“5G全连接工厂”组网技术及验证研究报告 中国工业互联网研究院新型工业网络实验室2022年11月 前言 自2019年工业和信息化部印发《“5G+工业互联网”512工程推进方案》以来，5G与工业互联网的融合呈现叠加倍增效应，5G在工业领域的应用得到长足进步。2022年9月，工信部出台《5G全连接工厂建设指南》，旨在进一步推动“5G+工业互联网”融合应用从典型场景向生产现场系统性建设，帮助企业解决数字化转型过程中的难点、痛点和堵点，推进传统产业提质、降本、增效、绿色、安全发展。 5G全连接工厂可充分发挥5G网络聚合作用，有机集成人工智能、数字孪生、云计算等各类新一代信息技术，打造新型工业互联网基础设施，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。在遵循企业实际需求的前提下，综合考虑5G技术应用场景和建设成本，推进各行业企业灵活部署5G网络等基础设施，以分类分级为导向建设5G全连接工厂，可实现5G在企业生产辅助环节的规模化部署和核心环节的深层次拓展，从而进一步推动企业数字化转型升级。 5G全连接工厂组网技术作为工厂建设的关键一环，直接影响工厂生产模式的转变与企业提质增效水平，组网技术验证则是衡量5G全连接工厂通信网络性能的重要手段，可评估验证5G全连接工厂组网方案的高效性与健壮性。当前，围绕基础设施建设、厂区现场升级、关键环节应用、网络安全防护等内容，国内众多企业已开展5G全连接工厂探索与实践，在装备制造、钢铁、采矿、电力以及石化化工等多个行业取得一系列进展。为进一步推动5G全连接工厂建设，提升我国工业领域数字化水平，中国工业互联网研究院依托新型工业网络实验室开展5G全连接工厂组网技术研究，联合20家单位编写了《面向特定行业的“5G全连接工厂”组网技术及验证研究报告》。该研究报告介绍了当前核心的5G全连接工厂组网关键技术，从实验室测试和现场测试两个角度，分析了5G全连接工厂组网技术验证方案，梳理了5G全连接工厂在装备制造、钢铁、采矿、电力、石化化工等重点行业发展现状，形成5G全连接工厂组网典型案例集，最后给出了未来5G全连接工厂在应用部署方面的发展建议。 组织单位： 中国工业互联网研究院 参与编写单位（排名不分先后）： 中国工业互联网研究院、中国移动通信有限公司政企客户分公司、中国移动通信研究院、中移（上海）信息通信科技有限公司、高通无线通信技术（中国）有限公司、辽宁省工业互联网发展研究中心（中国工业互联网研究院辽宁分院）、思博伦通信科技（北京）有限公司、大唐联仪科技有限公司、中国电信股份有限公司研究院、中国电信股份有限公司辽宁分公司、中国移动通信集团辽宁有限公司、中国联合网络通信有限公司辽宁省分公司、中国电信股份有限公司苏州分公司、通力电梯有限公司、鞍山钢铁集团有限公司、抚顺新钢铁有限责任公司、新疆天池能源有限责任公司、辽宁新发展耐火材料集团有限公司、国家石油天然气管网集团有限公司、东北大学、锱云(上海)物联网科技有限公司 编写指导（排名不分先后）：王宝友、杨鹏、夏权 编写成员（排名不分先后）： 朱浩、薛强、柴安颖、刘如才、李亚丽、陈喻、叶欧海、张玉良、唐墨、历明、赵斯琦、郝森参、侯兰霞、黄震宁、李宜铮、崔旭升、李海伟、马兵、付正军、李腾达、张伟、黄迪、杜泽群、王建、王荷雅、谢亚滨、谭乐波、陈卓、王晓萌、刘晓宇、郑临夏、尹晓亮、孟涛、武志合、丁立曼、孙慧、魏守东、崔铎、张照和、唐剑秋、付江、徐丰、黄同飞、张镇、刘佳伟、王吉勇、杨志勇、王维、王堃、吴志伟、孙家莲 目录 一、5G全连接工厂概述1 （一）5G全连接工厂的概念1 （二）5G全连接工厂建设需求与挑战1 1.装备制造行业1 2.钢铁行业2 3.采矿行业2 4.电力行业3 5.石化化工行业3 二、5G全连接工厂组网参考架构及关键技术4 （一）5G全连接工厂组网参考架构4 1.工厂级5G全连接工厂4 2.车间级5G全连接工厂5 3.产线级5G全连接工厂5 （二）5G全连接工厂组网关键技术6 1.5G网络切片6 2.边缘计算7 3.5GLAN7 4.5G大上行能力7 5.URLLC增强7 6.高精度定位8 7.RedCap8 8.5G+确定性通信8 9.UPF本地分流9 10.5G+工业PON9 三、5G全连接工厂组网技术验证9 （一）总体测试内容9 （二）实验室测试10 1.行业5G终端测试10 2.5G关键技术测试11 （三）现场测试13 1.5G基础服务质量测试13 2.行业应用业务质量测试14 四、5G全连接工厂组网案例分析15 案例一：通力电梯5G智能互联工厂15 案例二：鞍山钢铁5G智慧冶金17 案例三：中国一重5G+智慧工厂19 案例四：抚顺新钢“5G创世-灯塔钢企”21 案例五：新疆天池5G+智能矿山23 案例六：南方电网5G+智能电网25 案例七：辽宁新发展5G+工业PON融合组网27 案例八：国家管网5G+智慧燃气29 五、5G全连接工厂应用与部署建议31 附录：测试指标33 一、5G全连接工厂概述 （一）5G全连接工厂的概念 5G全连接工厂是充分利用以5G为代表的新一代信息通信技术集成，打造新型工业互联网基础设施，新建或改造产线级、车间级、工厂级等生产现场，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂，将加快推动采矿、港口、电力等重点行业的数字化进程*。 （二）5G全连接工厂建设需求与挑战 《5G全连接工厂建设指南》中提出，将面向电子设备制造、装备制造、钢铁、采矿、电力、石化化工、建材、港口、纺织、家电10个重点行业领域，推动万家企业开展5G全连接工厂建设。由于各行业建设需求存在明显差异，本研究报告选取了装备制造、钢铁、采矿、电力、石化化工5个重点行业，开展5G全连接工厂组网关键技术分析，从多个维度阐述各行业5G全连接工厂建设的需求与挑战。 1.装备制造行业 5G应用部署需求 随着工业物联网边缘计算能力下沉，音视频识别检测、协同会议、远程诊断等应用场景常会由于带宽不足，导致音视频通信延迟、实时远程诊断效果差等问题，迫切需要5G技术提供高速、大带宽能力，为现场海量数据实时并发上传提供支撑。以5G技术代替工厂内有线连接，可提供厂区超高可靠、超低延迟的无线通信能力，实现生产线柔性制造，从而降低生产成本。 5G应用部署挑战 装备制造行业建设5G全连接工厂的挑战主要体现在行业碎片化。装备制造行业本身即为一个大类，可分为白色家电、汽车、大型装备、五金等多个细分行业，其制造流程和环节均不相同，生产管理差异较大，部署方案之间无法互通互用，难以形成标准化的5G全连接部署方案。因此，在5G全连接工厂建设过程中，各细分行业均需制定特定的组网、平台、应用等解决方案，必将导致建设标准繁多，部署应用开销较大等难题。 *数据来源：工业和信息化部—《5G全连接工厂建设指南》 2.钢铁行业 5G应用部署需求 随着“5G+工业互联网”的融合纵深发展，钢铁行业信息化脚步日渐加快，5G应用与信息化建设需求日益凸显，其中包括以无人天车、质量检测、视频安防、AR远程辅助、无人料场等为代表的5G低延时、大带宽的单场景应用，和以设备数采、数字孪生等为代表的跨场景跨工序场景应用。工业设备的连接与远程监管，可对接承载单设备场景的5G应用落地，同时，钢铁平台的规模复制，还将带来连接的规模化增长，解决厂内路由配置自动化与5G网-企业专网的内外网穿透等众多技术问题。 5G应用部署挑战 面向钢铁行业的5G全连接工厂建设存在行业壁垒和技术壁垒两方面的问题。一方面，钢铁行业生产模式为传统烟囱式形式，流程工艺的信息、数据、人员、系统各自独立壁垒较深，生产数据流通性差，单纯的网与网间的互通并不能解决平台全流程拉通的问题。另一方面，建设5G全连接工厂需要对设备建模与机理、数据特性有深入理解，目前运营商具备5G网络建设、IT软件建设的能力，但对于数理模型算法的建略有欠缺，还需要整合第三方的专业能力，打造全方位解决方案。另外，钢铁行业存在大量易燃、易爆、高温、高压现场环境，需制定面向防尘、防爆、阻燃等特殊设备的部署方案。 3.采矿行业 5G应用部署需求 矿山生产环境恶劣，工人在露天环境下作业，易出现人员伤亡，同时井下高温、高湿，采掘工作产生大量粉尘对人体健康危害极大。以智能化、自动化采矿装备为核心，以高速率、大容量、双向综合数字通信网络为载体，以智能设计与生产管理软件系统为平台，建设采矿行业5G全连接工厂，实现矿山对象及生产过程的实时、动态、智能化监测与控制，有助于增强矿山安全保障能力，提升矿山开采效率，降低矿山企业生产成本。 5G应用部署挑战 面向采矿行业的5G全连接工厂建设还处于起步阶段，在具体部署与应用中存在一些难题亟待解决。一是矿山行业壁垒高、专业性强，5G技术在矿山智慧勘测、智能开采、智能生产等环节仍存在设备产业链不成熟、网络建设成本偏高、 定制开发要求多等难点；二是我国采矿行业信息化工作缺乏总体规划与设计，面向矿山行业的5G全连接建设标准较少，部分标准技术局限性较大；三是受4G时代井下搭建小型独立核心网、独立网管影响，当前矿山企业同样提出5G独立核心网需求，但由于缺乏统一主体的管理和协调，5G频段规划与应用难以实现跨行业跨区域的有效共享，网络安全性难以保证。四是现有的煤机设备厂家协议接口未开放，无法从各类服务系统、应用系统和控制端获取数据，矿山现场多源异构数据融合难度大，煤机设备改造阻碍重重，严重制约井下无人化建设的发展。 4.电力行业 5G应用部署需求 在电力行业中，电力系统生产控制大区需与管理信息大区实行严格的物理隔离。传统通信技术只能依靠光纤+网线来实现工厂远程生产控制，该通信模式存在两方面问题，一方面有线网络部署需要大量人工施工，对现场环境要求极高，一旦损坏很难修复；另一方面厂区移动设备只能通过WiFi或蓝牙等方式接入网络，无法保证连接质量与网络安全，更无法实现远程控制。然而，5G全连接工厂可构建电厂内全域无线连接，满足电力工厂自动化巡检、设备点检、智能运维等方面的需求。 5G应用部署挑战 面向电力行业的5G全连接工厂应用与部署挑战，主要体现在信息安全和建设成本两个方面。在信息安全方面，根据国能安全[2015]36号文要求，电力系统生产控制与管理信息两个大区必须实现物理隔离，目前电力行业虽已有5G无人天车、远程驾驶和无人钻矿应用案例，但目前尚无生产控制大区的5G网络建设标准，部署方案及边界有待确定，各电力工厂之间需求、定义各不相同，难以打造标准样板间。在建设成本方面，5G设备目前部署成本及功耗仍然较高，工厂实施5G全连接工厂改造仍存在一定资金压力，无法大范围推广。 5.石化化工行业 5G应用部署需求 石化化工行业生产环境具有一定特殊性，包括加工车间高温高压环境，生产原料多种多样，原材料具有有毒有害，易燃易爆易腐蚀，可挥发可流动等危险属性。这些特性导致石化化工领域生产设备稳定性难以掌握，生产环境极易引发火灾、爆炸等重大安全事故，造成严重的人员伤亡与环境污染。因此，石化化工行 业迫切需要打造无人化、智能化生产环境，建设极端环境下的远程控制机器人作业、无人运输、无人巡检、污染源监控等应用场景，提高厂区安全生产水平，降低石化化工企业生产成本。 5G应用部署挑战 当前石化化工行业5G全连接工厂建设仍存在一定挑战。一是5G产品形态较少，适用于石化化工行业的5G硬件种类较少，面向石化化工行业的5G全连接工厂建设标准尚未成型，网络建设方案缺乏灵活性；二是系统集成和数据采集仍有难度，5G全连接工厂建设涉及智能装备、自动化控制、传感器、工业软件等多领域的供应商，各供应商产品接口不统一，易形成数据孤岛。三是石化化工行业场景复杂，室外、室内防爆要求严格，部署5G设备时需根据不同应用场景需求，设计防爆外壳及本安电路，然而目前市场中该类产品较少，对5G全连接工厂应用部署造成一定影响。 二、5G全连接工厂组网参考架构及