面向新型工业化的全无线工控技术白皮书

1 前言 本白皮书旨在提出中国移动对于面向新型工业化的全无线工控的愿景、架构设计，能力要求和产业推进计划。希望能够为产业在规划设计全无线工控相关技术、产品和解决方案时提供参考和指引。本白皮书由中国移动携手众多行业伙伴共同编制。 本白皮书的版权归中国移动所有，未经授权，任何单位或个人不得复制或拷贝本建议之部分或全部内容。 目录 1.新型工业化背景2 1.1新型工业化发展目标2 1.2新型工业化发展路径3 2.新型工业化能力建设5 2.1现有技术面临的挑战5 2.2全无线工控系统深度融合“感通控智”6 3.面向新型工业化的全无线工控系统与技术架构10 3.1全无线工控系统架构10 3.2全无线工控技术架构11 4.全无线工控关键技术13 4.1新感知13 4.1.1无源无线传感14 4.1.2行业通感一体16 4.1.3高集成视觉18 4.2新通信19 4.2.15G确定性技术19 4.2.2异构网络融合技术22 4.3新控制25 4.3.1PLC工业控制软件技术26 4.3.2实时容器技术26 4.3.3异构操作系统混合虚拟化技术27 4.3.4虚拟化工控编排技术29 4.4新智能30 4.4.1现场级智能技术31 4.4.2工业大模型技术32 5.全无线工控应用实践和探索33 5.1全无线工控工厂全场景应用33 5.1.1感知案例33 5.1.2通信案例37 5.1.3控制案例39 5.1.4智能案例42 6.展望44 缩略语列表46 参考文献47 参编单位及人员49 1.新型工业化背景 1.1新型工业化发展目标 新型工业化是指在新一轮科技革命和产业变革背景下，以信息化、数字化、网络化、智能化为特征，推动工业经济向高质量发展阶段转型的过程。国家高度重视新型工业化，将其提升至关系全面推进强国建设的战略高度。党的二十大明确以实体经济为重点，推进制造业高端化、智能化、绿色化，并力争2035年实现新型工业化。2024年政府工作报告进一步强调以科技创新引领产业创新，加快现代化产业体系建设。 新型工业化是数字智能的工业化，是通过科技创新，构建新质生产力牵引的“技术—经济”范式变化，数字领域大量颠覆式创新涌现新的产业和业态，创造新的生产要素，扩展要素类型、提升要素质量、改进要素组合、优化生产流程、改善企业运营，对企业、市场、国民经济产生深远影响： 一是对企业生产，可以实现给定要素下的产出增长。基于5G、物联网等技术可以扩展要素类型（例如数据成为新要素），基于高效计算、人工智能等技术可以提高要素质量（例如降低人工作业差错、提高数据质量），基于无线通信技术演进、虚拟化工控等技术可以改进组合方式（例如生产柔性化、自动化程度增强），形成产出增长[1]。 二是对市场供需，可以提高要素投入向产品产出的转化水平。当前我国消费需求呈现规模扩大、结构多元的显著趋势，进一步衍生出对工业生产制造柔性化、灵活化、个性化需求[2]。基于新的感知、通信、计算、智能、控制等技术融合创新，将提升供给端向市场端响应的速度和质量，同时反向优化企业生产过程，实现供需高效对接。 三是对国民经济，可以支撑现代化产业体系建设，实现高质量发展。通过技术创新构建全要素数字化底座，支撑要素生产契合需求结构转型，提升产业资源配置灵活性，优化产业结构[3]。 新型工业化将基于技术创新构建工业革命的新动力，通过构建新质生产力支撑工业企业数字化转型发展，提高产业链供应链韧性，整体迈向数字化、网络化、智能化的新发展阶段。 1.2新型工业化发展路径 新型工业化发展依托新质生产力，新质生产力以全要素生产力大幅提升为核心标志，因此其发展对数字化、自动化、智能化提出更高要求。新型工业化以全要素生产率大幅提升为核心标志，依托于数字化、自动化、智能化的发展，旨在全面提升生产效率、优化资源配置、增强企业竞争力，推动工业向更高效、更灵活、更智能的方向发展。工业领域发展趋势体现为全要素数字化、全流程自动化、全业务智能化，具体特征如下： 一是“全要素数字化”是新型工业化的基础。对可低成本、高效率连接各类生产要素的感知和连接技术提出更高要求，需要实现人员、资产、物料、生产及运输工具、产成品等要素数字化，将实物资产转变为数据资产，进一步支撑企业自动化、智能化生产运营[4]。 二是“全流程自动化”是新型工业化的载体。面向以“用户”为中心的新型生产模式，核心是基于数实融合实现真正无人化、自动化、人性化生产，因此对可保障生产可靠性、满足制造灵活性的无线通信、工业控制技术提出更高要求[5]。 三是“全业务智能化”是新型工业化的核心。随着以生成式人工智能大模型引领的AI技术爆发式发展，将对工业发展模式产生深刻影响，人工智能与数据要素成为新质生产力的典型代表[6]。面向工业碎片化、差异化业务产生的海量数据，对轻量化工业大模型、具身智能、先进计算等技术提出更高要求，可进一步支撑复杂业务的人形机器人也成为技术应用的重要领域。 面向“全要素数字化、全流程自动化、全业务智能化”的工业业务发展趋势，需要新的感知、通信、计算、控制、智能技术同步演进，从单点场景向全场景拓展，从产线级延伸到园区级。基于新感知技术实现全生产要素“可感、可连”，基于新感知技术采集的数据，通过极致的无线通信保障技术实现数据全天候、高 可靠的数据传输能力，进一步支撑全流程业务“可管、可控”，服务企业“智能化”生产运营。通过“要素感知泛在化、工业网络无线化、工业控制开放化、生产流程智能化”，可以实现信息收集、数据传递、认知决策、反馈执行四位一体，加速工业生产制造向高端化、智能化、绿色化发展。 一是通过先进感知，实现要素感知泛在化。面向产业数字化对生产全要素可感可连、全流程可管可控的需求，产业呼唤物联网新技术、新产品、新业务、新生态涌现，打造低成本高可靠的生产要素感知能力。此外，基于无线信号感知技术可用于对工厂资产、设备、能耗的实时感知，并赋能工业移动机器人，构建全域泛在感知的基础能力。 二是通过极致通信，实现工业网络无线化。现代工厂对灵活性、安全性、可靠性的需求进一步提升，面向现场级接入的重要连接，亟需具备就近感知、灵活接入、综合性能提升和覆盖拓展等特点的通信技术，助力柔性化生产，赋能核心生产环节。 三是通过虚拟控制，实现工业控制开放化。通过虚拟化方式有望实现软硬解耦和ICT/OT融合，解决传统PLC架构封闭、软硬耦合紧密、互联互通困难的弊端，为工控实时计算任务提供抽象运行环境，进而实现工业控制的白盒化、虚拟化和服务化，对构建开放、智能、网联和协同的新型工业控制系统具有重要作用。 四是通过泛在智能，实现生产业务智能化。端侧大模型进行轻量化改造，降低对进口高端算力芯片的依赖，使其能够运行于工业现场，避免敏感信息的传输造成的隐私泄露，同时降低运行成本及推理能耗。部署端侧大模型赋能数据管理、 辅助工业设计及异常检测，助力工业全业务智能化发展。 2.新型工业化能力建设 2.1现有技术面临的挑战 新型工业化以全要素生产率大幅提升为核心，依托数字化、自动化、智能化的发展，提升资源配置效率和决策科学性，提高生产效率和产品质量，提升运营效率和服务水平。夯实感知、通信、控制、智能化技术底座，助力实现全要素数字化、全流程自动化、全业务智能化，推动工业向更高效、更灵活、更智能的方向发展[7]。尽管当前技术在推动信息化和智能化方面取得了进展，但仍然面临以下具体挑战： 一是面向要素感知泛在化，现有感知技术在低功耗、免维护、全天候等方面存在挑战。在当前新型工业化背景下，工业生产现场对低功耗、免维护、全天候无人值守等方面都提出了高质量感知需求，现有感知技术存在电源限制、需人值守、定期维护等局限。无线感知技术在一定程度上解决了电源限制及需人值守的问题，但仍存在多径干扰、精度不足、感知要素不全等问题。 二是面向工业通信无线化，现有无线通信技术在高可靠、确定性等方面存在挑战。在5G网络方面，5G行业应用发展受到超低时延高可靠性、时间同步、网络切片等方面的限制，5G需要超大带宽及确定性传输来满足工业生产核心环节的通信需求，保障生产数据全天候实时处理。在短距通信方面，面向工业高速率、大传输、高质量连接的场景，Wi-Fi/蓝牙等技术难以满足工业生产现场对时延、可靠性、抗干扰性等方面的严苛需求；工业专用短距离通信技术，可以满足工业场景下基本通信需求，但在高可靠、高性能等方面还需继续优化。 三是面向工业控制开放化，现有工控技术在灵活性、兼容性、可拓展性等方面存在挑战。部分工业场景存在海量数据流转、开放互联互通等需求，然而传统工业控制技术存在先天的封闭性和专用性，难以与人工智能、大数据等新一代信息技术融合，一定程度上滞缓了新型工业控制系统的发展。DCS、PLC硬件和 软件捆绑，导致不同厂家的产品之间缺少兼容性、互操作性，这一技术壁垒同样限制了工业控制技术的开放化发展。 四是面向生产流程智能化，现有AI技术在可泛化性、精准性、低成本可拓展性方面存在挑战。AI在工业的应用主要聚焦于单一场景，存在“一场景一训练一模型”的局限，只能服务于单点场景，尚未形成大规模的应用，如现有工业模型主要应用于如质量检测、预测性维护等单一场景。此外，由于工业业务对可靠性要求极高，因此对视觉采集设备、光线等要求严苛，不同场景可复制性不强。相比于利用大模型生成的营销文本、图库、视频等，工业大模型预测或决策的失误可能引发生产事故或造成重大的经济损失，因此工业级的大模型对精准性要求较高。同时，训练大型模型在初期的算力成本非常高，尤其是在参数越高、模型越大的情况下，泛化能力虽然增强，但相应的成本也会显著增加。 2.2全无线工控系统深度融合“感通控智” 为应对以上挑战，向工业企业提供一流的无线工控服务，中国移动突破现有技术瓶颈，在2023年中国移动全球合作伙伴大会上，携手浪潮、鼎桥、华为、仪综所、沈自所和国际星闪联盟等产业伙伴，共同发布了业界首台基于5G+新型短距的全无线确定性工控系统，为5G智慧工厂解决柔性生产问题提供了全新技术方案。该系统首创性通过5G确定性网关集成新型短距连接、确定性传输、虚拟化控制等能力，实现了全无线、全流程、自主可控的高可靠工业控制应用。在无线接入层，基于5G+星闪短距融合通信技术，实现了南、北向无线化，简化了现场部署难度；在链路回传层，通过5G时间明晰网络（TAN）技术，实现了内生双发选优、时延控制，保障了超高质量通信传输；在系统应用层，基于虚拟化工业控制技术，构建了软硬解耦、柔性编排的新型工控架构。经测试，可降低工控系统成本50%、降低丢包率40%、单向传输时延可低于100微秒，有力促进5G专网深度融入核心生产环节。 图1基于5G+新型短距的全无线确定性工控系统 在此基础上，中国移动将持续与各方广泛合作、深度协同，深耕全无线工控领域，共同促进全自主可控的“连接+算力+能力”的新型信息服务体系的构建，以边缘网关、智能移动机器人等核心设备为融合载体，探索先进感知、极致通信、实时控制、泛在智能多维能力融合，满足新型工业化背景下涌现的工程设备远控、智能产线控制、生产数据采集、协作机械手等各类应用的差异化需求，赋能新质生产力，支撑新型工业化发展，加速产业转型升级。 总体来看，工控系统从“南北向无线化”、“通信控制一体”到“通感智控融合”不断演进。无线工控根据其应用需求及技术方案的演进，可分为南北向无线化工控1.0，通信控制一体工控2.0，通感智控融合工控3.0三个阶段，最终打造通感融合、控智融合，感知决策执行一体的服务能力，支持实现独立产线布置和机器人集成，构建智感内生新工控。 图2全无线工控系统发展阶段 一、新感知：将实现低功耗、低成本、多能力融合的感知能力。通过融合无源传感、环境能量采集等技术，搭载先进传感器件，进一步降低数据感知功耗，提高感知精度和准确性。同时不断探索融合传感能力和新型感知方式，通过感知能力增强通信能力，基于感知信号和通信信号的一体化波形设计，同时结合智能算法实现感知数据环境状态分析及用户行为分析，实现AI赋能的