工業是5G套用的「主戰場」，中國5G工業套用已從生產外圍輔助環節逐步深入至生產核心控制環節。自2019年5G規模商用以來，全國 「5G+工業互聯網」呈規模化發展態勢。工信部數據顯示，截至目前5G套用已融入97個國民經濟大類中的74個，在工業、礦業、電力、醫療等重點領域規模推廣，「5G+工業互聯網」專案數超過1萬個。
而在「5G+工業互聯網」建設中，工業5G終端器材上承平台套用、下接工業網絡，在工廠遠端控制、影片監控、移動巡檢等套用中發揮重要作用，已成為業界關註焦點。預計到2025年5G終端將累計超過3200款，其中行業終端累計達2000款，基礎類和客製類終端同步發展，但其發展依然面臨需求供應、行業適配、規模推廣和生態構建等方面的挑戰。
01
工業5G終端發展進入「快車道」
工業5G發展潛力巨大
2024年第一季度中國電信業務收入同比增長4.5%，基礎設施支撐能力持續增強。 5G商用五年來，中國已累計建成5G基站383.7萬個，5G使用者普及率突破60%。 5G產品的功能效能不斷提升，套用場景越發豐富，為垂直行業企業內網建設提供了新的選擇。 據GSA最新移動專網報告顯示，在納入統計的1384個實際執行專網案例中，使用5G技術的比例達40%。 其中，制造業、礦業、能源等工業場景專網占比超過33%。
與此同時，從工業側來看，5G在工業現場網絡的發展潛力巨大。在2023年全球工業網絡中，現場總線和工業乙太網路占整個工業網絡市場份額高達92%，以5G為代表的無線市場增長率達到22%，市場份額達8%。基於5G R16、R17版本的技術商用將滿足5G在工業自動化領域的套用，推動5G在關鍵生產環節的廣泛套用需求，從而帶來工業5G終端的規模化普及。綜上所述，工業5G終端整體行業套用需求和產業發展潛力巨大，以5G技術為引領，帶動工業現場的無線網絡全面升級。
工業5G終端發展初期成效顯著
在頂層設計上，中國基於在5G技術上的領先優勢和成效積累，積極推動以5G為代表的新一代資訊通訊技術持續賦能工業生產。自2019年起，工信部印發了【「5G+工業互聯網」512工程推進方案】【5G全連線工廠建設指南】等一系列檔，透過布局「5G+工業互聯網」網絡關鍵技術產品、重點行業融合套用、產業生態構建以及資源供給等，推動5G與工業互聯網的融合。
在技術標準上，TC124（全國工業過程測量控制和自動化標準化技術委員會）、CCSA（中國通訊標準化協會）等相繼開展了工業5G終端的標準化工作。在通用技術方面，TC124正在組織制定【工業5G終端通用技術要求及測試規範】國標。在行業融合終端方面，CCSA制定了面向不同行業和套用的行業標準，例如【面向電力行業的5G+工業互聯網終端器材技術要求和測試】【面向礦山領域的5G+工業互聯網井下終端器材技術要求】【面向遠端控制場景的5G工業閘道器技術要求】等。
在套用推廣上，產業各方積極推動「5G+工業互聯網」成熟落地與規模化套用。中國資訊通訊研究院、中國工業互聯網研究院、機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所、中科院自動化研究所等單位共同參與編寫了【工業5G終端器材發展白皮書（征求意見稿）】；中國工業互聯網研究院正面向工業企業、資訊通訊企業、器材制造企業等產業各方，公開征集包含工業5G終端在內的新型工業網絡產品名錄；此外，5G-ACIA（5G互聯產業與自動化聯盟）組織釋出【Industrial 5G Devices-Architecture and Capabilities】等工業5G終端相關的報告，協同推進工業5G終端的技術研發與融合套用。
在產業發展上，5G產業鏈上終端芯片、模組產品的多元化和市場規模的穩步增長，推動了工業5G終端的規模化發展。目前，工業5G模組的種類已有近300款，工業5G專網部署和套用成本大幅降低，為5G在工業領域的規模化套用提供了條件。隨著5G網絡基礎設施新建和改造加速，工業5G終端也將同步進入快速增長期。GSA數據顯示，截至2024年6月，全球範圍內5G工業級閘道器、CPE（客戶終端器材）及路由器的款式數量從2020年的26款大幅躍升至245款。不僅NetModule、Peplink、Cradlepoint等國外企業推出了多款工業5G閘道器、CPE、路由器，如華為、中興通訊、宏電科技、廈門才茂等國內企業也積極投入研發，並不斷推出多樣化的產品。
尤其近兩年來，國內廠商依托工業互聯網創新發展工程，已經布局並生產一批技術先進、需求迫切、驗證有效的工業5G融合終端產品。相較於國際競爭對手，國內產品展現出品類豐富、功能持續演進的領先優勢，例如基於大上行、URLLC（超可靠低時延通訊）、5G LAN等技術，為工業領域提供了高速、穩定的網絡互聯能力產品。
與此同時，工業領域的需求側也展現出了積極的發展態勢，企業紛紛布局面向行業套用的工業5G終端產品。例如，國網智芯面向電力行業研發5G能源控制器等智能終端，可滿足使用者側和配電側計量與感知器材的靈活接入等需求；石化盈科聚焦石化安全生產和精準遙測等業務場景，自研防爆VOC（揮發性有機化合物）氣體傳感器、防爆閥門回訊器、防爆遙測巡檢機器人等多款5G終端器材。
02
5G助力工業終端器材更新
5G在工業領域的技術優勢
一般觀點認為，對比傳統工業現場的通訊技術，5G的時延高於工業乙太網路，吞吐量不及光纖，成本高於Wi-Fi，然而在這些方面5G均可以透過技術最佳化達到甚至超過對標技術的能力。5G技術的核心優勢在於其具有多方面可客製化的最佳化演進空間，幾乎沒有能力短板。
不僅如此，對於工業領域器材更新來說，5G還具備多項技術長板和套用必要性。一是移動性優勢。相比無線通訊的Wi-Fi技術，5G的使用者容量更大（可達10倍以上），切換排程更高效。因此，在AGV、柔性產線、升降機、機運鏈、立體產線、穿戴式器材、工業平板等多終端接入時，5G能夠提供足夠的頻寬和業務連續性。此外，相比於標簽導航方案，5G的靈活性、安全性更高。二是大上行優勢。與Wi-Fi相比，5G的可靠性更高，更適用於「逐線逐幀」掃描判斷的工業相機精細質檢與工業巡檢機器人等場景。與有線網相比，5G可快速解決海量數據回傳的問題，因為工業現場不會為大上行數據預留交換傳輸資源，每新增一個高畫質工業攝影機，不僅要把線纜布設到器材前，還要規劃新的回傳網絡，否則海量數據很容易造成擁塞，影響現網執行。5G在工業現場的1km範圍內不需要線纜組網，直接擴容與基站相連的交換機即可。三是廣覆蓋優勢。依托5G網絡，企業可在廠房和廠區間、礦區港口等開放作業場景內,實作工業終端的一網覆蓋和連續移動，由此可支撐無人礦卡、廠區巡檢，遠端集控、跨區物流等工業套用。四是全連線優勢。基於5G接入網、核心網、數據及安全管控的完整能力，可以搭建工廠內「一網盡連」的統一基礎設施。企業要部署新套用，只需要考慮終端和軟件，不再需要新建網絡，有效解決工業現場網絡制式繁雜、「數據孤島」和「套用煙囪」等問題，為將來的工業大模型等更多智能套用的孵化提供可能。
工業5G終端的器材更新實作路徑
目前，基於5G的工業終端器材更新主要有三種方案。一是透過將工業終端接入5G CPE，實作5G網絡的接入，這種方式不需要對現有基於有線或Wi-Fi的非5G工業終端器材進行任何改造，因此對現有工業網絡改動最小。二是對傳統工業閘道器進行5G改造，使得工業閘道器具備基於5G無線通訊的工業協定轉換能力。三是對工業終端進行改造升級，透過內嵌5G模組實作5G網絡的接入，這種方式改造後的工業終端更加靈活，後續可激發一批更加客製化、柔性化、智能化的「5G+工業互聯網」融合創新套用。
工業終端的5G化改造不僅可以實作機器視覺質檢、廠區智能物流、無人智能巡檢等生產外圍輔助環節的套用，還可以逐步深入遠端器材操控、器材協同作業、精準動態作業等生產核心控制環節。
03
工業5G終端規模發展
面臨的問題及挑戰
在推動工業5G終端實作規模發展的過程中，產業界應正視面臨的問題與挑戰。
行業需求方面
不同於消費互聯網，工業互聯網的行業特點鮮明，需求碎片化問題比較突出。不同行業和套用場景對5G網絡的大頻寬、高可靠低時延、大連線等通訊效能的需求不同，並且存在工業協定轉換、確定性傳輸、低功耗、本安防爆等各類行業特定功能需求。因此，消費互聯網的統一化5G產品研發和套用部署模式不適用於工業領域的融合終端。此外，在消費互聯網基礎設施建設過程中，決策權主要掌握在電訊供應商和雲平台公司手中，而在工業網絡建設方面，工業企業擁有絕對的主導權。加上供給側方案太多，如工業總線、工業乙太網路、光網、物聯網、無線網、TSN、確定性網絡等，網絡基礎設施繁雜問題也比較突出。因此，當前工業網絡的建設和器材部署存在專業性、前瞻性和延續性不足的問題，往往難以達到預期效果，並且導致終端管理和網絡運維成本高昂。
融合標準方面
工業5G終端相關標準要跨多個技術領域和行業，協同推進難度高。例如，一項工業5G融合終端的資訊通訊技術標準涉及產業聯盟、營運商、新技術器材商整合商等，他們分別在傳統的5G工作群組、工業互聯網推進組、行業內的標委會、行業協會參與標準的研制工作，缺乏統一的交流協作平台、明確的體系劃分及協調制度。此外，面向行業套用場景的行業標準制定工作，目前參與單位以資訊通訊企業為主，缺乏行業企業的廣泛參與。次外，各行業需求顆粒度不同，一些行業尚未釋出工業5G終端的行標，存在基礎標準、創新技術和套用標準供給不足的問題。尤其是在新型工業終端的設計與測試方面，應在3GPP定義的5G終端標準基礎上，結合行業需求對協定轉換、介面開放、基本測試要求等內容進行標準化。
規模套用方面
工業5G終端的關鍵技術已基本具備，但在行業規模套用上還存在模組及融合終端價格較高、產業落地困難等問題。對此，5G RedCap（輕量化）技術可從業務需求出發，透過終端剪裁功能在成本與高可靠、低時延、大容量、低功耗等效能之間需求平衡，研發輕量化、可客製的工業5G融合終端，可進一步推動5G規模套用。業界針對典型to B、to C場景積極推動RedCap終端研發，2023年已推出基於RedCap的網絡攝影機樣機、電力終端樣機等。預計未來兩年，隨著RedCap商用，工業5G模組的價格將有望從300元降至百元以內，部份工業5G數采終端價格可降至500元左右，並且終端類別將更加豐富，從而推動5G在更多行業規模化落地。
產業生態方面
中國擁有超大的工業終端市場、數量眾多的產業工人、萬級的5G工廠建設數量目標，以及趨於成熟的AGV、智能機器人、工業相機/網絡攝影機等典型5G工業終端套用，共同形成了產業規模的優勢。但在長期的市場實踐中，多家國際自動化整合商巨頭形成了相對成熟、被廣泛認可的工業協定，如業界較熟悉的PROFINET、EtherCAT、CCLink、EtherNet/IP等，大約有30種，而中國工業企業主要使用的PROFINET、EtherCAT、Modbus、PROFIBUS 4種工業網絡協定也在其中。此外，國際巨頭已推出並商用全套的5G專網產品，並有可能借助私有封閉的工業協定形成新的生態壟斷。這將導致工業生產器材由於協定問題難以互通，造成工程內網絡數據互聯困難、系統整合、網絡管理難度加大且成本高昂，從而遲滯工業現場器材的5G升級改造。
04
加快工業5G終端產業
規模發展的建議
總體來說，雖然5G技術在不斷演進叠代中，而工業5G終端在eMBB、URLLC、RedCap領域的技術研究、標準制定工作也已初見成效，但仍存在終端無法深入工業生產核心環節、因價格高而無法規模套用等問題，二者相差甚遠。
因此，需要改變消費互聯網基於5G技術演進的套用推廣模式，更多地面向工業套用主體，采用基於工業現場需求的研發與套用推廣模式。透過對高價值工業場景的挖掘，根據不同的行業套用需求，研發並推出行業認可的工業5G融合終端產品，為後續融合終端的規模套用、產能提升以及市場主體擴張奠定基礎。
一是推進工業5G終端行業適配，促進不同形態終端的多樣化發展。工業5G終端的套用不能僅局限於通訊能力，針對工業級高可靠性需求、生產器材數碼化程度不足、融合網絡帶來的系統復混成等問題，應大力推動5G工業閘道器、工業現場5G融合終端和5G生產輔助智能終端的多樣化發展，實作工業生產中感知能力、控制能力和通訊能力的增強。
二是加強工業5G終端技術研究，推進新型工業網絡融合創新。利用無源無線通訊、確定性網絡、毫米波、立體覆蓋增強、空間精確定位與感知等技術，持續提升工業網絡效能和終端管理能力，向生產核心環節深化套用並孵化遠端集控、L4自動駕駛、動態能效管理等新型工業套用，實作工業現場在更廣範圍的連線、更高程度的智能、更精細化的管理等維度的創新升級。
三是加速工業5G終端標準研制，推進工業5G終端測試認證工作。行業需求的差異化容易給工業5G終端帶來產品定位不清晰、功能不完善、價格參差不齊等問題，應積極推進工業5G終端的標準化工作，規範終端能力，保障終端產品在生產使用過程中的安全可靠性等。同時，市場監管部門在相關部委指導下，開展對工業5G終端器材的認證監管工作，推動工業5G終端質素認證體系建設。
四是圍繞工業5G終端拓展套用生態，孵化融合解決方案供應商。鼓勵終端產業鏈上的廠家融合工業需求，推出多種形態的終端產品。透過培養一批「既懂5G又懂工業」的解決方案供應商，提供終端融合設計、統一管控、全生命周期管理等解決方案，進一步拓展套用生態。
*本文刊載於【通訊世界】
總第947期 2024年7月10日 第13期
原文標題：工業5G終端發展的成效、挑戰及建議
