IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 目录 1 引言 P1 2 电子信息制造业概述 P2 3 电子信息制造业5G的应用场景及需求 P5 4 电子信息制造业5G的部署与应用 P18 5 结束语 P27 6 主要贡献单位 P28 IMT-2020(5G)推进组于2013年2月由中国工业和信息化部、国家发展和改革委员会、科学技术部联合推动成立，组织架 构基于原IMT-Advanced推进组，成员包括中国主要的运营商、制造商、高校和研究机构。推进组是聚合中国产学研用力 量、推动中国第五代移动通信技术研究和开展国际交流与合作的主要平台。 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 1 引言 电子信息制造业（电子产业）是指研制和生产电子设备以及各种电子元件、器件、仪器、仪表的 工业，主要由广播电视设备、通信导航设备、雷达设备、电子计算机、电子元器件、电子仪器仪表和 其他电子专用设备等生产行业组成。近年来，以智能手机、智能电器为代表的热点产品蓬勃发展，助 推电子信息制造业进入快速发展阶段，社会影响力日益扩大, 被各国视为战略性发展产业。目前我国 电子信息制造业在产业规模、结构化调整、自主创新等方面均取得了长足的发展。另一方面，人口红 利日趋消失，高质量、低成本需求日益强烈，也推动制造领域的技术革命，自动化、智能化的生产升 级迫在眉睫。 在电子信息制造业，工业通信是整个企业的神经系统，自动化、智能化的生产更离不开高效、可 靠的通信网络。然而，在无线通信高度发达的今天，制造领域依然普遍采用传统的有线通信，因为传 统的无线技术，无法满足工业场景严苛的要求。5G通信技术克服了传统无线技术的局限性，时延、可 靠性等性能取得突破进展，为加快现代制造业的发展提供了可能。本文将阐述电子信息制造业的部分 应用场景，以及5G网络在各场景下的需求分析，为5G研发提供指导方向，同时为制造企业提供参考解 决方案。 1 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 2 电子信息制造业概述 2.1 电子信息制造业发展现状 自改革开放以来,我国电子信息制造业发展迅猛, 对社会变革的影响逐步加大。作为全球制造大国 和电子产品消费大国，我国电子信息产业具有产业规模大、技术发展快、产业关联度强等特点，为我 国经济发展做出突出的贡献。近年来，虽然国家整体经济形势由高速增长逐步转向平稳增长，但电子 信息产业仍然保持较快的增长速度，如下图显示（数据来源：国家工业和信息化部年份《电子信息产 业统计》）。 图2-1 我国电子信息制造业年增长率和出口交货值增长率 目前传统的电子信息制造业，面临着迫在眉睫的问题。首先“人口红利”逐渐消失,新生代劳动力 对传统制造工作持有附加值低、工作枯燥重复等观点，导致制造业严重的用工荒。人力缺乏、人工成 本增加对制造业构成很大的压力，正在逐步蚕食中国制造业在世界舞台上的竞争力。其次，上游产业 客户的更高要求和下游产业的技术革新，迫使制造领域加快改革步伐。实现自动化生产，智能化制造 是我国摆脱用工荒、增强竞争优势、提高生产效率、完成产业升级的必然选择。电子信息制造业在人 力成本、上下游压力和通信技术发展的推动下，正由现有的人工和简单的半自动化，升级到未来真正 的自动化、智能化制造，实现制造业发展的腾飞。 2.2 电子信息制造业网络通信应用现状 电子信息制造企业内的通信网络，包括：工厂内网络和工厂外网络。工厂外网络，用于连接智能 工厂、分支机构、上下游协作企业、工业云数据中心、智能产品与用户等主体，实现工厂内数据/应用 与工厂外云数据中心的互联，以及协作企业/用户与工厂内或者工厂外数据中心的互联。工厂内网络， 2 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 用于连接工厂内的各种要素，包括人员、机器、材料、环境等，实现各要素与企业数据中心及应用服 务的互联，支撑企业生产的业务应用。 当前，工厂内网络呈现“两层三级”的结构，“两层”指“工厂IT网络”和“工厂OT网络”， “三级”指“现场级”、“车间级”和“工厂级/企业级”三个层次。制造领域的工厂内网络普遍采用 有线通信，包括：专用工业以太网和现场总线。 图2-2 工厂内网络结构 在现场级，现场总线被大量用于连接现场传感器、执行器和工业控制器。由于安全性、可靠性和 时延要求较高，只有少部分场景采用无线通信。在车间级，网络通信用于完成控制器之间、控制器与 本地或远程监控系统之间以及控制器与管理系统之间的互联，通常采用工业以太网通信，部分厂家采 用的自有通信协议。由于无线通信基本满足车间级通信需求，应用空间较大。在工厂级，企业IT网络 通常采用高速以太网以及TCP/IP进行互联。如何部署无线网络实现现场设备的互联，如何利用先进的 网络技术实现现场与管理系统的实时、可靠通信，是目前工业网络研究的热点问题。 图2-3 工厂内网络的通信技术应用比例 3 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 由此可见，目前无线通信在制造领域中的应用较少。一方面，由于传统工业生产设施相对静态和 持久，没有无线连接的需求。另一方面，传统无线技术达不到工业要求，特别是可靠性、时延、安全 等性能。然而，随着工业4.0的到来，柔性化、智能化生产的需求日益强烈，同时5G通信技术在可靠 性和时延上的突破，为无线应用到制造领域提供了可能。在未来工厂中，由无线通信提供的灵活、移 动、通用的连接，必将对制造业生命周期中的生产、运输和服务带来革命性的发展。 2.3 电子信息制造业无线网络通信应用前景 在未来的制造领域，5G通信技术，为智能制造提供无处不在的可靠连接，大数据、人工智能等技 术，为智能制造提供坚实的技术基础，从而有效实现生产流程、物料、管理和物流的优化，故障智能 诊断及预警，生产效率和产品质量的提高以及生产成本的压缩。另一方面，互联网技术推动智能制造 领域的数据和技术积累，建立工业云平台，实现整个行业的经验积累和共享,为企业提供以大数据及人 工智能为基础的自动化、网络化、平台化的高效率工业互联网解决方案，引领制造业向“先进制造+工 业互联网”新业态的转型升级。 升级后的电子信息制造业，将人类体力劳动的自动化上升到了脑力劳动的自动化，如：分析、推 理、判断和决策等，把自动化制造扩展到柔性化、智能化和高度集成化。未来的智能化信息制造业生 产，包括以下几个方面： 1）控制自动化，基于大数据和人工智能，实现先进的控制和在线优化，从而提高生产质量和生产 效率。 2）智能检测，基于实时通信技术，实现生产、物流、资产的全流程可监控，建立全流程的数据采 集和监控系统。 3）智能维护，基于大数据和人工智能，实现生产设备的智能诊断和维修，如：基于虚拟现实技 术，提高巡检和诊断效率。 4）智能周转/物流，基于实时通信技术和实时生产信息，实现生产物料的智能周转以及智能化运输。 5）智能管理，基于大数据和机器学习，实现模型化分析决策、过程量化管理、成本和质量动态跟 踪以及一体化协同优化，实现生产经营、管理和决策的智能优化。 未来工厂将以柔性化、自动化、智能化的生产为特征，而5G通信技术的诞生为未来工厂提供灵 活、低时延、高可靠的网络连接，从而加快电子信息制造产业的转型升级，塑造我国信息制造业竞争 新优势。 4 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 3 电子信息制造业5G的应用场景及需求 3.1 工业控制 工业控制系统是指通过计算、分析工业设备及工业传感器的数据，实现工业生产参数和生产流程 的自动化控制，以提高生产效率和生产质量的工业自动化系统。在电子信息制造业，根据覆盖区域大 小，将工业控制系统分为三个场景：设备内部控制、线体内及设备间控制、整个车间内生产控制。 图3-1 工业控制应用场景 3.1.1 设备内控制 设备内控制，通常是由传感器、控制器、执行器和工作对象构成的闭环控制系统，是工业控制领 域最具挑战性、要求最高的应用场景。传感器检测执行器或者工作对象的状态，反馈给控制器，控制 器根据状态数据的实时分析，对执行设备下发控制指令，如：移动部件或者更改配置参数。 图3-2 工业闭环控制示意图 5 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 设备内控制对通信链路的实时性、可靠性、时钟同步要求比较严苛，是整个控制系统可靠性与安 全工作的前提。传统工业设备普遍采用现场总线或工业以太网等有线连接，实现设备内部控制系统的 互联互通。 下面简单介绍中兴某生产场景：PCB板自动贴标场景。在该场景中，为了提高贴标效率，将12个 PCB板按3行4列组成拼板，同时进行贴装。生产时，采取4个贴标头一次同步吸取4个条码标签，并同 步贴装在PCB拼板的对应位置。此时不仅需要高可靠、低时延的通信链路，而且需要多个贴标头间的 时钟严格同步。如果采用5G通信技术实现传感器、执行器、控制器之间互联，以及设备内部控制系统 间通信，需要满足以下条件。 表3-1 工业控制场景中设备内控制的通信需求表 注：SIL为安全完整性等级（Safety Integrity Level），由每小时发生的危险失效概率定 义。按照国际标准的规定，安全等级分为4级，其中：SIL3失效率为（108-107）。 由上分析,在电子信息制造业的设备内控制场景中，5G通信用于实现控制器、传感器、执行器之间 互联。由于设备控制直接决定生产的安全和可靠性，因此对通信的可靠性、安全性、确定性、时钟同 6 IMT-2020 (5G)推进组 电子信息制造业5G应用需求白皮书 步等性能都存在非常严苛的要求。如何将设备内控制场景下的通信链路由当前的现场总线发展到5G通 信，对5G通信技术提出了巨大的挑战。 3.1.2 线体内及设备间控制 多台单机设备连线运行称为线体。线体内及设备间控制，指线体内部设备之间，以及相互独立的 多台设备之间的控制系统。该设备间的通讯，即：控制器到控制器的通讯(C2C)，主要实现控制器之间 的实时数据交换和同步，以协同完成同一任务。C2C通信，包括周期和非周期数据传输两种模式。当 多台设备必须协同工作才能完成同一任务时，C2C通信对端到端时延、业务可靠性、设备间同步有严 格的要求，同时覆盖区域远大于设备内控制的场景。另一方面，在部分电子信息制造场景中，多台设 备工序之间的顺序性及耦合性要求不强烈，属于离散型制造，此时C2C通信对设备间通信的可靠性和 时延要求较低。 图3-3 SMT自动化生产线示意图 传统的工业领域多采用现场总线或工业以太网，实现线体内及设备间的互联互通。随着工业IoT场 景的引入，设备间的连接数量、交