通信世界网消息（CWW）工业是5G应用的“主战场”，我国5G工业应用已从生产外围辅助环节逐步深入至生产核心控制环节。自2019年5G规模商用以来，全国 “5G+工业互联网”呈规模化发展态势。工信部数据显示，截至目前5G应用已融入97个国民经济大类中的74个，在工业、矿业、电力、医疗等重点领域规模推广，“5G+工业互联网”项目数超过1万个。
而在“5G+工业互联网”建设中，工业5G终端设备上承平台应用、下接工业网络，在工厂远程控制、视频监控、移动巡检等应用中发挥重要作用，已成为业界关注焦点。预计到2025年5G终端将累计超过3200款，其中行业终端累计达2000款，基础类和定制类终端同步发展，但其发展依然面临需求供应、行业适配、规模推广和生态构建等方面的挑战。
工业5G终端发展进入“快车道”
工业5G发展潜力巨大
2024年第一季度我国电信业务收入同比增长4.5%，基础设施支撑能力持续增强。5G商用五年来，我国已累计建成5G基站383.7万个，5G用户普及率突破60%。5G产品的功能性能不断提升，应用场景越发丰富，为垂直行业企业内网建设提供了新的选择。据GSA最新移动专网报告显示，在纳入统计的1384个实际运行专网案例中，使用5G技术的比例达40%。其中，制造业、矿业、能源等工业场景专网占比超过33%。
与此同时，从工业侧来看，5G在工业现场网络的发展潜力巨大。在2023年全球工业网络中，现场总线和工业以太网占整个工业网络市场份额高达92%，以5G为代表的无线市场增长率达到22%，市场份额达8%。基于5G R16、R17版本的技术商用将满足5G在工业自动化领域的应用，推动5G在关键生产环节的广泛应用需求，从而带来工业5G终端的规模化普及。综上所述，工业5G终端整体行业应用需求和产业发展潜力巨大，以5G技术为引领，带动工业现场的无线网络全面升级。
工业5G终端发展初期成效显著
在顶层设计上，我国基于在5G技术上的领先优势和成效积累，积极推动以5G为代表的新一代信息通信技术持续赋能工业生产。自2019年起，工信部印发了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》《5G全连接工厂建设指南》等一系列文件，通过布局“5G+工业互联网”网络关键技术产品、重点行业融合应用、产业生态构建以及资源供给等，推动5G与工业互联网的融合。
在技术标准上，TC124（全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会）、CCSA（中国通信标准化协会）等相继开展了工业5G终端的标准化工作。在通用技术方面，TC124正在组织制定《工业5G终端通用技术要求及测试规范》国标。在行业融合终端方面，CCSA制定了面向不同行业和应用的行业标准，例如《面向电力行业的5G+工业互联网终端设备技术要求和测试》《面向矿山领域的5G+工业互联网井下终端设备技术要求》《面向远程控制场景的5G工业网关技术要求》等。
在应用推广上，产业各方积极推动“5G+工业互联网”成熟落地与规模化应用。中国信息通信研究院、中国工业互联网研究院、机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、中科院自动化研究所等单位共同参与编写了《工业5G终端设备发展白皮书（征求意见稿）》；中国工业互联网研究院正面向工业企业、信息通信企业、设备制造企业等产业各方，公开征集包含工业5G终端在内的新型工业网络产品名录；此外，5G-ACIA（5G互联产业与自动化联盟）组织发布《Industrial 5G Devices-Architecture and Capabilities》等工业5G终端相关的报告，协同推进工业5G终端的技术研发与融合应用。
在产业发展上，5G产业链上终端芯片、模组产品的多元化和市场规模的稳步增长，推动了工业5G终端的规模化发展。目前，工业5G模组的种类已有近300款，工业5G专网部署和应用成本大幅降低，为5G在工业领域的规模化应用提供了条件。随着5G网络基础设施新建和改造加速，工业5G终端也将同步进入快速增长期。GSA数据显示，截至2024年6月，全球范围内5G工业级网关、CPE（客户终端设备）及路由器的款式数量从2020年的26款大幅跃升至245款。不仅NetModule、Peplink、Cradlepoint等国外企业推出了多款工业5G网关、CPE、路由器，如华为、中兴通讯、宏电科技、厦门才茂等国内企业也积极投入研发，并不断推出多样化的产品。
尤其近两年来，国内厂商依托工业互联网创新发展工程，已经布局并生产一批技术先进、需求迫切、验证有效的工业5G融合终端产品。相较于国际竞争对手，国内产品展现出品类丰富、功能持续演进的领先优势，例如基于大上行、URLLC（超可靠低时延通信）、5G LAN等技术，为工业领域提供了高速、稳定的网络互联能力产品。
与此同时，工业领域的需求侧也展现出了积极的发展态势，企业纷纷布局面向行业应用的工业5G终端产品。例如，国网智芯面向电力行业研发5G能源控制器等智能终端，可满足用户侧和配电侧计量与感知设备的灵活接入等需求；石化盈科聚焦石化安全生产和精准遥测等业务场景，自研防爆VOC（挥发性有机化合物）气体传感器、防爆阀门回讯器、防爆遥测巡检机器人等多款5G终端设备。
5G助力工业终端设备更新
5G在工业领域的技术优势
一般观点认为，对比传统工业现场的通信技术，5G的时延高于工业以太网，吞吐量不及光纤，成本高于Wi-Fi，然而在这些方面5G均可以通过技术优化达到甚至超过对标技术的能力。5G技术的核心优势在于其具有多方面可定制化的优化演进空间，几乎没有能力短板。
不仅如此，对于工业领域设备更新来说，5G还具备多项技术长板和应用必要性。一是移动性优势。相比无线通信的Wi-Fi技术，5G的用户容量更大（可达10倍以上），切换调度更高效。因此，在AGV、柔性产线、升降机、机运链、立体产线、穿戴式设备、工业平板等多终端接入时，5G能够提供足够的带宽和业务连续性。此外，相比于标签导航方案，5G的灵活性、安全性更高。二是大上行优势。与Wi-Fi相比，5G的可靠性更高，更适用于“逐线逐帧”扫描判断的工业相机精细质检与工业巡检机器人等场景。与有线网相比，5G可快速解决海量数据回传的问题，因为工业现场不会为大上行数据预留交换传输资源，每新增一个高清工业摄像机，不仅要把线缆布设到设备前，还要规划新的回传网络，否则海量数据很容易造成拥塞，影响现网运行。5G在工业现场的1km范围内不需要线缆组网，直接扩容与基站相连的交换机即可。三是广覆盖优势。依托5G网络，企业可在厂房和厂区间、矿区港口等开放作业场景内,实现工业终端的一网覆盖和连续移动，由此可支撑无人矿卡、厂区巡检，远程集控、跨区物流等工业应用。四是全连接优势。基于5G接入网、核心网、数据及安全管控的完整能力，可以搭建工厂内“一网尽连”的统一基础设施。企业要部署新应用，只需要考虑终端和软件，不再需要新建网络，有效解决工业现场网络制式繁杂、“数据孤岛”和“应用烟囱”等问题，为将来的工业大模型等更多智能应用的孵化提供可能。
工业5G终端的设备更新实现路径
目前，基于5G的工业终端设备更新主要有三种方案。一是通过将工业终端接入5G CPE，实现5G网络的接入，这种方式不需要对现有基于有线或Wi-Fi的非5G工业终端设备进行任何改造，因此对现有工业网络改动最小。二是对传统工业网关进行5G改造，使得工业网关具备基于5G无线通信的工业协议转换能力。三是对工业终端进行改造升级，通过内嵌5G模组实现5G网络的接入，这种方式改造后的工业终端更加灵活，后续可激发一批更加定制化、柔性化、智能化的“5G+工业互联网”融合创新应用。
工业终端的5G化改造不仅可以实现机器视觉质检、厂区智能物流、无人智能巡检等生产外围辅助环节的应用，还可以逐步深入远程设备操控、设备协同作业、精准动态作业等生产核心控制环节。
工业5G终端规模发展
面临的问题及挑战
在推动工业5G终端实现规模发展的过程中，产业界应正视面临的问题与挑战。
行业需求方面
不同于消费互联网，工业互联网的行业特点鲜明，需求碎片化问题比较突出。不同行业和应用场景对5G网络的大带宽、高可靠低时延、大连接等通信性能的需求不同，并且存在工业协议转换、确定性传输、低功耗、本安防爆等各类行业特定功能需求。因此，消费互联网的统一化5G产品研发和应用部署模式不适用于工业领域的融合终端。此外，在消费互联网基础设施建设过程中，决策权主要掌握在电信运营商和云平台公司手中，而在工业网络建设方面，工业企业拥有绝对的主导权。加上供给侧方案太多，如工业总线、工业以太网、光网、物联网、无线网、TSN、确定性网络等，网络基础设施繁杂问题也比较突出。因此，当前工业网络的建设和设备部署存在专业性、前瞻性和延续性不足的问题，往往难以达到预期效果，并且导致终端管理和网络运维成本高昂。
融合标准方面
工业5G终端相关标准要跨多个技术领域和行业，协同推进难度高。例如，一项工业5G融合终端的信息通信技术标准涉及产业联盟、运营商、新技术设备商集成商等，他们分别在传统的5G工作组、工业互联网推进组、行业内的标委会、行业协会参与标准的研制工作，缺乏统一的交流协作平台、明确的体系划分及协调制度。此外，面向行业应用场景的行业标准制定工作，目前参与单位以信息通信企业为主，缺乏行业企业的广泛参与。次外，各行业需求颗粒度不同，一些行业尚未发布工业5G终端的行标，存在基础标准、创新技术和应用标准供给不足的问题。尤其是在新型工业终端的设计与测试方面，应在3GPP定义的5G终端标准基础上，结合行业需求对协议转换、接口开放、基本测试要求等内容进行标准化。
规模应用方面
工业5G终端的关键技术已基本具备，但在行业规模应用上还存在模组及融合终端价格较高、产业落地困难等问题。对此，5G RedCap（轻量化）技术可从业务需求出发，通过终端剪裁功能在成本与高可靠、低时延、大容量、低功耗等性能之间需求平衡，研发轻量化、可定制的工业5G融合终端，可进一步推动5G规模应用。业界针对典型to B、to C场景积极推动RedCap终端研发，2023年已推出基于RedCap的摄像头样机、电力终端样机等。预计未来两年，随着RedCap商用，工业5G模组的价格将有望从300元降至百元以内，部分工业5G数采终端价格可降至500元左右，并且终端类型将更加丰富，从而推动5G在更多行业规模化落地。
产业生态方面
我国拥有超大的工业终端市场、数量众多的产业工人、万级的5G工厂建设数量目标，以及趋于成熟的AGV、智能机器人、工业相机/摄像头等典型5G工业终端应用，共同形成了产业规模的优势。但在长期的市场实践中，多家国际自动化集成商巨头形成了相对成熟、被广泛认可的工业协议，如业界较熟悉的PROFINET、EtherCAT、CCLink、EtherNet/IP等，大约有30种，而我国工业企业主要使用的PROFINET、EtherCAT、Modbus、PROFIBUS 4种工业网络协议也在其中。此外，国际巨头已推出并商用全套的5G专网产品，并有可能借助私有封闭的工业协议形成新的生态垄断。这将导致工业生产设备由于协议问题难以互通，造成工程内网络数据互联困难、系统集成、网络管理难度加大且成本高昂，从而迟滞工业现场设备的5G升级改造。
加快工业5G终端产业
规模发展的建议
总体来说，虽然5G技术在不断演进迭代中，而工业5G终端在eMBB、URLLC、RedCap领域的技术研究、标准制定工作也已初见成效，但仍存在终端无法深入工业生产核心环节、因价格高而无法规模应用等问题，二者相差甚远。
因此，需要改变消费互联网基于5G技术演进的应用推广模式，更多地面向工业应用主体，采用基于工业现场需求的研发与应用推广模式。通过对高价值工业场景的挖掘，根据不同的行业应用需求，研发并推出行业认可的工业5G融合终端产品，为后续融合终端的规模应用、产能提升以及市场主体扩张奠定基础。
一是推进工业5G终端行业适配，促进不同形态终端的多样化发展。工业5G终端的应用不能仅局限于通信能力，针对工业级高可靠性需求、生产设备数字化程度不足、融合网络带来的系统复杂化等问题，应大力推动5G工业网关、工业现场5G融合终端和5G生产辅助智能终端的多样化发展，实现工业生产中感知能力、控制能力和通信能力的增强。
二是加强工业5G终端技术研究，推进新型工业网络融合创新。利用无源无线通信、确定性网络、毫米波、立体覆盖增强、空间精确定位与感知等技术，持续提升工业网络性能和终端管理能力，向生产核心环节深化应用并孵化远程集控、L4自动驾驶、动态能效管理等新型工业应用，实现工业现场在更广范围的连接、更高程度的智能、更精细化的管理等维度的创新升级。
三是加速工业5G终端标准研制，推进工业5G终端测试认证工作。行业需求的差异化容易给工业5G终端带来产品定位不清晰、功能不完善、价格参差不齐等问题，应积极推进工业5G终端的标准化工作，规范终端能力，保障终端产品在生产使用过程中的安全可靠性等。同时，市场监管部门在相关部委指导下，开展对工业5G终端设备的认证监管工作，推动工业5G终端质量认证体系建设。
四是围绕工业5G终端拓展应用生态，孵化融合解决方案供应商。鼓励终端产业链上的厂家融合工业需求，推出多种形态的终端产品。通过培养一批“既懂5G又懂工业”的解决方案供应商，提供终端融合设计、统一管控、全生命周期管理等解决方案，进一步拓展应用生态。
*本文刊载于《通信世界》总第947期
2024年7月10日 第13期
原文标题：工业5G终端发展的成效、挑战及建议
