2022面向數(shù)字孿生的5G現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)體系架構(gòu)

面向數(shù)字孿生的5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)體系架構(gòu)白皮書(shū)（2022年）55（221目 錄目錄 3字生未行展的向 4數(shù)孿生念與歷程 4數(shù)孿生層架關(guān)鍵技術(shù) 4數(shù)孿生展趨勢(shì) 6業(yè)場(chǎng)的念鍵技術(shù) 75G+場(chǎng)網(wǎng)系架與關(guān)鍵術(shù) 75G+場(chǎng)網(wǎng)型應(yīng)場(chǎng)景 8向字生的5G+場(chǎng)網(wǎng)系構(gòu) 9面數(shù)字生的5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)層架構(gòu) 95G+場(chǎng)網(wǎng)六個(gè)展趨勢(shì)六個(gè)術(shù)維度 103.2.1“”-感知 3.2.2“”-通信 123.2.3“”-計(jì)算 123.2.4“”-數(shù)據(jù) 123.2.5“”-智能 133.2.6“”-應(yīng)用 135G+場(chǎng)網(wǎng)五個(gè)接技術(shù) 135G+新無(wú)通信 145G+新短通信 155G+確性絡(luò) 175G+高度內(nèi)位 205G與低網(wǎng)絡(luò) 21向字生的5G+場(chǎng)網(wǎng)業(yè)型用 23工機(jī)械造 23智礦山 23智鋼鐵 24智樓宇 25智醫(yī)療 265.略語(yǔ) 27參考獻(xiàn) 28聯(lián)合寫(xiě)位作者 28數(shù)字孿生是未來(lái)行業(yè)發(fā)展的方向數(shù)字孿生概念與發(fā)展歷程策的優(yōu)化閉環(huán)。數(shù)字孿生的概念始于航天領(lǐng)域，經(jīng)歷了“技術(shù)探索、概念提出、應(yīng)用萌芽、19692003Grieves2010年開(kāi)始，數(shù)字孿生技術(shù)在各行業(yè)呈現(xiàn)應(yīng)用價(jià)值，大型工數(shù)字孿生三層架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)勢(shì)預(yù)測(cè)和綜合優(yōu)化等功能。根據(jù)ISO發(fā)布的數(shù)字孿生領(lǐng)域首個(gè)體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)《ISO/DIS23247：DigitalTwinframeworkformanufacturing圖1-1 ISO數(shù)字孿生體系架構(gòu)為了構(gòu)建數(shù)字化鏡像并實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，需要感知、建模、仿真等基礎(chǔ)支撐技術(shù)通過(guò)平臺(tái)化的架構(gòu)進(jìn)行融合，搭建從物理世界到孿生空間的信息交互閉環(huán)。（一）感知技術(shù)標(biāo)識(shí)，并確保設(shè)備可信可控。（二）建模技術(shù)模型構(gòu)建技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理空間中的實(shí)體向虛擬空間孿生體的映射，并通過(guò)在（三）仿真技術(shù)立相對(duì)應(yīng)的虛擬模型，并模擬物理實(shí)體在真實(shí)環(huán)境下的行為。數(shù)字孿生發(fā)展趨勢(shì)數(shù)字孿生是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的新階段，數(shù)字孿生的應(yīng)用普及將推進(jìn)以“萬(wàn)物互聯(lián)為目標(biāo)的傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)正在向“萬(wàn)物智聯(lián)”業(yè)務(wù)需求和精準(zhǔn)泛在的感知數(shù)據(jù)對(duì)以行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)在內(nèi)的通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高要求。ICT字孿生技術(shù)體將一邊探索和嘗試、一邊優(yōu)化和完善。行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的概念與關(guān)鍵技術(shù)2013年ISO.23247ProximityNetwork（直譯為鄰近網(wǎng)絡(luò)）5G+AICDE5G+5G+行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)是以網(wǎng)關(guān)為中心，南向通過(guò)無(wú)源物聯(lián)、短距、確定性傳輸?shù)?G數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_(tái)，可服務(wù)于行業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，滿足各類業(yè)務(wù)差異化需求。5G算力感知等能力，提升網(wǎng)絡(luò)的智能化能力。圖2-15G+行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)體系架構(gòu)5G+資產(chǎn)盤(pán)點(diǎn)：得益于低成本、零功耗的特性，傳統(tǒng)收發(fā)一體的無(wú)源物聯(lián)系統(tǒng)廣5G痛點(diǎn)。移動(dòng)設(shè)備互通信：機(jī)器換人可有效提升行業(yè)生產(chǎn)效率，降低人工成本，許多AGVQoS級(jí)通信時(shí)延，從而使行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)移動(dòng)設(shè)備間的高效協(xié)同成為可能。無(wú)線確定性傳輸：鋼廠鐵水罐中裝載高溫鐵水，需周期性、確定性上報(bào)鐵水5G+調(diào)度等實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)的確定性傳輸、故障數(shù)據(jù)優(yōu)先傳輸，保障生產(chǎn)安全?；谥械退偻ㄐ诺臄?shù)據(jù)采集：電力數(shù)據(jù)采集包括采集實(shí)時(shí)電能數(shù)據(jù)、工況數(shù)端實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)用戶負(fù)載的電壓、電流、功率等電能質(zhì)量動(dòng)態(tài)信息。面向數(shù)字孿生的5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)體系架構(gòu)Cube3655G+3”表示66扁平化、無(wú)線化、IP化、智能化、可控化、精細(xì)化6“感、通、算、數(shù)、智、用55G+新型無(wú)源通信、5G+新型短距通信、5G+確定性傳輸、5G+高精度定位、5G線化、IP化、智能化、可控化、精準(zhǔn)化的發(fā)展方向。圖3-1面向數(shù)字孿生的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)體系架構(gòu)（Cube365）5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)三層架構(gòu)術(shù)提供面向行業(yè)剛需的“感、通、算、數(shù)、智、用”六個(gè)技術(shù)維度。中間為能力層，可通過(guò)邊緣計(jì)算、協(xié)議適配、AI等技術(shù)為下層的物理實(shí)體仿真分析、智能處理、孿生模型構(gòu)建與融合等。業(yè)務(wù)全生命周期管理服務(wù)，是與用戶的直接界面和接口。5G+隨著產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型不斷推進(jìn)，行業(yè)客戶的定制化生產(chǎn)需求逐漸顯現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)正朝著扁平化、無(wú)線化、IP化、智能化、可控化、精準(zhǔn)化方向演進(jìn)。一是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加扁平化?，F(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，有多種工業(yè)總線協(xié)議、工業(yè)Zigbee、UWB二是網(wǎng)絡(luò)連接更加無(wú)線化。2020年全球工業(yè)網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)份額中，有線占比94%，6%5G+接向無(wú)線化發(fā)展。三是網(wǎng)絡(luò)傳輸更加IP化。傳統(tǒng)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)多為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的層二通信，暫時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)溯源，靈活路由以及精細(xì)化業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理，而工業(yè)生產(chǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性、IP改造需求已越來(lái)越迫切。IPv6IP址。IPv6SLA保障。四是行業(yè)應(yīng)用更加智能化?，F(xiàn)階段智能分析能力主要依賴云平臺(tái)，部分工業(yè)五是現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)更加可控化。傳統(tǒng)網(wǎng)管系統(tǒng)尚未延伸至現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)法實(shí)時(shí)感六是設(shè)備控制更加精準(zhǔn)化。隨著5G和確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)時(shí)延和抖動(dòng)大大縮短，使設(shè)備分布式部署，控制集中化管理成為可能。在遠(yuǎn)程設(shè)備操作、設(shè)備協(xié)同作業(yè)等場(chǎng)景中，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)采集傳輸現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，基于軟件實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制。IP5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)技術(shù)體系業(yè)的多樣化需求。3.2.1“感”-感知業(yè)務(wù)分析以及向上的確定性傳輸提供數(shù)據(jù)支撐。3.2.2“通”-通信流能力。3.2.3“算”-計(jì)算AI服務(wù)大多基于深度神經(jīng)網(wǎng)/3.2.4“數(shù)”-數(shù)據(jù)5G和現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維自治能力。3.2.5“智”-智能不利于數(shù)據(jù)安全和隱私等問(wèn)題。針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)大數(shù)據(jù)、低時(shí)延、高隱私的需求，AI模型智能部署功能，根據(jù)原始模型、資源需求，快速實(shí)現(xiàn)模型部署和AI3.2.6“用”-應(yīng)用PLC采用PLCSCADAPLC5G+5G+5G+距通信、5G+確定性傳輸、5G+高精定位、5G與中低速通信等在現(xiàn)場(chǎng)中廣泛使用的五個(gè)連接技術(shù)。5G+新型無(wú)源通信（125-134KHz（13.56MHz（900MHz（2.4GHz1-10激勵(lì)通信激勵(lì)通信圖3-2傳統(tǒng)的無(wú)源物聯(lián)框架圖3-3增強(qiáng)型無(wú)源物聯(lián)框架圖和研發(fā)成本。5G技術(shù)應(yīng)用到室外場(chǎng)景。5G+新型短距通信短距無(wú)線通信泛指在較小的區(qū)域內(nèi)（通常小于100米）提供點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線通信，是典型的行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，主要用于設(shè)備間的小范圍互連，具有部署簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)勢(shì)。圖3-4現(xiàn)有短距通信技術(shù)Wi-FiZigbee20209跨層透?jìng)鳈C(jī)制，基于業(yè)務(wù)特性使能半持續(xù)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)單向用戶面?zhèn)鬏敃r(shí)延小于20usPolarRS5G5G5G（管理節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)路由/T（通信節(jié)點(diǎn)5GT據(jù)格式、數(shù)據(jù)集，可部署在邊緣UPF、歸屬用戶服務(wù)器(HomeSubscriberServer,HSS)5GGT圖3-55G與短距通信技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)融合框架圖5G+星閃融合通信技5GQoS未來(lái)，5G5G5G+確定性網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)確定性網(wǎng)絡(luò)是指能保證業(yè)務(wù)的確定性帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)。這里的確定性是指指標(biāo)可預(yù)期，比如確定性時(shí)延10ms，時(shí)延的抖動(dòng)在±10μs。PROFIBUSCANCC-LinkEtherNet/IPPROFINETEtherCATPowerLink技術(shù)的出現(xiàn)，為工業(yè)領(lǐng)域提供了新的通信5G確定性網(wǎng)絡(luò)所采用的確定性技術(shù)并非是伴隨5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展而誕生的2002AVB領(lǐng)域的高實(shí)時(shí)、低時(shí)延、確定性數(shù)據(jù)傳輸需求。為滿足無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)支持應(yīng)用TSN3GPPR165GTSNTSN5GTSN5GTSN圖3-63GPP定義的TSN邏輯網(wǎng)橋系統(tǒng)架構(gòu)圖為了實(shí)現(xiàn)5GTSN邏輯網(wǎng)橋和TSN網(wǎng)絡(luò)的對(duì)接，5G系統(tǒng)擴(kuò)展了如下3個(gè)功能模塊：1）DS-TTTSN（Device-sideTSNtranslatorTSN系統(tǒng)。2）NW-TTTSN（Network-sideTSNtranslatorTSN系統(tǒng)。3）TSNAFTSN（ApplicationFunctionTSNCNC5G+TSN一定程度上解決了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)智化轉(zhuǎn)型發(fā)展所提出的無(wú)線替代有線、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃枨螅哂幸欢òl(fā)展前景。出了有線局域網(wǎng)確定性技術(shù)時(shí)間明晰網(wǎng)絡(luò)（TimeAwareNetwork，TAN）TANTANTANPDU，信的調(diào)度能力和控制能力。5GTANTAN領(lǐng)域和場(chǎng)景，具體的融合方案目前正在測(cè)試驗(yàn)證階段。5GTSN/TAN會(huì)推出的NC-Link和OPC基金會(huì)推出的新一代OPC標(biāo)準(zhǔn)OPCUA（UnifiedArchitecture，統(tǒng)一架構(gòu)5GTSN/TANNC-Link/OPCUA著技術(shù)之間融合適配方案的日益成熟，將有望逐漸成為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通信的最佳實(shí)踐。5G+高精度室內(nèi)定位采用載波接收信號(hào)強(qiáng)度做指紋庫(kù)定位實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，可將Wi-FiRSSI1/31/4法提升精度，但其缺陷是精度低，維護(hù)困難，對(duì)環(huán)境改變的適應(yīng)性差。針對(duì)定位需求，業(yè)界主要有三種技術(shù)方向：UWBGHz需求，但由于方案私有化程度較高，終端擴(kuò)展受限，因此其成本較高。二是藍(lán)牙角度定位，其基于天線陣列的角度定位(AoA/AoD)，是基于收發(fā)信(ULAUCA均勻方陣)上不同天線鏈路上的相位差得到信號(hào)的來(lái)波角度，再根據(jù)部署高UWBUWB5G5G等室內(nèi)場(chǎng)景下的各種定位業(yè)務(wù)需求。5GRTTAOA/AODTDOA精度都有較高要求。5GRTT、AOA/AOD、TDOAGNSS角度的測(cè)量。5G（距離、角度相對(duì)速度變化率，具有一定的應(yīng)用場(chǎng)景。否能夠得到快速應(yīng)用，還需要進(jìn)一步進(jìn)行技術(shù)驗(yàn)證。LPHA（LowHighAccuracyPositioning5GRRC_INACTIVEUTDOAAOANLOS亞米級(jí)定位精度；同時(shí)，通過(guò)快速轉(zhuǎn)到淺睡眠/深睡眠狀態(tài)降低底電流、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)側(cè)優(yōu)化等方式達(dá)到降低功耗目的。5G與中低速網(wǎng)絡(luò)10Mbps5Mbps物聯(lián)網(wǎng)連接。NB-IoTCat.1LoRaSigfox，NB-IoTLoRa是使用非授權(quán)頻譜的廣域低功耗技術(shù)代表，與NB-IoT、LTECat.1等采用授權(quán)頻段的技術(shù)相比，其可靠性及可信度相對(duì)較弱，特別在身份憑證安全、認(rèn)證機(jī)制、密鑰管理方面存在差距；Zigbee、BLE等受限于覆蓋有限，還難以滿足那些需要遠(yuǎn)距離傳輸、通信數(shù)據(jù)量少、且需電池供電長(zhǎng)久的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)行業(yè)典型應(yīng)用工程機(jī)械制造簽上行信噪比低，導(dǎo)致讀寫(xiě)器無(wú)法解調(diào)標(biāo)簽信號(hào)。使用新型無(wú)源物聯(lián)技術(shù)可以打破傳統(tǒng)無(wú)源物聯(lián)技術(shù)通信距離過(guò)近的問(wèn)題。通過(guò)新型無(wú)源物聯(lián)設(shè)備可周期性讀取并刷新模具當(dāng)前位置、合模次數(shù)、成形周期、使用物料和產(chǎn)品等信息，完全取代人工掃碼。SaaS增大投資邊際效益和提高資產(chǎn)使用率，減少無(wú)謂的設(shè)備投資和閑置浪費(fèi)。智慧礦山圖4-2礦山現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)架構(gòu)圍連接的無(wú)人遠(yuǎn)程操控設(shè)備技術(shù)代替現(xiàn)場(chǎng)人工操作，助力礦企安全高效生產(chǎn)。Wi-Fi5G井下通信類時(shí)則需要大的帶寬、較高的上下行速率。智慧鋼鐵工藝技術(shù)與5G、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)的深度融合和創(chuàng)新應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)鐵區(qū)生產(chǎn)5G5-105G米級(jí)定位的需求。服務(wù)等級(jí)需得到高保障，且時(shí)延需達(dá)到微秒級(jí)。5G+新型短距可支持超低時(shí)延、智慧樓宇也成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。提升信息傳輸效率。用戶多次刷卡，極大的提高停車管理效率。除停車管理外，5G+現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)也能為智慧樓宇的資產(chǎn)管理、人員管理、樓宇節(jié)智能化運(yùn)營(yíng)管控能力。智慧醫(yī)療5G+及的場(chǎng)景，推動(dòng)智慧醫(yī)療服務(wù)。在醫(yī)療監(jiān)護(hù)方面，當(dāng)有緊急病患時(shí)，醫(yī)生和護(hù)士必須先尋找該病人過(guò)往病員就可以隨時(shí)隨地掌握每一位病人的準(zhǔn)確信息，提高救治效率?？s略語(yǔ)5G第5代通信技術(shù)(TheFifth-Generation)AGV無(wú)人導(dǎo)航小車（AutomatedGuidedVehicle）AoA到達(dá)角度定位（AngleofArrival）BBU室內(nèi)基帶處理單元（BuildingBasebandUnite）CNC數(shù)控車床(ComputerizedNumericalControl)DT數(shù)字孿生（DigitalTwin）DTU分布式終端（DistributionTerminalUnit）eMTC基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)(LTEenhancedMTO)GIS地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem)GPS全球定位系統(tǒng)(GlobalPositioningSystem)HSS歸屬用戶服務(wù)器(HomeSubscriberServer)IT信息技術(shù)（InternetTechnology）LoRa遠(yuǎn)距離無(wú)線電（LongRangeRadio）mMTC海量機(jī)器類通信(MassiveMachineTypeofCommunication)NB-IoT窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NarrowBandInternetofThings)OPCUAOPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPCUnifiedArchitecture）OT操作技術(shù)(OperationTechnology)PLC可邏輯編程控制器（ProgrammableLogicController）pRRU遠(yuǎn)端射頻單元(PicoRemoteRadioUnit)QoS服務(wù)質(zhì)量(QualityofService)RFID無(wú)源射頻識(shí)別（RadioFrequencyIdentification）RSSI接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（ReceivedSignalStrengthI