家电行业“5G+工业互联网”标准化体系构建研究

蔡毅 田晖 彭玲 汪年结 张赫

（1.中国家用电器研究院，北京 100037；
2.四川长虹智能制造技术有限公司，四川绵阳 621000；
3.四川长虹电器股份有限公司，四川绵阳 621000）

当前，科技革新与产品更替突飞猛进。工业互联网是数字技术与物理技术、大数据与大机器的融合。5G 信息通信技术具有大带宽、低延时、高可靠的特性[1]。“5G+工业互联网”是实现产业数字化、网络化与智能化的重要路径。5G 与工业互联网的融合对加强我国各行业数字化、网络化、智能化发展，促进数字经济和实体经济融合具有重要意义。

家电行业作为电子设备制造业的重要组成部分，自动化水平高，数字化、网络化产品更新迭代速度快，存在降低劳动力成本、严控产品质量、快速响应客户差异化要求等迫切需求，家电行业是“5G+工业互联网”创新发展的重要领域之一，发展智能化制造、个性化定制、可控数量型制造等模式的潜力巨大。工信部已发布两批“5G+工业互联网”典型应用场景共20个，涉及10 个重点行业领域，家电是10 个重点行业之一，龙头家电企业有多个案例上榜，取得了阶段性的成果。

随着家电制造业和“5G+工业互联网”不断融合与创新发展，“5G+工业互联网”标准体系缺失的问题逐步凸显，“5G+工业互联网”领域标准缺口很大。为了系统地开展家电行业“5G+工业互联网”标准化工作，尽快研制出满足家电制造企业急需的“5G+工业互联网”标准，本文针对家电及其相关离散型行业多品种、定制化的需求，基于家电制造业5G+工业互联网产业现状，开展了家电行业“5G+工业互联网”标准体系研究工作，以期为家电行业数字化、智能化发展提供标准化支撑与引导，推动“5G+智能制造+工业互联网”在更广范围、更深程度、更高水平上实现融合创新，为支持工业互联网产业高质量发展并为其提供基础支撑和安全保障。

“5G+工业互联网”是指利用以第五代移动通信技术为基础的新一代信息通信技术，构建与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态。通过5G 技术对人、机、物、系统等的多方面的参与角色进行全面快速连接，构建起可覆盖至全产业链、全价值链的全新制造和服务体系，为工业乃至产业数字化、网络化、智能化发展提供了新的实现途径和解决方案，助力企业实现降本、提质、增效、绿色、安全发展[2]。国际电信联盟定义了5G 的三大应用场景，eMBB（增强型移动互联网）、mMTC（海量连接物联网）、uRLLC（超低时延高可靠通信），其中mMTC（海量连接物联网）、uRLLC（超低时延高可靠通信）主要是对工业等实体经济行业的需求所对应设计[3]。5G 满足大规模数据采集和感知、精准操控、远程控制等工业生产需要。工业互联网将为5G 技术提供极为丰富的应用场景，支撑5G 技术不断发展。

2.1 我国“5G+工业互联网”的发展政策

近些年，国家相关部委相继出台一系列关于“5G+工业互联网”的政策，以支持和加速推动“5G+工业互联网”在行业领域的发展，推动“5G+工业互联网”标准化工作，并向垂直行业与重点领域快速延伸，并更好地促进中国“5G+工业互联网”融合发展创造了良好的政策环境。

2021 年11 月，工信部与国家标准化管理委员会发布了《工业互联网综合标准化体系建设指南》提出了工业互联网标准化体系顶层设计，旨在建成统一、融合、开放的工业互联网标准体系，形成标准广泛应用、与国际先进水平保持同步发展的良好局面。2022 年9 月，工信部发布《5G 全连接工厂建设指南》提出“十四五时期，主要面向原材料、装备、消费品、电子等制造业各行业以及采矿、港口、电力等重点行业领域，推动万家企业开展5G 全连接工厂建设，建成1 000 个分类分级、特色鲜明的工厂，打造100 个标杆工厂，推动5G 融合应用纵深发展”。2022 年4 月，工信部在《工业互联网专项工作组2022 年工作计划》提出加快基础共性、关键技术、典型应用等产业急需标准研制，在“5G+工业互联网”、工业互联网标识解析、重点行业应用与安全等领域积极推进标准预研，研制一批工业互联网重点标准。

2.2 我国“5G+工业互联网”标准化发展

随着“5G+工业互联网”政策、技术，应用不断升级，“5G+工业互联网”标准正在加速形成，并指导行业、产业的发展。现阶段工信部已有一些“5G+工业互联网”的行业标准编制发布，具体如表1 所示。

表1 “5G+工业互联网”行业标准

2.3 我国家电行业“5G+工业互联网企业”实践

家电制造行业属于典型离散型制造行业，是我国实体经济的重要组成部分。在工信部公布的20 个“5G+工业互联网”的典型应用领域中，家电行业是其中的重点领域。“5G+工业互联网”正在与家电行业融合进程中，通过5G+MEC（边缘计算）、云化PLC 等技术，家电行业已经实现机器视觉AI 质检、厂区智能物流、AR 现场辅助装配维修、虚拟现场服务、产线数字孪生、工艺合规管理、生产过程溯源、叉车调度管理等应用场景。“5G+工业互联网”技术在新建和改造升级后家电智能工厂应用不断扩展。企业实践具体有：对厂房内工艺流程和布局的数字化建模，实时呈现车间内产线生产状态，实现资源协同、异常预警；
利用5G+蓝牙融合定位技术实现工厂仓库的自动化、稳定、高精度测量，对接生产系统实现作业联动；
通过5G 网络实现VR 虚拟场景教学，真实还原加点装配，通过文字、视频、3D模型等方式引导交互式培训等[4]。家电行业“5G+工业互联网”的应用正逐步形成协同研发设计、远程设备操控、设备协同作业、柔性生产制造、现场辅助装配、机器视觉质检、设备故障诊断、厂区智能物流、无人智能巡检、生产现场监测等典型应用场景。

2.4 我国“5G+工业互联网”标准化存在问题分析

智能化、数字化是家电制造业的发展方向和必然选择。总体而言，家电行业“5G+工业互联网”正处于“边建设边完善、边应用边优化”的培育阶段。现阶段，一方面，统一的“5G+工业互联网”融合领域的核心标准和体系尚未制定，标准规范缺失，网络安全还需完善；
另一方面，面向工厂复杂的生产环境和特殊生产要求，“5G+工业互联网”的网络技术与组网、适配增强技术、终端、边缘计算、应用、网络管理等方面的标准需求很急迫。需加强“5G+工业互联网”融合应用标准体系的建设，逐步推动标准规范对家电行业“5G+工业互联网”的引导支撑作用。

3.1 标准体系构建的原则

家电行业“5G+工业互联网”标准体系构建应遵循全面系统、科学协调、层次清晰、重点突出。第一，标准体系应遵守工业和信息化部、国家标准化管理委员会关于印发《工业互联网综合标准化体系建设指南（2021 版）》的顶层设计，与现有相关政策、法规以及标准体系协调一致，标准层次清晰明了。第二，标准体系应覆盖“5G+工业互联网”的各个环节与各个方面，包括包括但不限于网络、终端、边缘技术、应用场景等。第三，标准体系需聚焦家电行业现状与特点，贯穿家电制造行业的生产全过程，并且可以覆盖至供应链管理、AGV、柔性制造、生产过程控制、机器协作、库存管理、产品交付管理等上下游各个环节，可将企业的相关要求融入现有的生产制造过程，便于企业实施。

3.2 家电行业“5G+工业互联网”标准体系建设框架

结合5G 技术，基于家电行业现状与特点，本文提出家电制造业“5G+工业互联网”标准体系包括：“5G+工业互联网”网络、“5G+工业互联网”终端、“5G+工业互联网”边缘计算、“5G+工业互联网”平台、“5G+工业互联网”应用以及“5G+工业互联网”安全与管理等六大部分的标准（如图1所示）。网络标准是“5G+工业互联网”体系的基础，平台标准是“5G+工业互联网”体系的核心，安全与管理标准是“5G+工业互联网”体系的保障，边缘计算的标准是“5G+工业互联网”与基础信息平台协作的重要支撑，而且也是关键的部分，应用标准是对家电生产行业的具体需求，也是对其他部分标准的落地细化。

图1 家电行业“5G+工业互联网”标准体系

3.3 家电行业“5G+工业互联网”标准体系建设内容

（1）“5G+工业互联网”网络标准

“5G+工业互联网”网络是基础，主要包括网络技术与组网以及适配增强技术等。主要规范5G 与工业互联网融合的关键技术与网络架构，包括面向家电行业的可定制核心网、工业小基站、5G-局域网（5G-LAN）、非公众网络（NPN），以及面向家电企业的专网架构等网络技术要求，并对5G 上行增强、高精度时间同步、高精度室内定位、与其他网络协议对接等增强型技术要求标准。

（2）“5G+工业互联网”终端标准

终端是连接5G 网络与家电行业的关键，相关5G 终端和模组配合安装在家电行业的各类相关设备上终端能通过5G 互相连接，5G 才能真正赋能家电行业工业互联网。家电行业的5G 技术应用是需要智能终端以不同的形态去承载，包括不限于：厂区大型机械、厂区无人车、智能厂区门禁、监控系统等。因此，“5G+工业互联网”终端标准主要规范面向家电行业的融合终端技术要求，包括家电行业5G 通信模组、5G 通信终端。例如：仪器仪表传感器、自动导引车（AGV）、监控设备、增强显示/虚拟现实（AR/VR）设备等。

（3）“5G+工业互联网”边缘计算标准

边缘计算的标准是“5G+工业互联网”与基础信息平台协作的重要支撑，而且也是关键的部分。通过5G 与边缘计算（MEC）、云计算的结合，搭建多元计算设施，可形成功能层次分明、高效集约的云服务布局，实现应用的集约建设、快速部署与敏捷响应。基于依托5G 网络优势，边缘计算一方面能够广泛采集智能终端数据，实时高速传递，汇聚到中心云，在计算处理完成后，实现快速反馈。另一方面，边缘计算能够实现流量卸载，降低访问时延，为企业提供高清视频监控、AR/VR、智慧能源等应用的本地化快速处理分析。因此，“5G+工业互联网”边缘计算标准主要规范5G多接入边缘计算（MEC）设施的相关要求，包括面向家电应用场景的部署架构、基础设施（网络、算力、存储等）、平台、接口等标准。

（4）“5G+工业互联网”平台标准

平台标准是“5G+工业互联网”体系的核心。工业互联网平台分为4 个部分：边缘层、IaaS 层（云基础设施）、工业PaaS 层（工业大数据、工业APP）以及工业SaaS 层（应用层）。因此，家电行业“5G+工业互联网”平台标准主要规范面向家电行业开展“5G+工业互联网”生产服务平台以及相关技术要求、产线解决方案、信息数据管控、数据应用等，包括平台应用技术标准、平台服务管理标准、平台互通适配标准等。

（5）“5G+工业互联网”安全与管理标准

在安全性方面，5G 网络和工业互联网的网络架构较为开放，因此安全问题非常关键。再结合家电生产的信息安全需求，围绕家电制造业中设备、控制、网络、平台、数据和终端产品等关键要素，应形成多个网络安全保护与预警体系。安全管理要建立工业互联网分类分级管理的制度与标准，建立健全监测预警、数据上报、应急响应、风险评估等安全机制。提升防火墙的检测水平、用于确保网络在不同条件下可运行平稳，并提高网络安全等级、快速自我检测处置和应急响应的能力。家电行业“5G+工业互联网”安全与管理标准主要规范家电制造业5G 与工业互联网融合应用过程中的安全技术要求及其它管理要求。

（6）“5G+工业互联网”应用标准

应用标准面向家电行业的具体需求，主要规范面向家电行业的“5G+工业互联网”融合应用场景和技术要求等，关键环节包括研发设计、生产运行、检测监测、仓储物流、运营管理等融合应用的标准。

研发设计应用，主要包括基于5G、数字孪生、增强现实/虚拟现实（AR/VR）等技术，提出家电行业生产单元模拟、协同研发设计、众包设计等应用场景及技术要求的标准，以提高物流与工厂的生产单元之间动态实时的关联与反馈，提升工厂的工作效率，提升企业网络协同研发设计与现场作业的交互能力。生产运行应用，主要包括将5G、边缘计算、知识图谱等技术应用于工业设备、系统、生产线，提出柔性生产制造、远程设备操控、设备协同作业、精准动态作业、现场辅助装配等应用场景及技术要求。检测监测应用，主要包括将5G 结合机器视觉、模式化识别等技术应用在线检测监测。提出包括识别分析、远程诊断、智能预判、视觉质检、红外线成像分析、工业合规校验、设备故障诊断、无人智能巡检、生产现场检测等应用场景技术要求，规范生产质量与安全。仓储物流应用，主要包括将5G 技术与射频识别、图像识别、多源融合室内定位、北斗导航融合使用，同时运用智能天车、AGV 小车等设备，提出调度管理、货物码放、危险品运输等智能物流、智能仓储、全域物流监测的应用场景与技术要求。提升配送效率，保障安全仓储物流。运营管理应用，主要包括将5G 结合工业互联网标识、平台等设施，提出生产过程溯源、生产能效管控、虚拟现场服务、企业协同合作等应用场景与技术要求，推动产业链上下游贯通和数字化发展。回收处理应用，主要包括将5G 结合工业互联网标识编码解析。提出回收处理溯源、回收处理过程监控，远程检测等场景与技术要求。

4.1 加快家电行业“5G+工业互联网”标准化体系建设

加快家电行业“5G+工业互联网”标准体系建设。发挥不同层次标准在两者融合发展中的顶层设计和引领规范作用。通过完善标准体系、网络终端、应用场景，构建多层次的系统化标准体系，注重国家标准和行业标准之间的协调配套。鼓励先进团体标准先行，推动“5G+工业互联网”在更广泛、更深层次、更多平台上融合应用，为企业带来价值和收益，提升竞争力。

4.2 加快关键技术及典型应用重点标准研制

目前，“5G+工业互联网”在快速融合发展，家电行业是重点发展领域。5G 网络安全标准需重点加强，尤其是在网络切片、边缘计算等方面，引导5G 网络安全保障能力不断提高。同时，“5G+工业互联网”需要在基础网络能力、行业终端和工业生产应用等关键领域持续研制标准，建立针对家电行业“5G+工业互联网”发展的标准清单。重点研发制定一批家电行业“5G+工业互联网”的关键应用场景标准，落实到设计、研发、生产、应用、管理等具体环节上，具体落地可实施。

4.3 开展家电行业“5G+工业互联网”标准化试点

目前“5G+工业互联网”各方面标准和产业技术生态均在实验和探索阶段，企业在利用5G 改造工业互联网时，应找准对应的应用领域，再对应自身的实际情况加强“5G+工业互联网”技术和实际应用的创新。建议选定一些基础好的，有行业代表性的家电企业进行系统的各环节“5G+工业互联网”的标准研究和标准化试点、验证工作，总结经验，不断完善标准后全面推行。