工業互聯網智能工廠作為5G技術的重要應用場景之一，利用5G網絡將生產設備無縫連接，打通設計、採購、倉儲、物流、生產、質檢等多個環節，使生產更加扁平化、定製化、智能化，從而構造一個面向未來的智能製造網絡。
5G賦能工業互聯網，全球市場空間巨大
工業互聯網1%增值效益，開啟萬億市場空間。國務院物聯網領導小組長鄔賀銓院士曾提出1%的行業增值概念，如果預估早期工業互聯網能夠給這個行業帶來1%的增值的話，對於航天產業就是300億美元，對於電力行業就是600億美元，對於鐵路就是2700億美元，對於醫療行業就是6300億美元。
根據國家統計局初步核算，我國2019年工業增加值總量達到31.71萬億元，約佔GDP的比重的1/3。按照2019工業增加值5.7%的增速預測，我國2020年工業增加值總量將達到33.52萬億元，1%的改善相當於工業互聯網給我國帶來3352億元的工業增值。
2019年末，鄔賀銓院士演講稱，人工智能將為全球GDP貢獻13萬億美元，工業互聯網能夠為全球經濟帶來14.2萬億美元的經濟增長，再加上5G帶來的13萬億美元增長，2030年三者合計的貢獻將達到40萬億美元。
全球市場空間巨大，國內市場佔比兩成左右。據工信部統計，中國2010智能製造產值約佔全球產值的19%~21%。2018年，中國製造業增加值佔全世界的份額達28%以上，是全球工業增長的重要引擎。
按照工信部統計，中國擁有全球最“完整的工業體系”——全世界唯一擁有聯合國產業分類當中全部工業門類的國家，在世界500多種主要工業產品當中，有220多種工業產品中國的產量佔居全球第一。
根據GE預測，工業互聯網將影響46%（約32.3萬億美元）的全球經濟，到2030年，工業互聯網將給全球帶來15.3萬億美元的GDP增量，至少可給中國帶來3萬億美元左右的GDP增量。2019年12月，在5G+工業互聯網高峰論壇上，中國信息通信研究院院長劉多指出，預計2019年我國工業互聯網產業規模將達8000億元。
政策支持+產業聯盟推動5G+工業互聯網加速落地
目前，全球主流工業大國均已提出自身的智能製造計劃，近年均高度關注3GPP組織5G標準化工作。產業政策方面，世界各國都在以制定政策+成立聯盟的方式加快推動5G與工業互聯網的融合，包括G8工業國在內的主流工業強國都開展了5G+工業互聯網應用的初步探索。
最典型的為美國和德國。2017年起美國聯邦通信委員會（FCC）通過設立5G基金等方式推進5G向精準農業、遠程醫療、智能交通等領域滲透。成立了“5G美洲”工業貿易組織，主要由領先的電信服務提供商和製造商組成。歐盟早在2016年就發佈了“5G Action Plan”,並在2018年啟動了5G規模試驗。
2018年4月，歐盟成立工業互聯與自動化5G聯盟（5GACIA），聯盟集合了OT龍頭企業、ICT龍頭企業、學術界等完整的生態系統，共同推進對工業需求的理解並向3GPP標準導入，同時探討5G用於工業領域所涉及的話題，包括組網架構、運營模式、頻譜需求等。
我國也高度重視5G與工業互聯網的融合發展，通過一系列政策推進5G+工業互聯網的應用示範落地：
- 2017年11月，國務院印發《關於深化“互聯網+先進製造業”發展工業互聯網的指導意見》，明確將5G列為工業互聯網網絡基礎設施，並開展5G面向工業互聯網應用的網絡技術試驗，協同推進5G在工業企業的應用部署。
- 2019年1月，工信部發布《工業互聯網網絡建設及推廣指南》，工作目標中指出到2020年，形成相對完善的工業互聯網網絡頂層設計，初步建成工業互聯網基礎設施和技術產業體系。
- 2019年8月，工信部在上海中國商用飛機有限責任公司召開“5G+工業互聯網”全國現場工作會議，會議首次提出落實“5G+工業互聯網”512工程，加強試點示範、應用普及、培育解決方案供應商，加快“5G+工業互聯網”在全國推廣普及。
在工信部的指導下，2016年2月1日由工業、信息通信業、互聯網等領域百餘家單位共同發起成立工業互聯網產業聯盟，設立了“12+9+X”組織架構，分別從工業互聯網頂層設計、技術研發、標準研製、測試床、產業實踐、國際合作等務實開展工作。
目前已有包括基於5G、工業互聯網、物聯網、邊緣計算、大數據等領先技術的通信設備製造系統、測試床、智能工業平臺、管理平臺等各類成功案例。2016年來，我國以5G應用產業方陣和工業互聯網產業聯盟為跨界合作交流平臺，以“綻放杯”5G應用徵集大賽為抓手推動5G向工業互聯網領域滲透，湧現出一大批優秀的5G+工業互聯網應用示範企業，如中國上飛、杭汽輪、精功科技、青島港、南方電網等。
5G+工業互聯網架構全面升級，產業鏈機會龐大
5G工業互聯網產業鏈內涵豐富，在通信環節產業鏈參與者包括感知/數據採集（芯片\\傳感器\\RFID等）、數據傳輸（通信模塊\\工業級網絡設備）、雲基礎設施（雲計算中心\\MEC）、工業雲平臺（PaaS/ ERP/MES/DCS SaaS等）等等。
一、數據收集：MEMS傳感器持續升級，市場規模穩增長
工業互聯網的感知層包括傳感器以及RFID等感知裝置。傳統的感知裝置包括各類傳感器、攝像頭、RFID等等，發展較成熟。伴隨著物聯網產業的快速發展，對新型傳感器、芯片的需求逐漸增大，因此對其尺寸和功耗提出了更高的要求。
高性能、低功耗和高集成度的MCU（Micro Control Unit ，微控制單元）和MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微機電系統）成為感知層發展最重要的兩項技術。其中，傳感器是數據的檢測和收集裝置，是智能製造的關鍵部件。
在智能監測中，將有助於工業生產過程工藝的優化，同時可以提高生產線過程檢測、實時參數採集、生產設備監控、材料消耗監測的能力和水平。
- MCU（微制單元）：物聯網時代聯網終端數量大幅增加，不同終端對感知芯片的計算、處理和傳輸能力提出了不同的要求。隨著高性能終端需求的不斷增加，MCU從原來的8位/16位向32位邁進，但由於成本以及性能需要等問題，8位MCU在物聯網眾多領域仍應用廣泛。
- MEMS（微機電系統）：MEMS傳感器是一種微型化高集成度的傳感器，與傳統傳感器相比更適應物聯網變化多樣的應用場景。MEMS傳感器利用半導體制造技術和微加工技術將微結構、微傳感器、控制處理電路甚至接口、通信和電源等製造在一塊或多塊芯片上。MEMS是一個獨立的智能系統，具有環境感知、數據處理、智能控制與數據通信功能的智能數據終端設備，同時還具備自學習、自診斷和自補償能力、複合感知能力以及靈活的通信能力。
與傳統傳感器相比，MEMS具有體積小、集成度高、智能化、低成本、功耗低、可大規模生產等優點，MEMS內部一般在微米甚至納米級別，使得它可以完成某些傳統機械傳感器所不能實現的功能。MEMS傳感器已成為物聯網時代驅動變革最重要的力量之一。
目前MEMS傳感器已經在軍事、消費電子、汽車電子、航空航天、醫療設備等眾多行業與領域。傳感器是整個工業互聯網中需求量最大和最為基礎的環節之一，相當於大樹的枝葉。在工業互聯網領域，MEMS傳感器趨向微型化、材料多樣化、無源化方向發展。
工業互聯網的進一步推進，拉動了對基於傳感器網絡技術的工業過程監測系統解決方案的市場需求，進一步推動預計MEMS傳感器的出貨量增長，據Marketsand Markets預測，到2022年物聯網傳感器市場將達384.1億美元，2016年至2022年之間的複合年增長率為42.08%。
在我國工業互聯網快速普及的背景下，傳感器產業有望取得進一步突破，具備垂直產業鏈一體化的生產能力的企業以及各類應用行業傳感器龍頭公司有望脫穎而出。
市場格局方面，2017年全球前十名MEMS廠商佔有60%以上的市場份額，包括博世、意法半導體、惠普、德州儀器、應美盛、安華高、Qorvo、樓氏電子、佳能和松下。博世因為其在汽車電子和消費電子的雙重佈局，牢牢佔據著第一的位置。
中國MEMS產業相對起步較晚，企業規模較國外略遜一籌；此外在MEMS產業鏈中，國內封裝環節發展相對較為成熟，更為核心的芯片設計環節實力相對較弱。
目前我國MEMS產業鏈已經初步形成，但其各環節均由不同的公司完成，具備垂直一體化生產能力的僅有士蘭微、蘇州固鍀等少數企業。近年來，國內廠商正在努力追趕國外企業，利用智能傳感器的產業變革契機積極佈局MEMS產業鏈，不斷提升設計、製造及封裝測試環節的競爭力，在聲學等領域已經建立了全球化的競爭力並不斷向其他領域進行擴展與延伸，打下良好的基礎。
二、數據傳輸：工業互聯網的基石，網絡設備和通信模組需求大
通信模組：在工業互聯網中具有不可替代的關鍵地位，國內廠商彎道超車。
無線模組是設備接入網絡和定位的關鍵部分，屬於物聯網中網絡層的硬件載體。任何物聯網終端要想聯網實現數據傳輸或者定位，就需要嵌入無線模組。因此，不同的接入方式要求使用不同標準的無線通信模組。
無線模組是將基帶/射頻/定位芯片、存儲器、功放器、PN型器件及阻容感元器件等材料集成於一塊印刷電路板上的功能模塊，通過標準化接口向終端設備提供服務。通常情況下，每增加一個物聯網連接數，就需要增加1~2個無線通信模塊，新興領域的快速發展推動無線通信模塊出貨量大幅增加。
通信模組是工業互聯網最邊緣的核心網元，無線模組可分為通信模組和定位模組，分別滿足網絡通信和定位功能。根據制式劃分，又可以分為蜂窩類模組和非蜂窩類模組，同樣地，蜂窩模組特指2G~5G窩類模組，而非蜂窩類模組分為局域網模組（WiFi、藍牙、Zigbee）和LPWAN模組（NB-IoT、eMTC、Lora、Sigfox）。
工業互聯網海量傳感、控制單元的快速發展將直接推動無線通信模塊出貨量爆發 。目前，無線模組出貨量最大的是非蜂窩模組，但其可靠性、時延和容量等性能指標均無法滿足未來工業互聯網的需求。
在近期，以4G（LTE-Cat 1和Cat M等）為主的蜂窩模組和以NB-IoT、eMTC為主的LPWAN模組增速將最快，國內年出貨量正由千萬級提升至億級。隨著運營商2G退網進程開啟，現有的2G終端市場將逐步被4G/NB-IoT等替代。
GSMA和中國信通院的報告指出2016年中國蜂窩連接數為1億部，按照工信部要求2020年中國LPWA連接數達到6億部。未來，隨著5G mMTC標準逐步凍結和演化，5G模組將會接棒，滿足工業互聯網演進需求。
智能製造場景多樣，定製化程度高，中游模組公司地位不可替代。工業化的無線模組兼具標準化和場景定製化特點，這就決定了上游芯片廠商涉足模組並不不經濟，同時下游客戶自行研發有難度。
首先，無線模組需對多種芯片、器件進行再設計與集成，需考慮多種通信協議/制式、體積、干擾、功耗、特殊工藝等，例如工業級的耐低溫/高溫、抗震動等要求。另外，客戶已不滿足於通信模塊僅承擔聯網功能，還需融合感知、前端數據處理能力等複合功能，甚至要集成安卓系統、蜂窩網絡、WiFi和藍牙功能及GNSS於一體，均需要與模組廠商合作完成。
從當前市場結構來看，全球無線模組市場整體規模大、產品細分差異化明顯，各大廠商市場份額較為平均。在2015年以前全球物聯網模組市場呈海外主導、國內追趕的態勢。綜合ABI和Yole數據，2015年時全球無線模組市場主要被海外企業掌握，按出貨量算包括Telit（意大利）、Sierra Wireless（加拿大）、Gemalto（荷蘭）、U-Blox（瑞士），四家累計份額超過65%。
國內主要無線模組廠商有30餘家。國內無線模組廠商除SIMCom和移遠通信外，還有杭州古北、廣和通、上海慶科、龍尚科技、有方科技、高新興、中移物聯網公司等。隨著中國移動互聯網下游應用的崛起以及政策支持，近4年來一批專注於垂直應用領域的優質模塊廠商脫穎而出，與國外龍頭企業形成第一梯隊。
2015年，海外Telit、SierraWireless、Gemalto按照出貨量的市場份額分別為20%、19%、18%，包攬了全球2~4位。但到了2018年，3家公司的市場份額分別下滑至10%、12%、9%，僅僅列全球4、3、5位；本土企業來看芯訊通（日海智能）始終保持全球第一市場份額，移遠通信份額快速增長，2017年起躋身前二。
三、 通信設備：與5G蜂窩網同廠商
5G工業互聯網通信設備同傳統蜂窩移動網相比沒有變化，依然傾向於採用AAU+CU+DU的全新無線接入網構架。天線和射頻單元RRU將合二為一，成為全新的單元AAU（Active Antenna Unit，有源天線單元），AAU除含有RRU射頻功能外，還將包含部分物理層的處理功能。
AAU將主要部署在室外塔站上，採用光纖直連拉遠的形式與DU（Distributed Unit，用以實現基帶處理的大部分功能，以及部分L2層功能）連接，多個DU將集中部署於機房內，既可以降低運營成本和維護費用，也可以實現DU間的基帶資源共享。
CU（Centralized Unit，包括部分L2層和全部L3層協議處理功能）既可以和多個DU分離相連，降低總成本，實現對DU的統一和集中化管理。也可以和DU整合實現協議棧全部功能，用以降低時延，滿足特殊場景需求。
四、數據處理：網絡切片、邊緣計算和雲計算升級
目前移動蜂窩網絡架構主要面向消費互聯網應用，以及部分消費級物聯網應用（如共享單車、智能家居等），而未來面向工業互聯網網絡架構將更加複雜。
例如，工業互聯網的網絡需求綜合了5G eMBB/uRLLC/mMTC三大類別需求，需要從架構設計上確保資源、算法的協調/隔離，確保併發場景下的性能保障；又如部分工業應用需要數據在儘可能靠近現場的近端（超低時延、或敏感機密業務數據不進入公網），部分工業應用則更期望集中在雲端處理。架構設計需要考慮如何靈活適配這些不同的業務要求。
我們認為為了適應智能製造多類場景，工業互聯網還需要結合邊緣計算、網絡切片及雲計算等多個關鍵技術。
五、網絡切片：實現資源按需分配、按需隔離，端到端SLA保障
現存4G網絡著眼於消費移動終端，無法適用於多樣化的、不同需求的業務和設備接入，因此需要網絡運營商提供不同功能和QoS的通信連接服務。基於此需求，網絡切片技術應運而生。
- 網絡切片是一種按需組網的技術。網絡切片基於全新的5G網絡架構，採用虛擬化和軟件定義網絡技術，可以讓運營商在一個物理網絡上切分出多個虛擬的、專用的、隔離的、按需定製的端到端網絡，可滿足諸如工業控制、自動駕駛、遠程醫療等各類行業業務不同場景的差異化需求。在創建網絡切片的過程中，需要調度基礎設施中的資源，包括空口接入資源、傳輸資源和雲資源等。而各個基礎設施資源也都有各自的管理功能。資源按需分配、按需隔離，端到端SLA保障是5G的網絡切片關鍵特徵。
工業互聯網下的全球經濟增長
隨著5G的商用，有望帶動工業互聯網的大規模落地，形成全新的製造業經濟發展範式。從短期效益來看，工業互聯網極大地降低生產、運營成本，提升公司資本效率。同時工業互聯網依託集聚共享的資源平臺，打破“信息孤島”，實現上下游商業夥伴的互聯互通。
從長期效益來看，工業互聯網將構建新的商業模式，按產出付費、按需定產，改變原有與用戶的連接方式，創造萬物基於平臺的市場。最終工業互聯網將構建供需自治的經濟，產品持續需求感知，設備從端到端的全自動化，實現商品流程中資源利用最優化，汙染、排放最小化。
| 來源：本文整理自安信證券《5G智造系列一：雲上互聯、別開生面》報告。
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