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在數(shù)字化浪潮的驅(qū)動下，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能等新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)的融合逐漸從理念普及走向應(yīng)用推廣，制造業(yè)智能化、柔性化、服務(wù)化、高端化轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，對高性能、具有靈活組網(wǎng)能力的無線網(wǎng)絡(luò)需求日益迫切。2019年是5G商用的元年，5G具有媲美光纖的傳輸速度、萬物互聯(lián)的泛在連接和接近工業(yè)總線的實時能力，正逐步向工業(yè)領(lǐng)域加強(qiáng)滲透，引發(fā)一系列融合創(chuàng)新應(yīng)用與變革，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級帶來歷史性的發(fā)展機(jī)遇。

一、5G賦能柔性生產(chǎn)線

柔性生產(chǎn)線可以根據(jù)訂單的變化靈活調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)，是實現(xiàn)多樣化、個性化、定制化生產(chǎn)的關(guān)鍵依托。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，生產(chǎn)線上各單元的模塊化設(shè)計雖然相對完善，但是由于物理空間中的網(wǎng)絡(luò)部署限制，制造企業(yè)在進(jìn)行混線生產(chǎn)的過程中始終受到較大約束。5G將在兩個方面賦能柔性生產(chǎn)線：一是提高生產(chǎn)線的靈活部署能力。未來柔性生產(chǎn)線上的制造模塊需要具備靈活快速的重部署能力和低廉的改造升級成本。5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工廠，將使生產(chǎn)線上的設(shè)備擺脫線纜的束縛，通過與云端平臺無線連接，進(jìn)行功能的快速更新和拓展，并且自由移動和拆分組合，在短期內(nèi)實現(xiàn)生產(chǎn)線的靈活改造。二是提供彈性化的網(wǎng)絡(luò)部署方式。5G網(wǎng)絡(luò)中的SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和網(wǎng)絡(luò)切片功能，能夠支持制造企業(yè)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場景靈活編排網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，按需打造專屬的傳輸網(wǎng)絡(luò)，還可以根據(jù)不同的傳輸需求對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)配，通過帶寬限制和優(yōu)先級配置等方式，為不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供適合的網(wǎng)絡(luò)控制功能和性能保證。在這樣的架構(gòu)下，柔性生產(chǎn)線的工序可以根據(jù)原料、訂單的變化而改變，設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)和通信關(guān)系也會隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。

二、5G賦能云化機(jī)器人

云化機(jī)器人的基本特征是位于云端的控制平臺利用人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)控制本地機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。云化機(jī)器人會與云端平臺進(jìn)行信息量巨大的實時數(shù)據(jù)交換，需要大速率、低時延、高可靠的無線通信網(wǎng)絡(luò)支撐。5G將在三個方面賦能工業(yè)云化機(jī)器人：一是加強(qiáng)機(jī)器人之間的協(xié)同工作能力。5G為工業(yè)機(jī)器人之間的通信提供高速網(wǎng)絡(luò)支持，使機(jī)器人具備自組織與協(xié)同能力。工業(yè)機(jī)器人可以通過相互合作，完成過去單個機(jī)器人無法獨立完成的任務(wù)。另外，有更高權(quán)限的領(lǐng)導(dǎo)型機(jī)器人能通過5G網(wǎng)絡(luò)指揮一群執(zhí)行型機(jī)器人高效完成任務(wù)。二是使機(jī)器人更加敏捷、安全地與工人協(xié)作。5G高可靠、超低時延的特性能使機(jī)器人實時感知工人的動作，靈巧地進(jìn)行反饋和配合，同時始終與工人保持安全距離，保證人機(jī)協(xié)作的安全。三是實現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程實時控制。在高溫、高壓等某些不適合工人進(jìn)入的特定生產(chǎn)環(huán)境，工人可以在監(jiān)控中心通過5G網(wǎng)絡(luò)對機(jī)器人進(jìn)行實時遠(yuǎn)程操作，同步、安全地完成預(yù)定工作目標(biāo)。

三、5G賦能工業(yè)AR/VR

未來工業(yè)AR將用于裝配過程指導(dǎo)、設(shè)備檢修等應(yīng)用場景，通過虛擬影像與真實視覺疊加直觀地呈現(xiàn)出操作步驟，幫助工程師縮短作業(yè)時間，降低錯誤率。工業(yè)VR將輔助工業(yè)設(shè)計，使遠(yuǎn)程的工作人員進(jìn)入同一個虛擬場景中協(xié)同設(shè)計產(chǎn)品，也可以實現(xiàn)工廠的三維立體虛擬化展示，使管理人員全面了解工廠生產(chǎn)情況。超高清AR/VR視頻每秒容量高達(dá)百兆以上，目前的4G或Wifi網(wǎng)絡(luò)很難同時滿足穩(wěn)定、流暢、實時三方面的視覺體驗要求。5G將在三個方面賦能工業(yè)AR/VR:一是使工業(yè)AR/VR終端更加輕便、價格更低。在復(fù)雜多變的工廠環(huán)境中，VR/AR終端需要具備高程度的靈活性和輕便性。基于5G的工業(yè)云VR/AR可以將數(shù)據(jù)和計算密集型任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端處理，終端僅保留連接和顯示功能，大幅降低終端的重量以及造價。二是提升工業(yè)AR/VR的顯示效果。5G網(wǎng)絡(luò)高速率、大容量的特性將滿足AR/VR中高清圖像的海量數(shù)據(jù)交互，提升AR/VR設(shè)備的流暢度和清晰度，支撐8K分辨率、3D等極致顯示需求，使更加復(fù)雜的渲染效果得以呈現(xiàn)，讓使用者有更好的視覺感受。三是提高工業(yè)AR/VR的交互體驗。工業(yè)AR/VR的發(fā)展方向是使用者通過交互設(shè)備與虛擬或現(xiàn)實環(huán)境進(jìn)行實時互動，5G將滿足遠(yuǎn)程多人協(xié)同設(shè)計、虛擬工廠操作培訓(xùn)等強(qiáng)交互工業(yè)AR/VR的毫秒級低時延需求，增強(qiáng)用戶與用戶、用戶與環(huán)境之間的交互體驗。

四、5G賦能實時數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

在智能工廠中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和車間工況、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控愈發(fā)重要，能為生產(chǎn)的決策、調(diào)度、運(yùn)維提供可靠的依據(jù)。雖然NB-IoT、Zigbee等無線技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中得到了一定程度的使用，但在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面都還存在各自的局限性。5G將在三個方面賦能數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控:一是促進(jìn)工廠內(nèi)海量數(shù)據(jù)實時上傳。大連接、低時延的5G網(wǎng)絡(luò)可以將工廠內(nèi)海量的生產(chǎn)設(shè)備及關(guān)鍵部件進(jìn)行互聯(lián)，并且提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的及時性，為生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗管理提供網(wǎng)絡(luò)支撐。另外，工廠內(nèi)大量的環(huán)境傳感器可以通過5G網(wǎng)絡(luò)在極短時間內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度、亮度、空氣質(zhì)量、污染等信息狀態(tài)的上報，使管理人員能夠?qū)S房內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。二是支持超高清視頻監(jiān)控和機(jī)器視覺識別。5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)S房內(nèi)高分辨率的監(jiān)控錄像同步回傳到控制中心，通過5G+8K超高清視頻還原各區(qū)域的生產(chǎn)細(xì)節(jié)，為工廠精細(xì)化監(jiān)控和管理提供支持。同時，智能工廠中產(chǎn)品缺陷檢測、精細(xì)原材料識別、精密測量等場景需要用到視頻圖像識別。5G網(wǎng)絡(luò)能保障海量高分辨率視頻圖像的實時傳輸，提升機(jī)器視覺系統(tǒng)的識別速度和精度。三是提升工廠設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維能力。5G廣覆蓋、大連接、低成本、低能耗的特性有利于遠(yuǎn)程生產(chǎn)設(shè)備全生命周期工作狀態(tài)的實時監(jiān)測，使生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)工作突破工廠邊界，實現(xiàn)跨工廠、跨地域遠(yuǎn)程故障診斷和維修。

五、結(jié)語

作為新一代無線通信技術(shù)， 5G網(wǎng)絡(luò)將為智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)提供多樣化和高質(zhì)量的通信保障，促進(jìn)各個環(huán)節(jié)海量信息的融合貫通。未來隨著5G網(wǎng)絡(luò)與制造業(yè)的融合走向縱深，其所帶來的變革既是生產(chǎn)過程的優(yōu)化，如可控性的提高、運(yùn)營效率的躍升、生產(chǎn)成本與能耗的降低等，更將帶動一系列革命性的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新模式在制造業(yè)中普及應(yīng)用。可以預(yù)見，在“5G+”時代，制造業(yè)智能化升級將更為全面和深入，以5G為核心的融合創(chuàng)新將成為我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的強(qiáng)大動力和強(qiáng)勁支撐。

作者簡介

顧城天：中國信息通信研究院政策與經(jīng)濟(jì)研究所政策研究部工程師，從事5G、智能制造領(lǐng)域的政策研究工作。

聯(lián)系方式：guchengtian@caict.ac.cn

來源：中國信通院