5G技术赋能智能制造

彻纹

所谓5G，指的正是第五代移动通信技术。如果说4G技术的主要优势在于数据传输速度快，能够以50倍于3G的速度在网上浏览，那么，作为网速约20倍于4G的5G技术，其价值不仅在于快，更在于能够在每平方公里连接100万个以上的物体、10的负9次方的通信传输错误率和毫秒量级的时延。

智能制造如何应用5G是与5G的特点息息相关的，5G目前公认的有如下几个特点。

增强移动宽带：主要面向3D、超高清视频等大流量移动宽带业务eMBB除了在6GHz以下的频谱正在发展相关技术，也正在发展6GHz以上的频谱。而小型基地台将会是发展eMBB的重要设备，由于目前6GHz以下的频谱大多是以大型基地台发展的传统网络模式为主，而6GHz以上频谱的毫米波技术，便须要小型基地台来把速度冲得更快。

海量机器类通信：主要面向大规模物联网业务。mMTC将会发展在6GHz以下的频段，并将会应用在大规模物联网上，目前较成熟可见的发展成果则是NB-IoT。以往普遍的Wi-Fi、Zigbee、蓝牙等，均属于家庭应用的小范围技术，回传线路主要都是依靠LTE，近期随着大范围覆盖的NB-IoT、LoRa等技术标准的出炉，可望让物联网的发展更为广泛。

超可靠低时延：主要面向无人驾驶、工业自动化等需要低时延、高可靠连接的业务。在智慧工厂中，由于大量的机器都内建传感器，从传感器、后端网络下指令，再传送回机器本身的这些过程中，若以现有的网络传输，将出现很明显的延迟，可能引发工厂安全事故。鉴于此，URLLC可将网络等待时间的目标压低到1毫秒以下。

未来的工厂是数字虚拟和物理现实相融合、ICT技术与现代制造业相融合的工厂，这将提高工业生产的灵活性、可追溯性、多功能性和生产效率，为制造业开辟新的商业模式。工厂内部和外部之间的界限也越来越模糊，工厂不再是独立的封闭实体，而是庞大的价值链和生态系统的一部分，这就是所谓的“虚拟工厂”。

根据5G的技术特点，5G可能支持的业务场景包含：

5G技术与传统制造企业的应用需求相结合，可以催生物联网、工业自动化控制、物流追踪、工业AR、云化机器人等应用场景。

1.数据串联：随着数字化转型的逐渐推进，物联网作为连接人、机、料、法、环、测等多业务元素，通过5G数据传输快、传输量大等特点可满足串联制造过程中各个环节的需求，使用于智能工厂当中数据串联与正反向追溯。

2.自动化控制：之前的工业自动化控制都是通过工厂自动化总线来控制，但是这种应用模式的传输距离有限，无法满足远距离操作控制需求。而5G可提供极低时延、高可靠等技术，远程工程机械操作成为可能。

3.端到端集成：由于数字化转型盛行，部分企业将业务范畴由制造端拓展到服务端，这就需要端到端整合跨越产品的整个生命周期、连接分布广泛的己售出的商品，需要低功耗、低成本和广覆盖的网络，企业内部各个部门与企业之间（上下游企业）的横向集成也需要网络传输数据，5G的技术特点则刚好满足该类需求。

4.工业AR：在流程式生产企业中，需要人为到现场巡检、监控设备等，但是由于部分设备所处环境恶劣，比如核电厂设备巡检，为了保障设备的正常运转、监控工艺的贯彻执行（温度、压力等），就需要人为频繁涉险。这种情形下增强现实AR将发挥很关键得作用，例如远程专家进行业务支撑、远程维护。在这些应用中，辅助AR设施需要最大程度具备灵活性和轻便性，以便维护工作高效开展。

5.云化机器人：在智能制造生产场景中，需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产需求，这就带来了机器人对云化的需求。5G网络是云化机器人理想的通信网络，是使能云化机器人的关键。

5G技术倒逼制造行业产业升级

当前制造业的转型可以看作是自动化升级和信息技术的融合提升，这不仅仅是自动化和机器换人，而且工厂能实现自主化决策，灵活生产出多样化的产品，并能快速应对更多的市场变化。

人工智能和制造系统的结合将是必然的，机器学习、模式识别、认知分析等算法模型，可以提升工厂质量控制与生产管理能力，与不同领域技术相互融合后才能使企业应对激烈的竞争，从而这也倒逼着产业进行升级。

5G技术赋能制造

1）远程设备运维

大型企业的生产场景中，经常涉及到跨工厂、跨地域设备维护、远程问题定位等场景。5G技术在这些方面应用后，可以提升运行、维护效率，降低成本。5G带来的不仅是万物互联，还有万物信息交互，因此未来智能工厂的维护工作将突破工厂边界。工厂维护工作按照复杂程度，可根据实际情况由工业机器人或者人与工业机器人协作完成。

在未来，工厂中每个物体都是一个有唯一IP的终端，生产环节的原材料也是具有“信息”属性的，原材料会根据“信息”自动生产和维护。人也因此变成了具有自己IP的终端，人和工业机器人进入整个生产环节中，和带有唯一IP的原料、设备、产品进行信息交互。工业机器人在管理工厂的同时，人在千里之外也可以第一时间接收到实时信息进行跟进，并进行交互操作。

2）设备联网

提到工厂内的应用，最容易想到的还是控制。工业控制大致分为设备级、产线级和车间级，设备级和产线级对可靠性和时延要求很高，又很少移動，因此在URLLC完成前，目前主要还需要通过现场总线等有线方式。车间级网络的布置和控制倒是有5G应用的空间。

随着工业互联网的发展，越来越多的车间设备，如机床、机器人、AGV等开始接入工厂内网，尤其是AGV等移动设备的通信需求，是有线网络难以满足的，因此对工厂内网的灵活性和带宽要求越来越高。传统工厂有线网络可靠性高带宽高，但是灵活性较差，无线网络灵活性较高，但是可靠性、覆盖范围、接入数量等都存在不足。兼具灵活性、高带宽和多终端接入特点的5G，成为承载工厂内设备接入和通信的新选择。

3）质量控制

现阶段工业品的质量检测基于传统人工检测手段，稍许先进一些的检测方法是将待检测产品与预定缺陷类型库进行比较，上述方法的检测精度和检测效率均无法满足现阶段高质量生产的要求，缺乏一定的学习能力和检测弹性，导致检测精度和效率较低。而且由于计算能力较弱，4G的时延过高、带宽较低，数据无法系统联动，处理只能在线下进行，耗费极大的人力成本。

基于5G的大带宽低时延，通过5G+AI+机器视觉能够观测微米级的目标，获得的信息量是全面且可追溯的，相关信息可以方便地集成和留存，从而改变整个质量检测的流程。

区别于传统的人工观察，視觉检测能够清晰地观测物料的表面缺陷，视觉检测涉及更大的数据量，因此需要更快的传输速度，5G能够完全解决视觉检测的传输问题。

4）可视化工厂

在智能工厂生产的环节中涉及到物流、上料、仓储等方案判断和决策，生产数据的采集和车间工况、环境的监测愈发重要，这能为生产的决策、调度、运维提供可靠的依据。传统的4G通讯条件下，工业数据采集在传输速率、覆盖范围、延迟、可靠性和安全性等方面存在各自局限，无法形成较为完备的数据库。

5G技术能够为智能工厂提供全云化网络平台。精密传感技术作用于不计其数的传感器，在极短时间内进行信息状态上报，大量工业级数据通过5G网络收集后可以形成庞大的数据库，工业机器人结合云计算的超级计算能力可进行自主学习和精确判断，最终提出最佳解决方案，真正实现可视化的全透明工厂。

5）物流管理

在RFID、EDI等技术的应用下，智能物流供应的发展几乎改善了传统物流仓储的种种难题。但现阶段AGV调度往往采用WIFI通信方式，存在易干扰、切换和覆盖能力不足问题。4G网络已经难以支撑智慧物流信息化建设，如何高效快速地利用数据去协调物流供应链的各个环节，从而让整个物流供应链体系变得低成本且高效运作，是制造业面临的重点和难题。

5G具有大宽带特点，有利于参数估计，可以为高精度测距提供支持，实现精准定位。5G网络延时低的特点，可以使得物流各个环节都能更加快速、直观、准确地获取相关数据，物流运输、商品装捡等数据能更为迅捷地达到用户端、管理端以及作业端。5G高并发特性还可以在同一工段、同一时间点允许更多的AGV协同作业。

综合来讲，技术的发展会激发许多潜在的需求，比如2G技术激发了视频对话的需求，IT与OT的共同发展引出在线自动化检测需求，而同样的，5G技术也将会引出更多潜在需求，从个人体验、成本、质量与业务范围上全方位进行产业升级。

责任编辑：王昊