5G 网络催化工业4.0 实现

朱 斌 吕昌金

中邮建技术有限公司

0 引言

自2005 年广电总局颁发一批IPTV（交互式网络电视）牌照进行试点运营以来，运营商与中央电视台、上海文广等集成播控方合作开展IPTV 业务，逐步建立起了较为完整的技术标准体系和成熟的商业模式。经过多年的摸索，并且随着IPTV 规范标准化的完善，整个IPTV 产业链蓬勃发展，用户规模不断提升，目前全国IPTV 用户数已经超过2 亿户。

人类此前经历的每一次工业革命都使生产生活方式发生了巨大变化，对社会带来深远影响。第四次工业革命正在到来，这是一个智能化时代。

图1 四次工业革命演进

全球5G 市场势头强劲，已经进入商业部署关键期。全球多个地区目前正在部署5G 网络，并且已经开始进行商业发布。2019 年6 月6 日，国家工业和信息化部正式向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放5G 商用牌照，我国正式进入5G 商用元年。值得注意的是，中国广电成为除三大基础电信运营商外，又一个获得5G 商用牌照的企业。

坚持自主创新与开放合作相结合，我国5G 产业已建立竞争优势。目前我国5G 中频段系统设备、终端芯片、智能手机处于全球产业第一梯队，具备了商用部署的条件。

5G 支撑应用场景由移动互联网向移动物联网拓展，将构建起高速、移动、安全、泛在的新一代信息基础设施。与此同时，5G 将加速许多行业的数字化转型，并且将更多用于工业互联网、车联网等，拓展大市场，带来新机遇，有力支撑数字经济蓬勃发展。

1 工业4.0

人、机器人、工厂物流和产品之间的实时通信是工业4.0的基本先决条件。实时数据将产生透明度和可操作的洞察力，而边缘分析将有助于获得最大的机器价值并优化生产。所有上述概念显然都需要标准化和数据安全性。凭借其标准化的网络功能、内置的安全性、有保证的服务等级，以及分布式云和网络切片概念，5G 是希望利用数字化转型的先进行业的完美工具。

从本质上讲，第四次工业革命是应用于制造业的物联网，物理系统通过无线网络远程相互通信并与人工进行通信。

“工业4.0”的本质是产业互联网化，“互联网+制造”的融合，这是一场时代的革命，是颠覆和自我颠覆。过去的15 年，由自动化到互联网化，“互联网+”是一个大概念，“工业4.0”也将成为“互联网+”最先突破的一个领域。

“工业4.0”的核心理念是深度应用信息通信技术，推动实体物理世界和虚拟网络世界的融合，在制造领域形成资源、信息、物品和人相互关联的“信息物理系统”，推进制造业向智能化转型。主要应用在6 个方面：自动化的智能运输系统、数字化车间管理、生产数据分析、管理视图系统、自动化生产辅助系统、3D 打印等。

工业4.0 的优势在于，它一直是政府、大学和行业的共同努力方向。它们共同促进增长，使用更少的资源，降低风险，提高生产力和灵活性。已经提出许多突破性的概念，这些概念在人类、机器、机器人和产品的网络化方面实现了巨大的飞跃。制造业领导者正在将信息技术和运营技术相结合，以全新的方式创造价值。

2 生产效率亟需提升

人工生产模式要始终保持高质量水平的生产日趋困难，成本居高不下，这是由产品的复杂性和较短的上市时间等需求导致的。尽管面临这些挑战，但考虑到缺陷产品召回的高成本、客户良好的产品体验以及客户推动品牌发展的重要性，企业仍须将质量作为首要任务。提升产品质量虽然给公司带来了更多成本，但是通过使用基于机器学习开发的AI 算法，可以解决企业最初导致质量下降的常见问题。

制造业正从大规模生产到大规模定制（通过数字化工厂运营）转变，18 世纪末的工业革命催化了机械化的出现，但此后工业生产仍主要处于手工水平直到20 世纪，真正的大规模生产始于汽车制造业，装配线生产成为大规模生产的范例，对社会产生了深远影响。事实上，社会科学中所谓的“福特主义”就是描述了一种基于工业化、标准化大规模生产和大众消费的经济和社会制度。

近几十年来，人们对灵活定制的需求越来越高涨。以使商品能够从众多竞争对手中脱颖而出并扩大其产品范围为例，某种程度上，只要制造成本保持足够低即可获得可持续的利润，丰富的产品种类就会刺激消费者市场，这种趋势的终极就是“个性化生产”。从供应商到客户的整个价值链中，利用新技术，可以显著提高生产线的灵活性，缩短生产周期，促使更实惠和可扩展的定制需求产生。

“个人”产品定制的趋势正在增长，并且偏好在线购买。因此，需要调整当前流程以使其更加灵活和可定制，同时仍保护生产线中的初始投资。诸如5G 网络之类的高速无线基础设施可以促进OEM 机器的快速灵活修改，并且影响更小，效率得到提升。

物联网技术带来的工厂运营数字化，有望推动实现这一目标。数字工具将能够监视和控制所有生产工具，通过数千个传感器收集数据，创建产品的数字图像，这通常被称为“数字影像”。一旦为物理产品创建了数字影像并且具有其特定的DNA，那就可以在数字化生产设施中更有效地制造该产品，并具有更高的质量。通过这种方式，可以优化制造过程，提前发现质量问题，以防止生产线末端的缺陷，并进行持续改进，还可以进行预测性和预防性维护。

无线传感器和4G/5G 等高容量通信网络的结合在此背景下发挥着关键作用，通过从车间层面（生产线）收集数据并将数据传输到云系统，进行连续监控。与传统系统相比，将控制、数据记录和警报结合到云平台中的虚拟控制器，有助于推动数字化进程，并节省成本。此外，云平台可以控制各种生产工具，是可以独立运行的远程机器和便携式系统的解决方案。

3 AI 在工业4.0 中的作用

自动化和机器人技术为工业4.0 提供了“感官”，而数据和连接则是“中枢神经系统”。但是，这场工业革命背后的真正大脑是AI（人工智能）。

在工业自动化中使用人工智能的复杂性，要求制造商与专家合作以获得定制解决方案，尝试构建所需技术的成本很高，而且大多数制造商没有内部必要的技能知识。机器学习使得能够基于大量数据进行预测，这种人工智能分支建立在模式识别的基础上，能够独立地从经验中吸取知识。

人工智能不再是未来的愿景，如今，大型数据中心和巨大的存储容量使得多年来被认为是遥远概念的事物成为可能。对于人工智能，机器学习和深度学习这两个分支利用大数据的可能性来优化流程，寻找新的解决方案并获得新的思路。

算法构成了基础，从中小型公司到大型跨国公司，每个组织都会积累可以利用的数据。使用软件，可以挖掘和评估数据以进行预测。机器学习识别特征和关系，并使用算法从中推导出解决方案。

制造优质产品对于制造商的成功至关重要，但仅仅盈利和维持业务是不够的。生产成本必须足够低，以获得合适的利润，这可以通过不断提高制造系统的效率来实现，自动化对此至关重要。制造系统需要大量投资，并且必须进行设计，以便长期保持盈利。如果企业要在不断变化的市场中保持竞争力，他们必须不断改进产品和生产系统。因此，必须进行虚拟调试，以便通过合理的增量投资不断升级生产系统，这需要一个可以模拟制造工厂的虚拟（基于计算机）环境。

模拟的工厂模型必须在传感器和执行器的水平上完全定义，这样做的一个主要好处是它取代了对真实工厂和控制器进行实际调试的需要，这非常昂贵且耗时。相反，虚拟调试允许在物理工厂基础设施投资之前识别可能的设计缺陷和操作错误。制造工厂的数字化使其设计人员能够提高生产过程的效率，提高自动化密度，并优化实现产品所需材料的处理。

4 5G 驱动虚拟工厂

虚拟工厂使得以比物理工厂成本低得多的成本执行全局系统设计、仿真、验证和物理映射成为可能。然而，要做到这一点，虚拟工厂需要新型机器人，增加全球生产系统的灵活性。这些机器人需要具有智能，并需要一整套系统来全局管理，以实现彼此交互以及与人类进行交互。

高质量的无线连接对虚拟工厂的实现至关重要。由于电缆升级需要高昂的运营支出，因此在这种不断变化的环境中，有线连接及其复杂的布线将是不可行的。无线连接必须将生产工厂的所有物理元素与能够收集和处理大量数据云连接起来，所有这些元素之间的通信必须在以电磁干扰为特征的具有挑战性的环境中工作。虽然LTE 连接功能强大且足以应对当今的环境，但严格的延迟要求很快将需要5G 连接。一旦通过无线连接收集了大量数据，即可使用新方法来处理，将其转换为可由人或机器或两者同时使用的格式，并通过云平台挖掘信息价值。

因此，大数据和分析系统在数字工厂中至关重要。最终，将需要一个网络系统来处理复杂的生产过程，包括围绕机器、存储系统和构建的IT 系统。所有这些通过允许预防性和预测性维护来减少工厂停止服务的时间，最小化生产延迟和避免故障，从而进一步提高工厂的效率，效率提升的一个直接效果是降低能耗。

高速通信网络、基础设施和云计算技术可以通过新的相关功能丰富自动化工厂，同时通过云技术降低成本。因此，可以在云中创建具有“大脑”（虚拟控制器）的更智能的机器人。“大脑”由知识库、程序路径、模型、通信支持等组成，有效地将控制器的智能转移到远程虚拟控制器中。

这种方法有许多好处：（1）云平台功能可与传统基础架构并存，兼容传统服务演进和新服务；（2）通过最大化虚拟平台的性能和容量来降低运营成本，从而提供高可靠性和高性能；（3）多个软件和硬件故障的容错，尽可能地降低服务损失；（4）全面的故障管理、隔离和恢复；（5）高可扩展性。

5 5G 对于工业4.0 的意义

利用高性能的无线网络连接工厂内的海量传感器、机器人和信息系统，连接产生的海量数据、优质数据不断“喂食”人工智能，并将分析、决策反馈至工厂。同时，物联网络覆盖全球，连接广泛分布或跨区域的商品、客户和供应商等，保持对整个产品生命周期的全连接，从而实现工厂内外部的纵向、横向集成和端到端集成。

图2 工业4.0 网络架构

总之，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，以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”。

6 结束语

人工智能将渗透到整个工业4.0 生态系统中，不限于生产车间。其中一个例子是使用AI 算法来优化制造业务的供应链，并帮助他们更好地响应和预测市场的变化。利用这些信息来优化库存控制、人员配置、能源消耗，以及针对公司战略做出更好的财务决策，这是具有开创性的。

人与智能机器的合作是一个新的方向，未来几年对工业和社会将产生深远影响。人工智能、人工学习和思维的强大精细化能力，可以创造出能够提供更高工业自动化的解决方案。未来的智慧工厂，将通过制造过程的数字化来实现，这将依托5G 网络及其所构建的功能模块来实现。

5G 基础架构包括云技术、大数据分析和IT 功能等，是实现工业4.0 的催化剂，可提升生产效率，改善工作环境，提高工作质量。