基于5G的机器视觉应用场景分析研究

1 引言

ITU（International Telecommunication Union，国际电信联盟）为第五代移动通信（5G）定义了eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、uRLLC（低时延高可靠）3种特性，以全新的移动通信系统架构，提供10 Gbit/s的峰值速率、毫秒级的传输时延和千亿级的连接能力。

中国信息通信研究院院长刘多[1]认为5G将开启万物互联的新时代，同时，作为第四次工业革命的重要基石，工业互联网是5G最重要的应用场景，5G+工业互联网已经成为重要的探索方向。进入工业4.0时代，工业企业均面临生产及服务转型，5G将成为工业产业转型升级的关键支撑技术[2]。业界众多研究者在5G+工业互联网领域做出了大量的尝试。杨鑫等[3]分析电信运营商的5G+工业互联网战略，阐述运营商提供连接+云+应用等边缘计算解决方案，并在工业场景下进行了应用，如5G虚拟专网、5G云化AGV、5G视频/视觉分析等应用。刘洁[4]从网络角度分析了工业企业的5G应用需求，分析了基于5G的工业园区垂直组网类服务架构，得出5G垂直组网类服务将成为5G重要引用场景的结论。

机器视觉是工业生产环境中重要的技术应用，机器视觉通过计算机软件获取物体图像特征点以分析物体特征的技术手段。马红卫[5]利用机器视觉技术构建了一套基于机器视觉的工业机器人锂电池载流片定位系统。业界对5G在工业机器视觉领域中的研究应用进行了一系列探索，薛俊伟等[6]设计了运行在5G网络下的智能巡检机器人通过双目视觉机器人实现工业智能巡检。郝志伟[7]在5G环境下通过机器视觉技术分析带式输送机整体的运行状态，实现对带式输送机传送的智能化控制。

5G的发展，为工业机器视觉的规模化应用提供了网络基础。本文阐述了5G+机器视觉场景，列举说明了可移动工业机器代表场景——工厂视觉导航、固定工业机器代表场景——工业柔性视觉、厂区监控设备代表场景——工厂智能监控三类场景应用场合，通过市场需求、客户价值、5G技术替代性3个维度分析该三类应用场合的价值，为工业互联网发展提供决策支持。

2 5G+机器视觉场景描述

机器视觉技术是通过机器视觉产品CMOS/CCD将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号，图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。5G+机器视觉应用场景如图1所示。采用机器视觉的解决方案已经成为自动化生产的主流，机器视觉可以快速获取大量信息，并进行自动处理。5G技术引入后，5G+机器视觉能够提高生产的柔性和自动化程度。

图1 5G+机器视觉应用场景

3 5G+机器视觉技术路线

随着工业生产智能化的要求越来越高，机器视觉在工业自动化生产中运用越来越广泛。如图2所示，机器视觉采集的数据最早是通过有线连接的方式存储在本地处理器中，并通过工业通讯的方式与PLC控制系统互联从而进行协同工作。比较常见的是通过PC板卡，支持多种接口形式（PCI、PCIe、104等），同时支持多种通讯协议（profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFIBUS、DevieceNet等）。机器视觉设备在应用上不直接进行网络连接，它们的应用都是直接连到客户内部网络中，产生的数据一般不存在泄露问题，因为这些数据都是存储在客户手中，客户需要自行确保数据的安全性。

如图2所示，机器视觉系统中，数据处理与分析才是整个系统的核心，相当于人的大脑。传统的机器视觉采用本地数据存储和处理模式，一般每台设备都会搭载一台性能强大的电脑或服务器，极大增加了机器视觉的成本。而随着云计算技术的进步，现在的机器视觉系统不再需要在本地部署高性能电脑或服务器，有线（光纤/铜缆）、无线（wi fi/4G/5G）将替代传统本地通信总线连接，实现存储、计算和协同的云处理。5G将增加云化机器视觉系统的灵活性，视频采集、传输和数据处理分析，以及控制指令的发出都利用5G传到云端，在云端进行所有处理，最后再发出指令给机器运动执行。

图2 5G+机器视觉技术路线

（1）数据存储云化

机器视觉一直是围绕大数据的业务，获取并处理无数的以千兆字节为单位的图像，然后针对一项指定的对象或任务提取出制定决策所需要的信息，会生成大量的数据，每分钟千兆字节的数据很快就变成了太字节，甚至是拍字节。5G可以保证大数据实时传输的需求。

（2）数据计算云化

为保证机器视觉检测系统的实时性，必须要明确系统的反应时间。包括：触发到开始成像的成像延迟；图像从相机到采集卡的采集延迟；图像从采集卡到处理器的处理延迟；通信网络带来的通信延迟；图像处理过程的算法延迟；处理结果送达I/O端口的I/O延迟；控制系统处理过程的控制延迟等。这些延迟过程中除了通信延迟外，其他都属于工业系统延迟是可控的，云处理带来的通信延迟也必须是可控的，5G可以满足低时延需求。

（3）数据协同云化

随着机器视觉的范围已经扩展到工厂车间以外，分布数据协同处理也是面临的问题。通过5G网络实现分布式数据连接，实现汇聚处理并控制。

4 5G+机器视觉应用场景

随着自动化控制的移动性需求，如不同位置、地点的制造，甚至柔性制造，对数据采集的移动接入提出了新的要求，使用WIFI模块和云端处理都成为处理移动数据的一张方式，但是对数据流量、接入数量、时延、稳定性都提出更高的要求，5G云化机器视觉系统解决方案更适合特定场景。5G+机器视觉场景的重点集中在以下应用场合。

（1）可移动工业机器：工厂视觉导航

工厂自动AGV小车应用于制造业中，AGV小车通过5G+机器视觉的处理能够准确无误的调整行走搬运的路线，可准确有效地完成货物的搬运工作，大大提高了企业生产的柔性智能性以及企业的竞争力。

（2）固定工业机器：工业柔性视觉

采用机器视觉技术的工业设备在进行柔性制造过程中，会采用移动技术特别是5G来满足生产需求，提高了生产的自动化程度，让不适合人工作业的危险工作环境变成了可能，让大批量、持续生产变成了现实，大大提高了生产效率和产品精度。重点面向5大领域：图像识别应用、图像检测应用、视觉定位应用、物体测量应用、物体分拣应用。

（3）厂区监控设备：工厂智能监控

采用机器视觉技术的智能视频监控系统通过5G技术，扩展视频监控的移动性、范围和智能化。实现周界检测、越线检测、徘徊逗留检测、遗失检测、遗留检测、快速移动检测、打架检测、尾随检测、人群聚集、火灾烟雾检测、PTZ目标跟踪、视频故障分析、视频存储和回放等功能。

5 5G+机器视觉场景评估

5.1 可移动工业机器：工厂视觉导航

（1）市场需求

国外企业关注创新性的应用，像自动AGV小车的应用，要简化人员的操作，要提高人员的效率，减少人员操作的负担。但这在中国，目前需求不多，因为中国的人力成本相对较低，尤其在二三线城市，对于一些机器自动化的产品没有太大的需求。只有信息化程度较高的头部企业，会有大量AGV小车的应用需求，在实际项目中汽车制造行业、钢铁制造行业以及大型工厂仓储均有具体需求。

（2）客户价值

工厂采用视觉导航如AGV小车能够提高工作效率高，减少人工干预降低错误率，充电自动化，方便，减少占地面积，减低人工成本，美观，提高观赏度，提高企业的形象。

（3）5G技术替代性

采用WiFi局域网通信调度AGV，支持的终端数量、信号覆盖及稳定性、边界切换、抗干扰、建设及维护等方面均存在瓶颈，交付成本高。使用4G或Wi-Fi将图像传输至服务器处理，则压缩后图像的清晰度会受到明显影响，影响定位效果。

（4）典型案例

某大型制造企业的5G+AGV无人驾驶车方案。场景特征为长时间、高强度、高安全生产要求，同时运载对象重量超百吨，同时涉及夜间作业；5G+AGV能力要求为24小时运转、可精细化操控；网络方案为由通信运营商采用SA组网模式，新建7个5G站点，共计12个小区。

综合工厂视觉导航的市场需求、客户价值及5G技术替代性3个维度，并通过典型案例验证，分析得出工厂视觉导航为现阶段重点发展的5G+机器视觉应用。

5.2 固定工业机器：工业柔性视觉

（1）市场需求

机器视觉主要的市场分布在电子制造业、汽车制造、制药、食品与包装机械等领域。从机器视觉的具体应用看，电子制造业应用具体在PCB印刷电路、电子封装、丝网印刷、SMMT表面贴装、半导体及集成电路、回流和波峰焊，以及智能手机、平板电脑等消费类产品。汽车制造业的主要应用于面板印刷质量检测、精密测量等。食药和包装机械主要集中在封装缺陷检测、生产日期检测、颜色识别、分拣等方面。印刷机械则是在于印刷质量检测、印刷字符检测、条码识别等。但是，中国工业企业信息化阶段不高，只有细分行业头部企业才能采购带有机器视觉的工业设备，进行柔性生产选择带有移动网络功能特别是5G下需求并不明显。

（2）客户价值

在工业领域，机器视觉充当生产设备“眼睛”的功能，解决人眼无法识别、检测的工作，实现效率好、成本低的经济效益。

（3）5G技术替代性

5G相对有线方式在技术参数上无特别优势，只在移动性技术参数全面优于WIFI。

（4）典型案例

某大型制造企业建设基于5G的三维扫描建模监测系统。通过激光三维扫描建模监测系统，精确快速获取物体表面三维数据并生成三维模型，通过5G网络将测量生成的海量数据实时传输至云端，进行快速对比处理，以确定实体三维模型是否和原始理论模型一致。提高了生产效率，并建立质量信息数据库，便于后期质量追溯。

综合工业柔性视觉的市场需求、客户价值及5G技术替代性3个维度，并通过典型案例验证，分析得出工业柔性视觉为高度定制化的5G+机器视觉应用，难以形成大范围、标准化的应用规模。

5.3 厂区监控设备：工厂智能监控

（1）市场需求

视频监控技术是机器视觉领域一个新兴的应用，在监控与识别领域得到大量运用。新兴视频监控与传统视频监控的需求将长期重叠，对视频监控功能有特别要求的厂家会选用5G技术，侧重移动性和高清视频处理需求。

（2）客户价值

视频监控系统通过运用机器视觉，能够自动检测、实时跟踪可疑人物，必要时还可以实现多摄像机接连跟踪，同时发出告警，使得智能视频分析得以逐步实现。

（3）5G技术替代性

5G相对有线方式在技术参数上无特别优势，只在移动性技术参数全面优于WIFI。

（4）典型案例

某大型制造企业针对钢结构产品新能源立体停车库提供整体智能监控服务，5G配合高清视频设备采集关键设备、厂区敏感位置、安全巡检过程中的现场数据，实时回传后台管理系统，对在用设备关键部件的状态、性能与损耗在线智能检测、远程诊断管理、远程监控，降低了布线施工以及调试维护成本，确保车库的正常运营以及人员的安全，提高车库运营效率的同时更好的提高了车库的信息化技术水平以及产品的安全性。预计为立体车库产品提升附加值约10%。

综合工厂智能监控的市场需求、客户价值及5G技术替代性3个维度，并通过典型案例验证，分析得出工厂智能监控为高度重叠化的5G+机器视觉应用，难以形成大范围、标准化的应用规模，为现有补充。

6 研究结论

本文从业务角度说明了5G与机器视觉的相关性，从技术应用方面论证了5G在机器视觉中的应用方向。本文分析了工厂视觉导航、工业柔性视觉、工厂智能监控三类代表机器视觉场景，通过市场需求、客户价值、5G技术替代性3个维度分析该三类应用场合的价值。

现阶段我国工业机器视觉仍处于起步阶段，5G在机器视觉中的应用可依托传统机器视觉良好发展态势，布局现阶段需求较明显的5G+工业机器应用。本文分析得出，以自动AGV小车为代表的可移动工业视觉导航是现阶段重点发展的5G+机器视觉应用；工业柔性视觉为高度定制化的5G+机器视觉应用，难以形成大范围、标准化的应用规模；工厂智能监控为高度重叠化的5G+机器视觉应用，难以形成大范围、标准化的应用规模，为现有补充。

2011年我国机器视觉市场开始启动，行业步入快速发展期，市场需求较大。结合我国工业发展现状，积极推进5G在机器视觉领域中的应用，提高我国工业信息化建设水平。