基于5G技术的智能制造模式研究*

□ 王 晋，颜浩龙

(湖南工业职业技术学院，湖南 长沙 410208)

2008年的全球金融危机让全球各个国家政府意识到了实体经济的重要，特别是制造业成为了各国争夺的战略制高点，各国政府纷纷出台了工业振兴计划。美国出台“先进制造业国家战略计划”创建“国家制造业创新网络”，由美国商务部、国防部等部门出资，在全国范围内建立制造业创新中心，旨在构建制造业“产政学研”联合的基础一动员并形成创新智能制造生态体系。德国出台“工业4.0”战略，德国政府在汽车工业和自动化工程方面的强大优势的基础上，大有发展应用信息物理系统(CPS)，旨在提升制造业智能化水平、智能生产、智能物流为三大主题。日本出台了“工业价值链计划”，通过建立顶层的框架体系，让不同的企业通过接口链接组成日本制造的联合体王国，充分利用其发达的物联网和机器人技术促进制造业发展。而我国则同期出台了“中国制造2025”来振兴我国制造业。

在国际形势日益复杂的今天，具有自主知识产权的完整产业链成为各国确保社会经济发展的重要支撑，当前我国制造业规模虽大，但是很多产业链上的关键技术都掌握在发达国家手中，早日实现我国各产业链知识产权自有化是关键，随着人工智能、5G、区块链、云计算、大数据等新一代信息技术的飞速发展，为我国制造业领域实现对发达国家的弯道超车提供了机会，特别是5G技术领域我国在世界上处于领先地位，如何充分利用我国在信息技术领域的部分优势来整合我国制造业的优势资源，从模式创新带动产品升级、技术革新，实现关键技术与产品的升级。

1 文献综述

近年来,智能制造领域吸引了国内外众多专家学者关注。国内专家史彦军，韩俏梅，沈卫明[1](2020)研究了包括人机界面、生产信息技术、流程自动化、工厂自动化、物流、设备监控和维护等多个智能制造场景的5G应用，并给出了相关应用的5G边缘计算开发框架。张云勇[2](2019)通过分析5G的全球部署、商用情况和5G面向产业发展的网络特性，提出5G将不断夯实万物互联基础，推动工业互联网发展和多产业互联网化融合。周佳军，姚锡凡[3](2017)对基于云计算、大数据、信息物理系统、物联网等新一代信息技术的制造物联、泛在制造、云制造、社会化企业、主动制造和智慧制造等几种典型新兴智能制造模式的产生背景、核心技术等方面进行了归纳总结，并对未来的发展趋势做了展望。刘宗巍，张保磊[4](2019)研究了新技术条件下汽车产业智能制造C2B模式，并对汽车产业C2B模式与智能工厂相互交融、支撑所需要的软硬件条件进行了分析。谭建荣，刘达新[5](2017)研究了智能制造的内涵与关键技术的基础上，并提出了从数字制造到智能制造的三大发展模式和具体技术途径。Bo-hu LI,Bao-cun HOU[6](2017)从人工智能技术与信息通信技术、制造技术及产品有关专业技术等融合的基础上提出了智能制造新模式以及智能制造系统体系架构和智能制造系统技术体系。唐堂，滕琳[7]对智能工厂方案与体系、数字孪生模型、制造执行系统、智能制造执行系统、全集成的系统概念、企业间价值网络的横向集成、全流程的端到端集成、网络化的纵向垂直集成与网络化制造进行了系统的研究，并例举了我国智能制造的成功案例。

综上所述,智能制造是当前世界各国工业竞争的重要战略，国内的专家学者对智能制造相关问题的研究较多,但是大部分是集中在智能制造的整体结构模式上,从5G的视角进行的相关研究还比较少见,本文尝试从5G等新一代信息技术的视角来研究我国智能制造的新模式，为我国智能制造的早日实现提供新的思路和路径。

2 智能制造的逻辑结构

智能制造是我国制造业水平整体提升发展的必由之路，如何实现传统制造业向智能制造的顺利转型，首先我们需要思考智能制造的内涵是什么，智能制造与传统的制造模式的本质区别在哪里,需要什么样的新技术和基础设施为前提条件等问题。

传统制造模式主要有批单生产、订单生产、定制化生产等，从供应链的角度来看有推动式供应链和拉动式供应链，当前主要的生产模式主要是拉动式供应链，即先取得客户订单，再根据订单安排生产，以减少不必要的生产，降低库存。定制化生产主要集中在大型设备行业，在中小型产品行业还做不到定制化生产，比如大规模个性化的手机生产现有的生产模式还做不到,产品的生产周期还比较长,还做不到全供应链的快速反应,特别是从零部件的生产到产成品的生产销售这样的长供应链还很难做到快速反应、缩短产品生产周期，而智能制造正是依托人工智能、区块链、云计算、大数据等新技术的支撑下对现有生产模式的升级与革新，升级与革新的领域主要集中在产品、生产过程和生产装备，实现产品智能化、装备智能化和生产过程智能化。

世界工业的发展经过了以机械制造为代表的工业1.0时代、以电气化和自动化为代表的工业2.0时代、以电子信息化为代表的工业3.0时代,最后到以智能制造为代表的工业4.0时代。智能制造在我国近年来的发展形成了三个阶段：一是数字化制造，也称为第一代的智能制造，目前我国绝大多数企业还没有完成数字化制造的转型；二是数字化网络化制造，即“互联网+制造”，也称为第二代智能制造，在德国的工业4.0和美国的“工业互联网”中都有成熟的数字化网络化制造模式。在过去的几年中,我国一批数字化制造基础较好的企业较好的实现了数字化网络化制造的升级改造,另外，大部分还没有完成数字化制造改造的企业采用了数字化制造与数字化网络化制造并行推进的升级办法；三是数字化网络化智能化制造，也称为新一代智能制造，是新一代人工智能技术与数字化网络化制造的深度融合。因此,我国制造业智能制造转型升级处于三种范式并行的现状,并且随着5G等新一代信息技术的飞速发展,这三种范式也在不断的升级变化中。

我国制造产业当前的现状是占行业企业比例极少的各行业的龙头企业已经基本初步实现了数字化网络化智能化制造,而绝大部分的中小型企业还处于数字化制造的改造过程中,没有完成数字化网络化制造的改造,占我国制造业绝大部分的中小型企业迟迟没能接入各行业工业互联网平台中,就不能发挥全国制造业各类资源和相关科研院所的规模优势进入产品智能化、装备智能化和生产过程智能化不断升级的良性循环中。可见,实现我国中小型企业接入工业互联网平台是我国制造业全面进入智能化升级的关键，而5G技术的成熟应用,进一步改善了制造业企业接入工业互联网平台的条件。

3 基于5G的智能制造新模式

5G网络技术的到来使得我国工业互联网建设条件变得更加成熟。5G的高速传输速率支撑了多种智能制造新模式的运行。

3.1 个性化生产

随着社会经济水平的不断提升,消费者对产品的需要逐渐由功能性需求变化为了个性化需求,不仅要满足基本的功能需求,还要满足客户个人对于颜色、造型、材质等方面的个性化的需求,在传统的批量规模化生产模式下是无法不增加生产成本的情况下实现个性化生产的，随着信息技术的不断发展,传统的单一生产线逐步向柔性生产线转变,5G技术的出现有效的解决了供应链客户端信息传递和生产线上信息传递的网络延时问题。

在产业供应链的生产环节,柔性生产对生产线上各智能设备的灵活移动性和差异化业务处理能力有很高要求,5G技术带来的网络传输能力的升级,助推了柔性生产的迅速推广。生产工厂使用5G技术后,在大幅减少生产设备之间线缆成本的同时，充分利用5G可靠网络的连续覆盖能力，使工业机器人等智能设备在生产区域中移动不受限,根据需求到达各个地点,在不同的生产场景中进行不间断生产和工作内容的平滑切换。大型生产工厂中,不同的工作场景对网络传递的具体要求不同,其中，高精度加工环节对信息传递的时延要求很高，关键性的生产任务必须确保网络的稳定性、可靠性、大流量数据的即时传递与处理。5G技术采用端到端的切片技术实现同一核心网中提供不同质量的服务,根据需求灵活分配调整，如各生产设备生产数据的上报就被设为最高优先级的业务等级。

5G技术大大缩短了供应链终端产品用户与生产、研发环节之间的距离，运用5G技术构建的供应链上各环节之间的高速信息传递公路,最终实现产业链上任何人和物在任何时间、任何地点都能实现全链上的信息高度共享。消费者的个性化需求可以即时准确的直接传递给产品设计师,不需要经过多个环节来传递,从而可以避免信息传递过程中造成的失真现象发生,同时,产品设计师可能即时调用消费者的产品运行数据,充分掌握消费者产品使用环境的真实参数,设计出令消费者满意的个性化产品,企业和消费者之间的关系从简单的买卖关系变成了合作关系,消费者从多个环节参与到了设计、生产等各个生产流通环节中。

3.2 远程维护

设备的维护在当前制造业服务化转型发展的产业发展模式下尤为重要,特别是大型制造企业的供应链的整条链条上经常涉及到跨工厂、跨区域的生产设备和用户产品维护的问题。5G网络技术大带宽、高速率、低时延的技术特点可以大幅提升维护效率和应用范围，降低运维成本。5G技术进一步提高了万物互联的有效性,特别是对互联万物之间的信息交互变得更加畅通，使智能工厂的维护工作不再局限于工厂之内。工厂的设备维护可以通过远程控制由机器人来协作完成，随着工业互联网相关技术的不断发展,供应链上的每一个物体都会有自己唯一的IP，使供应链上流转的每一个物料都具有信息，物料会根据自身的信息全自动的进行生产和维护，供应链上各个环节的人也会拥有自己的IP，人、设备和物料在整个供应链上的各个环节中进行信息的交互。机器人在协作管理工厂的同时,人可以在千里之外即时获得相关信息，并与物理系统进行交互操作。

在应用5G网络技术的环境下,当无人工厂中某设备发生故障时,无人工厂中值守的工业机器人会第一时间作出判断,对于工业机器人能够解决的故障，它会第一时间前往排除故障,而工业机器人不能解决的故障则会第一时间上报到对应级别的管理者，此时,管理人员无论在任何地方,都可以通过工业互联网平台远程控制工厂内的机器人或者指导现场维护工人进行故障修复。

5G网络技术使得人和设备在处理复杂工作场景没有网络带宽和延时的限制,即使在需要多人共同协作维护的工作情况下,不同地方的专家可以同时通过VR等远程维护设备共同诊断设备故障。5G的超大流量可以满足远程维护设备的海量交互数据的传输需求,同时,供助工业互联网平台,所有相关的工业大数据和相关知识经验都存储在工业互联网平台上,在远程维护时，人和工业机器人可以借助工业互联网平台上存储的海量知识与经验进行故障分析与修复。

3.3 资源优化配置

5G网络通过网络切片提供适用于各种制造场景的解决方案，实现实时高效和低能耗，并简化部署，为智能工厂的未来发展奠定坚实基础。5G的网络切片技术可以实现按需分配网络资源，以满足不同生产情景下的网络需求,不同的工作场景对时延、网络覆盖、移动性、连接密度等有不同的要求,对5G网络的灵活配置网络资源的能力提出了更高的要求。

5G网络技术最重要的特性是基于多种新技术组合的端到端的网络切片能力，可以将所需的网络资源灵活动态地在全网中面向不同的需求进行分配及能力释放；根据服务管理提供的蓝图和输入参数，创建网络切片，使其提供极低的时延、极高的可靠性、极大的带宽等特定的网络特性，以满足不同应用场景对网络的要求。在创建网络切片的过程中，需要调度基础设施中的资源，包括接入资源、传输资源和云资源等，而各个基础设施资源也都有各自的管理功能。通过网络切片管理，根据客户不同的需求，为客户提供共享的或者隔离的基础设施资源。由于各种资源的相互独立性，网络切片管理也在不同资源之间进行协同管理。在智能工厂原型中，展示了采用多层级的、模块化的管理模式，使整个网络切片的管理和协同更加通用、更加灵活并且易于扩展。

5G能够优化网络连接，采取本地流量分流，以满足低延迟的要求。每个切片针对业务需求的优化，不仅体现在网络功能特性的不同，还体现在灵活的部署方案上。切片内部的网络功能模块部署非常灵活，可按照业务需求分别部署在多个分布式数据中心。原型中的关键事务切片为保证事务处理的实时性，对时延要求很高，将用户数据面功能模块部署在靠近终端用户的本地数据中心，尽可能地降低时延，保证对生产的实时控制和响应。此外，采用分布式云计算技术，以灵活的方式在本地数据中心或集中数据中心部署基于NFV(Network Function Virtualization，网络功能虚拟化)技术的工业应用和关键网络功能。5G网络的高带宽和低时延特性，使智能处理能力通过迁移到云端而大幅提升，为提升智能化水平铺平了道路。

4 结论

工业互联网是我国制造业实现智能制造升级的基础，5G技术的出现升级了我国工业互联网发展的网络环境,对生产设备接入、数据传速、产成品工作数据上传等智能制造模式创新的关键环节起到了重要的支撑作用。智能制造由产品智能化、装备智能化和生产过程智能化三部分支撑起来,这三部分中最重要的是产品智能化和装备智能化,而产品和装备的研发要快速取得突破,就必须依靠工业互联网平台,有5G技术的支撑，工业互联网平台将得到快速发展,通过工业互联网将我国各行业的设备、数据、企业、科研院所都联接到网络平台上,一方面,基于5G技术通过工业互联网平台将所有行业企业的设备、工业数据都收集到工业互联平台上，这样我国的工业互联网平台就变成了我国不同工业行业的巨型操作系统,为我国的科研工作者提供了研究数据与环境,有利于我国集中所有的智力来攻关瓶颈问题；另一方面,在5G技术的支持下,所有的工业产品在用户手中的运行数据都可以实时传输到工业互联网平台上,平台能根据实时工作数据来监控设备的运行状态,确保设备处于最佳运行状态中。5G技术的实施,让协同研发、网络化制造、个性化制造等智能制造模式进一步升级。