5G时代下云制造的发展研究

唐 瑾

（长江职业学院 湖北 武汉 430000）

1 引言

云制造是基于云计算、大数据、物联网、高性能计算、智能信息等技术发展的一种面向服务的新的智能制造模式，以互联网为基础，将分散在各地的制造资源整合在一起，通过云平台实现各制造厂商之间共享不同的资源，以实现分布式协作制造，能极大地提高资源的利用率和生产效率[1]。随着“工业4.0”的到来以及中国制造的推进，加快新一代信息技术与制造业深度融合，以推进智能制造为主攻方向，作为双循环基础发力点，智能制造将成为提升国家整体制造业水平不可忽略的增长引擎[2]。云制造的发展，因其制造服务既高度集成又高度模块化，为制造业的发展提供了新的机遇。

2 制约云制造发展的因素

2.1 制造业上云的成本及收益

在传统的IT模式下，网络运行中的信息传输效率不高，制造厂商在使用网络过程中，信息传递效率和准确性无法达到生产要求，对生产工作开展的推动效果不大，并且无法适应先进的工业生产技术。企业在接入云端时，会严重影响生产业务的效率。企业则需投入一定的成本来建立自己的局域网、广域网来提高网络速率。对已经建立了自己的数据中心、办公室和IT部门、生产线的制造厂商，要切换到一个全新的云制造系统，需要投入一定的成本部署新的IT环境[3]。对于中小型制造业来说，自动化程度不高，直接过渡到信息化，会增加企业上云成本。由于资金的限制，需要在一定投入后能在短期内获得收益。根据麦肯锡发布《2021年离散制造业上云调查》显示全球74%制造业在云转型后在短期内未能获取预期价值，超过一半的制造业表示云技术比最初预期的更为复杂，而40%的制造业则表示云转型超出了企业预算。制造业上云高成本，收益慢，导致云制造市场发展缓慢。

2.2 企业上云的技术限制

企业制造过程的复杂性，而云制造的动态性、多样性和离散性，使得企业在上云的过程中存在一些不可预知的困难，如将产品的不同组件运送到装配中心或任何其他工艺流程中，产品快速的更新换代，进行协同制造时不同生产线上半成品之间的快速调度等问题[4]。因此为确保生产计划顺利开展，对云制造的服务能力有着更高的要求。一般大型制造业拥有众多的信息化系统，如ERP、CRM、OA、PLM、PDM、CAD等，制造业上云则必须对这些信息化系统进行集成，但对于云平台来说，将这些不同厂商的信息化系统进行集成存在很大困难。其原因就在于目前云平台发展还不够成熟，很多信息化解决方案提供商只能提供部分或少数几种信息化系统，而且不同厂商之间的信息化系统无法实现统一集成。而对于已经上云的制造业来说，因云制造系统平台多样化，服务厂家不同，各家云服务平台标准不同，制造业上云后进行服务迁移非常困难，而且还不容易实现。从而导致一些大型制造业推迟企业上云的计划。

2.3 云服务器的可靠性

制造厂商要上云必须使用云服务器。云服务器是由多台服务器组成的集群，在这个集群上虚拟出多个类似独立服务器的部分，具备高可用性和灵活性等特点[5]。云服务器承载着用户的云端业务，直接影响业务持续性和数据安全。云服务器的可靠性完全依赖于所使用的资源和本身的冗余。制造厂商在使用云服务器中若突发故障，则需要方便、快捷，迅速创建一个新的云服务器来继续运行，而且无需增加额外成本。这样对云服务器的可靠性提出了更高的要求，尤其是灾难恢复。

2.4 企业上云安全问题

云制造平台是采用虚拟化技术实现制造厂商直接进行资源共享调用的，虽然提高了资源利用率，但是资源共享会产生新的安全问题。共享资源会在未授权的情况下被重复使用。这就需要对共享资源实行安全策略以维护用户的利益，同时需要对虚拟机、虚拟交换机、虚拟存储等虚拟设备设定安全保护策略，而这些安全策略与传统的硬件上的标准完全不同。并且企业的云安全和公司的安全策略必须融合起来才能降低安全风险。

云制造平台各种云服务会在全球范围内被重复使用，会产生大量的数据，而这些数据存储在离用户很“远”的数据中心，由云计算服务提供商统一进行管理。这些数据安全性存在一定的风险。主要有云计算服务提供商的系统故障导致的数据丢失，人为或黑客入侵导致的数据泄露。这些安全问题都会给企业带来的重大经济损失。目前云计算应用刚刚起步，相关法律法规仍不完善，一旦云计算服务提供商或者是制造厂商出现安全问题，都会造成无法挽回的损失。

3 5G加速云制造发展，实现工业数字化转型

5G技术的迅速发展，加速了“第四次工业革命”的到来，意味着开启了“工业4.0”时代。该技术并不是在4G网络上简单的速率升级，而是实现整个网络终端、无线和业务等全方面的数字信息融合。5G超高的网络传输速率、超低的网络延迟、高带宽等特点促进了物联网、车联网、智能制造、远程控制、城市交智慧公交等技术的发展。5G作为未来网络应用和信息通信的重要基础设施，将从多个方面推动云制造的发展，实现工业数字化转型。

3.1 降低制造业上云IT成本，促进先进工业生产技术应用

云制造服务是基于互联网的在线应用，这些在线云服务的使用效果依赖于网络带宽的高低。5G可以为制造厂商提供超高带宽、超低时延、高可靠，海量连接的网络，为企业上云节省建局域网、广域网的IT成本[6]。

先进的工业生产技术是制造业发展的关键，但在传统的网络环境下，一方面先进的工业技术虽然从自身的角度上来说具有一定的先进性，但在实际应用中，由于网络环境的限制，一些先进工业技术的应用效果不佳，无法达到预期目标，先进的工业技术得不到发展应用。5G因其能够满足各种高端、复杂的通信场景需求，因而能够直接或间接地影响工业互联网，甚至催生出全新的生产技术和生产模式，是支撑先进工业生产技术发展网络基础。

3.2 带动边缘云计算应用创新，提高云服务可靠性

边缘计算是一种在网络边缘执行计算的一种分布式计算，计算对象包括来自于网络服务的下行数据和来自于万物互联服务的上行数据，靠近物理设备或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台，就近提供边缘智能服务[7]。

边缘云计算系统通过使用无线传感器网络来实时监测服务器集群，这样可以提前检测具有高风险的服务节点，来避免云服务器的突然瘫痪。边缘操作系统节点之间能够互通状态和诊断信息，使得在系统层面部署故障检测、节点替换、数据检测等方面具有保障性。5G技术的发展带动了边缘计算的发展，促进了边缘云计算应用创新，提高了云服务可靠性。

3.3 带动云制造智能化的发展

在云制造生产中，智能化是制造业中最典型的应用，需要机器设备上云，并能自组织和协同的进行弹性生产。5G网络是机器设备上云的最佳的通信网络，是机器设备上云的基础。

未来制造工厂具有高度的灵活性和多功能性，对生产有更高的要求。例如能实时管控生产流程，快速下达生产任务，准确提供生产技术需求等。为快速响应生产需求，需要在云制造中引入AR技术。在AR的环境中，可以远程装配生产过程、远程维护、远程专家指导等，以促进生产的高效开展。5G技术的发展促进了AR的发展，推动了云制造智能化的转变。

3.4 实现云物流追踪

5G网络能提供广覆盖、低功耗、超连接、低成本的连接技术，使仓库管理到物流配送再到已发货的商品都可以在云端实现实时监控，同时还可以实现不同制造厂商之间的仓库物流管理系统在云端的无缝对接。减少了云制造物流环节所消耗的时间，同时也节省了仓库终端上云的网络成本。

3.5 提升云制造安全

5G网络具有多重安全保障。一是先将数据传输协议层分为控制平面、用户平面、管理平面三个平面，对数据进行隔离、加密和控制；对各种类型的无线通信引入统一的用户采用认证机制，并对用户和流量进行加密，加密密钥的大小从128位增加到256位；二是支持灵活的分段安全策略，集中管理漏洞和信息安全策略的，对异常的大数据进行检测分析以及对攻击做出早期响应；三是利用人工智能算法实时检测针对网络节点和虚拟基础设施组件的攻击，可以在用户可控的较近位置实现计算和存储，安全管理用户数据，提供加密、匿名化、安全存储、删除以及分析数据功能，保障数据安全[8]。制造厂商可以利用5G技术对工厂的布局进行重新规划，对人、机、料、环境、信息和能源的关系进行重新定位和组合，而不用担心信息泄露或被黑客破坏。

4 总结

随着5G网络的广泛部署，云制造理论技术及应用的不断发展，必定加快我国制造业的转型升级，推动我国制造业的进一步发展。