赵帅男,袁 朋,钊刘杰,郝建华,王璟瑞
(中国移动通信集团设计院有限公司 河南分公司,河南 郑州 450000)
工业互联网的核心产业涉及数字化装备、自动化、工业互联网网络、工业互联网平台以及工业软件5个方面[1]。其中,数字化装备和自动化属于边缘控制层,工业互联网网络属于网络连接层,工业互联网平台和工业软件属于数据应用层,而互联网平台又涉及边缘控制、网络平台汇聚以及数据应用3大层级[2-4]。同时,网络、平台及安全可归结为工业互联网的3大体系,其中平台是核心,安全是后盾和保障,而网络则是重要基础[5]。
随着工业技术的不断进步,工业互联网逐渐向产品个性化、制造服务化、连接泛在化以及智能化生产方向发展[6]。从本质上看,工业互联网络可分为工厂内网络和工厂外网络。工厂内网络主要用于连接工厂内各种生产要素,支撑工厂内业务应用,而工厂外网络包括分厂之间的通信、厂区和数据分析中心之间的通信等,用于连接智能工厂、分支机构、上下游协作企业、工业云数据中心以及智能产品与用户等主题[7]。
目前,工业领域中使用的绝大多数通信技术仍然是有线技术,包括各种专用工业以太网技术和现场总线技术。在一些特殊的工业场景下,无线技术以其良好的移动性成为有线技术的重要补充[8]。工业互联网中数据传输和通信主要采用短距无线、WiFi、工业专用无线以及传统蜂窝无线4种模式[9]。上述4种模式各有优劣,其特点如表1所示。
从表1可以看出,虽然无线通信技术众多,但各有不足且相对封闭,无法满足工业互联网对网络连接的上述需求,亟需新一代无线技术补充短板。
表1 工业互联网现有数据传输和通信模式对比
5G的3大特性分别是eMBB增强型移动带宽、mMTC大规模机器通信以及URLLC高可靠低延时,分别实现上下行速率倍速提升、海量机器链接以及超低时延和高可靠等性能[10]。
基于5G技术及网络特性,总结了9大主流工业应用场景。一是云设计云仿真,主要可应用的工业行业有航空航天、工程机械以及汽车电子等。可利用5G、边缘云及虚拟桌面等,针对工业产品和生产系统的方案进行快速设计与仿真验证。二是5G远程操控,主要可应用的工业行业有矿山、港口、爆破以及危险品等。在危险作业环境安装高精定位器、传感器、激光雷达、高清摄像头以及智能终端,通过5G网络实现实时控制。在远程操作台对矿车、钻机即电铲等设备发送指令完成作业。5G远程操控网络示意如图1所示。三是自动驾驶/无人驾驶,主要可应用的工业行业有消防、矿山以及勘探等,5G无人驾驶网络示意如图2所示。四是机器视觉检测/无人机巡检,主要可应用的工业行业有医疗器械、食品、汽配、钢铁、纺织、机器加工以及电子制造等。通过在生产设备和生产线安装高清智能摄像头,识别包装和产品表面缺陷,检测喷码缺失等。结合5G+AI技术,通过机器学习,不断提高检出率,降低人工成本。五是工艺优化和效能优化,主要可应用的的工业行业有机械加工、钢铁、冶金、水泥、化工以及制药等。打造一个5G、数据采集、边缘云以及工业大数据为一体的解决方案,通过构建缺陷识别和工艺参数相关联的数据库,分析产品缺陷与工艺的必然联系,从而优化工艺,提高良品率。通过大数据计算,对耗能管理和优化,巧妙运用波峰波谷,优化效能。六是云MES/供应链协同,主要可应用的工业场景有食品、汽配、家具以及水泥等。针对有很多生产制造环节的企业,对企业提供数据管理,合理计划排程、生产调度以及库管理等,实现手机端和PC端无缝对接,灵活部署,实时掌控工厂情况,提升管理效率。云MES系统框架如图3所示。七是5G智能监控和设备防御性维护,主要涵盖行业有制造业、食品、药品以及装备等多数机械设备的行业。通过各类传感器监控设备运行状况,采集设备运行数据,形成有效大数据库,对设备故障进行早期预警,支撑远程运维,预测性运维,指导合理备件,减少设备故障率,缩短维护时间,延长设备寿命,提升设备回报率。八是AR设备点检/VR成品展示,主要涵盖行业包括机械制造、钢铁、电子制造、汽车制造以及机器加工等有大型复杂机械设备的行业。可高效实现电气设备远程AR点检、大型复杂机械设备巡检以及设备远程运维等。可针对汽车、仪器、机械或者电子产品进行VR演示和成品展销。九是个性化定制,适用于各类工业行业,将产品模型化、模块化、参数化,打造数据共享平台,实现产品方案、生产、销售以及物流等全业务链的数据集成与共享。基于需求建立工业企业面向用户的信息服务通道,支持用户对产品定制、体验并掌握实时信息。
图1 5G远程操控网络示意图
图2 5G无人驾驶网络示意图
图3 云MES系统框架图
受通信技术的制约,当前我国工业设备互联互通难,严重制约了设备上云。通过将5G技术与工业PON、MEC等相结合,能够降低工业场景协议转换和设备接入难度,提升工业互联网异构数据接入能力,有效解决数据孤岛的问题。
大量工业企业现有内部网络无法支撑海量数据实时传输和网络同步,亟需进行基础网络升级改造,提升网络传输带宽。5G能够提供端到端毫秒级时延和接近100%的高可靠性通信保障,满足工业大数据无线传输需求和大量即时处理需求。
5G技术可助力工业互联网全要素和全环节高效互联互通,实现以数据流带动技术流、资金流、人才流以及物资流,有效提升传统产业的发展质量与效益。同时,5G将推进人工智能和AR/VR等新兴前沿技术在工业领域的应用与探索,催生形成新产品、新模式及新业态,拓展工业互联网发展空间。同时,可加快工业互联网在一、二、三产业中的融合应用,整体带动国民经济的提升。
作为新一代的移动通信技术,5G技术弥补了传统工业转型为智能制造企业对网络的应用需求的不足,必将成为支撑智能制造转型的关键技术,能将离散的机器、人以及设备全部连接起来。使工厂全方面升级,机器辅助、预判,万物信息交互,实现按需生产和个性化生产,大大改善劳动条件,提高生产效率,提高企业产能效能,深程度地改变社会。
例:文人墨客生活中的“琴棋书画诗酒茶”Chinese scholar’s seven daily necessities,namely music,chess,calligraphy,painting,poetry,wine and tea增加了 “seven daily necessities”。句子顺序不变但通过增减词汇,表达比汉语更简洁。遵循能直译尽量直译的原则。