基于“5G+VR”的制造业应用研究

方珍

关键词：5G；VR；制造业；应用

1引言

2021年3月，“虚拟现实”（简称VR）技術正式列为“十四五”规划中数字经济重点发展产业，随之迎来了全面高速发展的新时期，全国的VR产业得到飞速发展。同时，VR踩在了数字经济引擎切换、5G千兆普及、行业数字化转型需求井喷等风口上，VR终端普及率越来越高，VR新应用层出不穷，特别是在旅游、家庭娱乐、技能教育、医疗等方面涌现出新场景、新应用。2019年，随着5G商用牌照的发放，5G逐渐普及，高速率、低时延、广连接的5G技术为各种远程、移动场景提了优质的无线传输通道，为新的创新应用提供了可靠的网络基础。在VR和5G技术双重技术加持下，我国制造业也迎来了一波新的发展机遇。本文先对5G和VR技术在制造业的结合点和应用场景进行研究，再探讨5G和VR在制造业的应用问题和推进措施。

2 5G和VR技术的发展现状

VR技术是一门将虚拟和现实相互融合的技术，可以将现实生活场景中的图像数据进行三维模型720。虚拟化建模，因其将现实进行虚拟化后再进行呈现，故称为虚拟现实。VR技术区别于一般的呈现方式，它将用户带人整个虚拟三维空间，获得全量的视角，并可随着用户视角而改变，带来沉浸式的视觉感受[2]。

5G技术提供三大场景能力，分别是增强移动宽带（Enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量物联网通信（Massive Machine Type Communication， mMTC）、超高可靠性与超低时延业务（Ultra Reliable&LowLatency Cormuunication，URLLC）。不同能力服务不同上层应用，eMBB提供100 Mbit/s的用户体验速率，面向超高清视频[3]、VR，AR等场景。mMTC提供海量的物联连接能力，典型应用包括智慧城市、智能家居等。URLLC面向需要高可靠、低时延的业务，包括工业远程控制、ACV、无人驾驶控制等。

“5G+VR”广泛应用于娱乐、医疗、教育、文旅等领域，在千行百业中形成特色应用，如VR看房、VR驾校、VR游戏等，直接将人带入虚拟的场景中，沉浸式地进行角色扮演，大幅度提高体验者的参与度，应用效果显著而深刻。

3 5G和VR技术的结合点

为了保证VR体验的流畅性，减少时延过大导致的眩晕感，基于云端VR模式需要VR应用数据交互满足端到端时延20毫秒以下[4]的传输延时，同时需要兼顾高速率和移动性的网络通信要求，满足[30，100] Mbps宽带的需求。由于开放频率的通信手段（如无线Wi-Fi、蓝牙等）受限于协议机制和频段干扰等因素，容易造成卡顿和延时不稳定的问题。

5G作为新一代的通信技术，通过利用5G切片技术，对传输数据进行资源隔离，对不同要求的数据包使用不同的网络切片，赋予不同的传输优先级策略和空口资源，可以保障VR的操控和图像数据优先低时延、高可靠传输。同时，通过将边缘服务器设备（MEC，Mobile Edge Computing）下沉到应用本地，如图1所示，将VR应用服务部署到MEC服务器上[5]，实现数据流量不出园区、不出工厂，进而达到VR数据的低时延传输。

4VR应用关键技术

4.1VR全景直播技术

VR直播技术由VR全景摄像机、内容分发服务器、VR显示端组成。全景VR摄像头由多个摄像头组合而成，形成一个多方向采集的前端摄像机，将获取到的多方向图片进行投影平面变换，形成图像基座，对基座进行特征提取、特征匹配以及图片融合、增强等，最后进行投影映射编码，即完成了多张照片的360。全拼接，通过拼接过的图像，可以得到一个360。全景影像[7]。全景图像拼接可在摄像机内部或者远端服务器上完成，不同的方式对摄像机的硬件要求也不同。内容分发服务器处理VR显示端的播放请求，再将VR视频内容稳定分发传输到各个显示端[7]。

4.2建模技术

建模技术是VR的基础，包含虚拟环境和虚拟物品的构建。通常而言，建模可分为几何建模、物理建模、行为建模等。物品对象的几何信息包含外形和形状2个要素，一般由几何建模来刻画物体的外形状态。物理建模主要刻画对象的位移、碰撞、旋转、形变等信息，实现模型动态行为搭建。针对行为建模，除了设计模型外观等，还需要关联模型的物理特性，赋予模型一些特定行为特点，以模拟出一个逼真的物体。通过三个方面的建模，赋予建模物体外形和内在的特性，从而营造出真实的感觉。建模技术产生的模型文件需要经过三维渲染才可以更加真实地展示出来。三维渲染读取建模输出的模型文件，可以处理模型的表面数据、纹理数据、灯光效果、折射、透明、模型运动控等信息。

4.3信息交互技术

信息交互是VR的沉浸式效果的关键体现，强化人与虚拟场景的互动，提高内容的体验感是现在研究的一个重点。现阶段，VR交互手段大致可分8种，分别为动作捕捉、触觉反馈、眼球追踪、手势追踪、方向追踪、语音交互、传感器交互和模拟场地交互[8]。其中，触觉反馈是目前市面上VR设备采用的标准交互方式，使用多自动度的双手手柄进行交互，在虚拟空间有操作手柄的影像和光标，通过按动手柄的按钮即可进行与虚拟空间的互动。其他的交互方式在不同的场景下有不同的应用优势，原理都是基于人的行为的信息采集，然后如实反馈并作用在虚拟空间上。

5 5G和VR技术在制造业上的应用

5.1“5G+VR”全景远程操控

在制造业中，一些工作存在一定作业风险，如高温、攀爬等，使用远程操作的方法能大大降低劳动者的风险，相关人员不用到达现场，将机器等操作设备放置在办公室，配合VR技术的实时全景视角，营造人员在现场的感受，即可在办公室远程操作机械设备。同时，通过5G边缘云网络进行数据处理，在VR视角上叠加机器的工作状态和警告信息，可以最大限度地为操作者提供全量的操作信息，未来现场人员操作最终会被取代，实现无人化、智能化生产的目标。

5.2 VR培训

人员技能培训一直是企业职工能力提升的重要手段，受限于培訓器材或场地、时间等因素，培训效果很容易受到影响。比如，往往出现一个教员在前台演示完成，而由于距离等因素，台下很多学员尚未看清或者弄明白就结束了，导致教员需要进行反复讲解。利用VR技术，将设备的所有零件虚拟化，遵循真实的流程，制作出对应装维VR流程，将一个个器件组装起来，搭配VR手套和追踪定位系统，人员从现场装配变为虚拟装配，最后对整个装配的结果进行系统自动打分评定。通过VR技术，培训所需实体资源更少，培训时间更加灵活，考核评定更加标准。

5.3 VR巡检

大部分的工厂企业巡检都是以人工登记为主，存在人员漏检、实时性较差等问题。VR巡检对需要巡检的设备和位置进行建模，通过在设备的不同位置加装传感器进行数据采集，并与真实现场进行融合，搭建起虚拟和真实结合的VR场景，场景既能实时显示设备的数据，也可以调看现场的VR实景视频图像，以确定现场的具体情况。在发现问题的时候，可以立马进行VR场景内的故障上报，并可保存人员的巡检操作记录，确保巡检人员操作的正确性并规避漏检和不检的问题。

5.4虚拟制造

虚拟制造以仿真为主要应用，对产品的设计、加工、装配、运维等环节进行建模之后[9]，形成虚拟的产品全流程制造过程。相关人员只需要在VR虚拟工厂中操作虚拟的3D模型，应用手柄或者手势，进行模拟操作，完成原型产品的设计、试产、装配流程模拟、运维检修等生产操作，操作结束后对操作过程进行保存和分析，便可提前发现产品可能出现的问题和缺陷。虚拟制造为企业高效开发、优化操作提供便利的工具，能缩短新产品的开发时间，提前规划产线的工艺流程、规划维修步骤等，大幅节约企业的生产管理成本。

5.5虚拟孪生工厂

现阶段，工厂运行状态数据都是通过各类计量仪表和采集系统收集，集中展示在信息化界面中，展示方式多为二维平面方式。虚拟全景工厂利用三维建模软件对全厂进行整体结构、建筑和设备建模，同时对房屋外观、地面、墙壁、吊顶、光源等模型进行1：1还原，进而在虚拟空间展示工厂全貌．，针对虚拟工厂，重点需要对厂内的各类设备和运行状态进行虚拟呈现，和实际运行情况保持一致，真实和虚拟之间相互联动，打造虚拟VR孪生工厂。通过VR眼镜，即可游览整个虚拟全景工厂，在虚拟工厂中进行相关操作，可实际作用到对应的设备上。

6存在的问题

（1）相关设备品类偏少，产品笨重感强，造价偏高。受限于当前5G产业链的不成熟，单5G通信模块售价在千元左右，相较于4G通信模块的价格贵了近十倍，因此目前支持5G通信的产品偏少，达不到大规模量产的要求。当前，支持5G的VR眼镜较少，如摩托罗拉发布的5G颈部可穿戴VR设备，目前仍然未到量产的程度。大部分的“5G+VR”应用使用5G CPE进行间接通信，且大部分VR设备仍然较为笨重，长期佩戴对眼睛和脖子的压迫会带来一定的健康问题。

（2） VR技术在制造业应用起步较晚，总体水平还需要进一步提高。国内VR在制造业的应用由于发展的时间短，而且技术经验也不充足，总体水平还需要进一步提高。制造业VR应用处于摸索、打造新应用场景阶段。随着我国的科技水平的不断提高，相信我国的VR应用将取得更大的进步。

7如何提升5G和VR技术在工业制造业中的应用水平

工业是我国的第一产业经济，讲究实效和成本，关注提升生产管理的“人、机、物、法、环”五要素。5G和VR作为辅助工具，着重在于优化、改良企业的生产管理，提升企业人员管理或者培训的效率。比如，VR远程控制可代替很多机器的现场操作，工人不必在现场，远程即可方便地操控各种机器，提升了机器使用效率。VR孪生工厂在于整体生产的把控，将实际的产线情况与虚拟的产线同步显示，更加直观也更加利于企业的生产决策。

为提升5G和VR技术在工业领域的使用水平，需要建立在卓有成效的“5G+VR”的应用基础上，发掘更加实用、有效的使用场景。随着SG和VR行业产品的逐步成熟，将会有更多的应用被工业企业采纳、使用。

8结束语

VR技术是未来科技发展的一个重点方向，随着VR终端产品的能力不断提升、性能不断增强，产业链即将成熟。目前，VR终端的普及率得到了大幅度提高，在导航、旅游、游戏、社交等多个场景已得到广泛应用。本文分析了在工业制造业场景中，VR技术和5G的关键技术、应用场景和推广应用中的问题。在工业互联网的趋势推动下，“5G+VR”技术和产业链在逐渐成熟，未来将在工业领域有很大的发展空间。