基于5G+8K的新型显示全连接制造工厂模型研究

张曼华 李广朋 孙彦竹 朱其盛

（深圳创维-RGB电子有限公司 深圳 518108）

前言

自21世纪初以来，科学技术的快速发展，特别是信息技术的快速发展，为制造业提供了深厚的技术基础。制造业的发展境况与市场需求和国家政策也发生了巨大的变化。在此背景下，美国国家科委发布了“先进制造国战略计划”[1]，德国技术科学院提出了“工业4.0战略计划”[2]，中国也提出了2015年“中国制造2025战略计划”[3]。所有这些都表明，智能制造业已成为产业变革的一种新趋势。要想实现智能制造，数字化是企业必经的建设阶段。

近年来，国家及各部委近年来密切出台5G﹢工业互联网融合创新发展的政策，推动智能制造行业转型升级。2021年，工信部印发《工业互联网创新发展行动计划（2021-2023年）》中，对加大5G赋能智慧工厂做了系列部署，提出到2023年，在10个重点行业打造30个5G全连接工厂[4]。未来5G将渗透到工业生产制造的各个环节，全面提升数字化水平。然而如何将目前前沿的科学技术应用到企业实际的制造场景，形成一套科学有效、低成本、适用性强的数字化制造转型模式，目前尚未有较多的研究。

作为具有全球竞争力的智能家电和信息技术领军企业，创维已拥有一批具有自主知识产权的核心技术，已具备依靠自有技术对外赋能，带动上下游产业链的能力。创维秉承创导未来的品牌精神，主动融入国家制造强国的战略，在2018年提出“智能化”、“精细化”、“国际化”三大战略，有计划、有步骤的实现创维数字化战略转型升级。本文立足创维全连接工厂建设，研究了基于5G﹢8K的新型显示全连接制造工厂建设模式并在深圳总部基地进行了场景验证。本文的组织结构如下：第1节整体介绍了基于5G﹢8K建立的一个数字化工厂模型。第2节介绍了5G网络的构建过程。第3节介绍了数字化平台的构建。第4节介绍了5G感知式AGV智慧物流、5G预警式设备管理、5G﹢VR远程运维、5G﹢8K工业视觉检测四大核心应用场景。第5节总结了全文，在列举取得效果的同时并指出了进一步的工作方向。第6节对参与本文研究建设的单位及参与者进行了致谢。

1 基于5G+8K建立的数字化全连接工厂框架模型

中国工程院研究团队在“制造强国战略研究” 中，持续推动智能制造理论体系的构建，提出了中国智能制造发展战略[5]，同时在“面向2035的智能制造技术预见和路线图”研究工作指出智能制造系统是由智能产品、智能生产及智能服务三大功能系统以及工业智联网和智能制造云两大支撑系统集成而成，其中，智能产品是主体，智能生产是主线，以智能服务为中心的产业模式变革是主题，智能制造云和工业智联网是支撑[5]。2021年数字化转型白皮书也指出，数字化转型网络是基础、平台是关键、场景是核心。结合新型显示行业的特点，本文提出了数字化制造层面建设全连接工厂的架构模型，如图1所示。研究主要立足数字化转型要解决的问题，从其对象、转型基础、价值等层面出发，设计了建设框架。全连接制造工厂的突出特征有四个方面，其一全连接要素：全连接面向工业生产制造全流程，以连接制造设备、制造流程要素为基础，实现设备、系统互联互通，生产流程并行协同。其二全连接系统平台：基于开放环境部署应用，提供一套微服务解决方案，实现了一个快速、可扩展、可持久化、高吞吐量、低延迟。面向工业各环节场景，为设备连接、系统连接提供平台基础，平台向下可以承接海量异构数据、向上可以支撑各种工业应用开发。其三全连接价值：设备、系统全连接以后，通过平台实现各环节业务的价值体现，最实现降低运营成本、缩短交付周期、降低产品不良率、提高生产效率的目的。其四全连接网络基础：5G全覆盖的工厂基础专网。余下章节重点讲述创维基于此架构模型的创新性实践。

图1 全连接工厂整体框架

2 5G工业网络构建

2.1 5G现状概述

在全球5G技术发展中，中国5G技术已经走在了世界的前列，尤其是在大规模商业应用层面。2018年以前处于技术的突破期，其后逐步进行了组网测试并取得了很大的成果。此后发展步伐逐步加快截止2019年，5G基站建设迅速展开建设，5G网络及硬件得到了迅速的发展。2020年以后，锁着技术的成熟三大运营商逐步获取了商用拍照，5G网络正式进入商用阶段。在5G通信技术研发之处，其瞄准的目标就是万物互联，并做为其基础进行布局。随着5G基础设施、网络的普及，在VR（虚拟现实）与AR（增强现实）领域得到了迅速的应用落地。5G的未来应用将不断向深水区推进。

2.2 5G工业组网方案

在工业领域一般存在两种建设模式，一种是基于基站﹢UPF下沉﹢企业公有云的建设模式，此种模式适合于新建工厂及对数据本地化要求程度低的企业。另一种模式是对于已经搭建有本地工业。

一方面在商用通信场景上将更加的深化，另外在工业领域也将实现底层边端工业设备的连接，在自动驾驶、智能家居、远程运维、超高清视频、等领域也将发挥其不可获取的作用。截止到2020年底，我国5G基站建设已经突破71.8万。目前来看我国5G产业布局较早，国内5G网络建设、5G产业技术专利和通信装备制造水平在全球看均暂时领先。十四五时期是我国5G产业快速发展的关键时期，也是全球5G产业全面竞争时期，我国5G产业高质量发展任重道远。在工业应用领域5G以其“大带宽、广连接、低时延”的特点，逐步打开了应用场景。

网络基础的情况，采用基于基站﹢切片﹢UPF下沉﹢企业私有云﹢边缘云MEC融合的建设思路来搭建5G网络。目前工业企业多采用图2所示的组网模式。下边将结合创维实际实施情况，详细对组网方案进行描述。

图2 5G网络企业级组网方案

第一步：5G宏基站构建

目前国内能够提供5G组网的供应商主要有移动、联通、电信三家。根据3GPP组织的规则，无线基站分为4类，分别是宏基站、微基站、皮基站和飞基站[6]。微基站、皮基站和飞基站，通常合称小基站或小站。

无线基站主要划分依据是功率和容量，其中：宏基站的功率在10 W以上，可同时接入用户数视基站规模而定，一般在1 000个以上。本文采用深圳电信宏基站硬件产品，其覆盖范围为5 000 m2。5G宏站设置在工业园区不同位置，通过宏站5G网络在园区内实现了网络引入。

第二步：5G专网切片

工厂厂区内的生产区域、办公区域分别建设多个5G基站，通过网络切片的方式实现企业专网应用，对不同的场景提供个性化的5G网络服务，如图3所示。具体的，通过5G专网切片为工厂的办公和生产提供便捷安全网络服务，解决了生产线设备联网和厂区专网安全等问题。

图3 5G网络切片示意图

第三步：5G室分部署

宏基站部署以后，要想将5G网络信号实现生产车间内部的全覆盖，还需要将室分信号部署至生产现场以满足网络需求。创维现场5G室分硬件选型：根据站点的基本网络需求和设备功能的应用要素，创维工业互联网5G网络建设设备选型为：电信RHUB型号：RHUB5923；PRRU型号：PRRU5936，其指标如图4。按照其覆盖能力，在生产区及办公区部署了69个室分微站，其详细情况如表1，图5为部署现场。

图4 室分选型简图

图5 室分现场部署图

创维现场对于室分的选型如图4所示，主要选型依据集中在模块、电架构、光架构等方面。

第四步：UPF下沉﹢边缘MEC

UPF（User Plane Function）是指用户面功能，将UPF下沉到企业机房，除了满足基本的流量转发、本地分流以外，更加满足企业数据超低时延高安全可靠等需求，是保证工业数据不出园区的一种技术手段。

MEC（Multi-Access Edge Computing）是指多接入边缘计算，实现边缘云侧数据采集、计算能力提供。是对工业现场实时计算需求的一种补充技术，可以高效的进行数据处理下发。在创维机房全下沉部署UPF﹢MEC，采用电信自研UPF设备，20 Gbps按需扩容，可满足工业园区数据高效处理、转发的需求，如图6所示。同时，采用中国电信自研MEC平台支持固定/移动网络接入、第三方能力/应用灵活部署以及边缘能力统一开放。依托业务与云端的协同运算，在网络传输上实现了较低的时延、上行下行的大带宽、云端的算力增强，有力的保障了业务能力。深圳电信建设高质量的5G专网为创维工业园区提供业务隔离、业务可靠性和高安全要求提供网络基础。

图 6 UPF+MEC技术路线示例图

2.3 本章小结

随着制造业数字化转型的深入以及制造工艺、品控的升级，采用5G技术来支撑制造企业全流程的网络需求已经是一种趋势。本节重点以创维工业现场的5G组网情况，从5G基站、切片、室分部署、UPF下沉、边缘MEC等方面介绍了5G组网的步骤。5G网络的组建，为全连接制造工厂模型提供了网络基础。

3 数字化制造平台DMSPlat构建

3.1 平台现状概述

工业互联网平台是面向制造业数字化、网络化、智能化需求，构建基于海量数据采集、汇聚、分析的服务体系，支撑制造资源泛在连接、弹性供给、高效配置的工业云平台[7]。工业互联网平台的构建规范及标准已有国家层面的标准以供参考。从平台服务能力来分，可以分为公共服务平台、行业性互联网平台、双跨平台等。在国内工业互联网平台已初具规模，诸如海尔、用友、东方国信、树根互联等，已经开始服务用户。但是由于制造业务等的复杂性，各个平台都未能做到兼容并蓄。因此，如何形成极具特色、如何形成良性的发展模式任然是工业互联网平台的重中之重。

3.2 平台建设方案

平台建设一般采用4层架构加1安全体系方案，创维立足彩电制造行业，基于应用一站式提供、功能模块化部署、流程并行协同理念，搭建了为制造全生命周期提供服务的制造平台，如下图7所示。下文具体介绍建设步骤。

图7 创维DMSPlat工业互联网平台框架示意图

第一步：技术架构搭建

技术架构是指平台的技术路线、技术选型，是搭建平台的技术基础。按照国家发布的工业互联网平台建设白皮书，核心架构一共有4层：

边缘层：主要作用是将制造生产端侧的各种各样的设备、传感器、摄像头、PDA、工控机、扫码器等产生的数据进行采集归一，为上层提供数据基础。创维平台重点构建了“协议解析”、边缘IES以解决协议多样、设备种类繁多带来的数据采集难题。

IaaS基础服务层：主要作用是对数据提供网络及存储服务，以基础设施（机房、供电、服务器、网络设备、存储设备）共建公有云/私有云中心数据汇聚。创维平台集成了了云操作系统、高斯DB数据库、Redis等。

PaaS平台服务层：采用SpringBoot﹢SpringCloud技术，提供的一套微服务解决方案，包括服务注册与发现，配置中心，全链路监控，服务网关，负载均衡，熔断器等组件，实现了一个快速、可扩展、可持久化、高吞吐量、低延迟、高并发，分布式系统[8]。平台服务层向下可以承接海量异构数据、向上可以支撑各种工业应用的开发。

SaaS应用服务层：是平台的服务层，主要是各种工业应用场景。创维平台在SaaS层基于开放环境部署应用，面向工业各环节场景，结合行业经验梳理出了制造环节应该具备的工业应用。搭载创维工业应用的DMSPlat数字化制造系统平台，是对内对外服务的最终输出。

第二步：工业应用开发

如第 3.1 章节描述，讲述了平台的建设架构。本章节主要描述在应用功能上平台应该具备的能力。一般来讲，工业应用种类的开发遵循的原则为“打通制造全流程、实现全域要素的互联”。创维平台在SaaS层为制造环节提供所需的BI生产可视化、APS计划排产、MES生产执行、WMS仓储管理、PMS工艺管理、QMS质量管理、EMS设备管理、FMCS能源管理、ISS智能安防，OA移动办公[8]等十大智能应用服务等制造环节必须具备的10个应用服务，以支撑5G全连接工厂制造场景拉通互联。下边具体讲述平台的应用及其主要功能。

1）计划排产系统（APS）

APS（Advanced Planning System）计划排产，主要进行月度计划排产、六日计划排产及生产作业计划的下达。系统根据产线产能信息，物料齐套信息，协助排产。APS计划排产系统的应用使得计划准确率及达成率有效提高，交付周期有效缩短。

2）仓储管理系统（WMS）

WMS（Advanced Planning System）仓储管理系统，是以生产企业的原材料、半成品或者成品为管理对象，提供核心的“收、发、存”业务，来实现管理过程的信息化。具体功能包含基础数据、库位设置、入库作业、入库质检、上架作业、出库作业、下架作业、移动端、BI等核心功能。系统向上通过接口连接ERP系统，实现订单数据、账务数据的交互。向下通过接口连接MES系统，实现物料的JIT配送等。共同打造了一个横向互联制造过程的仓储一体化管理系统。

3）制造执行系统（MES）

MES（Advanced Planning System）制造执行系统，作为制造企业生产过程的执行软件，是面向制造企业车间执行层的生产信息化管理软件。MES在功能建设上涵盖了生产从计划开始到成品出货的全流程信息化支持。包含计划管理模块、物料管理模块、工艺管理模块、生产执行模块、站点模块等，系统通过接口与外部数据交互。

4）工艺管理系统（PMS）

PMS（Advanced Planning System）工艺管理系统，是面向以工单为维度的产品制造工艺信息化管理的流程软件。PMS为具体的生产订单、工单提供包括新品导入、工艺路线设置、工艺BOM的管理、工时定额的设置及生产技术的改进等。对生产设备、环节、生产条件等的要求，通常是以工艺参数、工艺指导文件等的方式提供。通过PMS工艺管理系统，提高生产工艺的一致性，及可智能制造性。系统可通过接口与外部系统交互。

5）质量管理系统（QMS）

QMS（Advanced Planning System）质量管理系统，是面向制造企业在线质量管理的信息化软件。QMS系统以企业在生产中的产品在线质量管控、质量信息汇总、分析、预警、可视化为主要的建设内容，为企业产品质量提供全流程的保证及提供高层决策的输入。系统功能包括质检标准、在线抽检、在线质量判别、成品半成品批次质量报表等，系统通过接口可与外部系统进行数据交互，提升系统能力。

6）设备管理系统（EMS）

EMS（Advanced Planning System）设备管理系统，是面向制造企业生产设备管理的信息化软件。EMS可以通过对资产的管理，维护过程的记录及设备运行状态的监控等一系列功能，建立起一套完善的设备维修和设备效率分析系统，保障设备正常运行，提高设备利用效率。系统通过接口可与外部系统进行数据交互，提升系统能力。

7）能源管理系统（FMCS）

FMCS（Advanced Planning System）能源管理系统，是面向制造企业生产过程中能源使用情况管理的信息化软件。FMCS可以负责对能源的使用进行统计及状态监控。通过系统管理，达到提高能源利用率，降低能耗的目的。系统通过接口可与外部系统进行数据交互，提升系统能力。

8）智能安防系统（ISS）

ISS（Advanced Planning System）安防管理系统，是面向制造企业车间、工厂安全时是防控的信息化软件。ISS可以为提供包括人员追踪、区域禁入、时是记录、主动预警推送等功能，系统通过接口可与外部系统进行数据交互，提升系统能力。

9）办公管理系统（OMS）

OMS（Advanced Planning System）办公管理系统，是面向制造企业制造流在线管理的信息化软件。OMS可以项目管理、文件审批、移动办公、指标管理、OKR管理。

10）可视化看板系统（BI）

BI（Advanced Planning System）可视化系统，立足于工业应用系统数据可视化、数据分析等方面，为整个工业应用系统提供工厂级、车间级数据可视化看板服务。可实现生产可视化、质量可视化、计划可视化、追溯可视化、报表可视化等功能，如图8所示。系统功能扩展模块可实现数据智能分析，为上层决策者提供数据支撑，助力数字化转型。

图8 可视化大屏建设示意图

第三步：统一平台门户开发

所有数字化制造系统统一入口管理、单点登录、实时生产信息浏览、实时切换各地区信息入口，以满足“一站式”应用服务的数字化平台建设理念。平台登录门户设计如图9所示。

图9 平台统一门户建设示意图

3.3 本章小结

本章主要讲了数字化制造平台的构建步骤以及其应具备的能力，通过核心工业应用系统实现了线下流程的数字化，连接了面向工业生产制造全流程要素。进而实现了设备、系统互联互通，生产流程并行协同的平台目标。

4 基于平台的核心场景构建

数字化制造平台构建目的是实现对行业工业生产的服务，进而输出价值。因此在平台基础构建形成以后，只有通过平台立足企业生产过程中的痛点，狠抓“牛鼻子”问题，提炼出行业适用的、低成本的解决方案，对内实现企业的制造模式变革及基础夯实，对外赋能小微企业，才能使得本文提出的基于新技术的“一张专网、一个平台、核心场景落地”转型新模式良性的、不断迭代的发展。下文主要以创维场景应用为实践对象概要讲解新模式下互联工厂的核心应用场景解决方案。

4.1 5G感知式AGV智慧物流场景解决方案

1）业务场景痛点

小订单模式下，彩电生产运输频次增加，配送现场情况复杂，厂内AGV传统无线网络受环境较大。在这种情况下，以订单驱动的自主调度配送﹢AGV低故障高效率的感知式模式，已是数字化模式下物流运输需要突破的业务痛点。

2）业务场景方案

结合5G“低时延”的技术特点，依托数字化制造平台研发仓储管理系统，采用“5G﹢WMS﹢AGV”实现感知式的智能生产输送，园区物流智能化管理。WMS系统自主触发物流需求、视觉AGV自主智能路径规划，车辆预约管理系统管理物流车辆，实现生产运输场内到场外的智能化，大幅提升生产输送协同效率及降低AGV故障率，降本增效的同时创新了生产输送模式。图10为场景技术架构。

图10 5G+AGV场景建设技术路线框架示意图

4.2 5G预警式设备管理场景解决方案

1）业务场景痛点

彩电制造经过自动化升级后，各工序段存在众多多源、异构的设备；同时传统4G﹢有线的方式已经不能满足数量激增的设备联网问题。面对工厂设备封闭、接口异构、设备传统有线连接、人工盘点、无系统管理、设备数据价值挖掘难等突出问题，新型的5G设备管理应用模式，亟需落地。

2）业务场景方案

基于5G工业互联网网关对制造过程设备的多源异构数据协议进行解析，实现对设备的各项运行参数数据进行采集，数据通过创维5G传输，进入创维云边协同的本地服务中心，即创维DMSPlat数字化制造工业互联网平台，最终实现设备的预警式远程运维、设备盘点、OEE等。图11为场景技术架构。

图11 5G设备场景建设技术路线框架示意图

4.3 5G+VR远程运维场景解决方案

1）业务场景痛点

彩电订单模式逐步向小批量转变，混线生产成为了常态，频繁的转机生产，导致生产线及其核心工序协同生产的高精尖设备异常情况呈现升高趋势。目前处理方式为生产发现问题-停机-线下通知检修-检修到场排除故障-复产的模式。如果情况发生在总部基地以外，需安排技术专家出差处理。这种模式存在高额的人工成本、停产效率损失、协同性差等痛点。

2）业务场景方案

基通过5G﹢8K﹢VR/AR融合技术应用，搭建智慧检修平台，通过现场部署8K超高清摄像机对现场进行全面极低时延场景监控。实现工厂端生产线体设备、工艺、物流、人员、质量、安全等高清场景实时远程交互、全程跟踪、记录和回放，技术专家及管理者能远程全方位掌握智能工厂生产现场高效决策解决问题图12为场景技术架构。

图12 5G+VR场景建设技术路线框架示意图

4.4 5G工业视觉检测场景解决方案

1）业务场景痛点

彩电生产检测环节，视觉AI质检场景单条产线流量需求达240 Mbps，创维在10条产线应用视觉AI质检，峰值流量将高达2 400 Mbps，现有内网带宽无法承载如此高流量。如果网络拥塞将直接导致质检设备无法与云端通信，造成产线作业停顿。

2）业务场景方案

通过前端图像采集集-5G边缘云视觉检测软件平台-云端图像算法中心模式，在边缘端我们采用创维8K摄像机及360 °的远景摄像头采集生产现场的图片数据，数据经过创维5G无线网络向后台工业云平台传输，在平台侧作为AI视觉检测算法模型的输入，经由模型给出结果输出，即将算力在云端、控制在边缘，以快速响应产线需求。5G工业视觉检测将广泛应用在彩电整机视觉检测，如图13所示。

图13 5G工业视觉场景建设技术路线框架示意图

4.5 本章小结

本章主要介绍了在平台的能力基础上，创维在数字化制造环节，结合实际场景痛点打造的4个通用场景解决方案，场景经过实践已具备了对外赋能输出的价值。

5 结论

本文基于5G技术、8K技术、VR/AR技术，在“一张专网、一个平台、核心场景落地”的数字化建设理念下，形成了一套数字化转型模式的方法论，此模式在创维新型显示深圳制造基地进行了实践，取得了比较明现的效果，主要表现在三个方面。，具有重大的结果显示制造及跨厂区、本文的研究内容为行业在应用层面提供了一种新的、低成本的数字化互联工厂建设模式，对行业有积极的借鉴意义。

1）创维总部基地在制造环节实现了物料、计划、生产、设备、质量等核心生产要素实现了互联互通，创维实现了制造流程的数字化。

2）创维模式基于平台服务了广州基地、南京基地等，在验证平台服务能力的同时实现了创维跨地域的高效协同，同时对效率提升、质量提升、运营成本降低带了积极的促进作用。

3）目前数字化转型不断的向深水区推进，创维基于新型显示行业提出的互联工厂建设模式，对我国广大企业制定数字化升级路径具有借鉴意义。

4）模型中引入了5G技术、8K技术、VR技术等，对新技术在制造业的场景使用提供了场景试验田，对其产业链发展亦有促进作用。

未来，其一创维将继续丰富平台的应用场景，以数字化制造为基础，不断的向数字化研发、数字化供应链、数字化营销深入，提供解决方案，增加平台的服务能力。其二将创维模式向国内其余基地继续推广扩大影响力，进而完成上下游500家供应链企业的生态建设，形成家电行业工业互联网平台生态圈。其三与行业联盟、政府单位紧密合作，以期为其他行业的中小微制造企业提供转型方案。