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在數(shù)字化浪潮的驅(qū)動(dòng)下，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)的融合逐漸從理念普及走向應(yīng)用推廣，制造業(yè)智能化、柔性化、服務(wù)化、高端化轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢(shì)愈發(fā)明顯，對(duì)高性能、具有靈活組網(wǎng)能力的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需求日益迫切。2019年是5G商用的元年，5G具有媲美光纖的傳輸速度、萬(wàn)物互聯(lián)的泛在連接和接近工業(yè)總線的實(shí)時(shí)能力，正逐步向工業(yè)領(lǐng)域加強(qiáng)滲透，引發(fā)一系列融合創(chuàng)新應(yīng)用與變革，為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)帶來(lái)歷史性的發(fā)展機(jī)遇。

一、5G賦能柔性生產(chǎn)線

柔性生產(chǎn)線可以根據(jù)訂單的變化靈活調(diào)整產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)，是實(shí)現(xiàn)多樣化、個(gè)性化、定制化生產(chǎn)的關(guān)鍵依托。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，生產(chǎn)線上各單元的模塊化設(shè)計(jì)雖然相對(duì)完善，但是由于物理空間中的網(wǎng)絡(luò)部署限制，制造企業(yè)在進(jìn)行混線生產(chǎn)的過程中始終受到較大約束。5G將在兩個(gè)方面賦能柔性生產(chǎn)線：一是提高生產(chǎn)線的靈活部署能力。未來(lái)柔性生產(chǎn)線上的制造模塊需要具備靈活快速的重部署能力和低廉的改造升級(jí)成本。5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工廠，將使生產(chǎn)線上的設(shè)備擺脫線纜的束縛，通過與云端平臺(tái)無(wú)線連接，進(jìn)行功能的快速更新和拓展，并且自由移動(dòng)和拆分組合，在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的靈活改造。二是提供彈性化的網(wǎng)絡(luò)部署方式。5G網(wǎng)絡(luò)中的SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò)）、NFV(網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和網(wǎng)絡(luò)切片功能，能夠支持制造企業(yè)根據(jù)不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景靈活編排網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，按需打造專屬的傳輸網(wǎng)絡(luò)，還可以根據(jù)不同的傳輸需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)配，通過帶寬限制和優(yōu)先級(jí)配置等方式，為不同的生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供適合的網(wǎng)絡(luò)控制功能和性能保證。在這樣的架構(gòu)下，柔性生產(chǎn)線的工序可以根據(jù)原料、訂單的變化而改變，設(shè)備之間的聯(lián)網(wǎng)和通信關(guān)系也會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。

二、5G賦能云化機(jī)器人

云化機(jī)器人的基本特征是位于云端的控制平臺(tái)利用人工智能、大數(shù)據(jù)等先進(jìn)技術(shù)控制本地機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)。云化機(jī)器人會(huì)與云端平臺(tái)進(jìn)行信息量巨大的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，需要大速率、低時(shí)延、高可靠的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)支撐。5G將在三個(gè)方面賦能工業(yè)云化機(jī)器人：一是加強(qiáng)機(jī)器人之間的協(xié)同工作能力。5G為工業(yè)機(jī)器人之間的通信提供高速網(wǎng)絡(luò)支持，使機(jī)器人具備自組織與協(xié)同能力。工業(yè)機(jī)器人可以通過相互合作，完成過去單個(gè)機(jī)器人無(wú)法獨(dú)立完成的任務(wù)。另外，有更高權(quán)限的領(lǐng)導(dǎo)型機(jī)器人能通過5G網(wǎng)絡(luò)指揮一群執(zhí)行型機(jī)器人高效完成任務(wù)。二是使機(jī)器人更加敏捷、安全地與工人協(xié)作。5G高可靠、超低時(shí)延的特性能使機(jī)器人實(shí)時(shí)感知工人的動(dòng)作，靈巧地進(jìn)行反饋和配合，同時(shí)始終與工人保持安全距離，保證人機(jī)協(xié)作的安全。三是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。在高溫、高壓等某些不適合工人進(jìn)入的特定生產(chǎn)環(huán)境，工人可以在監(jiān)控中心通過5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程操作，同步、安全地完成預(yù)定工作目標(biāo)。

三、5G賦能工業(yè)AR/VR

未來(lái)工業(yè)AR將用于裝配過程指導(dǎo)、設(shè)備檢修等應(yīng)用場(chǎng)景，通過虛擬影像與真實(shí)視覺疊加直觀地呈現(xiàn)出操作步驟，幫助工程師縮短作業(yè)時(shí)間，降低錯(cuò)誤率。工業(yè)VR將輔助工業(yè)設(shè)計(jì)，使遠(yuǎn)程的工作人員進(jìn)入同一個(gè)虛擬場(chǎng)景中協(xié)同設(shè)計(jì)產(chǎn)品，也可以實(shí)現(xiàn)工廠的三維立體虛擬化展示，使管理人員全面了解工廠生產(chǎn)情況。超高清AR/VR視頻每秒容量高達(dá)百兆以上，目前的4G或Wifi網(wǎng)絡(luò)很難同時(shí)滿足穩(wěn)定、流暢、實(shí)時(shí)三方面的視覺體驗(yàn)要求。5G將在三個(gè)方面賦能工業(yè)AR/VR:一是使工業(yè)AR/VR終端更加輕便、價(jià)格更低。在復(fù)雜多變的工廠環(huán)境中，VR/AR終端需要具備高程度的靈活性和輕便性。基于5G的工業(yè)云VR/AR可以將數(shù)據(jù)和計(jì)算密集型任務(wù)轉(zhuǎn)移到云端處理，終端僅保留連接和顯示功能，大幅降低終端的重量以及造價(jià)。二是提升工業(yè)AR/VR的顯示效果。5G網(wǎng)絡(luò)高速率、大容量的特性將滿足AR/VR中高清圖像的海量數(shù)據(jù)交互，提升AR/VR設(shè)備的流暢度和清晰度，支撐8K分辨率、3D等極致顯示需求，使更加復(fù)雜的渲染效果得以呈現(xiàn)，讓使用者有更好的視覺感受。三是提高工業(yè)AR/VR的交互體驗(yàn)。工業(yè)AR/VR的發(fā)展方向是使用者通過交互設(shè)備與虛擬或現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，5G將滿足遠(yuǎn)程多人協(xié)同設(shè)計(jì)、虛擬工廠操作培訓(xùn)等強(qiáng)交互工業(yè)AR/VR的毫秒級(jí)低時(shí)延需求，增強(qiáng)用戶與用戶、用戶與環(huán)境之間的交互體驗(yàn)。

四、5G賦能實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控

在智能工廠中，生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集和車間工況、設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控愈發(fā)重要，能為生產(chǎn)的決策、調(diào)度、運(yùn)維提供可靠的依據(jù)。雖然NB-IoT、Zigbee等無(wú)線技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控中得到了一定程度的使用，但在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面都還存在各自的局限性。5G將在三個(gè)方面賦能數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控:一是促進(jìn)工廠內(nèi)海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳。大連接、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò)可以將工廠內(nèi)海量的生產(chǎn)設(shè)備及關(guān)鍵部件進(jìn)行互聯(lián)，并且提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集的及時(shí)性，為生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗管理提供網(wǎng)絡(luò)支撐。另外，工廠內(nèi)大量的環(huán)境傳感器可以通過5G網(wǎng)絡(luò)在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行溫度、濕度、亮度、空氣質(zhì)量、污染等信息狀態(tài)的上報(bào)，使管理人員能夠?qū)S房?jī)?nèi)的環(huán)境進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。二是支持超高清視頻監(jiān)控和機(jī)器視覺識(shí)別。5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)S房?jī)?nèi)高分辨率的監(jiān)控錄像同步回傳到控制中心，通過5G+8K超高清視頻還原各區(qū)域的生產(chǎn)細(xì)節(jié)，為工廠精細(xì)化監(jiān)控和管理提供支持。同時(shí)，智能工廠中產(chǎn)品缺陷檢測(cè)、精細(xì)原材料識(shí)別、精密測(cè)量等場(chǎng)景需要用到視頻圖像識(shí)別。5G網(wǎng)絡(luò)能保障海量高分辨率視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，提升機(jī)器視覺系統(tǒng)的識(shí)別速度和精度。三是提升工廠設(shè)備遠(yuǎn)程運(yùn)維能力。5G廣覆蓋、大連接、低成本、低能耗的特性有利于遠(yuǎn)程生產(chǎn)設(shè)備全生命周期工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，使生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)工作突破工廠邊界，實(shí)現(xiàn)跨工廠、跨地域遠(yuǎn)程故障診斷和維修。

五、結(jié)語(yǔ)

作為新一代無(wú)線通信技術(shù)， 5G網(wǎng)絡(luò)將為智能制造生產(chǎn)系統(tǒng)提供多樣化和高質(zhì)量的通信保障，促進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)海量信息的融合貫通。未來(lái)隨著5G網(wǎng)絡(luò)與制造業(yè)的融合走向縱深，其所帶來(lái)的變革既是生產(chǎn)過程的優(yōu)化，如可控性的提高、運(yùn)營(yíng)效率的躍升、生產(chǎn)成本與能耗的降低等，更將帶動(dòng)一系列革命性的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新模式在制造業(yè)中普及應(yīng)用。可以預(yù)見，在“5G+”時(shí)代，制造業(yè)智能化升級(jí)將更為全面和深入，以5G為核心的融合創(chuàng)新將成為我國(guó)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)力和強(qiáng)勁支撐。

作者簡(jiǎn)介

顧城天：中國(guó)信息通信研究院政策與經(jīng)濟(jì)研究所政策研究部工程師，從事5G、智能制造領(lǐng)域的政策研究工作。

聯(lián)系方式：guchengtian@caict.ac.cn

來(lái)源：中國(guó)信通院