5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)制造中的應(yīng)用

謝紅賢

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

5G+工業(yè)制造是指利用5G通信構(gòu)建新型工業(yè)生產(chǎn)模式，通過5G通信將人員、設(shè)備、系統(tǒng)等進(jìn)行連接，構(gòu)建全新的制造服務(wù)體系，加速中國新型工業(yè)化進(jìn)程。5G通信將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)以及邊緣計(jì)算等新興技術(shù)深度融合，形成云、網(wǎng)、邊、端全鏈條服務(wù)的體系，打造以5G為中心的泛智能集成設(shè)施，進(jìn)而與區(qū)塊鏈、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)/虛擬現(xiàn)實(shí)、全息影像等技術(shù)融合創(chuàng)新，支持各類工業(yè)場(chǎng)景和應(yīng)用。5G網(wǎng)絡(luò)將加速人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、邊緣計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而這些技術(shù)再融合創(chuàng)新共同支撐新工業(yè)的發(fā)展[1]。

1 5G+工業(yè)視覺技術(shù)

5G+工業(yè)視覺是一項(xiàng)綜合技術(shù)，是指在廠區(qū)及生產(chǎn)車間內(nèi)布置各類傳感器、攝像頭和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)終端設(shè)備，采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、人員行為、設(shè)備運(yùn)行狀況等數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)回傳至監(jiān)控管理中心，對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全方位檢測(cè)識(shí)別，為生產(chǎn)管理提供保障，如圖1所示。通過5G+工業(yè)視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用能有效減少危險(xiǎn)操作區(qū)域內(nèi)違規(guī)行為的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作能及時(shí)制止。

圖1 工業(yè)視覺

5G+工業(yè)視覺通過工業(yè)級(jí)要求的視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中加工工序、產(chǎn)品質(zhì)量等監(jiān)測(cè)，由于是用高科技智能替代普通人工，因此不存在人員疲勞、身體不適等原因?qū)е碌牟僮鞒鲥e(cuò)、效率降低、精度變差等問題。5G+工業(yè)視覺可以節(jié)省人力成本，通過高清攝像頭返回?cái)?shù)據(jù)給計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析計(jì)算。5G+工業(yè)視覺的檢測(cè)精度和檢測(cè)效率也要高于普通人工，主要通過高清攝像頭全方位采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)圖像和軟件識(shí)別結(jié)果。此外，5G+工業(yè)視覺的安全性更高。通過高科技設(shè)備管理現(xiàn)場(chǎng)，能夠很大程度上保護(hù)被檢測(cè)物體和檢測(cè)人員[2]。

5G+工業(yè)視覺的作用如下。

（1）提高操作安全性。面向無菌生產(chǎn)車間和控制閥門等危險(xiǎn)操作區(qū)域，能夠提高相關(guān)操作的安全性。

（2）降低違規(guī)發(fā)生率。通過5G+工業(yè)視覺檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，能有效防止危險(xiǎn)操作區(qū)域內(nèi)違規(guī)行為的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作能及時(shí)制止[3]。

（3）工序檢測(cè)。通常包含員工行為檢測(cè)和工藝流程檢測(cè)，避免因誤操作造成的質(zhì)量不穩(wěn)定問題。

（4）質(zhì)量檢測(cè)。通過尺寸、顏色、包裝等外形檢測(cè)，可有效避免因人肉眼疲勞導(dǎo)致的誤差問題。

（5）安全檢測(cè)。通過物料擺放、員工穿戴等檢測(cè)，可有效預(yù)防企業(yè)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

（6）設(shè)備故障診斷。通過現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭、傳感器實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到故障診斷系統(tǒng)，故障診斷系統(tǒng)對(duì)傳回的數(shù)據(jù)、圖像進(jìn)行診斷分析預(yù)測(cè)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)報(bào)警信息、診斷信息、預(yù)測(cè)信息、統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等的智能推送。

2 5G+無人運(yùn)輸

近年車企行業(yè)在研究車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)其實(shí)是以汽車作為載體而實(shí)現(xiàn)的服務(wù)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)車-車、車與路測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施、車與路人之間數(shù)據(jù)交互，需要強(qiáng)大穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)支持。自動(dòng)駕駛需要通過各類傳感器采集大量數(shù)據(jù)，在極短時(shí)間內(nèi)分析處理這些數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)。車聯(lián)網(wǎng)采用的技術(shù)有很多，其中5G技術(shù)一直被認(rèn)為是車聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇。5G技術(shù)相比于4G技術(shù)更先進(jìn)、速率更高、帶寬更大、延遲更低，基于5G網(wǎng)絡(luò)能更好地推進(jìn)無人駕駛體系完善。同時(shí)低時(shí)延、大帶寬的5G能夠提升物流車輛載入AI系統(tǒng)的效能，能夠在復(fù)雜的運(yùn)輸環(huán)境下實(shí)現(xiàn)物流運(yùn)輸自動(dòng)化[4,5]。基于5G網(wǎng)絡(luò)下的V2X車聯(lián)網(wǎng)物流傳輸場(chǎng)景具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于5G的車聯(lián)網(wǎng)物流傳輸結(jié)構(gòu)

全自動(dòng)化運(yùn)輸可以提高物流的效率，上游企業(yè)可以向用戶提供更多訂單，形成良性循環(huán)。5G是無人駕駛技術(shù)的基礎(chǔ)，能夠促進(jìn)無人駕駛技術(shù)的應(yīng)用，也能夠促進(jìn)新型物流的發(fā)展，5G通信技術(shù)將影響全新物流的發(fā)展。全自動(dòng)化的物流運(yùn)輸包括物流汽車無人駕駛、車隊(duì)編號(hào)行駛、物流控制節(jié)點(diǎn)管控等。物流車輛運(yùn)輸過程中，汽車內(nèi)置CPE處理器，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)輸路徑的規(guī)劃，通過對(duì)行車環(huán)境的分析計(jì)算響應(yīng)來遠(yuǎn)程控制車輛行駛，這樣更加安全和高效[6-8]。5G高速率、低延遲的特性可以使運(yùn)輸車輛突破視覺感知和數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享等技術(shù)瓶頸，幫助實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化的物流運(yùn)輸。

3 5G+智慧工廠

通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，進(jìn)而制定并安排合理有效的生產(chǎn)計(jì)劃和策略。為了實(shí)現(xiàn)工廠智能化，需要將工廠內(nèi)各種設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。由于現(xiàn)有設(shè)備多、生產(chǎn)環(huán)境復(fù)雜、施工難度大且傳統(tǒng)光纖通信成本高，因此很難實(shí)施。5G通信網(wǎng)絡(luò)具有高速率、低時(shí)延、大帶寬的特性，能很好地滿足工業(yè)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的要求。通過5G網(wǎng)絡(luò)可以將工廠內(nèi)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)圖像等信號(hào)傳送到監(jiān)控管理中心，管理者根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)合理分析、控制、分配，實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理全面升級(jí)。5G網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的傳感器、處理器等連接起來，使機(jī)器之間可以進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)更多功能和復(fù)雜工作。設(shè)備點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，通過管理平臺(tái)對(duì)多工廠終端設(shè)備進(jìn)行集中管理和監(jiān)控維護(hù)。產(chǎn)品創(chuàng)新為制造業(yè)的生存之本，5G可以助力產(chǎn)品升級(jí)換代[9-12]。

5G+智慧工廠應(yīng)用的總體架構(gòu)主要包括4個(gè)層面，即數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺(tái)層以及應(yīng)用層，如圖3所示。

圖3 5G+智能工廠結(jié)構(gòu)

3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行情況、車間工況、運(yùn)營環(huán)境、生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的各類運(yùn)行維護(hù)信息服務(wù)和管理信息等，其本質(zhì)是利用傳感、監(jiān)控技術(shù)對(duì)工廠內(nèi)的多種設(shè)備、服務(wù)系統(tǒng)、運(yùn)營環(huán)境、生產(chǎn)人員等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集傳輸。同時(shí)，通過邊緣計(jì)算技術(shù)將采集到的一部分?jǐn)?shù)據(jù)在邊緣側(cè)進(jìn)行分析處理，并直接將結(jié)果返回到設(shè)備，指導(dǎo)設(shè)備運(yùn)行。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是為平臺(tái)層和應(yīng)用層提供更好服務(wù)的保障。大連接、高速率、低時(shí)延的5G通信網(wǎng)絡(luò)將工廠內(nèi)各種生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行連接，實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理提供支撐。智能化工廠內(nèi)將會(huì)安裝大量的傳感器等，這些設(shè)備采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)都可通過5G網(wǎng)絡(luò)在極短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行上報(bào)，使管理人員能夠?qū)S內(nèi)的設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。同時(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑸a(chǎn)監(jiān)控錄像傳送到控制中心，通過監(jiān)控視頻檢測(cè)各設(shè)備生產(chǎn)細(xì)節(jié)，為工業(yè)生產(chǎn)智能化管理提供支持。檢測(cè)生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是否存在缺陷、識(shí)別原材料是否符合標(biāo)準(zhǔn)等。利用5G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崟r(shí)傳輸高清晰的視頻圖像，提升工業(yè)視覺系統(tǒng)靈敏度。

3.3 平臺(tái)層

基于5G技術(shù)的平臺(tái)層建設(shè)是智能制造實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步升級(jí)的核心，主要包括以GPU、海量存儲(chǔ)和彈性計(jì)算為主的工業(yè)云服務(wù)和以圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)服務(wù)、智能決策為主的解決方案庫。其中基于5G網(wǎng)絡(luò)的云服務(wù)能夠助力工業(yè)開發(fā)新的App，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)升級(jí)。

3.4 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要承載5G背景下智能制造的技術(shù)轉(zhuǎn)化工作，基于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、高速率的特性研發(fā)出來的行業(yè)應(yīng)用App可滿足企業(yè)數(shù)字化和智能化的需求。其中，視頻監(jiān)控、視頻分析、VR遠(yuǎn)程交互、雙目相機(jī)同步以及AR遠(yuǎn)程協(xié)助等是現(xiàn)在工業(yè)行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的場(chǎng)景。

4 結(jié) 論

5G網(wǎng)絡(luò)具有高速率、大帶寬、低延遲的特性，可以助力實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。除此之外，5G網(wǎng)絡(luò)與云計(jì)算、人工智能技術(shù)的結(jié)合將為智能化工業(yè)生產(chǎn)管理提供更實(shí)時(shí)、完善的信息資源和便利，為建立完善的智能化移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。