基于“5G+VR”的制造業(yè)應(yīng)用研究

方珍

關(guān)鍵詞：5G；VR；制造業(yè)；應(yīng)用

1引言

2021年3月，“虛擬現(xiàn)實(shí)”（簡稱VR）技術(shù)正式列為“十四五”規(guī)劃中數(shù)字經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)，隨之迎來了全面高速發(fā)展的新時(shí)期，全國的VR產(chǎn)業(yè)得到飛速發(fā)展。同時(shí)，VR踩在了數(shù)字經(jīng)濟(jì)引擎切換、5G千兆普及、行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求井噴等風(fēng)口上，VR終端普及率越來越高，VR新應(yīng)用層出不窮，特別是在旅游、家庭娛樂、技能教育、醫(yī)療等方面涌現(xiàn)出新場景、新應(yīng)用。2019年，隨著5G商用牌照的發(fā)放，5G逐漸普及，高速率、低時(shí)延、廣連接的5G技術(shù)為各種遠(yuǎn)程、移動(dòng)場景提了優(yōu)質(zhì)的無線傳輸通道，為新的創(chuàng)新應(yīng)用提供了可靠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。在VR和5G技術(shù)雙重技術(shù)加持下，我國制造業(yè)也迎來了一波新的發(fā)展機(jī)遇。本文先對(duì)5G和VR技術(shù)在制造業(yè)的結(jié)合點(diǎn)和應(yīng)用場景進(jìn)行研究，再探討5G和VR在制造業(yè)的應(yīng)用問題和推進(jìn)措施。

2 5G和VR技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

VR技術(shù)是一門將虛擬和現(xiàn)實(shí)相互融合的技術(shù)，可以將現(xiàn)實(shí)生活場景中的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維模型720。虛擬化建模，因其將現(xiàn)實(shí)進(jìn)行虛擬化后再進(jìn)行呈現(xiàn)，故稱為虛擬現(xiàn)實(shí)。VR技術(shù)區(qū)別于一般的呈現(xiàn)方式，它將用戶帶人整個(gè)虛擬三維空間，獲得全量的視角，并可隨著用戶視角而改變，帶來沉浸式的視覺感受[2]。

5G技術(shù)提供三大場景能力，分別是增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（Enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量物聯(lián)網(wǎng)通信（Massive Machine Type Communication， mMTC）、超高可靠性與超低時(shí)延業(yè)務(wù)（Ultra Reliable&LowLatency Cormuunication，URLLC）。不同能力服務(wù)不同上層應(yīng)用，eMBB提供100 Mbit/s的用戶體驗(yàn)速率，面向超高清視頻[3]、VR，AR等場景。mMTC提供海量的物聯(lián)連接能力，典型應(yīng)用包括智慧城市、智能家居等。URLLC面向需要高可靠、低時(shí)延的業(yè)務(wù)，包括工業(yè)遠(yuǎn)程控制、ACV、無人駕駛控制等。

“5G+VR”廣泛應(yīng)用于娛樂、醫(yī)療、教育、文旅等領(lǐng)域，在千行百業(yè)中形成特色應(yīng)用，如VR看房、VR駕校、VR游戲等，直接將人帶入虛擬的場景中，沉浸式地進(jìn)行角色扮演，大幅度提高體驗(yàn)者的參與度，應(yīng)用效果顯著而深刻。

3 5G和VR技術(shù)的結(jié)合點(diǎn)

為了保證VR體驗(yàn)的流暢性，減少時(shí)延過大導(dǎo)致的眩暈感，基于云端VR模式需要VR應(yīng)用數(shù)據(jù)交互滿足端到端時(shí)延20毫秒以下[4]的傳輸延時(shí)，同時(shí)需要兼顧高速率和移動(dòng)性的網(wǎng)絡(luò)通信要求，滿足[30，100] Mbps寬帶的需求。由于開放頻率的通信手段（如無線Wi-Fi、藍(lán)牙等）受限于協(xié)議機(jī)制和頻段干擾等因素，容易造成卡頓和延時(shí)不穩(wěn)定的問題。

5G作為新一代的通信技術(shù)，通過利用5G切片技術(shù)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行資源隔離，對(duì)不同要求的數(shù)據(jù)包使用不同的網(wǎng)絡(luò)切片，賦予不同的傳輸優(yōu)先級(jí)策略和空口資源，可以保障VR的操控和圖像數(shù)據(jù)優(yōu)先低時(shí)延、高可靠傳輸。同時(shí)，通過將邊緣服務(wù)器設(shè)備（MEC，Mobile Edge Computing）下沉到應(yīng)用本地，如圖1所示，將VR應(yīng)用服務(wù)部署到MEC服務(wù)器上[5]，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量不出園區(qū)、不出工廠，進(jìn)而達(dá)到VR數(shù)據(jù)的低時(shí)延傳輸。

4VR應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

4.1VR全景直播技術(shù)

VR直播技術(shù)由VR全景攝像機(jī)、內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器、VR顯示端組成。全景VR攝像頭由多個(gè)攝像頭組合而成，形成一個(gè)多方向采集的前端攝像機(jī)，將獲取到的多方向圖片進(jìn)行投影平面變換，形成圖像基座，對(duì)基座進(jìn)行特征提取、特征匹配以及圖片融合、增強(qiáng)等，最后進(jìn)行投影映射編碼，即完成了多張照片的360。全拼接，通過拼接過的圖像，可以得到一個(gè)360。全景影像[7]。全景圖像拼接可在攝像機(jī)內(nèi)部或者遠(yuǎn)端服務(wù)器上完成，不同的方式對(duì)攝像機(jī)的硬件要求也不同。內(nèi)容分發(fā)服務(wù)器處理VR顯示端的播放請(qǐng)求，再將VR視頻內(nèi)容穩(wěn)定分發(fā)傳輸?shù)礁鱾€(gè)顯示端[7]。

4.2建模技術(shù)

建模技術(shù)是VR的基礎(chǔ)，包含虛擬環(huán)境和虛擬物品的構(gòu)建。通常而言，建?？煞譃閹缀谓?、物理建模、行為建模等。物品對(duì)象的幾何信息包含外形和形狀2個(gè)要素，一般由幾何建模來刻畫物體的外形狀態(tài)。物理建模主要刻畫對(duì)象的位移、碰撞、旋轉(zhuǎn)、形變等信息，實(shí)現(xiàn)模型動(dòng)態(tài)行為搭建。針對(duì)行為建模，除了設(shè)計(jì)模型外觀等，還需要關(guān)聯(lián)模型的物理特性，賦予模型一些特定行為特點(diǎn)，以模擬出一個(gè)逼真的物體。通過三個(gè)方面的建模，賦予建模物體外形和內(nèi)在的特性，從而營造出真實(shí)的感覺。建模技術(shù)產(chǎn)生的模型文件需要經(jīng)過三維渲染才可以更加真實(shí)地展示出來。三維渲染讀取建模輸出的模型文件，可以處理模型的表面數(shù)據(jù)、紋理數(shù)據(jù)、燈光效果、折射、透明、模型運(yùn)動(dòng)控等信息。

4.3信息交互技術(shù)

信息交互是VR的沉浸式效果的關(guān)鍵體現(xiàn)，強(qiáng)化人與虛擬場景的互動(dòng)，提高內(nèi)容的體驗(yàn)感是現(xiàn)在研究的一個(gè)重點(diǎn)?，F(xiàn)階段，VR交互手段大致可分8種，分別為動(dòng)作捕捉、觸覺反饋、眼球追蹤、手勢追蹤、方向追蹤、語音交互、傳感器交互和模擬場地交互[8]。其中，觸覺反饋是目前市面上VR設(shè)備采用的標(biāo)準(zhǔn)交互方式，使用多自動(dòng)度的雙手手柄進(jìn)行交互，在虛擬空間有操作手柄的影像和光標(biāo)，通過按動(dòng)手柄的按鈕即可進(jìn)行與虛擬空間的互動(dòng)。其他的交互方式在不同的場景下有不同的應(yīng)用優(yōu)勢，原理都是基于人的行為的信息采集，然后如實(shí)反饋并作用在虛擬空間上。

5 5G和VR技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用

5.1“5G+VR”全景遠(yuǎn)程操控

在制造業(yè)中，一些工作存在一定作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)，如高溫、攀爬等，使用遠(yuǎn)程操作的方法能大大降低勞動(dòng)者的風(fēng)險(xiǎn)，相關(guān)人員不用到達(dá)現(xiàn)場，將機(jī)器等操作設(shè)備放置在辦公室，配合VR技術(shù)的實(shí)時(shí)全景視角，營造人員在現(xiàn)場的感受，即可在辦公室遠(yuǎn)程操作機(jī)械設(shè)備。同時(shí)，通過5G邊緣云網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，在VR視角上疊加機(jī)器的工作狀態(tài)和警告信息，可以最大限度地為操作者提供全量的操作信息，未來現(xiàn)場人員操作最終會(huì)被取代，實(shí)現(xiàn)無人化、智能化生產(chǎn)的目標(biāo)。

5.2 VR培訓(xùn)

人員技能培訓(xùn)一直是企業(yè)職工能力提升的重要手段，受限于培訓(xùn)器材或場地、時(shí)間等因素，培訓(xùn)效果很容易受到影響。比如，往往出現(xiàn)一個(gè)教員在前臺(tái)演示完成，而由于距離等因素，臺(tái)下很多學(xué)員尚未看清或者弄明白就結(jié)束了，導(dǎo)致教員需要進(jìn)行反復(fù)講解。利用VR技術(shù)，將設(shè)備的所有零件虛擬化，遵循真實(shí)的流程，制作出對(duì)應(yīng)裝維VR流程，將一個(gè)個(gè)器件組裝起來，搭配VR手套和追蹤定位系統(tǒng)，人員從現(xiàn)場裝配變?yōu)樘摂M裝配，最后對(duì)整個(gè)裝配的結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)自動(dòng)打分評(píng)定。通過VR技術(shù)，培訓(xùn)所需實(shí)體資源更少，培訓(xùn)時(shí)間更加靈活，考核評(píng)定更加標(biāo)準(zhǔn)。

5.3 VR巡檢

大部分的工廠企業(yè)巡檢都是以人工登記為主，存在人員漏檢、實(shí)時(shí)性較差等問題。VR巡檢對(duì)需要巡檢的設(shè)備和位置進(jìn)行建模，通過在設(shè)備的不同位置加裝傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并與真實(shí)現(xiàn)場進(jìn)行融合，搭建起虛擬和真實(shí)結(jié)合的VR場景，場景既能實(shí)時(shí)顯示設(shè)備的數(shù)據(jù)，也可以調(diào)看現(xiàn)場的VR實(shí)景視頻圖像，以確定現(xiàn)場的具體情況。在發(fā)現(xiàn)問題的時(shí)候，可以立馬進(jìn)行VR場景內(nèi)的故障上報(bào)，并可保存人員的巡檢操作記錄，確保巡檢人員操作的正確性并規(guī)避漏檢和不檢的問題。

5.4虛擬制造

虛擬制造以仿真為主要應(yīng)用，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、加工、裝配、運(yùn)維等環(huán)節(jié)進(jìn)行建模之后[9]，形成虛擬的產(chǎn)品全流程制造過程。相關(guān)人員只需要在VR虛擬工廠中操作虛擬的3D模型，應(yīng)用手柄或者手勢，進(jìn)行模擬操作，完成原型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、試產(chǎn)、裝配流程模擬、運(yùn)維檢修等生產(chǎn)操作，操作結(jié)束后對(duì)操作過程進(jìn)行保存和分析，便可提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的問題和缺陷。虛擬制造為企業(yè)高效開發(fā)、優(yōu)化操作提供便利的工具，能縮短新產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，提前規(guī)劃產(chǎn)線的工藝流程、規(guī)劃維修步驟等，大幅節(jié)約企業(yè)的生產(chǎn)管理成本。

5.5虛擬孿生工廠

現(xiàn)階段，工廠運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)都是通過各類計(jì)量儀表和采集系統(tǒng)收集，集中展示在信息化界面中，展示方式多為二維平面方式。虛擬全景工廠利用三維建模軟件對(duì)全廠進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)、建筑和設(shè)備建模，同時(shí)對(duì)房屋外觀、地面、墻壁、吊頂、光源等模型進(jìn)行1：1還原，進(jìn)而在虛擬空間展示工廠全貌．，針對(duì)虛擬工廠，重點(diǎn)需要對(duì)廠內(nèi)的各類設(shè)備和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)，和實(shí)際運(yùn)行情況保持一致，真實(shí)和虛擬之間相互聯(lián)動(dòng)，打造虛擬VR孿生工廠。通過VR眼鏡，即可游覽整個(gè)虛擬全景工廠，在虛擬工廠中進(jìn)行相關(guān)操作，可實(shí)際作用到對(duì)應(yīng)的設(shè)備上。

6存在的問題

（1）相關(guān)設(shè)備品類偏少，產(chǎn)品笨重感強(qiáng)，造價(jià)偏高。受限于當(dāng)前5G產(chǎn)業(yè)鏈的不成熟，單5G通信模塊售價(jià)在千元左右，相較于4G通信模塊的價(jià)格貴了近十倍，因此目前支持5G通信的產(chǎn)品偏少，達(dá)不到大規(guī)模量產(chǎn)的要求。當(dāng)前，支持5G的VR眼鏡較少，如摩托羅拉發(fā)布的5G頸部可穿戴VR設(shè)備，目前仍然未到量產(chǎn)的程度。大部分的“5G+VR”應(yīng)用使用5G CPE進(jìn)行間接通信，且大部分VR設(shè)備仍然較為笨重，長期佩戴對(duì)眼睛和脖子的壓迫會(huì)帶來一定的健康問題。

（2） VR技術(shù)在制造業(yè)應(yīng)用起步較晚，總體水平還需要進(jìn)一步提高。國內(nèi)VR在制造業(yè)的應(yīng)用由于發(fā)展的時(shí)間短，而且技術(shù)經(jīng)驗(yàn)也不充足，總體水平還需要進(jìn)一步提高。制造業(yè)VR應(yīng)用處于摸索、打造新應(yīng)用場景階段。隨著我國的科技水平的不斷提高，相信我國的VR應(yīng)用將取得更大的進(jìn)步。

7如何提升5G和VR技術(shù)在工業(yè)制造業(yè)中的應(yīng)用水平

工業(yè)是我國的第一產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)，講究實(shí)效和成本，關(guān)注提升生產(chǎn)管理的“人、機(jī)、物、法、環(huán)”五要素。5G和VR作為輔助工具，著重在于優(yōu)化、改良企業(yè)的生產(chǎn)管理，提升企業(yè)人員管理或者培訓(xùn)的效率。比如，VR遠(yuǎn)程控制可代替很多機(jī)器的現(xiàn)場操作，工人不必在現(xiàn)場，遠(yuǎn)程即可方便地操控各種機(jī)器，提升了機(jī)器使用效率。VR孿生工廠在于整體生產(chǎn)的把控，將實(shí)際的產(chǎn)線情況與虛擬的產(chǎn)線同步顯示，更加直觀也更加利于企業(yè)的生產(chǎn)決策。

為提升5G和VR技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的使用水平，需要建立在卓有成效的“5G+VR”的應(yīng)用基礎(chǔ)上，發(fā)掘更加實(shí)用、有效的使用場景。隨著SG和VR行業(yè)產(chǎn)品的逐步成熟，將會(huì)有更多的應(yīng)用被工業(yè)企業(yè)采納、使用。

8結(jié)束語

VR技術(shù)是未來科技發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)方向，隨著VR終端產(chǎn)品的能力不斷提升、性能不斷增強(qiáng)，產(chǎn)業(yè)鏈即將成熟。目前，VR終端的普及率得到了大幅度提高，在導(dǎo)航、旅游、游戲、社交等多個(gè)場景已得到廣泛應(yīng)用。本文分析了在工業(yè)制造業(yè)場景中，VR技術(shù)和5G的關(guān)鍵技術(shù)、應(yīng)用場景和推廣應(yīng)用中的問題。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的趨勢推動(dòng)下，“5G+VR”技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈在逐漸成熟，未來將在工業(yè)領(lǐng)域有很大的發(fā)展空間。