張嵐嵐*

（中國商飛上海飛機(jī)制造有限公司，上海201324）

0 引言

5G（即5th Generation），是指第五代移動通信技術(shù)，是4G網(wǎng)絡(luò)的真正升級版，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：

大容量：5G通信技術(shù)將比4G實現(xiàn)單位面積移動數(shù)據(jù)流量增長1 000倍；高速率：5G峰值理論傳輸速度可達(dá)每秒10Gb，相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)速率的100倍；短時延：端到端時延縮短5倍；可接入：可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量增加10到100倍；低能耗：每比特能源消耗降至千分之一，低功率電池續(xù)航時間增加10倍。[1-3]

5G的到來不僅僅是解決基礎(chǔ)通信的問題，而是提供無限的信息接入，并且能夠讓任何人和物隨時隨地共享數(shù)據(jù)，開啟萬物廣泛互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時代，使個人、企業(yè)和社會全面受益。

1 5G在制造領(lǐng)域的應(yīng)用

工業(yè)4.0時代離不開5G技術(shù)的加持，根據(jù)移動通信設(shè)備商愛立信公司的報告，到2026年5G推動各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型產(chǎn)生的利潤將達(dá)到1.233萬億美元，其中制造業(yè)利潤占比19%，[4]排名第二，如圖1所示。但相比排名第一的能源和公共事業(yè)，制造業(yè)所需前期投資相比而言更少，因此5G與制造業(yè)結(jié)合將大有可為。

在制造領(lǐng)域，5G將支撐工業(yè)自動化控制、工業(yè)機(jī)器人、遠(yuǎn)程操控工業(yè)設(shè)施等應(yīng)用，有助于大幅提高生產(chǎn)力，減少人為錯誤，增加生產(chǎn)設(shè)施的靈活性，并降低成本。

圖1 5G推動各行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型利潤示意圖

2 5G在航空制造領(lǐng)域應(yīng)用示例

航空制造業(yè)是集制造業(yè)大成的國家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，而5G將成為“中國制造2025”背景下，航空制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級進(jìn)程中最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一，將充分滿足航空制造業(yè)新形勢下的多樣化需求，推動工廠向智能化轉(zhuǎn)型。結(jié)合未來工廠應(yīng)用，5G對航空制造業(yè)的賦能主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

2.1 物聯(lián)網(wǎng)

2015年，ITU（國際電信聯(lián)盟）確定5G名稱為IMT-2020，并規(guī)劃了三個主要應(yīng)用方向：增強(qiáng)移動寬帶（eMBB）、海量機(jī)器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（URLLC）。[5]在三個應(yīng)用方向中，mMTC和URLLC都指向萬物互聯(lián)。

5G技術(shù)可充分滿足物流網(wǎng)應(yīng)用場景所需的機(jī)器類通信、大規(guī)模通信、關(guān)鍵性任務(wù)通信[6]的高要求。根據(jù)《2018年中國5G產(chǎn)業(yè)與應(yīng)用發(fā)展白皮書》，到2025年中國物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)53.8億，其中5G物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)將達(dá)39.3億。[7]5G和物聯(lián)網(wǎng)的深度融合，進(jìn)一步應(yīng)用到航空制造領(lǐng)域，將使得生產(chǎn)各環(huán)節(jié)與設(shè)備之間高效協(xié)同，推動航空生產(chǎn)制造的自動化、智能化升級，為航空制造業(yè)帶來新的機(jī)遇。[8]

示例1：物料跟蹤

波音和空客公司都已將物聯(lián)網(wǎng)射頻識別（RFID）技術(shù)應(yīng)用于供應(yīng)鏈、飛機(jī)制造、倉儲和售后管理，以更好地識別、跟蹤和實時監(jiān)控物料。5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本等方面提供額外優(yōu)勢。在中國商飛的5G智慧廠區(qū)，基于RFID的全生命周期復(fù)合材料管控系統(tǒng)借助5G，將可實現(xiàn)實時讀取溫濕度數(shù)據(jù)、追蹤復(fù)合材料位置和零件信息。

示例2：產(chǎn)品數(shù)據(jù)收集和生產(chǎn)環(huán)節(jié)監(jiān)控

GE公司已成功將內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)改造成具備物聯(lián)網(wǎng)特性的智能網(wǎng)絡(luò)，可收集燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)在內(nèi)的所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)，并從根本上改變相關(guān)產(chǎn)品的運行和維護(hù)工作。在空客“未來工廠”實施計劃中，空客將物聯(lián)網(wǎng)整合到智能化加工及機(jī)械化系統(tǒng)中，應(yīng)用于裝配線以監(jiān)控潛在問題，并確保制造過程的準(zhǔn)確性。德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）生產(chǎn)技術(shù)研究所對飛機(jī)噴氣式發(fā)動機(jī)扇葉盤開展了測試，利用5G毫秒級的低時延能力和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時監(jiān)控生產(chǎn)過程，可將打磨時間縮短25%，同時質(zhì)量提升20%，預(yù)計每年可為工廠節(jié)省約2 700萬歐元。

2.2 工業(yè)自動化控制

自動化控制是航空工廠中最基本的應(yīng)用之一，其核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)對于通信時延、可靠性有極高的要求。[9]在生產(chǎn)過程中，如果時延過長，或在數(shù)據(jù)傳送中發(fā)生錯誤，將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢使得閉環(huán)控制應(yīng)用通過無線網(wǎng)絡(luò)連接成為可能。

示例1：工廠自動化

5G技術(shù)能夠通過增強(qiáng)對設(shè)備和機(jī)器的遠(yuǎn)程控制，提高工廠生產(chǎn)過程的自動化。譬如機(jī)器學(xué)習(xí)算法通過分析從傳感器和攝像機(jī)收集的數(shù)據(jù)，能夠迅速警告操作員操作不合規(guī)，并且系統(tǒng)可以實時自動校正錯誤。

示例2：遠(yuǎn)程檢查和維護(hù)

5G驅(qū)動的觸覺式網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可以幫助工作人員執(zhí)行遠(yuǎn)程檢查，遠(yuǎn)程維護(hù)和修理等任務(wù)。此項應(yīng)用在交通不便、荒涼或者危險的地區(qū)，不僅可以降低成本，還可以降低事故風(fēng)險。

2.3 VR/AR

VR和AR是對“現(xiàn)實”的再造和補(bǔ)充，是一種人類認(rèn)識事物的新方式。在航空智能制造轉(zhuǎn)型過程中，VR/AR技術(shù)將成為產(chǎn)業(yè)提質(zhì)增效的一個必然選擇。5G推動VR/AR發(fā)展的關(guān)鍵是高速率，這將有效打通VR/AR在傳輸方面的屏障，實現(xiàn)“無繩化”和“云VR/AR”。5G優(yōu)化云VR/AR體驗的核心是低延時，這將徹底消除VR/AR使用中帶來的眩暈感，提升體驗。

示例1：飛機(jī)裝配

目前，AR/VR已被飛機(jī)制造商應(yīng)用到了裝配過程中，譬如空客公司通過采用埃森哲公司研發(fā)的“智能眼鏡”，將AR技術(shù)應(yīng)用于毫米級精度的客艙安裝標(biāo)記工序。5G將全面優(yōu)化體驗，提升效率。此外，AR技術(shù)還可應(yīng)用于航空制造過程中的監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程、生產(chǎn)任務(wù)分步指導(dǎo)、遠(yuǎn)程專家業(yè)務(wù)支撐等場景。譬如中國商飛基于5G的AR輔助裝配與遠(yuǎn)程協(xié)助系統(tǒng)，將被應(yīng)用于輔助線纜裝配、輔助EWIS（電氣線路互聯(lián)系統(tǒng)）裝配乃至裝配全流程。5G和VR/AR將相輔相成，發(fā)揮關(guān)鍵作用。

示例2：人員培訓(xùn)

AR/VR和5G還可用于執(zhí)行和支持航空技能人員培訓(xùn)，能夠在安全的環(huán)境中模擬復(fù)雜的情況。它使培訓(xùn)更省時，更方便，并可顯著降低培訓(xùn)成本。

2.4 云化機(jī)器人

在航空智能制造生產(chǎn)場景中，云化機(jī)器人需要通過網(wǎng)絡(luò)連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對生產(chǎn)制造過程進(jìn)行實時運算控制。5G通信網(wǎng)絡(luò)是支撐云化機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)之一。

示例1：裝配線機(jī)器人控制

國內(nèi)外航空制造企業(yè)已開始將人工智能與生產(chǎn)制造相結(jié)合，以實現(xiàn)智能制造的新模式和新手段。波音公司在埃弗雷特工廠的總裝線采用了庫卡機(jī)器人公司設(shè)計的自動導(dǎo)引機(jī)器人技術(shù)，通過在機(jī)身內(nèi)外兩側(cè)設(shè)置進(jìn)行定位的機(jī)器人，進(jìn)行鉆孔和動態(tài)鉚接任務(wù)?？湛鸵苍谔剿黝惾藱C(jī)器人用于飛機(jī)組裝，通過開發(fā)新的可以計劃并控制精準(zhǔn)運動的算法，使機(jī)器人可以避免與其他物件發(fā)生碰撞，并完成復(fù)雜任務(wù)。5G允許操作人員實時遠(yuǎn)程監(jiān)控和調(diào)整機(jī)器人的行為，還可通過觸覺/視覺反饋連接工具，包括觸摸屏手套或VR/AR耳機(jī)等，與機(jī)器人實現(xiàn)實時的交互。

示例2：使機(jī)器人更安全

現(xiàn)有的機(jī)器人一般都會配備緊急停止按鈕，但是，如果在所需時間內(nèi)無法觸及該按鈕，則會帶來安全風(fēng)險。將來，通過5G連接無線控制，便可快速實現(xiàn)緊急停止。諾基亞和博世公司已在開發(fā)可通過5G連接無線控制的取放機(jī)器人。

2.5 其他

示例1：簡化工廠布局

5G時代，智能工廠的布局可能也會發(fā)生變化，由于布線的減少，重新配置裝配線將變得比以往更簡單。

示例2：實現(xiàn)未來工廠到個人的定制

工業(yè)4.0時代的5G技術(shù)將無縫連接整個工廠，人與人、人與機(jī)器和工廠都將保持聯(lián)系并依賴工業(yè)云提供的制造服務(wù)。并且，個人可以直接向工廠下訂單，從而完成定制生產(chǎn)，數(shù)字制造的潛力將得以充分發(fā)揮。

3 5G引領(lǐng)航空制造智能工廠新發(fā)展

3.1 智能工廠將突破內(nèi)外部界限

歐盟發(fā)布的《5G和未來工廠白皮書》[10]提出了未來5G在智能制造工廠的五大類具體應(yīng)用，給出了典型的示例進(jìn)行說明，并闡明了對制造業(yè)的潛在影響，如表1所示。

表1 5G在未來工廠的應(yīng)用和主導(dǎo)影響

結(jié)合國內(nèi)外5G在航空制造領(lǐng)域的現(xiàn)有應(yīng)用示例，可以預(yù)見，隨著虛擬工廠等創(chuàng)新概念的出現(xiàn)，工廠內(nèi)部和外部之間的界限將變得模糊，未來工廠將不再是孤立封閉的實體，而是更大價值鏈和生態(tài)系統(tǒng)的一部分，而5G將發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.2 工廠內(nèi)部系統(tǒng)將實現(xiàn)整合升級

傳統(tǒng)的智能制造系統(tǒng)（即信息物理系統(tǒng)）包含現(xiàn)場層、執(zhí)行層、控制層、管理層、企業(yè)層五層架構(gòu)，以流程為核心。底層數(shù)據(jù)傳輸通過工業(yè)總線進(jìn)行，但鑒于其有限的傳輸能力，信息實時交互難以實現(xiàn)。與此同時，頂層操作軟件相互獨立，信息跨層交互困難，流程優(yōu)化需耗費大量人力，全局最優(yōu)難以達(dá)成。

不同于傳統(tǒng)五層智能制造系統(tǒng)，中國商飛基于現(xiàn)有5G實踐，結(jié)合AI等技術(shù)，正加速探索以數(shù)據(jù)為核心的新型智能制造系統(tǒng)，分為感知執(zhí)行層、管理控制層、智能應(yīng)用層三層架構(gòu)。

在感知執(zhí)行層中，工廠中的萬物（人、設(shè)備、物料等）均通過5G終端，直接傳輸信號至工業(yè)云端，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型和容量都將顯著增加，除工業(yè)語言數(shù)據(jù)外，還包含高清圖片、模型、視頻等，數(shù)據(jù)傳輸效率大大提升。管理控制層部署工廠大腦（AI），不同于原有MES、ERP等系統(tǒng)的信息孤島，而是建立信息池，通過人工智能分析，找到生產(chǎn)制造的最佳路徑。智能應(yīng)用層同樣基于 AI，部署海量工業(yè)APP進(jìn)行流程重構(gòu)和優(yōu)化，并實施管理控制層產(chǎn)生的指令，如圖2所示。

圖2 基于5G的新型智能制造系統(tǒng)三層架構(gòu)示意圖

基于5G、以數(shù)據(jù)為核心的新型智能制造系統(tǒng)的建設(shè)，將實現(xiàn)航空制造智能工廠的內(nèi)部整合升級，突破數(shù)據(jù)傳輸壁壘和信息交互壁壘，重新定義航空智能制造，也將重新定義工業(yè)生產(chǎn)的方式。

4 啟示

在過去幾年中，各國已爭相開啟5G網(wǎng)絡(luò)的全球部署，5G技術(shù)正快速發(fā)展，但目前基礎(chǔ)建設(shè)尚未完成，標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程預(yù)計在2020年后才可實現(xiàn)。另外，AR、AI等相關(guān)技術(shù)也處于早期開發(fā)階段，有大量的技術(shù)和管理問題有待解決，預(yù)計至少還要五到十年的時間，一些應(yīng)用場景才有可能變成現(xiàn)實。但可以預(yù)見的是，在不遠(yuǎn)的將來，航空制造業(yè)將成為5G發(fā)揮效用的最佳案例。

為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級，航空制造業(yè)需加緊規(guī)劃和部署智能制造，借助信息化和自動化等技術(shù)手段，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，加速技術(shù)創(chuàng)新，提升領(lǐng)軍企業(yè)和重點產(chǎn)品在全球市場的競爭力。建議提前布局，推動5G與先進(jìn)技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的融合發(fā)展，創(chuàng)新5G工業(yè)應(yīng)用場景和應(yīng)用范圍，加速航空智能工廠的有效落地和實踐，從而充分發(fā)揮航空制造業(yè)對經(jīng)濟(jì)的帶動和引領(lǐng)作用。