□ 王 晉，顏浩龍

(湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410208)

2008年的全球金融危機讓全球各個國家政府意識到了實體經(jīng)濟的重要，特別是制造業(yè)成為了各國爭奪的戰(zhàn)略制高點，各國政府紛紛出臺了工業(yè)振興計劃。美國出臺“先進制造業(yè)國家戰(zhàn)略計劃”創(chuàng)建“國家制造業(yè)創(chuàng)新網(wǎng)絡”，由美國商務部、國防部等部門出資，在全國范圍內(nèi)建立制造業(yè)創(chuàng)新中心，旨在構建制造業(yè)“產(chǎn)政學研”聯(lián)合的基礎一動員并形成創(chuàng)新智能制造生態(tài)體系。德國出臺“工業(yè)4.0”戰(zhàn)略，德國政府在汽車工業(yè)和自動化工程方面的強大優(yōu)勢的基礎上，大有發(fā)展應用信息物理系統(tǒng)(CPS)，旨在提升制造業(yè)智能化水平、智能生產(chǎn)、智能物流為三大主題。日本出臺了“工業(yè)價值鏈計劃”，通過建立頂層的框架體系，讓不同的企業(yè)通過接口鏈接組成日本制造的聯(lián)合體王國，充分利用其發(fā)達的物聯(lián)網(wǎng)和機器人技術促進制造業(yè)發(fā)展。而我國則同期出臺了“中國制造2025”來振興我國制造業(yè)。

在國際形勢日益復雜的今天，具有自主知識產(chǎn)權的完整產(chǎn)業(yè)鏈成為各國確保社會經(jīng)濟發(fā)展的重要支撐，當前我國制造業(yè)規(guī)模雖大，但是很多產(chǎn)業(yè)鏈上的關鍵技術都掌握在發(fā)達國家手中，早日實現(xiàn)我國各產(chǎn)業(yè)鏈知識產(chǎn)權自有化是關鍵，隨著人工智能、5G、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的飛速發(fā)展，為我國制造業(yè)領域實現(xiàn)對發(fā)達國家的彎道超車提供了機會，特別是5G技術領域我國在世界上處于領先地位，如何充分利用我國在信息技術領域的部分優(yōu)勢來整合我國制造業(yè)的優(yōu)勢資源，從模式創(chuàng)新帶動產(chǎn)品升級、技術革新，實現(xiàn)關鍵技術與產(chǎn)品的升級。

1 文獻綜述

近年來,智能制造領域吸引了國內(nèi)外眾多專家學者關注。國內(nèi)專家史彥軍，韓俏梅，沈衛(wèi)明[1](2020)研究了包括人機界面、生產(chǎn)信息技術、流程自動化、工廠自動化、物流、設備監(jiān)控和維護等多個智能制造場景的5G應用，并給出了相關應用的5G邊緣計算開發(fā)框架。張云勇[2](2019)通過分析5G的全球部署、商用情況和5G面向產(chǎn)業(yè)發(fā)展的網(wǎng)絡特性，提出5G將不斷夯實萬物互聯(lián)基礎，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和多產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化融合。周佳軍，姚錫凡[3](2017)對基于云計算、大數(shù)據(jù)、信息物理系統(tǒng)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術的制造物聯(lián)、泛在制造、云制造、社會化企業(yè)、主動制造和智慧制造等幾種典型新興智能制造模式的產(chǎn)生背景、核心技術等方面進行了歸納總結，并對未來的發(fā)展趨勢做了展望。劉宗巍，張保磊[4](2019)研究了新技術條件下汽車產(chǎn)業(yè)智能制造C2B模式，并對汽車產(chǎn)業(yè)C2B模式與智能工廠相互交融、支撐所需要的軟硬件條件進行了分析。譚建榮，劉達新[5](2017)研究了智能制造的內(nèi)涵與關鍵技術的基礎上，并提出了從數(shù)字制造到智能制造的三大發(fā)展模式和具體技術途徑。Bo-hu LI,Bao-cun HOU[6](2017)從人工智能技術與信息通信技術、制造技術及產(chǎn)品有關專業(yè)技術等融合的基礎上提出了智能制造新模式以及智能制造系統(tǒng)體系架構和智能制造系統(tǒng)技術體系。唐堂，滕琳[7]對智能工廠方案與體系、數(shù)字孿生模型、制造執(zhí)行系統(tǒng)、智能制造執(zhí)行系統(tǒng)、全集成的系統(tǒng)概念、企業(yè)間價值網(wǎng)絡的橫向集成、全流程的端到端集成、網(wǎng)絡化的縱向垂直集成與網(wǎng)絡化制造進行了系統(tǒng)的研究，并例舉了我國智能制造的成功案例。

綜上所述,智能制造是當前世界各國工業(yè)競爭的重要戰(zhàn)略，國內(nèi)的專家學者對智能制造相關問題的研究較多,但是大部分是集中在智能制造的整體結構模式上,從5G的視角進行的相關研究還比較少見,本文嘗試從5G等新一代信息技術的視角來研究我國智能制造的新模式，為我國智能制造的早日實現(xiàn)提供新的思路和路徑。

2 智能制造的邏輯結構

智能制造是我國制造業(yè)水平整體提升發(fā)展的必由之路，如何實現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造的順利轉型，首先我們需要思考智能制造的內(nèi)涵是什么，智能制造與傳統(tǒng)的制造模式的本質區(qū)別在哪里,需要什么樣的新技術和基礎設施為前提條件等問題。

傳統(tǒng)制造模式主要有批單生產(chǎn)、訂單生產(chǎn)、定制化生產(chǎn)等，從供應鏈的角度來看有推動式供應鏈和拉動式供應鏈，當前主要的生產(chǎn)模式主要是拉動式供應鏈，即先取得客戶訂單，再根據(jù)訂單安排生產(chǎn)，以減少不必要的生產(chǎn)，降低庫存。定制化生產(chǎn)主要集中在大型設備行業(yè)，在中小型產(chǎn)品行業(yè)還做不到定制化生產(chǎn)，比如大規(guī)模個性化的手機生產(chǎn)現(xiàn)有的生產(chǎn)模式還做不到,產(chǎn)品的生產(chǎn)周期還比較長,還做不到全供應鏈的快速反應,特別是從零部件的生產(chǎn)到產(chǎn)成品的生產(chǎn)銷售這樣的長供應鏈還很難做到快速反應、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，而智能制造正是依托人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)等新技術的支撐下對現(xiàn)有生產(chǎn)模式的升級與革新，升級與革新的領域主要集中在產(chǎn)品、生產(chǎn)過程和生產(chǎn)裝備，實現(xiàn)產(chǎn)品智能化、裝備智能化和生產(chǎn)過程智能化。

世界工業(yè)的發(fā)展經(jīng)過了以機械制造為代表的工業(yè)1.0時代、以電氣化和自動化為代表的工業(yè)2.0時代、以電子信息化為代表的工業(yè)3.0時代,最后到以智能制造為代表的工業(yè)4.0時代。智能制造在我國近年來的發(fā)展形成了三個階段：一是數(shù)字化制造，也稱為第一代的智能制造，目前我國絕大多數(shù)企業(yè)還沒有完成數(shù)字化制造的轉型；二是數(shù)字化網(wǎng)絡化制造，即“互聯(lián)網(wǎng)+制造”，也稱為第二代智能制造，在德國的工業(yè)4.0和美國的“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”中都有成熟的數(shù)字化網(wǎng)絡化制造模式。在過去的幾年中,我國一批數(shù)字化制造基礎較好的企業(yè)較好的實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡化制造的升級改造,另外，大部分還沒有完成數(shù)字化制造改造的企業(yè)采用了數(shù)字化制造與數(shù)字化網(wǎng)絡化制造并行推進的升級辦法；三是數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造，也稱為新一代智能制造，是新一代人工智能技術與數(shù)字化網(wǎng)絡化制造的深度融合。因此,我國制造業(yè)智能制造轉型升級處于三種范式并行的現(xiàn)狀,并且隨著5G等新一代信息技術的飛速發(fā)展,這三種范式也在不斷的升級變化中。

我國制造產(chǎn)業(yè)當前的現(xiàn)狀是占行業(yè)企業(yè)比例極少的各行業(yè)的龍頭企業(yè)已經(jīng)基本初步實現(xiàn)了數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化制造,而絕大部分的中小型企業(yè)還處于數(shù)字化制造的改造過程中,沒有完成數(shù)字化網(wǎng)絡化制造的改造,占我國制造業(yè)絕大部分的中小型企業(yè)遲遲沒能接入各行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺中,就不能發(fā)揮全國制造業(yè)各類資源和相關科研院所的規(guī)模優(yōu)勢進入產(chǎn)品智能化、裝備智能化和生產(chǎn)過程智能化不斷升級的良性循環(huán)中?？梢?實現(xiàn)我國中小型企業(yè)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是我國制造業(yè)全面進入智能化升級的關鍵，而5G技術的成熟應用,進一步改善了制造業(yè)企業(yè)接入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的條件。

3 基于5G的智能制造新模式

5G網(wǎng)絡技術的到來使得我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設條件變得更加成熟。5G的高速傳輸速率支撐了多種智能制造新模式的運行。

3.1 個性化生產(chǎn)

隨著社會經(jīng)濟水平的不斷提升,消費者對產(chǎn)品的需要逐漸由功能性需求變化為了個性化需求,不僅要滿足基本的功能需求,還要滿足客戶個人對于顏色、造型、材質等方面的個性化的需求,在傳統(tǒng)的批量規(guī)?；a(chǎn)模式下是無法不增加生產(chǎn)成本的情況下實現(xiàn)個性化生產(chǎn)的，隨著信息技術的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)的單一生產(chǎn)線逐步向柔性生產(chǎn)線轉變,5G技術的出現(xiàn)有效的解決了供應鏈客戶端信息傳遞和生產(chǎn)線上信息傳遞的網(wǎng)絡延時問題。

在產(chǎn)業(yè)供應鏈的生產(chǎn)環(huán)節(jié),柔性生產(chǎn)對生產(chǎn)線上各智能設備的靈活移動性和差異化業(yè)務處理能力有很高要求,5G技術帶來的網(wǎng)絡傳輸能力的升級,助推了柔性生產(chǎn)的迅速推廣。生產(chǎn)工廠使用5G技術后,在大幅減少生產(chǎn)設備之間線纜成本的同時，充分利用5G可靠網(wǎng)絡的連續(xù)覆蓋能力，使工業(yè)機器人等智能設備在生產(chǎn)區(qū)域中移動不受限,根據(jù)需求到達各個地點,在不同的生產(chǎn)場景中進行不間斷生產(chǎn)和工作內(nèi)容的平滑切換。大型生產(chǎn)工廠中,不同的工作場景對網(wǎng)絡傳遞的具體要求不同,其中，高精度加工環(huán)節(jié)對信息傳遞的時延要求很高，關鍵性的生產(chǎn)任務必須確保網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、可靠性、大流量數(shù)據(jù)的即時傳遞與處理。5G技術采用端到端的切片技術實現(xiàn)同一核心網(wǎng)中提供不同質量的服務,根據(jù)需求靈活分配調整，如各生產(chǎn)設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上報就被設為最高優(yōu)先級的業(yè)務等級。

5G技術大大縮短了供應鏈終端產(chǎn)品用戶與生產(chǎn)、研發(fā)環(huán)節(jié)之間的距離，運用5G技術構建的供應鏈上各環(huán)節(jié)之間的高速信息傳遞公路,最終實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈上任何人和物在任何時間、任何地點都能實現(xiàn)全鏈上的信息高度共享。消費者的個性化需求可以即時準確的直接傳遞給產(chǎn)品設計師,不需要經(jīng)過多個環(huán)節(jié)來傳遞,從而可以避免信息傳遞過程中造成的失真現(xiàn)象發(fā)生,同時,產(chǎn)品設計師可能即時調用消費者的產(chǎn)品運行數(shù)據(jù),充分掌握消費者產(chǎn)品使用環(huán)境的真實參數(shù),設計出令消費者滿意的個性化產(chǎn)品,企業(yè)和消費者之間的關系從簡單的買賣關系變成了合作關系,消費者從多個環(huán)節(jié)參與到了設計、生產(chǎn)等各個生產(chǎn)流通環(huán)節(jié)中。

3.2 遠程維護

設備的維護在當前制造業(yè)服務化轉型發(fā)展的產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式下尤為重要,特別是大型制造企業(yè)的供應鏈的整條鏈條上經(jīng)常涉及到跨工廠、跨區(qū)域的生產(chǎn)設備和用戶產(chǎn)品維護的問題。5G網(wǎng)絡技術大帶寬、高速率、低時延的技術特點可以大幅提升維護效率和應用范圍，降低運維成本。5G技術進一步提高了萬物互聯(lián)的有效性,特別是對互聯(lián)萬物之間的信息交互變得更加暢通，使智能工廠的維護工作不再局限于工廠之內(nèi)。工廠的設備維護可以通過遠程控制由機器人來協(xié)作完成，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關技術的不斷發(fā)展,供應鏈上的每一個物體都會有自己唯一的IP，使供應鏈上流轉的每一個物料都具有信息，物料會根據(jù)自身的信息全自動的進行生產(chǎn)和維護，供應鏈上各個環(huán)節(jié)的人也會擁有自己的IP，人、設備和物料在整個供應鏈上的各個環(huán)節(jié)中進行信息的交互。機器人在協(xié)作管理工廠的同時,人可以在千里之外即時獲得相關信息，并與物理系統(tǒng)進行交互操作。

在應用5G網(wǎng)絡技術的環(huán)境下,當無人工廠中某設備發(fā)生故障時,無人工廠中值守的工業(yè)機器人會第一時間作出判斷,對于工業(yè)機器人能夠解決的故障，它會第一時間前往排除故障,而工業(yè)機器人不能解決的故障則會第一時間上報到對應級別的管理者，此時,管理人員無論在任何地方,都可以通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺遠程控制工廠內(nèi)的機器人或者指導現(xiàn)場維護工人進行故障修復。

5G網(wǎng)絡技術使得人和設備在處理復雜工作場景沒有網(wǎng)絡帶寬和延時的限制,即使在需要多人共同協(xié)作維護的工作情況下,不同地方的專家可以同時通過VR等遠程維護設備共同診斷設備故障。5G的超大流量可以滿足遠程維護設備的海量交互數(shù)據(jù)的傳輸需求,同時,供助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,所有相關的工業(yè)大數(shù)據(jù)和相關知識經(jīng)驗都存儲在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上,在遠程維護時，人和工業(yè)機器人可以借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上存儲的海量知識與經(jīng)驗進行故障分析與修復。

3.3 資源優(yōu)化配置

5G網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡切片提供適用于各種制造場景的解決方案，實現(xiàn)實時高效和低能耗，并簡化部署，為智能工廠的未來發(fā)展奠定堅實基礎。5G的網(wǎng)絡切片技術可以實現(xiàn)按需分配網(wǎng)絡資源，以滿足不同生產(chǎn)情景下的網(wǎng)絡需求,不同的工作場景對時延、網(wǎng)絡覆蓋、移動性、連接密度等有不同的要求,對5G網(wǎng)絡的靈活配置網(wǎng)絡資源的能力提出了更高的要求。

5G網(wǎng)絡技術最重要的特性是基于多種新技術組合的端到端的網(wǎng)絡切片能力，可以將所需的網(wǎng)絡資源靈活動態(tài)地在全網(wǎng)中面向不同的需求進行分配及能力釋放；根據(jù)服務管理提供的藍圖和輸入?yún)?shù)，創(chuàng)建網(wǎng)絡切片，使其提供極低的時延、極高的可靠性、極大的帶寬等特定的網(wǎng)絡特性，以滿足不同應用場景對網(wǎng)絡的要求。在創(chuàng)建網(wǎng)絡切片的過程中，需要調度基礎設施中的資源，包括接入資源、傳輸資源和云資源等，而各個基礎設施資源也都有各自的管理功能。通過網(wǎng)絡切片管理，根據(jù)客戶不同的需求，為客戶提供共享的或者隔離的基礎設施資源。由于各種資源的相互獨立性，網(wǎng)絡切片管理也在不同資源之間進行協(xié)同管理。在智能工廠原型中，展示了采用多層級的、模塊化的管理模式，使整個網(wǎng)絡切片的管理和協(xié)同更加通用、更加靈活并且易于擴展。

5G能夠優(yōu)化網(wǎng)絡連接，采取本地流量分流，以滿足低延遲的要求。每個切片針對業(yè)務需求的優(yōu)化，不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡功能特性的不同，還體現(xiàn)在靈活的部署方案上。切片內(nèi)部的網(wǎng)絡功能模塊部署非常靈活，可按照業(yè)務需求分別部署在多個分布式數(shù)據(jù)中心。原型中的關鍵事務切片為保證事務處理的實時性，對時延要求很高，將用戶數(shù)據(jù)面功能模塊部署在靠近終端用戶的本地數(shù)據(jù)中心，盡可能地降低時延，保證對生產(chǎn)的實時控制和響應。此外，采用分布式云計算技術，以靈活的方式在本地數(shù)據(jù)中心或集中數(shù)據(jù)中心部署基于NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡功能虛擬化)技術的工業(yè)應用和關鍵網(wǎng)絡功能。5G網(wǎng)絡的高帶寬和低時延特性，使智能處理能力通過遷移到云端而大幅提升，為提升智能化水平鋪平了道路。

4 結論

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是我國制造業(yè)實現(xiàn)智能制造升級的基礎，5G技術的出現(xiàn)升級了我國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的網(wǎng)絡環(huán)境,對生產(chǎn)設備接入、數(shù)據(jù)傳速、產(chǎn)成品工作數(shù)據(jù)上傳等智能制造模式創(chuàng)新的關鍵環(huán)節(jié)起到了重要的支撐作用。智能制造由產(chǎn)品智能化、裝備智能化和生產(chǎn)過程智能化三部分支撐起來,這三部分中最重要的是產(chǎn)品智能化和裝備智能化,而產(chǎn)品和裝備的研發(fā)要快速取得突破,就必須依靠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺,有5G技術的支撐，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將得到快速發(fā)展,通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將我國各行業(yè)的設備、數(shù)據(jù)、企業(yè)、科研院所都聯(lián)接到網(wǎng)絡平臺上,一方面,基于5G技術通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺將所有行業(yè)企業(yè)的設備、工業(yè)數(shù)據(jù)都收集到工業(yè)互聯(lián)平臺上，這樣我國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺就變成了我國不同工業(yè)行業(yè)的巨型操作系統(tǒng),為我國的科研工作者提供了研究數(shù)據(jù)與環(huán)境,有利于我國集中所有的智力來攻關瓶頸問題；另一方面,在5G技術的支持下,所有的工業(yè)產(chǎn)品在用戶手中的運行數(shù)據(jù)都可以實時傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺上,平臺能根據(jù)實時工作數(shù)據(jù)來監(jiān)控設備的運行狀態(tài),確保設備處于最佳運行狀態(tài)中。5G技術的實施,讓協(xié)同研發(fā)、網(wǎng)絡化制造、個性化制造等智能制造模式進一步升級。