靳欣欣

(1.深圳賽西信息技術有限公司，廣東 深圳 518057；2.中國電子技術標準化研究院，北京 100176；3.中國信息通信研究院，北京 100191)

0 引言

裝備制造業(yè)涉及航空制造、船舶制造、汽車制造與工程機械制造等重要領域，具有產品構件規(guī)模大復雜化、設計不確定性大、生產“小批量定制化”、質量檢測種類多等特點，迫切需要提高設計可靠性、生產裝配的協(xié)同性與精密性等，數字化、網絡化、智能化、精益化升級潛力巨大。本文對裝備制造業(yè)各個環(huán)節(jié)面臨的痛點及對5G 的需求進行研究，梳理5G 主要應用場景，介紹遠程協(xié)作、視覺識別與檢測、AGV 物流、生產流程透明化等典型場景中5G 的應用與效果，最終對裝備制造業(yè)開展5G 應用面臨的主要問題進行了分析并提出建議。

1 裝備制造業(yè)在各個環(huán)節(jié)面臨的主要痛點

在設計環(huán)節(jié)，航空航天、汽車制造等裝備制造業(yè)設計任務繁重，除了裝備的配件、結構件、材料等構成復雜外，還面臨著緊急訂單、插單等臨時問題，需要更加靈活協(xié)同可靠的設計模式。

生產制造環(huán)節(jié)涉及采購、制造、安調以及試驗等，延續(xù)時間長。產品結構復雜度高、產品體型大，具有技術要求高、安全標準嚴格、成本投入大等特點，對百萬量級生產資源的協(xié)同生產和泛在感知需求較高，需要信息覆蓋更加全面、加工過程信息參數控制更加精密的模式和手段。另外，裝備制造業(yè)產品組裝較為復雜，對于工人素質與協(xié)同性要求較高，需要有效的手段實現快速、專業(yè)組裝。

在質量檢測環(huán)節(jié)，近些年，用工成本升高，需結合新一代通信技術、人工智能等技術替代人力，實現產品質量、裝配準確性等的快速識別、定位，提升質量檢測的可靠性和效率。

在產品運維環(huán)節(jié)，裝備制造業(yè)的產品運維環(huán)境復雜、多樣化，人員素質參差不齊、設備分布分散、運維環(huán)節(jié)復雜，造成服務無法標準化、時效性不足、專業(yè)性不足等問題。需結合新一代信息技術、VR/AR、人工智能等實現產品及時有效維護。

2 裝備制造業(yè)對于5G 的需求

面向“小批量、多樣化、個性化”的整體生產趨勢以及“全鏈條、多維度”的供應鏈協(xié)同趨勢，需能夠滿足多線程靈活調配、全鏈條智能監(jiān)控、廣泛數據可靠傳輸等需求的手段，實現生產、供應鏈管理、安全管控等的網絡化、自動化、智能化、無人化、遠程化[1-2]。如表1 所示，裝備制造業(yè)在供應鏈協(xié)同、生產柔性化、靈活化、高效傳輸等方面對于5G 存在需求。裝備制造業(yè)對于5G 的需求大致可分為信息采集與工業(yè)控制、柔性化需求、遠程協(xié)同、視覺識別與檢測。

表1 裝備制造業(yè)面臨痛點對5G 的需求

在信息采集方面，工業(yè)設備自動化、智能化水平不斷提升，一是控制器、傳感器和執(zhí)行器等存在海量網絡連接需求，加之AI 在柔性生產、質量檢測、故障預警等場景加速應用，大規(guī)模信息傳輸與處理需要高效網絡支撐；二是裝備工業(yè)對安全與協(xié)同效率要求高，對于網絡延時要求高，工業(yè)控制一般要求時延應小于20 ms；三是大帶寬與實時傳輸并行的普遍場景要求。以視覺識別為例，單機處理能力有限，設備利用率也相對有限；服務器模式下以太網傳輸協(xié)議時延較大且不穩(wěn)定，識別效率受限；另外識別準確度和圖像的清晰度息息相關，但圖像清晰度越高，所占內存越大，現有網絡無法同時滿足圖像傳輸的高清與低延時需求，引入5G 技術后，可以在保障高清圖像基礎上，保障高清圖像傳輸的低時延。再以用于安全監(jiān)控的360°4K+視頻為例，要求網絡速率大于60 Mb/s。因此，裝備信息業(yè)需5G 提供有效、可靠的信息數據采集基礎保障，保障高清圖像、視頻、數據等多種信息實現可靠的實時傳輸，為大規(guī)模數據的匯聚分析提供支撐，用于設備的預測性維護、人員安全的智能預警、云化機器視覺識別檢測/巡檢、資產的有效監(jiān)管等。

在柔性應用方面，機器人、無人機等智能化設備在物流、柔性生產有廣泛應用，目前采用工業(yè)Wi-Fi 等網絡連接方式實現AGV 小車的定位與數據回傳，但Wi-Fi切換會使得AGV 在調度過程中會出現丟包的情況，另外環(huán)境變化會影響激光定位，帶來識別沖突。利用5G網絡，AGV 小車通信可靠性提升，抗干擾性更強，丟包率低。另外，在時延方面，以巡防無人機為例，時延一般應小于20m s。5G 結合邊緣計算技術，將推動柔性化生產，加快不同設備、不同環(huán)節(jié)的無縫連接，在工業(yè)控制、物流追蹤、柔性制造等場景起重要支撐作用[3]。

在遠程協(xié)同方面，已有一系列成熟的研發(fā)設計技術(如CAD、CAE、CAM、CAPP、PLM 等)，實現計算機輔助下的設計、仿真、試生產，降低樣品試制成本，縮短產品研發(fā)周期。但是此類技術仍不能有效整合較為分散的設計人才、設計資源，協(xié)同起設計、生產等不同環(huán)節(jié)的需求。VR/AR 技術能夠將設計模塊虛擬后，在5G 支撐下，結合協(xié)同設計平臺，實現不同地點、不同環(huán)節(jié)的資源、人員協(xié)同，實現全環(huán)節(jié)、全時域的信息共享，提升設計的效率和可靠性。

另外，供應鏈協(xié)同要求工廠間實現高質量無線連接，對工廠外的公網覆蓋質量提出要求。同時，出于競爭和安全的考慮，企業(yè)對網絡自主建設提出更高要求，并要求將數據控制在企業(yè)內部。通過虛擬專網與切片等技術能夠實現網絡的分隔和資源分配，保障數據安全和不同業(yè)務的需求。

3 5G 在裝備制造業(yè)的典型應用場景

5G 網絡較傳統(tǒng)Wi-Fi 網絡有授權頻譜，干擾相對較??；有較完備的移動性管措施，切換、重選、漫游，滿足工業(yè)移動性要求；有基于集中多用戶調度的QoS 保障措施；支持雙向認證，安全更有保障[4]。面向裝備制造業(yè)生產資源規(guī)模大、工藝復雜、技術要求高等特點，結合AR/VR、高清視頻、人工智能等技術，5G 可以應用在協(xié)同設計、遠程運維、生產全流程追溯、視覺識別與檢測、安全監(jiān)控等多個場景。5G 在裝備制造業(yè)可應用的業(yè)務場景主要如圖1 所示。

圖1 5G 在裝備制造業(yè)應用的典型場景

下面以遠程協(xié)作、柔性物流、視覺識別等幾個典型場景為例，說明5G 在裝備制造業(yè)應用。

3.1 5G 在AR/VR 設計與協(xié)作的應用

結合5G、3D 建模、VR/AR/MR 等技術，由計算機提供強大的建模和仿真環(huán)境，使產品的零部件從設計到工藝到生產及裝配過程各環(huán)節(jié)的內容都在計算機上仿真實現，進行優(yōu)化或系統(tǒng)設計，使產品研發(fā)的信息貫穿至各環(huán)節(jié)充分共享，實現在設計環(huán)節(jié)的實時仿真、虛擬裝配，在設計接口、部件外觀大小等方面有效銜接產品實際裝配、產出時的能效，提升設計效率，減少設計失誤。中國商飛與中國聯通合作，建成基于5G 和AR/VR 技術的協(xié)同研發(fā)設計場景，實現設計研發(fā)裝配以及跨區(qū)域的快速協(xié)同，縮短了20%設計周期，壓縮了30%設計成本[5]。

以協(xié)同運維為例，5G+AR/VR 遠程運維系統(tǒng)性能一般可以支持超高清4K 分辨率，視頻碼率可至40 Mb/s；支持P2P 音視頻傳輸協(xié)議，遠程協(xié)助系統(tǒng)端到端總延遲不超過1 s；支持視頻實時傳輸、實時語音通話，丟包率小于10-5。網絡部署方案如圖2 所示。

圖2 遠程運維網絡拓撲示意圖

如圖3 所示，5G 協(xié)同運維系統(tǒng)分為遠程指導與協(xié)同、現場運維、云服務3 個部分。遠程運維系統(tǒng)通過5G網絡，實現端到端的有效傳輸，云VR 將內容存儲及圖像渲染遷移至云端，VR 頭顯設備只需具備解碼、呈現及網絡接入的能力，5G 網絡可為云VR 定制大帶寬與低時延的網絡，以保證云VR 用戶的良好體驗。另外，結合MEC 可根據云VR 用戶接入的位置進行邊緣節(jié)點尋址，實現終端到邊緣節(jié)點的路徑最優(yōu)，從而降低傳輸時延，以保證云VR 用戶的良好體驗[6]。

圖3 5G AR/VR 遠程協(xié)同系統(tǒng)架構示意圖

3.2 5G 在AGV 物流的應用

5G 在AGV 物流應用的網絡拓撲示意圖如圖4所示。部署5G 室外宏站和室分系統(tǒng)，結合MEC 部署UPF 滿足延時要求，融合大數據、人工智能、云計算等技術，集成超高清智能識別攝像頭、視覺導航系統(tǒng)、物流裝卸設備等，將AGV 小車打造成為實時感應、安全識別、多重避障、智能決策、自動執(zhí)行等多功能的新型智能工業(yè)設備。

圖4 5G 在AGV 應用的網絡拓撲示意圖

對于5G 技術在AGV 場景的應用，經過研究對比，如表2 所示，在連接設備較多、移動場景下，5G技術的優(yōu)勢顯著強于Wi-Fi[4]。

表2 5G 在AGV 應用中與Wi-Fi 性能對比[4]

利用5G+MEC+AI 視覺識別代替激光雷達等，不受場地和限制，部署更加靈活，提高安全性和效率。AGV能夠實時接收/發(fā)送位置信息到管理平臺，后臺基于大數據運算，精準地設置AGV專屬路線，AGV 前往指定貨架，并搬運貨架到裝載區(qū)，承包“粗活重活”，節(jié)省貨物輸送的時間。通過5G 和云計算，把AGV 上位機運行的定位、導航、圖像識別及環(huán)境感知等需要復雜計算能力需求的模塊上移到5G 的邊緣服務器，以滿足AGV 日益增長的計算需求，而運動控制/緊急避障等實時性要求更高的模塊仍然保留在AGV 本體以滿足安全性等要求，實現AI 能力的靈活拓展。

3.3 5G 在視覺識別與檢測的應用

5G 在視覺識別與檢測應用的網絡拓撲示意圖如圖5所示。通過內嵌5G 模組或部署5G 網關等設備，實現工業(yè)相機或激光掃描儀的5G 網絡接入，實時拍攝產品質量的高清圖像，通過5G 網絡傳輸至部署在MEC 上的專家系統(tǒng)，專家系統(tǒng)基于人工智能算法模型進行實時分析，對比系統(tǒng)中的規(guī)則或模型要求，判斷物料或產品是否合格，實現缺陷實時檢測與自動報警，并有效記錄瑕疵信息，為質量溯源提供數據基礎。同時，專家系統(tǒng)可進一步將數據聚合，上傳到企業(yè)質量檢測系統(tǒng)，根據周期數據流完成模型迭代，通過網絡實現模型的多生產線共享。

圖5 5G 在視覺識別應用的網絡拓撲示意圖

經應用測試，在MEC 環(huán)境下，5G 在視識別與檢測應用能夠有效提高質檢過程的安全性、準確性、穩(wěn)定性與效率，降低人工成本。對于數量識別、標簽文字識別、標識識別、顏色識別、正反識別以及表面裂紋、磨削廢料、壓力損傷、挫傷等的準確率基本能夠達到99%以上[7-8]。

3.4 5G 在安全監(jiān)控的應用

如圖6 所示，在生產區(qū)域部署攝像頭與MEC 網關，支持多協(xié)議，充分利用園區(qū)原有的監(jiān)控設備、傳感設備，內置5G 模組或部署5G 網關等設備，將傳感器、攝像頭、數據監(jiān)測終端接入5G 網絡，對環(huán)境、人員行為工作、設備運行狀態(tài)等數據進行采集監(jiān)測。在云端進行模型訓練、在邊緣側進行分析處理與響應，對設備不正常狀態(tài)、人員不安全行為、環(huán)境不安全因素等進行實時監(jiān)控與緊急預警，有效降低設備監(jiān)控成本、提高設備運行穩(wěn)定性，實現對生產現場的全方位智能化監(jiān)測和管理，為安全生產管理提供保障。

圖6 5G 在安全監(jiān)控應用的網絡拓撲示意圖

經過研究，結合云計算、邊緣計算等技術搭建的5G安全監(jiān)控系統(tǒng)，定位精度小于10 m，時延小于10 ms，可靠性在99.9%以上，檢測準確性可達到99%，與之前相比提高了3%[8]。

3.5 5G 在生產全流程透明化的應用

裝備制造業(yè)的生產工藝復雜，生產過程數據采集不完全、不同步等會造成訂單進度不透明、多線條生產協(xié)同差等問題，造成生產效率低、庫存成本高等。如圖7 所示，綜合應用5G、人工智能、網絡虛擬化等技術，改造升級協(xié)同作業(yè)設備及系統(tǒng)，通過智能傳感器、智能攝像頭、智能裝備等設備對生產過程數據進行采集，通過內置的5G 模組或者部署5G 網絡實現數據的實時傳輸，結合AI、仿真技術等實現對現場實際生產的模擬、分析、優(yōu)化等，將生產現場不連續(xù)的、間斷的、分散的數據連接起來按需靈活組成一個協(xié)同工藝，并且逐步能夠實現自優(yōu)化的體系，從而縮短規(guī)劃與生產周期、縮短制品停滯期、縮短異常處理周期，提升生產計劃及時達成率，提升設備利用率，提升數據可追溯性、完整性，降低能耗。

圖7 5G 在全流程應用示意圖

整合人員、物料、工具、方法和環(huán)境，連接生產過程，通過5G 設備數據采集、網絡計算分析，形成數據模型，在可視化平臺、工業(yè) APP 等應用層進行呈現；可借助MEC 分流作用，降低數據及控制命令傳輸的時延。

4 裝備制造業(yè)開展5G 應用的難點與建議

4.1 裝備制造業(yè)開展5G 應用的難點

裝備制造業(yè)開展5G 應用面臨著前期數字化改造基礎不足、運維成本高、企業(yè)熱情低、技術驗證的不完全確定、復合型人才不足等問題：

(1)前期數字化改造基礎不足，各行業(yè)數字化發(fā)展參差不齊，整體來看目前我國工業(yè)企業(yè)設備數字化率和聯網率有巨大的提高空間，很多生產設備和產線尚未完成信息化甚至自動化改造，阻礙了網絡的進一步接入、優(yōu)化，造成數據孤島[9-10]。

(2)系統(tǒng)存在復雜性，尤其對于裝備制造業(yè)，設備類型較多、來源較復雜，大型設備投入成本高，企業(yè)一般使用周期相對較長，存在異構數據、協(xié)議不兼容等問題。

(3)技術驗證的不完全確定。目前5G 逐步在工業(yè)領域開展試點性、示范性應用，但是應用的場景的深度、廣度都未能完全驗證5G 在效益與安全的優(yōu)越性，這也是許多企業(yè)在考慮是否開展5G 改造的擔憂。另外，目前適用于關鍵裝備的5G 模組仍需進一步研發(fā)、試驗，關鍵技術仍待進一步突破。

(4)復合型人才的缺乏。5G 可以加速機械制造行業(yè)的智能化水平，需要大量的系統(tǒng)規(guī)劃、應用開發(fā)和服務人才，尤其是既懂企業(yè)業(yè)務又懂5G 等新一代信息技術的復合型人才。

4.2 對于裝備制造業(yè)開展5G 應用的建議

對于裝備制造業(yè)開展5G 應用的建議如下：

(1)充分調研，在原有基礎上進行改造。對企業(yè)現有信息化現狀進行充分調研，采集層部署云服務、邊緣服務等服務相關的設施，以MES 等原有系統(tǒng)已有的物聯網絡為基礎，結合企業(yè)信息化系統(tǒng)已積累的經營數據、生產數據、產品數據等，通過信息化系統(tǒng)柔性集成、互聯互通，實現數據的融匯貫通，便于上層業(yè)務對于數據的充分利用，減少重復開發(fā)等問題。

(2)與原有網絡結合發(fā)揮5G 優(yōu)勢。5G 網絡優(yōu)勢顯著，適用于超高清視頻、物流實時追蹤、低延時柔性產線、AR 協(xié)作等場景。但對于一般的數據采集與傳輸，例如環(huán)境信息采集中占用容量較小的一般數據可通過原有的工業(yè)Wi-Fi、LTE 網絡傳輸數據，另外，5G 不能滿足裝備制造業(yè)所有場景的需求，因此可以結合成本和實際情況，逐步進行5G 網絡改造。要充分利用5G 優(yōu)勢，對于不同業(yè)務場景需求，可以應用5G 切片技術實現對不同場景的支撐，將終端、智能裝備等通過CPE 或5G 模組接入5G 網絡，通過UPF 分流，與管理控制系統(tǒng)相連。

(3)根據技術趨勢分階段改造。短期，可以開展高清視頻、機器人柔性化、安防、無人車等場景的應用，在現有信息系統(tǒng)的基礎上，對生產線進行流程監(jiān)測與回溯分析，探索總結云化機器人/AGV 小車、AR/VR 在設計、生產等環(huán)節(jié)的成熟應用。中期，隨著邊緣計算、切片技術等技術的成熟以及裝備智能化升級，結合云計算，推動云化機器人/AGV 小車、AR/VR 在設計、生產等環(huán)節(jié)的成熟應用。長期，隨著5G 大規(guī)模連接技術標準的成熟，探索大規(guī)模連接在工廠的應用，建設全柔性產線、全要素連接工廠，實現設備的大規(guī)模網聯監(jiān)測，通過開放性平臺，接入不同設備廠商的設備，實現大規(guī)模設備網聯等場景。

(4)增強創(chuàng)新意識，營造良好氛圍與產業(yè)生態(tài)。企業(yè)，尤其是有一定基礎實力和創(chuàng)新實力的企業(yè)，主動了解新技術，與信息集成企業(yè)、運營商、技術研究開發(fā)機構等合作，主動應用5G 技術賦能企業(yè)生產制造與管理，同時政府加強政策引導，營造良好創(chuàng)新氛圍[11]，推動市場合作、新業(yè)態(tài)培育，抓住5G 發(fā)展契機，提升企業(yè)生產經營成效，拉動行業(yè)與區(qū)域發(fā)展。

5 結論

裝備制造業(yè)具有小批量、多品種、復雜化、規(guī)?；奶攸c，各環(huán)節(jié)之間聯系緊密，對協(xié)作性、效率、準確性、靈活性等方面要求較高，5G 具有柔性連接、靈活部署、低延時高可靠、高速率大帶寬、廣連接等特點，在裝備制造業(yè)中有較為廣闊的應用前景。經過落地驗證，5G 能夠保障裝備制造業(yè)在生產、物流等環(huán)節(jié)中的高速傳輸與低時延等要求，進一步提升了供應鏈協(xié)同水平、生產裝配的靈活性與效率、設計裝配的可靠性等，但仍然面臨行業(yè)前期數字化程度不足、異構化數據、技術不成熟等問題，需要加快技術研發(fā)與驗證，營造創(chuàng)新氛圍、加強創(chuàng)新意識，并根據具體行業(yè)、個體的實際情況進行階段化應用。

另外，5G 并不能解決裝備制造業(yè)所面臨的所有信息化問題，目前驗證得到的性能指標對于工業(yè)控制等部分場景尚有不足，市場模式、參與主體的專業(yè)化程度、5G 收費等行業(yè)與市場問題也有待進一步研究、驗證與解決。但5G 對于裝備制造業(yè)的數字化轉型仍有可預見的較為顯著的推動作用，并且將進一步推進切片技術、邊緣計算、人工智能等技術在裝備制造業(yè)相關場景的融合應用與發(fā)展。