湯敏

中國移動(dòng)通信集團(tuán)江蘇有限公司網(wǎng)絡(luò)部 江蘇 南京 210012

引言

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部目前存在工控網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)物聯(lián)網(wǎng)、視頻監(jiān)控網(wǎng)、移動(dòng)辦公網(wǎng)等復(fù)雜的多元化網(wǎng)絡(luò)?，F(xiàn)有的工業(yè)總線存在產(chǎn)業(yè)封閉、發(fā)展緩慢、技術(shù)落后等問題，嚴(yán)重制約了企業(yè)的發(fā)展。隨著人工成本的快速增加，企業(yè)自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型迫在眉睫。5G 可憑借高帶寬、高可靠、低時(shí)延等一些特點(diǎn)助力企業(yè)向無線化、自動(dòng)化、智能化、柔性制造方向演進(jìn)。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)人、機(jī)、物全要素的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)則可以把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地連接且并融合起來。5G 是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵使能技術(shù)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G 的重要應(yīng)用場景之一，5G+ 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是賦能智慧工廠數(shù)字化、無線化、智能化的重要方向。5G 網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時(shí)延、高可靠特性，可以滿足工業(yè)設(shè)備的靈活移動(dòng)性和差異化業(yè)務(wù)處理能力需求，推動(dòng)各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/ 虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）終端、Robot、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（AGV）、場內(nèi)產(chǎn)線設(shè)備等的無線化應(yīng)用，助力工廠柔性化生產(chǎn)大規(guī)模普及。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)給5G 帶來了廣泛的應(yīng)用場景，同時(shí)也帶來了前所未有的挑戰(zhàn)。例如，有的工業(yè)應(yīng)用可能需要網(wǎng)絡(luò)具備1 ms時(shí)延、1 μs 抖動(dòng)和99.999999% 的網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量。時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）是工業(yè)互聯(lián)實(shí)現(xiàn)低時(shí)延、高可靠和確定性傳輸?shù)闹匾夹g(shù)之一，5G+TSN 是未來實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)無線化和柔性制造的重要基礎(chǔ)。TSN 在做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可以針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不同優(yōu)先級(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行隊(duì)列調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量差異化保證。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下，TSN 可以針對(duì)各類工業(yè)應(yīng)用涉及的業(yè)務(wù)流特性進(jìn)行建模和定義，并在此基礎(chǔ)上，提供不同的優(yōu)先級(jí)與調(diào)度機(jī)制[1]。

2 基于5G通信的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

2.1 工業(yè)智能傳感器系統(tǒng)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使用射頻識(shí)別，傳感器等來監(jiān)視和收集整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)周期中各種信息，例如人員，過程，設(shè)備，原材料和生產(chǎn)環(huán)境。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展中，任何階段的微小錯(cuò)誤都可能造成嚴(yán)重?fù)p害，因此將具有低延遲和高速傳遞性的5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于其中，可以提高相應(yīng)設(shè)備的精度和準(zhǔn)度，在這個(gè)過程中有成千上萬的傳感器和執(zhí)行器，其功能模型取決于生產(chǎn)場景，它們之間的連接依靠5G技術(shù)支持，集成了觸覺，視覺，聲學(xué)等功能，使整個(gè)過程可以達(dá)到智能化的高水平，可以全方位監(jiān)控生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各種參數(shù)，從而確保高質(zhì)量的工業(yè)產(chǎn)品[2]。

2.2 云端機(jī)器人技術(shù)

在5G通信環(huán)境中，機(jī)器人有條件被廣泛利用。通過5G網(wǎng)絡(luò)，機(jī)器人可以共享云處理命令，當(dāng)然，這需要高度集成化和科技化的芯片制造技術(shù)的支撐，例如Alpha Dog需要176個(gè)視覺處理器和1202個(gè)中央處理器才能實(shí)現(xiàn)該處理能力，在我國現(xiàn)階段的制造環(huán)境和科技水平下將其安裝在每個(gè)機(jī)器人上是不切實(shí)際的，但是這種趨勢(shì)會(huì)促使國產(chǎn)芯片技術(shù)得到提升。5G技術(shù)會(huì)將機(jī)器人內(nèi)部的復(fù)雜的處理過程轉(zhuǎn)移到云端，云處理結(jié)果反饋到機(jī)器人主體，有效控制了新硬件的成本，提高了處理效率。由于5G網(wǎng)絡(luò)帶寬至少為10Gb/s，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸速度，因此可以順利完成機(jī)器人云端整個(gè)處理過程，即網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳送和遠(yuǎn)程處理時(shí)間控制在100ms內(nèi)，機(jī)器人需安裝2個(gè)或更多高清攝像頭以實(shí)現(xiàn)3D視覺效果，因此，5G環(huán)境可以滿足上述要求[3]。

2.3 工業(yè)VR/AR

VR/AR 技術(shù)在工業(yè)中的應(yīng)用主要包括智能巡檢以及遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)，利用5G專網(wǎng)聯(lián)通工廠設(shè)備和指揮中心，實(shí)現(xiàn)設(shè)備數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸和在線分析，檢修人員或?qū)＜铱赏ㄟ^佩戴AR 眼鏡獲取設(shè)備數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程檢修，提高檢修效率。經(jīng)分析，VR/AR 技術(shù)存在兩大難點(diǎn)：一是計(jì)算量巨大，導(dǎo)致VR/AR 眼鏡硬件成本過高，需要將大量計(jì)算遷移到邊緣側(cè)或者云端，即云化VR/AR；二是VR/AR 的云化依賴大量數(shù)據(jù)和計(jì)算的遷移，導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)量增大、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延加大，從而引發(fā)用戶的眩暈感。因此，工業(yè)VR/AR 場景對(duì)時(shí)延有超高要求，端到端時(shí)延≤10ms，時(shí)鐘同步＜1μs，可靠性＞99.9%，定位延時(shí)＜15ms，同時(shí)支持無縫切換[4]。

2.4 智能診斷維護(hù)

智能診斷維護(hù)利用大數(shù)據(jù)分析、機(jī)器學(xué)習(xí)和人工智能等技術(shù)，通過知識(shí)學(xué)習(xí)和問題分析，完成設(shè)備的智能監(jiān)測、診斷與預(yù)測，給出改進(jìn)策略，包括設(shè)備日常監(jiān)測、維護(hù)及改進(jìn)，以及發(fā)生異常時(shí)，對(duì)異常位置、原因、程度的判斷和維修指導(dǎo)。當(dāng)設(shè)備正常運(yùn)行或者出現(xiàn)異常時(shí)，實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，通過5G 專網(wǎng)快速傳送到云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并給出維護(hù)、改進(jìn)決策，通過5G 專網(wǎng)把決策結(jié)果發(fā)送到設(shè)備端，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能診斷和維護(hù)[5]。

3 結(jié)束語

目前，我國制造業(yè)正處于由大變強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵階段，如何尋找突破點(diǎn)、成功實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)，是當(dāng)前面臨的主要任務(wù)。借助5G 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，深化互聯(lián)網(wǎng)+ 先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展，賦能制造業(yè)提質(zhì)增效，有望推動(dòng)我國制造業(yè)在部分領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)創(chuàng)新突破和引領(lǐng)?？紤]到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景多樣、需求千差萬別、復(fù)雜化和個(gè)性化程度高，且企業(yè)規(guī)模形態(tài)各異，工業(yè)生產(chǎn)將需要更高的上行速率、更低的時(shí)延特性、更可靠的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)作模式、更安全的數(shù)據(jù)傳輸方式、更直接的終端數(shù)據(jù)互傳來支撐更多業(yè)務(wù)拓展。