蒲定波 劉 穎 臧天明

1 貴州茅臺酒廠(集團)習酒有限責任公司 遵義 563000

2 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司貴州省分公司 貴陽 550000

3 清華大學 北京 100084

引言

近年來，大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能以及移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的蓬勃發(fā)展為各行各業(yè)注入了鮮活動力，這些新一代數(shù)字技術(shù)正在改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，同時也對企業(yè)的應(yīng)變能力提出了挑戰(zhàn)。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的演進和網(wǎng)絡(luò)能力的提升，互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟進入新的發(fā)展時期，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略向國民經(jīng)濟重點行業(yè)廣泛擴展。其中，倉儲系統(tǒng)作為工業(yè)制造中重要一環(huán)，可有效支持供應(yīng)鏈上的其他環(huán)節(jié)，高效完成各種業(yè)務(wù)操作，減少庫存支出，進一步降低物流費用，提高倉儲效率及價值。

1 背景

1.1 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)及產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型

隨著《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》[1]等一系列政策文件的發(fā)布，黨和國家為當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的未來發(fā)展明確了方向。

“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是指利用以5G為代表的新一代信息通信技術(shù)，構(gòu)建與工業(yè)經(jīng)濟深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用模式和工業(yè)生態(tài)[2]。當前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正突飛猛進，信息技術(shù)的發(fā)展日新月異。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的融合將加速數(shù)字中國、智慧社會建設(shè)，加速中國新型工業(yè)化進程，為中國經(jīng)濟發(fā)展注入新動能。根據(jù)最新發(fā)布的《5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展報告(2021版)》顯示，當前在建的“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目多達1800余項，在各大國民經(jīng)濟的重點行業(yè)均有所應(yīng)用，為其他行業(yè)和企業(yè)利用“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”進行數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了良好案例。

智能制造是新一輪工業(yè)革命的核心技術(shù)[3]，需要依托當前高速發(fā)展的大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能以及移動互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)進行，是數(shù)字化技術(shù)同傳統(tǒng)制造業(yè)的融合與發(fā)展。傳統(tǒng)的設(shè)備控制方法和信息處理方式已經(jīng)無法滿足智能制造的需要，高性能的計算機和更完備的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施成為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所必不可少的條件。在未來，隨著物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字化技術(shù)的迅速發(fā)展和5G技術(shù)的出現(xiàn)及應(yīng)用，我們即將邁入萬物互聯(lián)的時代，實現(xiàn)人與物之間的互聯(lián)。當前智能工廠發(fā)展呈現(xiàn)出信息化、智能化、自動化、數(shù)字化等特點，這是對傳統(tǒng)工廠的全面優(yōu)化的結(jié)果。智能工廠將應(yīng)用新興的數(shù)字化技術(shù)，對生產(chǎn)流程中的各要素進行靈活配置與優(yōu)化。在智能工廠中重復(fù)性的工作將被機器取代，生產(chǎn)過程中的故障將被智能系統(tǒng)預(yù)測并處理，傳統(tǒng)的生產(chǎn)流水線將不復(fù)存在，生產(chǎn)信息得以共享與傳遞，生產(chǎn)過程將更加智能、安全、高效、互聯(lián)。智能工廠可以大大縮減生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)流程的安全性和可靠性，實現(xiàn)人與機器協(xié)同管理。

企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型是企業(yè)謀求自身發(fā)展與順應(yīng)時代浪潮的必然選擇。企業(yè)在迎接這場數(shù)字化轉(zhuǎn)型大潮之時，不僅要懂得應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)給企業(yè)生產(chǎn)帶來技術(shù)迭代，更要重新思考企業(yè)的整體信息化架構(gòu)，全盤布局數(shù)字化轉(zhuǎn)型路徑。數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以降低企業(yè)生產(chǎn)在低創(chuàng)新程度的重復(fù)勞作上的投入，通過數(shù)字化的手段，企業(yè)創(chuàng)新性的活動變得簡單容易。以往需要投入大量人力物力進行實地測試的創(chuàng)新活動，如今只需要使用電腦程序進行模擬即可實現(xiàn)，大大提高了企業(yè)的運行效率，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

1.2 5G技術(shù)賦能產(chǎn)業(yè)

5G技術(shù)以用戶為中心，構(gòu)建全方位的信息生態(tài)系統(tǒng)，而且從線上到線下、從消費到生產(chǎn)、從平臺到生態(tài)，有效支撐垂直行業(yè)融合發(fā)展，全面使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[4]。5G全稱為第五代移動通信技術(shù)，其具有低時延、高速率、大容量和高移動性等特性，5G系統(tǒng)能夠提供每平方千米超過百萬個設(shè)備的連接支持，為萬物互聯(lián)提供通信基礎(chǔ)[5]。當前，我國5G基礎(chǔ)建設(shè)愈發(fā)完善，以5G技術(shù)為基礎(chǔ)的智能制造項目已經(jīng)實際落地到諸多行業(yè)當中。5G的應(yīng)用場景豐富，在工業(yè)制造、物流、電力、交通等諸多領(lǐng)域都有應(yīng)用實踐。

物流與倉儲行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型是未來發(fā)展的必經(jīng)路線，5G與人工智能技術(shù)相結(jié)合保障了智能機器人的可靠與高效，將工人們從繁瑣的重復(fù)勞動中解放出來?；?G的低時延性能，使得倉儲環(huán)境中的無人機、機器人、分揀設(shè)備等始終保持高精度作業(yè)，減少安全隱患并提高生產(chǎn)效率，實現(xiàn)倉儲到運輸再到配送的作業(yè)一體化進程。

1.3 發(fā)展智慧倉儲的必要性

智能物流與智慧倉儲，是5G技術(shù)的重要應(yīng)用場景。打造互聯(lián)工廠，實現(xiàn)工業(yè)連接，助推國家工業(yè)4.0戰(zhàn)略是倉儲行業(yè)發(fā)展的應(yīng)有之義。推動數(shù)字經(jīng)濟同實體經(jīng)濟的深度融合，是新時期國家經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的重要課題，而智慧倉儲物流就是踐行實體經(jīng)濟數(shù)字化很好的切入點。實現(xiàn)倉儲物流行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，有助于提高企業(yè)管理運作效率，提高產(chǎn)品生產(chǎn)運輸速率，有效提升倉儲物流行業(yè)員工的勞動舒適度。

2 智慧倉儲發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 智慧倉儲國內(nèi)外發(fā)展概述

隨著數(shù)字經(jīng)濟的發(fā)展，企業(yè)紛紛開啟數(shù)字化轉(zhuǎn)型，智慧物流、智慧倉儲是企業(yè)開始數(shù)字化轉(zhuǎn)型的必經(jīng)道路，也是未來發(fā)展的新趨勢。智慧物流是以各種傳感設(shè)備將產(chǎn)品信息分階段進行采集、篩選、分析、跟蹤、匯總為基礎(chǔ)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互聯(lián)，并實現(xiàn)物流自動化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和實時化的一種新興的物聯(lián)網(wǎng)物流業(yè)形態(tài)[6]。

智慧倉儲、智慧物流依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，國內(nèi)外企業(yè)積極參與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用，為智慧倉儲物流提供技術(shù)基礎(chǔ)。英國Tesco、美國沃爾瑪、德國麥德龍等大型企業(yè)均有自己的智慧倉儲計劃，而許多大型物流公司均對物流跟蹤和監(jiān)控技術(shù)有較大的技術(shù)研發(fā)投入，其中以聯(lián)邦快遞、順豐快遞為代表。

近年來，以5G技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)智慧倉儲系統(tǒng)在國內(nèi)已有部分案例。2019年，三一重工基于5G的智能網(wǎng)聯(lián)云化AGV項目將5G 、MEC和AI技術(shù)同AGV相結(jié)合，通過將AGV激光雷達導航向基于5G上行大帶寬的視覺導航遷移，將深度學習算法向5G邊緣計算MEC平臺遷移，從而極大降低了AGV單機功能復(fù)雜度和成本，提高AGV車智能化和標準化水平，為三一重工節(jié)省人力成本的同時，以企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型的方式提升了生產(chǎn)效率。

2020年8月，以貴州輪胎創(chuàng)新產(chǎn)線為載體、中國聯(lián)通提供云網(wǎng)邊端全流程解決方案，作為智慧倉儲的前置解決方案，以5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，聯(lián)合相關(guān)工業(yè)設(shè)備商共同打造貴州輪胎“5G全連接柔性生產(chǎn)線”項目。采用5G專網(wǎng)技術(shù)支撐一條完整生產(chǎn)線，實現(xiàn)數(shù)字化工廠生產(chǎn)“人、機、料、法、環(huán)、測” 要素全面互聯(lián)管控，將生產(chǎn)每道工序生產(chǎn)數(shù)據(jù)化，可根據(jù)倉儲及訂單實時數(shù)據(jù)，調(diào)度全工序、全場景的無線工業(yè)互聯(lián)及車間生產(chǎn)，實現(xiàn)生產(chǎn)線與智慧倉儲的有機聯(lián)動。

2.2 智慧倉儲中的5G技術(shù)

智慧倉儲技術(shù)層面上的應(yīng)用主要體現(xiàn)在四個方面：一是傳統(tǒng)倉儲設(shè)備的智能化與網(wǎng)絡(luò)化，二是倉儲設(shè)備的自動化與標準化，三是系統(tǒng)平臺對接的應(yīng)用，四是物流大數(shù)據(jù)推動的倉儲資源整合與共享[7]。在其中，5G技術(shù)的引入使得智慧倉儲在具體應(yīng)用層面均取得了不小的突破。

傳統(tǒng)物流倉儲行業(yè)中，應(yīng)用的AGV與堆垛機等采用的無線通信協(xié)議主要以Wi-Fi為主，其存在傳輸效率不高、難以實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)、Wi-Fi連接的安全性穩(wěn)定性不理想等問題。而應(yīng)用5G通信，可以極大降低通信時延，提高設(shè)備靈敏度，實現(xiàn)穩(wěn)定快速的設(shè)備互聯(lián)。通過低時延的通信，可以很好地協(xié)調(diào)多種設(shè)備之間的協(xié)同工作，提高倉儲系統(tǒng)的自動化水平，提高作業(yè)的準確率和效率。

5G專網(wǎng)的可擴展性較強，解決了不同系統(tǒng)平臺之間的對接困難，極快的傳輸速率也意味著大量的數(shù)據(jù)可以被很好地傳輸并儲存利用，具有更好的時效性。通過5G實時將物流在線的大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸至后臺，及時處理分析數(shù)據(jù)，使得物流大數(shù)據(jù)理念變?yōu)楝F(xiàn)實。通過對物流大數(shù)據(jù)進行處理與分析，挖掘?qū)ζ髽I(yè)運營管理有價值信息，從而科學合理地進行管理決策[8]，帶來了數(shù)據(jù)驅(qū)動的商業(yè)模式推動產(chǎn)業(yè)智能化變革，大幅度提高生產(chǎn)效率。

3 5G賦能倉儲數(shù)字化轉(zhuǎn)型典型

作為全國首批5G試點城市之一的貴陽，目前已經(jīng)在5G應(yīng)用及大數(shù)據(jù)創(chuàng)新方面取得了諸多成果。下面將以貴州茅臺酒廠習酒園區(qū)5G智慧倉儲項目建設(shè)成果為例，介紹5G技術(shù)在智慧倉儲中的應(yīng)用。

3.1 智慧倉儲5G專網(wǎng)方案

智慧倉儲建設(shè)將結(jié)合現(xiàn)場倉儲狀況，通常采用5G專網(wǎng)的形式進行。5G專網(wǎng)的核心網(wǎng)用戶面網(wǎng)元UPF為行業(yè)用戶私有化部署，無線基站、核心網(wǎng)控制面網(wǎng)元根據(jù)客戶需求靈活部署，為用戶提供部分物理獨享的5G專用網(wǎng)絡(luò)。滿足行業(yè)用戶大帶寬、低時延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求。該模式下行業(yè)用戶網(wǎng)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地卸載，可通過功能定制優(yōu)化，減小公眾網(wǎng)絡(luò)故障對用戶生產(chǎn)業(yè)務(wù)的影響，保障生產(chǎn)安全。

在大網(wǎng)與園區(qū)間由于傳輸網(wǎng)故障和大網(wǎng)失聯(lián)時，會導致園區(qū)基站、用戶面UPF和大網(wǎng)之間的N2/N4接口同時中斷，而影響用戶業(yè)務(wù)連續(xù)性。因此，基于習酒項目對網(wǎng)絡(luò)可靠性有較高需求，采用核心網(wǎng)邊緣高可靠方案，如圖1所示，通過在原有硬件新增一塊刀片，部署本地臨時控制面，滿足對中斷敏感型如PLC設(shè)備、視覺質(zhì)檢等業(yè)務(wù)的可用性需求，進行差異化的業(yè)務(wù)保障，保障在與大網(wǎng)控制面失聯(lián)時，具備本地數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)應(yīng)急接入能力，園區(qū)內(nèi)基站和邊緣UPF網(wǎng)元間的用戶面?zhèn)鬏斎钥烧７€(wěn)定運轉(zhuǎn)一定時間。支持對連接態(tài)用戶提供業(yè)務(wù)保活功能，在與大網(wǎng)失聯(lián)后，提供移動性切換和重新接入功能，用戶面可繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)至故障恢復(fù)。本例使用5G專網(wǎng)，以5G賦能倉儲數(shù)字化轉(zhuǎn)型，賦能行業(yè)數(shù)字化應(yīng)用場景創(chuàng)新及信息化業(yè)務(wù)演進[9]。

圖1 邊緣高可靠方案

3.2 基于5G的智能化物流搬運設(shè)備

3.2.1 5G賦能堆垛機

巷道堆垛機是立體庫中的核心設(shè)備，具有作業(yè)高度高、停位精度高、速度快的特點，因此對堆垛機單機的結(jié)構(gòu)強度、剛度、撓度、穩(wěn)定性、安全性具有很高的要求。傳統(tǒng)的通訊方式有有線通訊、紅外通訊、Wi-Fi等。有線通訊對實際電纜和布線有較高要求，應(yīng)用較為不便；紅外通信的數(shù)據(jù)傳輸受到環(huán)境限制，在惡劣環(huán)境(如粉塵多、光照差)下數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和可靠性較差；Wi-Fi技術(shù)本身存在連接不穩(wěn)定、傳輸容量低以及易受干擾等缺點，尤其在倉儲環(huán)境中，密集貨物對于Wi-Fi信號的阻擋使得堆垛機難以穩(wěn)定運行。

堆垛機可通過5G通訊，實現(xiàn)高速率、低時延的堆垛機控制、VR操作教學及維護，可以提升運維效率，降低成本?；?G技術(shù)的高效傳輸，還可以在堆垛機中加入機器視覺檢測，快速地進行自動檢測貨箱擺放姿態(tài)、實時盤點等，安全且高效。

通過5G專網(wǎng)技術(shù)，賦能堆垛機突破傳統(tǒng)通訊方式的限制，在如下方面取得了良好進展。

1)低時延：MEC平臺通過5G網(wǎng)絡(luò)獲得端到端通訊保障與及時通信，實現(xiàn)對堆垛機的控制和信息采集。

2)信息安全：5G通過核心網(wǎng)MEC下沉建立專網(wǎng)，企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，滿足企業(yè)對數(shù)據(jù)安全的要求。

3)邊緣計算：為每一臺堆垛機配置單機GPU復(fù)雜度高和成本高，但是通過MEC平臺集成GPU，并實現(xiàn)廠區(qū)多臺堆垛機調(diào)度，可以無需對工廠環(huán)境做改造，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

3.2.2 5G賦能AGV

AGV無人叉車設(shè)備能夠沿規(guī)定的導引路徑行駛，與物料輸送中常用的其他設(shè)備相比，AGV的活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道等固定裝置，也不受場地、道路和空間的限制，因此是倉儲系統(tǒng)中不可或缺的自動化設(shè)備[10]。傳統(tǒng)AGV實時控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，但是進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率很高，對時延的要求較為苛刻。實現(xiàn)AGV協(xié)同運作，更是需要極為精確的時延控制，而傳統(tǒng)的通訊方式在實現(xiàn)這一過程中存在困難。白酒行業(yè)物料自動搬運需求高可靠性、高穩(wěn)定性都可以通過搭建5G專網(wǎng)實現(xiàn)。

通過5G專網(wǎng)技術(shù)，賦能AGV，使其擁有了如下應(yīng)用價值。

1)連續(xù)移動性：5G替代有線，解決固網(wǎng)布線難、改造維護成本高等問題，為工業(yè)園區(qū)提供無處不在的無線覆蓋，以滿足移動連續(xù)性的需求。

2)上行大帶寬：AGV集成多臺高清攝像頭。5G提供超高可靠通信和超級上行帶寬，并通過SLA保障滿足多種數(shù)據(jù)上行帶寬訴求，以及支持高并發(fā)的海量終端通信，實現(xiàn)5G終端全接入。

3)低時延：5G通過MEC平臺實現(xiàn)低時延的端到端通訊保障，使得時延大大降低，滿足AGV進行實時圖像處理要求的時延。

4)數(shù)據(jù)安全：5G通過核心網(wǎng)MEC下沉建立專網(wǎng)，企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，滿足企業(yè)對數(shù)據(jù)安全的要求。

5)邊緣計算：MEC平臺集成GPU實現(xiàn)算力共享，降低AGV單機的復(fù)雜度和成本。MEC平臺集成的AGV視覺感知算法可深度學習不斷迭代，可滿足廠區(qū)多臺AGV協(xié)同調(diào)度，且無需對工廠現(xiàn)有環(huán)境進行改造，可實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)。

6)降本增效：基于5G視覺SLAM的AGV成本僅為激光SLAM的1/9，大大降低了成本，具備規(guī)模推廣價值。

4 總結(jié)與展望

4.1 總結(jié)

當前我國物流業(yè)正處于重要的戰(zhàn)略機遇期，隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和發(fā)展方式轉(zhuǎn)換，物流業(yè)在國民經(jīng)濟中的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性地位日益顯現(xiàn)，煥發(fā)出新的生機和活力[11]。

本文介紹的習酒與聯(lián)通所合作共建的智慧倉儲項目以5G通信技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)對人員、物料、產(chǎn)品和設(shè)備的全流程追蹤、定位、管理、信息采集及指令傳達；通過5G+MEC的綜合提升，實現(xiàn)WMS、WCS系統(tǒng)對底層AGV、堆垛機等設(shè)備工作狀態(tài)的快速感知、快速響應(yīng)、快速反饋、快速調(diào)度。在原有場地基礎(chǔ)上加入AGV輔助搬運、倉儲搬運流水線，并對原有設(shè)備整合，實現(xiàn)物流產(chǎn)線融合，整體升級，最終實現(xiàn)物流園區(qū)全物流、全設(shè)備、全過程的統(tǒng)一管理，提高物流效率，提升物流質(zhì)量，節(jié)約生產(chǎn)成本并充分保證人員財產(chǎn)、園區(qū)數(shù)據(jù)、物流安全；VR設(shè)備、AR設(shè)備在5G的加持下，能夠?qū)崟r對作業(yè)基礎(chǔ)流程進行必要的操作和控制，對故障狀態(tài)進行全面的采集與預(yù)警，全面監(jiān)控保障園區(qū)安全。

希望該項目能成為倉儲行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的排頭兵，成為貴州智慧倉儲的項目標桿，為后來企業(yè)進行倉儲改革與數(shù)字化探索積累經(jīng)驗與教訓。

4.2 5G智慧倉儲展望

智慧倉儲未來發(fā)展會傾向于降低執(zhí)行工作成本，很大程度解放人工搬運，提高勞動力統(tǒng)計準確率和效率，提升智能物流、智能倉儲能力。此外，智慧倉儲未來的發(fā)展離不開5G技術(shù)，5G技術(shù)將全面覆蓋習酒智慧倉儲全場景，通過“一張5G網(wǎng)”承載智慧倉儲全移動業(yè)務(wù)系統(tǒng)，從而實現(xiàn)物流倉儲一體化管理，提高執(zhí)行效率。使用現(xiàn)代的管理思想和管理方法，提高企業(yè)管理水平，最大限度地提高企業(yè)的管理水平和管理效率，使企業(yè)更快更好發(fā)展，加速向數(shù)字化企業(yè)轉(zhuǎn)型。

以條碼為信息載體可便捷和較準確地實現(xiàn)物料跟蹤，這一功能也會得以廣泛應(yīng)用，動態(tài)監(jiān)督物料存儲情況預(yù)先進行監(jiān)督和控制也會成為智慧倉儲發(fā)展環(huán)節(jié)中必不可少的部分，進而實現(xiàn)智慧倉儲可管控一體化。