杜 斌 周 潔

中國(guó)信息通信研究院 北京 100191

引言

5G將開啟萬物互聯(lián)的新時(shí)代，同時(shí)，作為第四次工業(yè)革命的重要基石，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G最重要的應(yīng)用場(chǎng)景，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為重要的探索方向[1]。2021年7月工業(yè)和信息化部等十部門共同出臺(tái)《5G應(yīng)用“揚(yáng)帆”行動(dòng)計(jì)劃(2021-2023年)》，明確了未來三年重點(diǎn)行業(yè)5G應(yīng)用發(fā)展方向，并指出要推進(jìn)5G模組與機(jī)器視覺等工業(yè)終端的深度融合[2]。

5G+工業(yè)視覺是指通過5G網(wǎng)絡(luò)將現(xiàn)場(chǎng)由光學(xué)裝置和非接觸傳感器自動(dòng)采集的真實(shí)物體圖像傳送到云端計(jì)算及處理平臺(tái)，并根據(jù)平臺(tái)的分析結(jié)果，將控制信息傳遞到控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)反向控制。目前，5G+工業(yè)視覺已成為工業(yè)領(lǐng)域最為廣泛的應(yīng)用之一，廣泛應(yīng)用于電子制造、半導(dǎo)體、軌道交通、印刷包裝、鋰電池、卷煙、光伏以及汽車制造等行業(yè)領(lǐng)域[3]的安防監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)、自動(dòng)分揀等場(chǎng)景。本文從技術(shù)、產(chǎn)業(yè)兩個(gè)維度對(duì)5G+工業(yè)視覺應(yīng)用面臨的問題進(jìn)行深度剖析，歸納出制約其規(guī)?；l(fā)展的核心問題，并給出推動(dòng)5G+工業(yè)視覺發(fā)展的建議。

1 5G+工業(yè)視覺應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 5G+工業(yè)視覺應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀

按照最終應(yīng)用目的的不同，5G+工業(yè)視覺可分為5G+目標(biāo)識(shí)別、5G+定位引導(dǎo)、5G+測(cè)量標(biāo)定、5G+質(zhì)量檢測(cè)4大類應(yīng)用，涉及8種細(xì)分應(yīng)用場(chǎng)景，如表1所示。從技術(shù)成熟度及商業(yè)前景分析，固定少接入、移動(dòng)少接入、定位引導(dǎo)、溫度測(cè)量、尺寸測(cè)量、大缺陷檢測(cè)6種應(yīng)用類型技術(shù)可復(fù)制且商業(yè)可推廣；固定多接入、小缺陷檢測(cè)等2種應(yīng)用類型技術(shù)待優(yōu)化但商業(yè)價(jià)值高。

表1 5G+工業(yè)視覺典型應(yīng)用概覽

5G+目標(biāo)識(shí)別：通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集的圖片或視頻上傳至云端計(jì)算及處理平臺(tái)，經(jīng)過云端處理實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)對(duì)象(如人臉、設(shè)備標(biāo)簽等)識(shí)別，根據(jù)識(shí)別結(jié)果選擇性地開展后續(xù)處理流程。按照接入終端的數(shù)量和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可細(xì)分為固定多接入、固定少接入、移動(dòng)少接入3種應(yīng)用場(chǎng)景。其中固定多接入場(chǎng)景，考慮4K/8K等超高清攝像頭的應(yīng)用以及終端接入數(shù)量的增加，5G單小區(qū)上行帶寬不足，需要通過提高圖像壓縮比例和5G上行增強(qiáng)等技術(shù)，才可實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用；固定少接入場(chǎng)景受限于終端設(shè)備5G升級(jí)改造費(fèi)用高，未能形成規(guī)?；瘧?yīng)用；移動(dòng)少接入場(chǎng)景中機(jī)器人巡檢等服務(wù)可以規(guī)?；瘧?yīng)用，但無人機(jī)巡檢受到空域管制限制，目前無法規(guī)模商用。

5G+定位引導(dǎo)：通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集的圖片或視頻上傳至云端計(jì)算及處理平臺(tái)，經(jīng)過云端處理獲取特定對(duì)象的位置信息，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)機(jī)械手臂進(jìn)行抓取/放置、輔助無人車輛對(duì)障礙物識(shí)別等功能。定位引導(dǎo)場(chǎng)景已經(jīng)在貨運(yùn)機(jī)器人、工業(yè)機(jī)械臂等場(chǎng)景完成試點(diǎn)應(yīng)用，由于工業(yè)機(jī)器人市場(chǎng)碎片化、產(chǎn)品種類多且規(guī)模小，因此規(guī)模化商用困難。

5G+測(cè)量標(biāo)定：通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集的圖片或視頻上傳至云端計(jì)算及處理平臺(tái)，經(jīng)過云端處理把獲取的圖像像素信息轉(zhuǎn)換為溫度或幾何尺寸。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的不同，可細(xì)分為溫度測(cè)量、尺寸測(cè)量2種應(yīng)用場(chǎng)景，5G網(wǎng)絡(luò)能力均能夠滿足其應(yīng)用需求，但由于應(yīng)用較分散、行業(yè)碎片化、規(guī)模較小且系統(tǒng)升級(jí)改造費(fèi)用高，目前暫未能形成規(guī)?；瘧?yīng)用。

5G+質(zhì)量檢測(cè)：通過5G網(wǎng)絡(luò)將采集的圖片或視頻上傳至云端計(jì)算及處理平臺(tái)，經(jīng)過云端處理識(shí)別產(chǎn)品缺陷，提升產(chǎn)品質(zhì)量和檢測(cè)效率。根據(jù)缺陷面積占整幅圖片比例可細(xì)分為大缺陷檢測(cè)、小缺陷檢測(cè)2種應(yīng)用場(chǎng)景，其中大缺陷檢測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景技術(shù)已能滿足，但由于原有系統(tǒng)改造費(fèi)用昂貴，投入產(chǎn)出比低，未能形成規(guī)模應(yīng)用；小缺陷檢測(cè)場(chǎng)景主要集中在制造領(lǐng)域，對(duì)圖像像素完整性要求高，一般不進(jìn)行圖像壓縮，上行通信需求通常在500Mb/s以上，現(xiàn)有5G網(wǎng)絡(luò)尚無法滿足。

1.2 5G+工業(yè)視覺產(chǎn)業(yè)范疇及發(fā)展現(xiàn)狀

5G+工業(yè)視覺產(chǎn)業(yè)主要由視覺器件、視覺部件、5G網(wǎng)絡(luò)、處理平臺(tái)、解決方案及視覺處理算法六大領(lǐng)域組成，涉及12個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，如圖1所示。其中，產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的核心是視覺器件及視覺處理算法。

圖1 5G+工業(yè)視覺產(chǎn)業(yè)范疇

視覺器件是5G+工業(yè)視覺終端系統(tǒng)的底層核心，實(shí)現(xiàn)圖像的采集、傳輸、處理與決策等功能，主要包括圖像傳感器、視覺處理芯片、5G芯片、5G模組四大部分，是系統(tǒng)的硬核心。其中圖像傳感器直接決定圖像采集質(zhì)量和速度，由于我國(guó)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量上與國(guó)外相差較大，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要由國(guó)外企業(yè)占據(jù)。視覺處理芯片為視覺處理算法提供基礎(chǔ)算力平臺(tái)，按照部署位置的不同分為終端側(cè)與平臺(tái)側(cè)兩大類。其中，終端側(cè)芯片中/低端型號(hào)已基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)替代，但高端型號(hào)依然以國(guó)外企業(yè)占有為主。平臺(tái)側(cè)芯片由于性能要求較高，國(guó)內(nèi)替代產(chǎn)品尚不能滿足應(yīng)用需求，市場(chǎng)長(zhǎng)期被美國(guó)企業(yè)把持。5G芯片為5G模組或終端提供符合5G標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)制/解調(diào)能力，國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)主要份額均被高通把持。5G模組是5G+工業(yè)視覺信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，據(jù)GSA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)5G模組型號(hào)款數(shù)全球占比超過80%，占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位，但現(xiàn)在5G模組呈現(xiàn)市場(chǎng)碎片、細(xì)分市場(chǎng)容量受限等因素影響，存在價(jià)格高、規(guī)?；茝V難的問題。

視覺處理算法決定了5G+工業(yè)視覺的功能和性能，通過對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理，達(dá)到目標(biāo)識(shí)別、定位引導(dǎo)、測(cè)量標(biāo)定、質(zhì)量檢測(cè)等目的，是系統(tǒng)的軟核心。根據(jù)算法功能不同，視覺處理算法包含編解碼算法、傳統(tǒng)圖像處理算法和人工智能圖像處理算法三大類；根據(jù)應(yīng)用需求及終端芯片能力，算法可部署在視覺部件或云端平臺(tái)上。視頻編解碼算法是通過消除鄰近幀間的相關(guān)冗余數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮，達(dá)到減少傳輸帶寬目的。目前主流編解碼算法是H.264/265和我國(guó)自主研發(fā)的AVS(音視頻編碼標(biāo)準(zhǔn))。傳統(tǒng)圖像處理算法通過降噪、分割、提取特征等傳統(tǒng)方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理。國(guó)外憑借幾十年的自動(dòng)化進(jìn)程的培育，算法積累成熟，性能優(yōu)化充分；而國(guó)內(nèi)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程時(shí)間不長(zhǎng)，算法積累處于起步階段，落后于國(guó)外。人工智能處理算法是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)在圖像處理領(lǐng)域的具體應(yīng)用，通過海量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和算法模型，積累實(shí)際場(chǎng)景下的目標(biāo)特征，實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像處理。國(guó)外企業(yè)基礎(chǔ)算法原理能力強(qiáng)，新興的算法框架、模型結(jié)構(gòu)領(lǐng)先國(guó)內(nèi)，并且通過開源的方式建立了良好的生態(tài)；國(guó)內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景豐富，市場(chǎng)容量大，在算法訓(xùn)練和素材上具有優(yōu)勢(shì)。

視覺部件是5G+機(jī)器視覺的終端實(shí)現(xiàn)形態(tài)，包含工業(yè)相機(jī)、視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)、智能相機(jī)、5G智能網(wǎng)關(guān)等設(shè)備。其中工業(yè)相機(jī)主要實(shí)現(xiàn)圖片采集和傳輸，國(guó)內(nèi)企業(yè)主要布局于中/低端市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)份額占比超過50%，正逐步實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代；但在高分辨率、高速的高端領(lǐng)域仍以進(jìn)口品牌為主。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)通過視頻攝像頭，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，目前在向AI智能方向發(fā)展。2020年全球視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)發(fā)貨量約為1.6億臺(tái)，其中國(guó)內(nèi)企業(yè)發(fā)貨量占比約60%[4]，?？怠⒋笕A兩家企業(yè)合計(jì)占有全球市場(chǎng)45%的份額。智能相機(jī)集圖片采集、處理及通信于一體，已成為工業(yè)相機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。憑借著終端算法優(yōu)勢(shì)，以康耐視、基恩士為代表的國(guó)外企業(yè)占據(jù)國(guó)內(nèi)半數(shù)以上市場(chǎng)份額。5G智能網(wǎng)關(guān)是傳統(tǒng)視頻終端進(jìn)行5G傳輸?shù)闹袠?，依托?guó)內(nèi)5G模組的市場(chǎng)主導(dǎo)地位，當(dāng)前國(guó)內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先于國(guó)外。

云處理平臺(tái)是5G+工業(yè)視覺算法訓(xùn)練、推理和執(zhí)行中樞，為5G+工業(yè)視覺圖像推理和訓(xùn)練提供更高的算力和更大的存儲(chǔ)空間，解決了傳統(tǒng)機(jī)器視覺本地處理算力不足的問題。按照云平臺(tái)部署位置的不同，可分為中心云和邊緣云平臺(tái)，國(guó)內(nèi)外廠商在云平臺(tái)上競(jìng)爭(zhēng)激烈。

解決方案通過系統(tǒng)集成視覺器件、視覺處理算法、視覺部件、傳輸網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)等環(huán)節(jié)，為行業(yè)客戶提供整體打包方案，是5G+工業(yè)視覺最終體現(xiàn)和交付方式。依據(jù)應(yīng)用行業(yè)的不同可分為工業(yè)系統(tǒng)集成和視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成兩大類。其中，工業(yè)系統(tǒng)集成主要應(yīng)用于電子和汽車制造行業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)、部件組裝等應(yīng)用，國(guó)外企業(yè)憑借系統(tǒng)集成和品牌優(yōu)勢(shì)占據(jù)主導(dǎo)；國(guó)內(nèi)企業(yè)主要集中在國(guó)外企業(yè)尚未布局的面板、光伏以及鋰電等領(lǐng)域，產(chǎn)品的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力較低，利潤(rùn)空間較小。視頻監(jiān)控系統(tǒng)集成主要應(yīng)用在工業(yè)園區(qū)和廠房的安防監(jiān)控領(lǐng)域，海外市場(chǎng)頭部企業(yè)效應(yīng)明顯，國(guó)內(nèi)企業(yè)尚未進(jìn)入前十，且受國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證和專利制約，出海受阻；國(guó)內(nèi)市場(chǎng)基本由本土企業(yè)占據(jù)。

2 5G+工業(yè)視覺發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

現(xiàn)階段，智能制造、交通、安防等行業(yè)領(lǐng)域積極探索5G+工業(yè)視覺在安防監(jiān)控、質(zhì)量檢測(cè)、自動(dòng)分揀等場(chǎng)景的應(yīng)用，但5G+工業(yè)視覺應(yīng)用距離規(guī)?；瘡?fù)制推廣還有一定差距，在應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面還面臨一系列問題。

2.1 5G+工業(yè)視覺應(yīng)用發(fā)展面臨的問題

5G+工業(yè)視覺在應(yīng)用發(fā)展方面主要面臨以下三個(gè)問題。

1)5G終端研發(fā)及使用成本高。5G模組是5G+工業(yè)視覺終端的基本組成部分，其成本60%以上來源于芯片，國(guó)外芯片企業(yè)對(duì)于研發(fā)適配于5G+工業(yè)視覺的精簡(jiǎn)化5G芯片意愿較低，國(guó)內(nèi)芯片企業(yè)在工業(yè)5G芯片研發(fā)方面能力受限且投入不足，以上因素導(dǎo)致5G模組成本居高不下。同時(shí)，現(xiàn)有5G模組只具備調(diào)制功能，內(nèi)部存儲(chǔ)器容量、接口數(shù)量和種類均較少，和現(xiàn)有視覺處理芯片互聯(lián)互通難度大，致使5G視頻部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。

2)5G網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用落地需相互促進(jìn)。目前，5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)主要覆蓋消費(fèi)領(lǐng)域。在行業(yè)應(yīng)用區(qū)域(工廠園區(qū)、礦山、碼頭等)，由于商業(yè)模式不清晰和實(shí)際落地應(yīng)用少等原因，基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)緩慢，潛在行業(yè)客戶處于無網(wǎng)可用狀態(tài)，嚴(yán)重制約了5G+工業(yè)視覺應(yīng)用的規(guī)?；茝V。

3)應(yīng)用方案定制化、成本高。國(guó)內(nèi)工業(yè)視覺應(yīng)用場(chǎng)景繁多，但由于缺少圖像處理通用算法庫(kù)，解決方案商多通過定制化方案，滿足客戶需求，自給自足的現(xiàn)狀導(dǎo)致解決方案難以形成規(guī)?；?yīng)，致使5G+工業(yè)視覺應(yīng)用成本高，可復(fù)制性差。

2.2 5G+工業(yè)視覺產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨的問題

5G+工業(yè)視覺在產(chǎn)業(yè)發(fā)展方面主要面臨以下兩個(gè)問題。

1)視覺處理芯片隨時(shí)可能出現(xiàn)斷供風(fēng)險(xiǎn)。終端側(cè)海思芯片占據(jù)80%以上的中/低端市場(chǎng)份額，存在由于國(guó)際局勢(shì)導(dǎo)致供應(yīng)鏈出現(xiàn)問題的風(fēng)險(xiǎn)，甚至引發(fā)國(guó)產(chǎn)化替代進(jìn)程倒退；平臺(tái)側(cè)芯片是人工智能處理算法的搭載平臺(tái)，長(zhǎng)期被美國(guó)廠商(Intel、AMD、英偉達(dá)等)把持，隨時(shí)可能出現(xiàn)斷供風(fēng)險(xiǎn)，致使我國(guó)機(jī)器視覺產(chǎn)業(yè)出現(xiàn)“缺芯少魂”的局面。

2)圖像處理算法國(guó)內(nèi)發(fā)展制約因素眾多。傳統(tǒng)圖像處理算法優(yōu)化需要借助操作系統(tǒng)和CPU架構(gòu)的指令集，采用底層機(jī)器語言進(jìn)行算法轉(zhuǎn)換，由于缺乏自主研發(fā)的終端操作系統(tǒng)和CPU架構(gòu)，致使整體優(yōu)化能力嚴(yán)重不足。同時(shí)，完全的市場(chǎng)行為導(dǎo)致剛起步的國(guó)內(nèi)算法廠商缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，形成惡性循環(huán)，致使通用算法庫(kù)缺乏大量應(yīng)用的迭代，應(yīng)用適應(yīng)性差。人工智能處理算法研發(fā)主要依靠對(duì)主流神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和框架支持的專用開發(fā)工具，需要視覺處理芯片廠商在配套軟件上做大量的投入，而國(guó)產(chǎn)芯片廠商由于起步較晚，軟硬件生態(tài)嚴(yán)重落后國(guó)外，加上配套軟件投入不夠，致使在芯片的易用性上存在嚴(yán)重不足，致使人工智能處理算法研發(fā)緩慢。

3 下一步推進(jìn)的路徑建議

1)聚焦核心痛點(diǎn)環(huán)節(jié)，拉通產(chǎn)業(yè)集中突破。一是通過政策支持，鼓勵(lì)政府與行業(yè)龍頭企業(yè)、科研機(jī)構(gòu)以合作生態(tài)的方式建立關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境，提供通用芯片、終端及應(yīng)用解決方案的測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境，提升產(chǎn)品性能和管控質(zhì)量，降低企業(yè)研發(fā)成本。二是鼓勵(lì)企業(yè)加大對(duì)算法原理、操作系統(tǒng)和軟件平臺(tái)架構(gòu)的研發(fā)投入，打破視覺處理算法落后于國(guó)外的局面。

2)構(gòu)建應(yīng)用生態(tài)，降低定制化成本。一是建立工業(yè)視覺通用算法庫(kù)，依托國(guó)內(nèi)應(yīng)用場(chǎng)景豐富、算法訓(xùn)練素材充足的產(chǎn)業(yè)生態(tài)現(xiàn)狀，開展通用算法庫(kù)更新迭代，減低行業(yè)準(zhǔn)入門檻，擴(kuò)展5G+工業(yè)視覺應(yīng)用規(guī)模。二是建立精簡(jiǎn)化5G芯片生態(tài)，對(duì)現(xiàn)有5G芯片進(jìn)行裁剪，研發(fā)適用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的精簡(jiǎn)化5G芯片，同時(shí)研發(fā)5G+工業(yè)視覺專用模組，降低視覺部件5G升級(jí)改造費(fèi)用，助力5G+工業(yè)視覺規(guī)模化落地。三是鼓勵(lì)基礎(chǔ)電信運(yùn)營(yíng)商根據(jù)行業(yè)客戶需求，擴(kuò)大建網(wǎng)規(guī)模、深度覆蓋，加大行業(yè)客戶用網(wǎng)和開展5G+工業(yè)視覺應(yīng)用的意愿，實(shí)現(xiàn)雙贏。

3)構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)體系，提升產(chǎn)品質(zhì)量。一是面向5G+工業(yè)視覺，構(gòu)建終端模組、多接入邊緣計(jì)算MEC、安全和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)體系，依托國(guó)內(nèi)龐大的市場(chǎng)需求和完善的5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，開展標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證工作，逐步推向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。二是建立國(guó)家級(jí)5G+工業(yè)視覺檢測(cè)認(rèn)證中心，構(gòu)建具有國(guó)際影響力的質(zhì)量認(rèn)證體系，打造自主認(rèn)證權(quán)威品牌。

4 結(jié)語

5G商用兩年以來，我國(guó)5G應(yīng)用探索與實(shí)踐廣度、深度不斷加強(qiáng)，應(yīng)用場(chǎng)景逐漸豐富，應(yīng)用項(xiàng)目梯次商用，實(shí)現(xiàn)從“0”到“1”的突破，進(jìn)入規(guī)?；瘡?fù)制推廣的關(guān)鍵階段。本文重點(diǎn)研究分析5G+工業(yè)視覺領(lǐng)域技術(shù)及產(chǎn)業(yè)方面的發(fā)展現(xiàn)狀及面臨的重點(diǎn)問題，旨在為進(jìn)一步規(guī)模化復(fù)制推廣奠定基礎(chǔ)。