5G技術在航空制造領域的應用研究

張嵐嵐*

（中國商飛上海飛機制造有限公司，上海201324）

0 引言

5G（即5th Generation），是指第五代移動通信技術，是4G網絡的真正升級版，優勢主要體現在：

大容量：5G通信技術將比4G實現單位面積移動數據流量增長1 000倍；高速率：5G峰值理論傳輸速度可達每秒10Gb，相當于4G網絡速率的100倍；短時延：端到端時延縮短5倍；可接入：可聯網設備的數量增加10到100倍；低能耗：每比特能源消耗降至千分之一，低功率電池續航時間增加10倍。[1-3]

5G的到來不僅僅是解決基礎通信的問題，而是提供無限的信息接入，并且能夠讓任何人和物隨時隨地共享數據，開啟萬物廣泛互聯、人機深度交互的新時代，使個人、企業和社會全面受益。

1 5G在制造領域的應用

工業4.0時代離不開5G技術的加持，根據移動通信設備商愛立信公司的報告，到2026年5G推動各行業數字化轉型產生的利潤將達到1.233萬億美元，其中制造業利潤占比19%，[4]排名第二，如圖1所示。但相比排名第一的能源和公共事業，制造業所需前期投資相比而言更少，因此5G與制造業結合將大有可為。

在制造領域，5G將支撐工業自動化控制、工業機器人、遠程操控工業設施等應用，有助于大幅提高生產力，減少人為錯誤，增加生產設施的靈活性，并降低成本。

圖1 5G推動各行業數字化轉型利潤示意圖

2 5G在航空制造領域應用示例

航空制造業是集制造業大成的國家戰略產業，而5G將成為“中國制造2025”背景下，航空制造業轉型升級進程中最重要的基礎設施之一，將充分滿足航空制造業新形勢下的多樣化需求，推動工廠向智能化轉型。結合未來工廠應用，5G對航空制造業的賦能主要體現在以下幾個方面：

2.1 物聯網

2015年，ITU（國際電信聯盟）確定5G名稱為IMT-2020，并規劃了三個主要應用方向：增強移動寬帶（eMBB）、海量機器類通信（mMTC）和超高可靠低時延通信（URLLC）。[5]在三個應用方向中，mMTC和URLLC都指向萬物互聯。

5G技術可充分滿足物流網應用場景所需的機器類通信、大規模通信、關鍵性任務通信[6]的高要求。根據《2018年中國5G產業與應用發展白皮書》，到2025年中國物聯網連接數將達53.8億，其中5G物聯網連接數將達39.3億。[7]5G和物聯網的深度融合，進一步應用到航空制造領域，將使得生產各環節與設備之間高效協同，推動航空生產制造的自動化、智能化升級，為航空制造業帶來新的機遇。[8]

示例1：物料跟蹤

波音和空客公司都已將物聯網射頻識別（RFID）技術應用于供應鏈、飛機制造、倉儲和售后管理，以更好地識別、跟蹤和實時監控物料。5G將在深度覆蓋、低功耗和低成本等方面提供額外優勢。在中國商飛的5G智慧廠區，基于RFID的全生命周期復合材料管控系統借助5G，將可實現實時讀取溫濕度數據、追蹤復合材料位置和零件信息。

示例2：產品數據收集和生產環節監控

GE公司已成功將內部網絡改造成具備物聯網特性的智能網絡，可收集燃氣渦輪發動機在內的所有產品數據，并從根本上改變相關產品的運行和維護工作。在空客“未來工廠”實施計劃中，空客將物聯網整合到智能化加工及機械化系統中，應用于裝配線以監控潛在問題，并確保制造過程的準確性。德國弗勞恩霍夫（Fraunhofer）生產技術研究所對飛機噴氣式發動機扇葉盤開展了測試，利用5G毫秒級的低時延能力和物聯網技術，實時監控生產過程，可將打磨時間縮短25%，同時質量提升20%，預計每年可為工廠節省約2 700萬歐元。

2.2 工業自動化控制

自動化控制是航空工廠中最基本的應用之一，其核心是閉環控制系統，該系統對于通信時延、可靠性有極高的要求。[9]在生產過程中，如果時延過長，或在數據傳送中發生錯誤，將造成巨大的經濟損失。5G網絡的優勢使得閉環控制應用通過無線網絡連接成為可能。

示例1：工廠自動化

5G技術能夠通過增強對設備和機器的遠程控制，提高工廠生產過程的自動化。譬如機器學習算法通過分析從傳感器和攝像機收集的數據，能夠迅速警告操作員操作不合規，并且系統可以實時自動校正錯誤。

示例2：遠程檢查和維護

5G驅動的觸覺式網絡應用可以幫助工作人員執行遠程檢查，遠程維護和修理等任務。此項應用在交通不便、荒涼或者危險的地區，不僅可以降低成本，還可以降低事故風險。

2.3 VR/AR

VR和AR是對“現實”的再造和補充，是一種人類認識事物的新方式。在航空智能制造轉型過程中，VR/AR技術將成為產業提質增效的一個必然選擇。5G推動VR/AR發展的關鍵是高速率，這將有效打通VR/AR在傳輸方面的屏障，實現“無繩化”和“云VR/AR”。5G優化云VR/AR體驗的核心是低延時，這將徹底消除VR/AR使用中帶來的眩暈感，提升體驗。

示例1：飛機裝配

目前，AR/VR已被飛機制造商應用到了裝配過程中，譬如空客公司通過采用埃森哲公司研發的“智能眼鏡”，將AR技術應用于毫米級精度的客艙安裝標記工序。5G將全面優化體驗，提升效率。此外，AR技術還可應用于航空制造過程中的監控流程和生產流程、生產任務分步指導、遠程專家業務支撐等場景。譬如中國商飛基于5G的AR輔助裝配與遠程協助系統，將被應用于輔助線纜裝配、輔助EWIS（電氣線路互聯系統）裝配乃至裝配全流程。5G和VR/AR將相輔相成，發揮關鍵作用。

示例2：人員培訓

AR/VR和5G還可用于執行和支持航空技能人員培訓，能夠在安全的環境中模擬復雜的情況。它使培訓更省時，更方便，并可顯著降低培訓成本。

2.4 云化機器人

在航空智能制造生產場景中，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。5G通信網絡是支撐云化機器人的關鍵技術之一。

示例1：裝配線機器人控制

國內外航空制造企業已開始將人工智能與生產制造相結合，以實現智能制造的新模式和新手段。波音公司在埃弗雷特工廠的總裝線采用了庫卡機器人公司設計的自動導引機器人技術，通過在機身內外兩側設置進行定位的機器人，進行鉆孔和動態鉚接任務。空客也在探索類人機器人用于飛機組裝，通過開發新的可以計劃并控制精準運動的算法，使機器人可以避免與其他物件發生碰撞，并完成復雜任務。5G允許操作人員實時遠程監控和調整機器人的行為，還可通過觸覺/視覺反饋連接工具，包括觸摸屏手套或VR/AR耳機等，與機器人實現實時的交互。

示例2：使機器人更安全

現有的機器人一般都會配備緊急停止按鈕，但是，如果在所需時間內無法觸及該按鈕，則會帶來安全風險。將來，通過5G連接無線控制，便可快速實現緊急停止。諾基亞和博世公司已在開發可通過5G連接無線控制的取放機器人。

2.5 其他

示例1：簡化工廠布局

5G時代，智能工廠的布局可能也會發生變化，由于布線的減少，重新配置裝配線將變得比以往更簡單。

示例2：實現未來工廠到個人的定制

工業4.0時代的5G技術將無縫連接整個工廠，人與人、人與機器和工廠都將保持聯系并依賴工業云提供的制造服務。并且，個人可以直接向工廠下訂單，從而完成定制生產，數字制造的潛力將得以充分發揮。

3 5G引領航空制造智能工廠新發展

3.1 智能工廠將突破內外部界限

歐盟發布的《5G和未來工廠白皮書》[10]提出了未來5G在智能制造工廠的五大類具體應用，給出了典型的示例進行說明，并闡明了對制造業的潛在影響，如表1所示。

表1 5G在未來工廠的應用和主導影響

結合國內外5G在航空制造領域的現有應用示例，可以預見，隨著虛擬工廠等創新概念的出現，工廠內部和外部之間的界限將變得模糊，未來工廠將不再是孤立封閉的實體，而是更大價值鏈和生態系統的一部分，而5G將發揮關鍵作用。

3.2 工廠內部系統將實現整合升級

傳統的智能制造系統（即信息物理系統）包含現場層、執行層、控制層、管理層、企業層五層架構，以流程為核心。底層數據傳輸通過工業總線進行，但鑒于其有限的傳輸能力，信息實時交互難以實現。與此同時，頂層操作軟件相互獨立，信息跨層交互困難，流程優化需耗費大量人力，全局最優難以達成。

不同于傳統五層智能制造系統，中國商飛基于現有5G實踐，結合AI等技術，正加速探索以數據為核心的新型智能制造系統，分為感知執行層、管理控制層、智能應用層三層架構。

在感知執行層中，工廠中的萬物（人、設備、物料等）均通過5G終端，直接傳輸信號至工業云端，傳輸的數據類型和容量都將顯著增加，除工業語言數據外，還包含高清圖片、模型、視頻等，數據傳輸效率大大提升。管理控制層部署工廠大腦（AI），不同于原有MES、ERP等系統的信息孤島，而是建立信息池，通過人工智能分析，找到生產制造的最佳路徑。智能應用層同樣基于 AI，部署海量工業APP進行流程重構和優化，并實施管理控制層產生的指令，如圖2所示。

圖2 基于5G的新型智能制造系統三層架構示意圖

基于5G、以數據為核心的新型智能制造系統的建設，將實現航空制造智能工廠的內部整合升級，突破數據傳輸壁壘和信息交互壁壘，重新定義航空智能制造，也將重新定義工業生產的方式。

4 啟示

在過去幾年中，各國已爭相開啟5G網絡的全球部署，5G技術正快速發展，但目前基礎建設尚未完成，標準化進程預計在2020年后才可實現。另外，AR、AI等相關技術也處于早期開發階段，有大量的技術和管理問題有待解決，預計至少還要五到十年的時間，一些應用場景才有可能變成現實。但可以預見的是，在不遠的將來，航空制造業將成為5G發揮效用的最佳案例。

為實現產業升級，航空制造業需加緊規劃和部署智能制造，借助信息化和自動化等技術手段，提高生產效率，降低生產成本，加速技術創新，提升領軍企業和重點產品在全球市場的競爭力。建議提前布局，推動5G與先進技術在航空制造領域的融合發展，創新5G工業應用場景和應用范圍，加速航空智能工廠的有效落地和實踐，從而充分發揮航空制造業對經濟的帶動和引領作用。