5G 網(wǎng)絡催化工業(yè)4.0 實現(xiàn)

朱 斌 呂昌金

中郵建技術有限公司

0 引言

自2005 年廣電總局頒發(fā)一批IPTV（交互式網(wǎng)絡電視）牌照進行試點運營以來，運營商與中央電視臺、上海文廣等集成播控方合作開展IPTV 業(yè)務，逐步建立起了較為完整的技術標準體系和成熟的商業(yè)模式。經(jīng)過多年的摸索，并且隨著IPTV 規(guī)范標準化的完善，整個IPTV 產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展，用戶規(guī)模不斷提升，目前全國IPTV 用戶數(shù)已經(jīng)超過2 億戶。

人類此前經(jīng)歷的每一次工業(yè)革命都使生產(chǎn)生活方式發(fā)生了巨大變化，對社會帶來深遠影響。第四次工業(yè)革命正在到來，這是一個智能化時代。

圖1 四次工業(yè)革命演進

全球5G 市場勢頭強勁，已經(jīng)進入商業(yè)部署關鍵期。全球多個地區(qū)目前正在部署5G 網(wǎng)絡，并且已經(jīng)開始進行商業(yè)發(fā)布。2019 年6 月6 日，國家工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G 商用牌照，我國正式進入5G 商用元年。值得注意的是，中國廣電成為除三大基礎電信運營商外，又一個獲得5G 商用牌照的企業(yè)。

堅持自主創(chuàng)新與開放合作相結(jié)合，我國5G 產(chǎn)業(yè)已建立競爭優(yōu)勢。目前我國5G 中頻段系統(tǒng)設備、終端芯片、智能手機處于全球產(chǎn)業(yè)第一梯隊，具備了商用部署的條件。

5G 支撐應用場景由移動互聯(lián)網(wǎng)向移動物聯(lián)網(wǎng)拓展，將構建起高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎設施。與此同時，5G 將加速許多行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并且將更多用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等，拓展大市場，帶來新機遇，有力支撐數(shù)字經(jīng)濟蓬勃發(fā)展。

1 工業(yè)4.0

人、機器人、工廠物流和產(chǎn)品之間的實時通信是工業(yè)4.0的基本先決條件。實時數(shù)據(jù)將產(chǎn)生透明度和可操作的洞察力，而邊緣分析將有助于獲得最大的機器價值并優(yōu)化生產(chǎn)。所有上述概念顯然都需要標準化和數(shù)據(jù)安全性。憑借其標準化的網(wǎng)絡功能、內(nèi)置的安全性、有保證的服務等級，以及分布式云和網(wǎng)絡切片概念，5G 是希望利用數(shù)字化轉(zhuǎn)型的先進行業(yè)的完美工具。

從本質(zhì)上講，第四次工業(yè)革命是應用于制造業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)，物理系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡遠程相互通信并與人工進行通信。

“工業(yè)4.0”的本質(zhì)是產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的融合，這是一場時代的革命，是顛覆和自我顛覆。過去的15 年，由自動化到互聯(lián)網(wǎng)化，“互聯(lián)網(wǎng)+”是一個大概念，“工業(yè)4.0”也將成為“互聯(lián)網(wǎng)+”最先突破的一個領域。

“工業(yè)4.0”的核心理念是深度應用信息通信技術，推動實體物理世界和虛擬網(wǎng)絡世界的融合，在制造領域形成資源、信息、物品和人相互關聯(lián)的“信息物理系統(tǒng)”，推進制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。主要應用在6 個方面：自動化的智能運輸系統(tǒng)、數(shù)字化車間管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、管理視圖系統(tǒng)、自動化生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、3D 打印等。

工業(yè)4.0 的優(yōu)勢在于，它一直是政府、大學和行業(yè)的共同努力方向。它們共同促進增長，使用更少的資源，降低風險，提高生產(chǎn)力和靈活性。已經(jīng)提出許多突破性的概念，這些概念在人類、機器、機器人和產(chǎn)品的網(wǎng)絡化方面實現(xiàn)了巨大的飛躍。制造業(yè)領導者正在將信息技術和運營技術相結(jié)合，以全新的方式創(chuàng)造價值。

2 生產(chǎn)效率亟需提升

人工生產(chǎn)模式要始終保持高質(zhì)量水平的生產(chǎn)日趨困難，成本居高不下，這是由產(chǎn)品的復雜性和較短的上市時間等需求導致的。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但考慮到缺陷產(chǎn)品召回的高成本、客戶良好的產(chǎn)品體驗以及客戶推動品牌發(fā)展的重要性，企業(yè)仍須將質(zhì)量作為首要任務。提升產(chǎn)品質(zhì)量雖然給公司帶來了更多成本，但是通過使用基于機器學習開發(fā)的AI 算法，可以解決企業(yè)最初導致質(zhì)量下降的常見問題。

制造業(yè)正從大規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模定制（通過數(shù)字化工廠運營）轉(zhuǎn)變，18 世紀末的工業(yè)革命催化了機械化的出現(xiàn)，但此后工業(yè)生產(chǎn)仍主要處于手工水平直到20 世紀，真正的大規(guī)模生產(chǎn)始于汽車制造業(yè)，裝配線生產(chǎn)成為大規(guī)模生產(chǎn)的范例，對社會產(chǎn)生了深遠影響。事實上，社會科學中所謂的“福特主義”就是描述了一種基于工業(yè)化、標準化大規(guī)模生產(chǎn)和大眾消費的經(jīng)濟和社會制度。

近幾十年來，人們對靈活定制的需求越來越高漲。以使商品能夠從眾多競爭對手中脫穎而出并擴大其產(chǎn)品范圍為例，某種程度上，只要制造成本保持足夠低即可獲得可持續(xù)的利潤，豐富的產(chǎn)品種類就會刺激消費者市場，這種趨勢的終極就是“個性化生產(chǎn)”。從供應商到客戶的整個價值鏈中，利用新技術，可以顯著提高生產(chǎn)線的靈活性，縮短生產(chǎn)周期，促使更實惠和可擴展的定制需求產(chǎn)生。

“個人”產(chǎn)品定制的趨勢正在增長，并且偏好在線購買。因此，需要調(diào)整當前流程以使其更加靈活和可定制，同時仍保護生產(chǎn)線中的初始投資。諸如5G 網(wǎng)絡之類的高速無線基礎設施可以促進OEM 機器的快速靈活修改，并且影響更小，效率得到提升。

物聯(lián)網(wǎng)技術帶來的工廠運營數(shù)字化，有望推動實現(xiàn)這一目標。數(shù)字工具將能夠監(jiān)視和控制所有生產(chǎn)工具，通過數(shù)千個傳感器收集數(shù)據(jù)，創(chuàng)建產(chǎn)品的數(shù)字圖像，這通常被稱為“數(shù)字影像”。一旦為物理產(chǎn)品創(chuàng)建了數(shù)字影像并且具有其特定的DNA，那就可以在數(shù)字化生產(chǎn)設施中更有效地制造該產(chǎn)品，并具有更高的質(zhì)量。通過這種方式，可以優(yōu)化制造過程，提前發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，以防止生產(chǎn)線末端的缺陷，并進行持續(xù)改進，還可以進行預測性和預防性維護。

無線傳感器和4G/5G 等高容量通信網(wǎng)絡的結(jié)合在此背景下發(fā)揮著關鍵作用，通過從車間層面（生產(chǎn)線）收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)，進行連續(xù)監(jiān)控。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，將控制、數(shù)據(jù)記錄和警報結(jié)合到云平臺中的虛擬控制器，有助于推動數(shù)字化進程，并節(jié)省成本。此外，云平臺可以控制各種生產(chǎn)工具，是可以獨立運行的遠程機器和便攜式系統(tǒng)的解決方案。

3 AI 在工業(yè)4.0 中的作用

自動化和機器人技術為工業(yè)4.0 提供了“感官”，而數(shù)據(jù)和連接則是“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。但是，這場工業(yè)革命背后的真正大腦是AI（人工智能）。

在工業(yè)自動化中使用人工智能的復雜性，要求制造商與專家合作以獲得定制解決方案，嘗試構建所需技術的成本很高，而且大多數(shù)制造商沒有內(nèi)部必要的技能知識。機器學習使得能夠基于大量數(shù)據(jù)進行預測，這種人工智能分支建立在模式識別的基礎上，能夠獨立地從經(jīng)驗中吸取知識。

人工智能不再是未來的愿景，如今，大型數(shù)據(jù)中心和巨大的存儲容量使得多年來被認為是遙遠概念的事物成為可能。對于人工智能，機器學習和深度學習這兩個分支利用大數(shù)據(jù)的可能性來優(yōu)化流程，尋找新的解決方案并獲得新的思路。

算法構成了基礎，從中小型公司到大型跨國公司，每個組織都會積累可以利用的數(shù)據(jù)。使用軟件，可以挖掘和評估數(shù)據(jù)以進行預測。機器學習識別特征和關系，并使用算法從中推導出解決方案。

制造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品對于制造商的成功至關重要，但僅僅盈利和維持業(yè)務是不夠的。生產(chǎn)成本必須足夠低，以獲得合適的利潤，這可以通過不斷提高制造系統(tǒng)的效率來實現(xiàn)，自動化對此至關重要。制造系統(tǒng)需要大量投資，并且必須進行設計，以便長期保持盈利。如果企業(yè)要在不斷變化的市場中保持競爭力，他們必須不斷改進產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，必須進行虛擬調(diào)試，以便通過合理的增量投資不斷升級生產(chǎn)系統(tǒng)，這需要一個可以模擬制造工廠的虛擬（基于計算機）環(huán)境。

模擬的工廠模型必須在傳感器和執(zhí)行器的水平上完全定義，這樣做的一個主要好處是它取代了對真實工廠和控制器進行實際調(diào)試的需要，這非常昂貴且耗時。相反，虛擬調(diào)試允許在物理工廠基礎設施投資之前識別可能的設計缺陷和操作錯誤。制造工廠的數(shù)字化使其設計人員能夠提高生產(chǎn)過程的效率，提高自動化密度，并優(yōu)化實現(xiàn)產(chǎn)品所需材料的處理。

4 5G 驅(qū)動虛擬工廠

虛擬工廠使得以比物理工廠成本低得多的成本執(zhí)行全局系統(tǒng)設計、仿真、驗證和物理映射成為可能。然而，要做到這一點，虛擬工廠需要新型機器人，增加全球生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性。這些機器人需要具有智能，并需要一整套系統(tǒng)來全局管理，以實現(xiàn)彼此交互以及與人類進行交互。

高質(zhì)量的無線連接對虛擬工廠的實現(xiàn)至關重要。由于電纜升級需要高昂的運營支出，因此在這種不斷變化的環(huán)境中，有線連接及其復雜的布線將是不可行的。無線連接必須將生產(chǎn)工廠的所有物理元素與能夠收集和處理大量數(shù)據(jù)云連接起來，所有這些元素之間的通信必須在以電磁干擾為特征的具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工作。雖然LTE 連接功能強大且足以應對當今的環(huán)境，但嚴格的延遲要求很快將需要5G 連接。一旦通過無線連接收集了大量數(shù)據(jù)，即可使用新方法來處理，將其轉(zhuǎn)換為可由人或機器或兩者同時使用的格式，并通過云平臺挖掘信息價值。

因此，大數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)在數(shù)字工廠中至關重要。最終，將需要一個網(wǎng)絡系統(tǒng)來處理復雜的生產(chǎn)過程，包括圍繞機器、存儲系統(tǒng)和構建的IT 系統(tǒng)。所有這些通過允許預防性和預測性維護來減少工廠停止服務的時間，最小化生產(chǎn)延遲和避免故障，從而進一步提高工廠的效率，效率提升的一個直接效果是降低能耗。

高速通信網(wǎng)絡、基礎設施和云計算技術可以通過新的相關功能豐富自動化工廠，同時通過云技術降低成本。因此，可以在云中創(chuàng)建具有“大腦”（虛擬控制器）的更智能的機器人。“大腦”由知識庫、程序路徑、模型、通信支持等組成，有效地將控制器的智能轉(zhuǎn)移到遠程虛擬控制器中。

這種方法有許多好處：（1）云平臺功能可與傳統(tǒng)基礎架構并存，兼容傳統(tǒng)服務演進和新服務；（2）通過最大化虛擬平臺的性能和容量來降低運營成本，從而提供高可靠性和高性能；（3）多個軟件和硬件故障的容錯，盡可能地降低服務損失；（4）全面的故障管理、隔離和恢復；（5）高可擴展性。

5 5G 對于工業(yè)4.0 的意義

利用高性能的無線網(wǎng)絡連接工廠內(nèi)的海量傳感器、機器人和信息系統(tǒng)，連接產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)、優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)不斷“喂食”人工智能，并將分析、決策反饋至工廠。同時，物聯(lián)網(wǎng)絡覆蓋全球，連接廣泛分布或跨區(qū)域的商品、客戶和供應商等，保持對整個產(chǎn)品生命周期的全連接，從而實現(xiàn)工廠內(nèi)外部的縱向、橫向集成和端到端集成。

圖2 工業(yè)4.0 網(wǎng)絡架構

總之，未來的工廠是數(shù)字虛擬和物理現(xiàn)實相融合，ICT 技術與現(xiàn)代制造業(yè)相融合，以提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、可追溯性、多功能性和生產(chǎn)效率，為制造業(yè)開辟新的商業(yè)模式。工廠內(nèi)部和外部之間的界限也越來越模糊，工廠不再是獨立的封閉實體，而是龐大的價值鏈和生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這就是所謂的“虛擬工廠”。

6 結(jié)束語

人工智能將滲透到整個工業(yè)4.0 生態(tài)系統(tǒng)中，不限于生產(chǎn)車間。其中一個例子是使用AI 算法來優(yōu)化制造業(yè)務的供應鏈，并幫助他們更好地響應和預測市場的變化。利用這些信息來優(yōu)化庫存控制、人員配置、能源消耗，以及針對公司戰(zhàn)略做出更好的財務決策，這是具有開創(chuàng)性的。

人與智能機器的合作是一個新的方向，未來幾年對工業(yè)和社會將產(chǎn)生深遠影響。人工智能、人工學習和思維的強大精細化能力，可以創(chuàng)造出能夠提供更高工業(yè)自動化的解決方案。未來的智慧工廠，將通過制造過程的數(shù)字化來實現(xiàn)，這將依托5G 網(wǎng)絡及其所構建的功能模塊來實現(xiàn)。

5G 基礎架構包括云技術、大數(shù)據(jù)分析和IT 功能等，是實現(xiàn)工業(yè)4.0 的催化劑，可提升生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，提高工作質(zhì)量。