5G網(wǎng)絡在工業(yè)制造中的應用

謝紅賢

（安徽電信規(guī)劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

5G+工業(yè)制造是指利用5G通信構建新型工業(yè)生產(chǎn)模式，通過5G通信將人員、設備、系統(tǒng)等進行連接，構建全新的制造服務體系，加速中國新型工業(yè)化進程。5G通信將人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)以及邊緣計算等新興技術深度融合，形成云、網(wǎng)、邊、端全鏈條服務的體系，打造以5G為中心的泛智能集成設施，進而與區(qū)塊鏈、增強現(xiàn)實/虛擬現(xiàn)實、全息影像等技術融合創(chuàng)新，支持各類工業(yè)場景和應用。5G網(wǎng)絡將加速人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、邊緣計算等技術的發(fā)展，進而這些技術再融合創(chuàng)新共同支撐新工業(yè)的發(fā)展[1]。

1 5G+工業(yè)視覺技術

5G+工業(yè)視覺是一項綜合技術，是指在廠區(qū)及生產(chǎn)車間內布置各類傳感器、攝像頭和數(shù)據(jù)監(jiān)測終端設備，采集現(xiàn)場環(huán)境、人員行為、設備運行狀況等數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡回傳至監(jiān)控管理中心，對生產(chǎn)現(xiàn)場全方位檢測識別，為生產(chǎn)管理提供保障，如圖1所示。通過5G+工業(yè)視覺檢測技術的應用能有效減少危險操作區(qū)域內違規(guī)行為的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作能及時制止。

圖1 工業(yè)視覺

5G+工業(yè)視覺通過工業(yè)級要求的視頻監(jiān)控實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)中加工工序、產(chǎn)品質量等監(jiān)測，由于是用高科技智能替代普通人工，因此不存在人員疲勞、身體不適等原因導致的操作出錯、效率降低、精度變差等問題。5G+工業(yè)視覺可以節(jié)省人力成本，通過高清攝像頭返回數(shù)據(jù)給計算機進行分析計算。5G+工業(yè)視覺的檢測精度和檢測效率也要高于普通人工，主要通過高清攝像頭全方位采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)圖像和軟件識別結果。此外，5G+工業(yè)視覺的安全性更高。通過高科技設備管理現(xiàn)場，能夠很大程度上保護被檢測物體和檢測人員[2]。

5G+工業(yè)視覺的作用如下。

（1）提高操作安全性。面向無菌生產(chǎn)車間和控制閥門等危險操作區(qū)域，能夠提高相關操作的安全性。

（2）降低違規(guī)發(fā)生率。通過5G+工業(yè)視覺檢測技術的應用，能有效防止危險操作區(qū)域內違規(guī)行為的發(fā)生，發(fā)現(xiàn)違規(guī)操作能及時制止[3]。

（3）工序檢測。通常包含員工行為檢測和工藝流程檢測，避免因誤操作造成的質量不穩(wěn)定問題。

（4）質量檢測。通過尺寸、顏色、包裝等外形檢測，可有效避免因人肉眼疲勞導致的誤差問題。

（5）安全檢測。通過物料擺放、員工穿戴等檢測，可有效預防企業(yè)安全生產(chǎn)事故的發(fā)生。

（6）設備故障診斷。通過現(xiàn)場的攝像頭、傳感器實時采集生產(chǎn)設備運行數(shù)據(jù)，通過5G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到故障診斷系統(tǒng)，故障診斷系統(tǒng)對傳回的數(shù)據(jù)、圖像進行診斷分析預測，并通過網(wǎng)絡實現(xiàn)報警信息、診斷信息、預測信息、統(tǒng)計數(shù)據(jù)等的智能推送。

2 5G+無人運輸

近年車企行業(yè)在研究車聯(lián)網(wǎng)，車聯(lián)網(wǎng)其實是以汽車作為載體而實現(xiàn)的服務技術，能夠實現(xiàn)車-車、車與路測基礎設施、車與路人之間數(shù)據(jù)交互，需要強大穩(wěn)定的網(wǎng)絡支持。自動駕駛需要通過各類傳感器采集大量數(shù)據(jù)，在極短時間內分析處理這些數(shù)據(jù)并做出響應。車聯(lián)網(wǎng)采用的技術有很多，其中5G技術一直被認為是車聯(lián)網(wǎng)的最佳選擇。5G技術相比于4G技術更先進、速率更高、帶寬更大、延遲更低，基于5G網(wǎng)絡能更好地推進無人駕駛體系完善。同時低時延、大帶寬的5G能夠提升物流車輛載入AI系統(tǒng)的效能，能夠在復雜的運輸環(huán)境下實現(xiàn)物流運輸自動化[4,5]。基于5G網(wǎng)絡下的V2X車聯(lián)網(wǎng)物流傳輸場景具體結構如圖2所示。

圖2 基于5G的車聯(lián)網(wǎng)物流傳輸結構

全自動化運輸可以提高物流的效率，上游企業(yè)可以向用戶提供更多訂單，形成良性循環(huán)。5G是無人駕駛技術的基礎，能夠促進無人駕駛技術的應用，也能夠促進新型物流的發(fā)展，5G通信技術將影響全新物流的發(fā)展。全自動化的物流運輸包括物流汽車無人駕駛、車隊編號行駛、物流控制節(jié)點管控等。物流車輛運輸過程中，汽車內置CPE處理器，利用計算機進行運輸路徑的規(guī)劃，通過對行車環(huán)境的分析計算響應來遠程控制車輛行駛，這樣更加安全和高效[6-8]。5G高速率、低延遲的特性可以使運輸車輛突破視覺感知和數(shù)據(jù)實時共享等技術瓶頸，幫助實現(xiàn)全自動化的物流運輸。

3 5G+智慧工廠

通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術加強信息管理和服務，進而制定并安排合理有效的生產(chǎn)計劃和策略。為了實現(xiàn)工廠智能化，需要將工廠內各種設備進行聯(lián)網(wǎng)。由于現(xiàn)有設備多、生產(chǎn)環(huán)境復雜、施工難度大且傳統(tǒng)光纖通信成本高，因此很難實施。5G通信網(wǎng)絡具有高速率、低時延、大帶寬的特性，能很好地滿足工業(yè)對無線網(wǎng)絡的要求。通過5G網(wǎng)絡可以將工廠內的生產(chǎn)數(shù)據(jù)圖像等信號傳送到監(jiān)控管理中心，管理者根據(jù)傳回的數(shù)據(jù)合理分析、控制、分配，實現(xiàn)實現(xiàn)工廠生產(chǎn)管理全面升級。5G網(wǎng)絡將生產(chǎn)現(xiàn)場的傳感器、處理器等連接起來，使機器之間可以進行通信，實現(xiàn)更多功能和復雜工作。設備點對點通信，通過管理平臺對多工廠終端設備進行集中管理和監(jiān)控維護。產(chǎn)品創(chuàng)新為制造業(yè)的生存之本，5G可以助力產(chǎn)品升級換代[9-12]。

5G+智慧工廠應用的總體架構主要包括4個層面，即數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、平臺層以及應用層，如圖3所示。

圖3 5G+智能工廠結構

3.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層負責采集現(xiàn)場設備運行情況、車間工況、運營環(huán)境、生產(chǎn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生的各類運行維護信息服務和管理信息等，其本質是利用傳感、監(jiān)控技術對工廠內的多種設備、服務系統(tǒng)、運營環(huán)境、生產(chǎn)人員等信息進行實時采集傳輸。同時，通過邊緣計算技術將采集到的一部分數(shù)據(jù)在邊緣側進行分析處理，并直接將結果返回到設備，指導設備運行。

3.2 網(wǎng)絡層

網(wǎng)絡層是為平臺層和應用層提供更好服務的保障。大連接、高速率、低時延的5G通信網(wǎng)絡將工廠內各種生產(chǎn)設備進行連接，實時采集現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，為生產(chǎn)管理提供支撐。智能化工廠內將會安裝大量的傳感器等，這些設備采集的現(xiàn)場數(shù)據(jù)都可通過5G網(wǎng)絡在極短的時間內進行上報，使管理人員能夠對工廠內的設備運行狀況進行精準調控。同時，利用5G網(wǎng)絡能夠將生產(chǎn)監(jiān)控錄像傳送到控制中心，通過監(jiān)控視頻檢測各設備生產(chǎn)細節(jié)，為工業(yè)生產(chǎn)智能化管理提供支持。檢測生產(chǎn)出來的產(chǎn)品是否存在缺陷、識別原材料是否符合標準等。利用5G網(wǎng)絡能夠實時傳輸高清晰的視頻圖像，提升工業(yè)視覺系統(tǒng)靈敏度。

3.3 平臺層

基于5G技術的平臺層建設是智能制造實現(xiàn)進一步升級的核心，主要包括以GPU、海量存儲和彈性計算為主的工業(yè)云服務和以圖像識別、大數(shù)據(jù)服務、智能決策為主的解決方案庫。其中基于5G網(wǎng)絡的云服務能夠助力工業(yè)開發(fā)新的App，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)升級。

3.4 應用層

應用層主要承載5G背景下智能制造的技術轉化工作，基于5G網(wǎng)絡大帶寬、低時延、高速率的特性研發(fā)出來的行業(yè)應用App可滿足企業(yè)數(shù)字化和智能化的需求。其中，視頻監(jiān)控、視頻分析、VR遠程交互、雙目相機同步以及AR遠程協(xié)助等是現(xiàn)在工業(yè)行業(yè)內應用較多的場景。

4 結 論

5G網(wǎng)絡具有高速率、大帶寬、低延遲的特性，可以助力實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級。除此之外，5G網(wǎng)絡與云計算、人工智能技術的結合將為智能化工業(yè)生產(chǎn)管理提供更實時、完善的信息資源和便利，為建立完善的智能化移動網(wǎng)絡體系提供堅實的基礎。