智能制造場(chǎng)景的5G應(yīng)用展望

陳震

摘要：制造業(yè)對(duì)智能化、數(shù)字化和協(xié)同化發(fā)展的需求日益迫切，在工業(yè)制造領(lǐng)域，新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了日漸廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在智能制造行業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，5G應(yīng)用呈現(xiàn)出廣闊前景。本文簡(jiǎn)述了智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，淺析了5G關(guān)鍵技術(shù)，探究了智能制造場(chǎng)景及5G應(yīng)用，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能制造;5G;應(yīng)用

前言：德國(guó)早在2011年即提出工業(yè)4.0概念，旨在構(gòu)建智能生產(chǎn)模式，提供高度數(shù)字化和個(gè)性化的產(chǎn)品服務(wù)。美國(guó)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義為面向全球的開(kāi)放性網(wǎng)絡(luò)，對(duì)人、機(jī)器和數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。日本在2015年提出工業(yè)4.1J，將單一工廠(chǎng)下的智能制造延伸至整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，形成整體價(jià)值鏈。我國(guó)高度重視促進(jìn)工業(yè)化和信息化實(shí)現(xiàn)深度融合。以5G技術(shù)為基礎(chǔ)展開(kāi)智能制造場(chǎng)景相關(guān)應(yīng)用研究，與智能制造領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢(shì)相符合。

一、智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)主要包括配置層、認(rèn)知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)化層以及智能連接層。智能連接層對(duì)傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并經(jīng)由數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)于底層設(shè)備的信息;再向網(wǎng)絡(luò)層傳遞，依托網(wǎng)絡(luò)層實(shí)施云計(jì)算服務(wù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合;將融合信息向認(rèn)知層傳遞，據(jù)此對(duì)機(jī)器進(jìn)行操控;由配置層實(shí)施智能決策，將具體情況作為依據(jù)，對(duì)參數(shù)配置實(shí)施自適應(yīng)調(diào)整。智能制造以實(shí)現(xiàn)自我感知、預(yù)測(cè)，自主決策以及智能匹配等功能為生產(chǎn)目標(biāo)。智能制造面臨嚴(yán)峻的通信挑戰(zhàn)，例如，設(shè)備高連接密度挑戰(zhàn)、低功耗挑戰(zhàn)、超低延遲挑戰(zhàn)以及高傳輸速率挑戰(zhàn)等。5G通信技術(shù)較為先進(jìn)，延遲更低，傳輸速率更高，且連接無(wú)處不在，能實(shí)現(xiàn)對(duì)上述挑戰(zhàn)的有效應(yīng)對(duì)。

二、5G關(guān)鍵技術(shù)

1、5G架構(gòu)

第三代合作伙伴項(xiàng)目對(duì)5G系統(tǒng)架構(gòu)作出了定義，在5G系統(tǒng)架構(gòu)下，核心網(wǎng)控制面實(shí)現(xiàn)了與用戶(hù)面的分離，并具備策略控制和會(huì)話(huà)管理等功能，并集中部署控制面功能，在網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉部署用戶(hù)面功能。5G網(wǎng)絡(luò)對(duì)邊緣應(yīng)用提供支撐時(shí)，其應(yīng)用功能將AF請(qǐng)求發(fā)送至PCF或者網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)功能，請(qǐng)求涵蓋終端信息、N6路由需求等系列參數(shù)。PCF將AF提供的參數(shù)信息作為依據(jù)，利用SMF對(duì)UPF進(jìn)行合理選擇，并經(jīng)由N6接口向目標(biāo)應(yīng)用實(shí)例傳輸目標(biāo)業(yè)務(wù)。

2、5G支持的應(yīng)用場(chǎng)景

國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)5G面向的具體通信需求實(shí)施分類(lèi)，主要為三種應(yīng)用場(chǎng)景提供支持，一是增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶，二是大規(guī)模機(jī)器型通信，三是超可靠低延遲通信。其中，增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶場(chǎng)景針對(duì)的主要是用戶(hù)體驗(yàn)率等關(guān)于人的通信性能;大規(guī)模機(jī)器型通信場(chǎng)景以低成本、長(zhǎng)電池壽命和高連接密度為基本需求;超可靠低延遲通信場(chǎng)景的傳輸需求有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，一是低延遲，二是高可靠性。增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)縫連接實(shí)際范圍的拓寬，能增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)，對(duì)用戶(hù)體驗(yàn)速率和數(shù)據(jù)速率提出的要求較高，對(duì)靈活性、可靠性以及時(shí)間延遲等提出的要求則相對(duì)較低，以歐盟5G-MEDIA項(xiàng)目為例，該項(xiàng)目目標(biāo)是依托5G網(wǎng)絡(luò)，形成大寬帶、高速率的移動(dòng)媒體流，據(jù)此增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。大規(guī)模機(jī)器型通信場(chǎng)景包含較多終端設(shè)備，且設(shè)備體量較大，對(duì)連接設(shè)備的可變性和多樣性以及連接密度提出的需求較高。多數(shù)設(shè)備保持靜止?fàn)顟B(tài)，大規(guī)模機(jī)器型通信場(chǎng)景對(duì)移動(dòng)性和延遲提出的要求較低。超可靠低延遲通信場(chǎng)景對(duì)可靠性和延遲提出的要求較為嚴(yán)格，不僅要求按照端到端傳輸對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確控制，還要求將延遲從原來(lái)的幾十毫秒有效減少至幾毫秒。

3.網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是指5G根據(jù)需求對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。僅憑單一網(wǎng)絡(luò)，難以良好滿(mǎn)足多通信需求相應(yīng)的全部場(chǎng)，由此催生網(wǎng)絡(luò)切片，該技術(shù)支持增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶、大規(guī)模機(jī)器型通信、超可靠低延遲通信等各類(lèi)場(chǎng)景。網(wǎng)絡(luò)切片以編排架構(gòu)為依托，能實(shí)現(xiàn)靈活部署，并為不同企業(yè)提供差異化服務(wù)。例如，WANG依托移動(dòng)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切片，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)施移動(dòng)管理。工業(yè)垂直應(yīng)用面向特定用例的網(wǎng)絡(luò)切片，將各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)功能向共享基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)切片動(dòng)態(tài)分配，同時(shí)，水平切片相應(yīng)的特定用例可構(gòu)成端到端網(wǎng)絡(luò)，與工業(yè)垂直應(yīng)用相應(yīng)的切片具有相似的需求。邊緣云或者本地服務(wù)器能對(duì)低延遲服務(wù)進(jìn)行處理，集中式服務(wù)器可對(duì)延遲要求較低的服務(wù)進(jìn)行處理。

三、智能制造場(chǎng)景及5G應(yīng)用

1、以擴(kuò)展5C架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能制造

綜合考慮智能制造的各項(xiàng)需求，對(duì)5C架構(gòu)加以擴(kuò)展，其中，智能連接層配置的設(shè)備較多，如何對(duì)終端設(shè)備進(jìn)行高效訪(fǎng)問(wèn)，并保障高可靠性，是亟需考慮解決的問(wèn)題;數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層對(duì)智能連接層所采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但無(wú)法保障數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性;網(wǎng)絡(luò)層對(duì)數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層包含的信息進(jìn)行收集，需對(duì)數(shù)據(jù)分析和相關(guān)計(jì)算進(jìn)行加速，并實(shí)現(xiàn)超低延遲;認(rèn)知層需對(duì)網(wǎng)絡(luò)層分析信息制定決策，但對(duì)決策計(jì)算速率要求較高，仍需優(yōu)化用戶(hù)傳輸率;在配置層作用下，設(shè)備能實(shí)現(xiàn)對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的自配置，要求通信具有較高的可靠性。

2.人機(jī)界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場(chǎng)景

人機(jī)界面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在人與各類(lèi)制造設(shè)備的良好交互。生產(chǎn)信息系統(tǒng)主要包括兩類(lèi)，一類(lèi)是制造執(zhí)行系統(tǒng)，一類(lèi)是資源規(guī)劃系統(tǒng)。人機(jī)界面與生產(chǎn)信息場(chǎng)景常見(jiàn)的典型用例如下：（1）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，操作者將AR眼鏡戴好，即能對(duì)機(jī)器內(nèi)部相應(yīng)的視覺(jué)圖像進(jìn)行獲取，操作者穿戴的手套具有反饋功能，能對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行有效操控，實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配任務(wù)的高效完成。（2）遠(yuǎn)程訪(fǎng)問(wèn)與監(jiān)控，對(duì)爆炸、輻射、污染等高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境具有較強(qiáng)的適用性。5G具有高可靠性和低延遲優(yōu)勢(shì)，從技術(shù)層面為交互式人機(jī)控制和遠(yuǎn)程控制提供了可能，并能確保工廠(chǎng)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)同步操作。上述用例基于人的角度展開(kāi)決策，能增強(qiáng)認(rèn)知層性能。

在人機(jī)交互上，技能互聯(lián)網(wǎng)綜合了各領(lǐng)域趨勢(shì)，主域捕獲技能對(duì)從屬域進(jìn)行傳輸完成再現(xiàn)，再對(duì)主域返回反饋，形成閉環(huán)。主控領(lǐng)域通過(guò)HMIs對(duì)技能進(jìn)行捕獲，該HMIs作為觸覺(jué)設(shè)備，能轉(zhuǎn)換人的輸入，形成壓力指令和特定運(yùn)動(dòng)，能跟隨人手，實(shí)現(xiàn)精確運(yùn)動(dòng)。當(dāng)對(duì)專(zhuān)家技能進(jìn)行準(zhǔn)確掌握后，即能通過(guò)可靠和低延遲的通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)傳輸。從屬域能對(duì)遠(yuǎn)程環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確感知，并由終端機(jī)器人根據(jù)命令對(duì)捕獲信息進(jìn)行復(fù)制，形成反饋信號(hào)，向主域反饋，由此構(gòu)建閉環(huán)回路。5G能與技能互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，并依托混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)，增強(qiáng)性能體驗(yàn)。

移動(dòng)MES利用5G通信技術(shù)，將Android系統(tǒng)相應(yīng)的APK程序分發(fā)在服務(wù)器上，對(duì)APK程序進(jìn)行修改更新后，在服務(wù)器上發(fā)布，潔凈室包含的任意PDA與5G連接后，即能實(shí)現(xiàn)對(duì)更新提示的直接接收，在對(duì)PDA進(jìn)行更新時(shí)，能減少點(diǎn)對(duì)點(diǎn)需求，進(jìn)而減少維護(hù)人員承擔(dān)的工作量。

3.流程自動(dòng)化場(chǎng)景

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程的工廠(chǎng)主要加工電力、石油、水、食品等產(chǎn)品，通常，要對(duì)生產(chǎn)過(guò)程涉及的各類(lèi)工藝參數(shù)，包括壓力、流量、液位、溫度等實(shí)施自動(dòng)控制和健康狀態(tài)監(jiān)控。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化流程的工廠(chǎng)具有分布密度較高的設(shè)備設(shè)施，據(jù)此連接人、系統(tǒng)和機(jī)器。應(yīng)用5G能促進(jìn)流程自動(dòng)化效率實(shí)現(xiàn)大幅度提高，并降低材料交付、內(nèi)部調(diào)度等環(huán)節(jié)造成的能源、資源消耗，通過(guò)配備5G移動(dòng)機(jī)器人，能高效搬運(yùn)物料，增強(qiáng)生產(chǎn)的靈活性。在流動(dòng)自動(dòng)化場(chǎng)景中，5C架構(gòu)包含的智能連接層通過(guò)人工智能技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)展開(kāi)大規(guī)模收集;數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層通過(guò)D2D技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)模壓力進(jìn)行緩解;以云計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)的移動(dòng)機(jī)器人結(jié)合CPS，對(duì)流程加工實(shí)施自適應(yīng)規(guī)劃和有效控制。

4.工廠(chǎng)自動(dòng)化場(chǎng)景

工廠(chǎng)自動(dòng)化能有效驅(qū)動(dòng)大規(guī)模生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)，要促進(jìn)所有機(jī)器開(kāi)展通信，并落實(shí)執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)，例如，對(duì)工件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，需從某設(shè)備切換至其他設(shè)備。在制造過(guò)程中，數(shù)據(jù)量逐漸增加，機(jī)器聯(lián)網(wǎng)數(shù)量也隨之增加，對(duì)此，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，需對(duì)各類(lèi)終端設(shè)備實(shí)施5G通信研究。以云計(jì)算系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對(duì)故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并發(fā)出實(shí)時(shí)報(bào)警，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障問(wèn)題的快速解決，加強(qiáng)預(yù)測(cè)性維護(hù)。5G服務(wù)可靠性和通信延遲，能促進(jìn)工廠(chǎng)自動(dòng)化場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)高效良好的落地應(yīng)用。

結(jié)語(yǔ)

5G標(biāo)準(zhǔn)逐步完善后，對(duì)制造場(chǎng)景的多接入邊緣計(jì)算能實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)業(yè)務(wù)的就近提供。5G關(guān)鍵技術(shù)主要包括5G架構(gòu)、5G支持的應(yīng)用場(chǎng)景、網(wǎng)絡(luò)切片等內(nèi)容。智能制造場(chǎng)景及5G應(yīng)用主要體現(xiàn)在以擴(kuò)展5C架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能制造、人機(jī)界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場(chǎng)景、流程自動(dòng)化場(chǎng)景等方面。

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