5G+邊緣計算在智能物流應用領域的探索——訪南京音飛存儲電控部總監尹慧

文 / 本刊記者 喜崇彬

在我國大力推動智能制造的大背景下，制造企業依托5G+工業互聯網以及人工智能技術，對制造業進行“數字化改造”實踐，提升數據賦能水平成為制造業升級發展的一個重要方向。在2020年，工信部推進了一個重要項目——面向典型行業的工業互聯網“5G+邊緣計算”服務平臺，南京音飛儲存設備（集團）股份有限公司（以下簡稱“音飛”）深度參與，主要承擔了“工業級5G+智能搬運機器人”示范項目。本文將介紹音飛公司參與本項工作的進展和取得的成果等情況。

尹慧南京音飛存儲電控部總監

通過邊緣計算結合5G網絡能力，為企業進一步簡化網絡復雜度，增加產線柔性和可持續升級能力，為企業各類應用提供網絡和應用管理的綜合性服務。

工信部推動“5G+邊緣計算”在制造行業應用

在2020年，中華人民共和國工業和信息化部信息通信管理局推出一個關于5G技術應用的重要項目——面向典型行業的工業互聯網“5G+邊緣計算”服務平臺。這個項目推出的背景是多樣化的工業應用對工業互聯網的網絡和計算能力提出了新的需求和挑戰，不僅包括網絡帶寬、連接實時性、可靠性、安全性等多方面要求，此外，網絡還需根據應用特征提供隨時按需調用的計算、存儲等能力。此外，由于不同場景工業智能設備集成的傳感器不同，計算能力需求不同，和流程系統交互協作要求不同，會造成工廠自動化系統及信息系統的集成困境，進而影響各類工業應用的正常運行。針對上述挑戰，項目致力于實現面向多樣化網絡需求的工業應用，建設“5G+邊緣計算”服務平臺，通過邊緣計算結合5G網絡能力，為企業進一步簡化網絡復雜度，增加產線柔性和可持續升級能力，實現自主管理，網絡劃分，帶寬動態分配，計算能力橫向擴展，遠程管控，應用部署和管理等功能，支持應用驅動控制工業設備能力及工業應用驅動的網絡資源動態調整能力，為企業各類應用提供網絡和應用管理的綜合性服務。

項目具體建設內容是通過建設“5G+邊緣計算”服務平臺，實現由工業應用驅動的工廠內外資源網絡化自動配置能力，形成新型工廠現場邊緣計算應用架構和模型。針對目前中小企業在邊緣計算和5G方面應用困境，通過典型行業的邊緣網絡應用創新示范，形成應用模板和解決方案，推動工業互聯網在中小企業的應用落地。項目建設成果包括但不限于“5G+邊緣計算”工業互聯網技術架構和實施模型；行業標準草案或具有影響力的工業互聯網產業聯盟團體標準草案；示教平臺和測試環境，能夠為企業提供咨詢培訓服務；實現基于“5G+邊緣計算”的“生產優化、質量檢測、協同生產、柔性制造等”4種以上典型邊緣網絡應用創新；通過“5G+邊緣計算”實現生產優化、質量檢測、協同生產、柔性制造等4種以上典型邊緣網絡應用創新，帶動技術發展和產業應用；支持接入主流設備和工業控制器，支持包括物流、倉儲、機器人、機床等20種以上設備類型，支持編程語言進行實時控制編程。

項目實施的主要目的包括：1.在知識產權和標準化方面，通過共同研制標準引領行業發展方向，形成自主知識產權，推進項目涉及的各項創新技術在平臺項目中的落地。同時大力推動平臺的各項創新技術進入國家工業和產業標準以及國際標準化組織3GPP標準。2.開發出國產基于5G的物聯網芯片，打破國外芯片壟斷，并成功部署到工業互聯網場景下的終端設備，如AGV、可移動工業機器人等。3.建設一套完整的5G網絡系統，驗證為“5G+邊緣計算”服務平臺相關工業互聯網應用場景提供網絡通信及計算能力，可以很好的支撐eMBB、uRLLC及mMTC等工業互聯網場景，包括AR指導、云化AGV、柔性生產、機器視覺、替代有線等，在帶寬、時延、連接數等方面均滿足平臺相關功能、性能、可靠性等技術要求。4.在工業生產環節，完成機械裝備核心部件的協同制造、整機組裝、質量驗證、施工現場遠程調優和作業調度控制方面的全過程精細管理。5.在工業應用環節，完成施工基建項目立體施工中多機種協同作業和設備遠程智能運維管理的應用推廣。6.形成“5G+邊緣計算”解決方案及應用模板，為工業企業實現邊緣計算與企業內網融合提供參考。7.通過多個企業多種應用，不同類型的“5G+邊緣計算”應用創新的示范帶動技術發展和產業應用。8.提供技術咨詢、培訓等公共服務。

改造中的穿梭小車，加裝5G芯片模組

音飛參與項目情況及承擔工作

據音飛公司電控部總監尹慧介紹：音飛公司主要參與的是這個大項目之中的一個子項目——“工業級5G+智能搬運機器人”示范平臺項目。該項目是一個聯合體項目，投標人聯合體十家單位由南京理工大學牽頭，參與單位包括中國聯合網絡通信有限公司江蘇省分公司、浙江大學、中國科學院計算技術研究所、中國電子技術標準化研究院、北京中科晶上科技股份有限公司、北京計算機技術及應用研究所、中化巖土集團股份有限公司、天津新松機器人自動化有限公司、南京音飛儲存設備（集團）股份有限公司。南京理工大學將與各單位共同開發基于全新技術的5G邊緣計算服務平臺，并在聯合體內三家業內知名的制造型企業：中化巖土集團股份有限公司、天津新松機器人自動化有限公司、南京音飛儲存設備（集團）股份有限公司進行部署推廣。同時，聯合中電標準化研究院建立健全行業標準體系，制定相關標準。十家單位通過產學研用聯合，覆蓋項目所涉及的5G網絡部署、工業5G芯片應用、標準制定、集成、落地實施與培訓推廣。

工業級5G通訊技術應用在設備密集的車間，使倉庫具有更優的抗干擾能力

關于音飛具體參與的工作，尹慧介紹到：在研發初期，音飛與中科晶上進行了充分的調研和詳盡的分析，一起論證了各種車型與工業級5g的結合方案，設計了小步快跑、快速迭代的演進方案，第一代產品是將5G通信和智能搬運機器人的作業調度進了粗放式的融合，經過長時間的全面的測試去驗證方案的可行性、可靠性和穩定性，再投入到實際產線?；诘谝淮a品研制過程中沉淀的經驗，加上對產品的一些新的創新思路，目前在進行第二代產品的研制：包括優化智能搬運機器人內部的結構，提高通信與控制的集成度，削減了內部原有的一些板卡，進而實現在進一步提升產品品質的同時，還能很好控制產品的生產成本。

音飛接下來的工作就是通過把中國聯通和中科晶上的5G終端（基站和芯片）布置到音飛生產的搬運裝備和生產測設部門內部，然后在生產環節，質量的檢測、移動設備搬運等環節進行測試工作，包括：測試晶上芯片運行的穩定性；進行數據分析，分析5G通訊方案對比普通WIFI通訊方式性能提升到底有多少；提出物流智能搬運裝備在實際生產應用中可操作性和可執行的方案；參與制定相關的行業標準。尹慧認為，通過項目的推進和研究，最終能夠實現物流智能搬運裝備在5G+邊緣計算技術賦能下為客戶提供更豐富的設備功能和解決方案，給客戶更多的選擇。

音飛測試5G穿梭車的貨架

音飛倉庫設內設置的工業級5G基站

“工業級5G”和“邊緣計算”帶來的價值

工業級5G是新一代網絡信息技術與制造業深度融合的產物，是實現產業數字化、網絡化、智能化發展的重要基礎設施。具體指通過人、機、物的全面互聯，全要素、全產業鏈、全價值鏈的全面鏈接，推動形成全新的工業生產制造和服務體系，成為工業經濟轉型升級的關鍵依托、重要途徑、全新生態。尹慧介紹到：在之前的工業制造或倉儲物流生產現場，通訊數據連接的主流方案是WiFi，但由于其在抗干擾能力、安全能力等方面的不足，網絡連接的確定性上的表現并不穩定，難以滿足工業場景中對網絡傳輸質量的需求，如可能造成物流搬運設備運行的卡頓。隨著工業級5G信息通訊技術的成熟，考慮采用5G網絡技術將設備端采集到的數據傳輸到部署在車間的邊緣網關?；诠I級5G低延時、廣覆蓋、大連接、以及抗干擾特點，“智能搬運機器人”將會更直觀、更及時、更精確地獲取相關數據信息；進行智能識別、計算、分析；繼而執行操作命令，迅速連接入庫端、出庫端、管理端。這意味著“智能搬運機器人”將更加智能化，能夠處理更加復雜的數據信息，適應更加多樣化的應用場景。

而邊緣計算技術是在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺；其實作為新型的數據計算架構和組織形態，邊緣計算擴展了網絡計算的范疇，將計算從云中心擴展到了網絡的邊緣，為用戶就近提供智能服務，在制造業數字化、網絡化、智能化的轉變過程當中，邊緣計算可以滿足用戶在敏捷連接、實時計算、數據優化、應用智能、信息安全與隱私保護等方面的關鍵需求。邊緣計算能有效解決連接性問題。工業行業涉及的領域眾多，行業碎片化導致設備連接協議眾多，造成設備互聯困難。通過引入數據抽象層，使得不能直接互聯互通的設備基于邊緣計算平臺實現互聯互通，邊緣計算平臺的低延遲性能可以保證設備間的實時橫向通信。邊緣計算由于具有豐富的連接性和靈活的部署能力，可以提供多種輕量級的解決方案，在不對自動化裝備進行大規模升級的情況下，通過增加邊緣網關和必要的邊緣數據采集終端等，可以有效提高工廠的數字化水平，加強數據在制造系統各個環節間的流動，實現各種基于數據的智能應用。邊緣計算平臺可以實現實時工業軟件開發的軟硬件解耦。智能工廠的運行依賴于智能裝備和智能流程，需要大量的實時軟件支持。目前很多裝備實時應用軟件過度依賴于具體的控制系統硬件，難以遷移到不同的系統。基于邊緣計算平臺的架構，可以將大量實時規劃、優化排版、設備監控、故障診斷和分析、自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）調度等功能封裝在邊緣應用程序上，實現了軟件與硬件平臺的解耦，降低了開發難度，提高了軟件質量，通過邊緣計算平臺可進行邊緣應用程序的靈活部署。

尹慧介紹到：與國外相比，國內柔性制造仍處于初級階段，目前許多制造企業可以采集到大量生產線的數據，但系統相對封閉，造成數據信息孤島問題。5G通信技術可以降低網絡時延，提高網絡傳輸帶寬的利用率，實現高效穩定的數據傳輸。邊緣計算利用容器技術實現對不同設備異構數據的實時采集，提供彈性計算資源承載深度學習模型。同時邊緣的計算資源配置可以滿足小區域數據離線處理和分析，保障各類數據的安全傳輸和處理。邊緣端可將處理完成的數據上傳至云端進行數據分析與建模，為故障預測等場景提供數據基礎。

“5G+邊緣計算”給智能物流裝備帶來的改變

音飛已基于中科晶上的工業級5G終端基帶芯片等技術打造自己的“智能搬運機器人”系列產品。據尹慧介紹：音飛目前是采用終端設備加裝5G芯片模組的方式進行融合。由于5G模組芯片體積小，集成方便，幾乎完全沒有增加設備的生產難度和制造成本。因此，采購5G智能搬運設備與傳統型號設備價格差異不大，但是建設5G基站和核心網的成本可能有些高。如果企業已經先行鋪設了5G核心網和基站，那么再增加或替換使用搭載5G芯片的物流裝備，這個替換成本非常低。5G智能搬運機器人與傳統搬運機器人相比，可以賦予越來越多的功能，除了可以調度得更靈活外，可能還加裝新的功能特性，比如在搬運過程中完成稱重、外觀檢測等工作，讓它更智能，更好地適應智能工廠的需要，因此，在用法上，大大延伸了搬運和智能的使用范圍。在產品性能上，可以在車體本身實現進一步精益化得到提升外，在連接和通信層面將得到了更好的改善。由于融合的是工業級5G技術，它除了擁有超大帶寬，良好的可靠性、穩定性，適應大連接場景的有點，還具有很好的抗干擾能力特點，很好地規避了因為采用Wi-Fi制式帶來的延時抖動大、不穩定等問題，同時也可以滿足車間、倉儲數量高達數百輛AGV一起協同作業的需要。

談到5G智能物流裝備未來的發展，尹慧希望能讓每個智能搬運機器人單體能更智能，具有自己更高智商的大腦。音飛和中科晶上也在進一步探討，在芯片級的合作可行性，把算力、通信和業務控制融合在一個芯片里，降低成本的同時，卻能讓智能搬運機器人更加智慧、靈動。相信音飛基于5G+邊緣計算技術在智慧物流領域應用的的先行探索，對物流裝備智能化的發展具有指導性和示范作用，對未來打造全新物流體系建設，提升我國物流技術水平和運作效率都將將產生積極意義。