淺談5G技術助力智慧倉儲發展

蒲定波 劉 穎 臧天明

1 貴州茅臺酒廠(集團)習酒有限責任公司 遵義 563000

2 中國聯合網絡通信有限公司貴州省分公司 貴陽 550000

3 清華大學 北京 100084

引言

近年來，大數據、云計算、人工智能以及移動互聯網等技術的蓬勃發展為各行各業注入了鮮活動力，這些新一代數字技術正在改變傳統的生產方式，同時也對企業的應變能力提出了挑戰。隨著網絡技術的演進和網絡能力的提升，互聯網經濟進入新的發展時期，工業互聯網戰略向國民經濟重點行業廣泛擴展。其中，倉儲系統作為工業制造中重要一環，可有效支持供應鏈上的其他環節，高效完成各種業務操作，減少庫存支出，進一步降低物流費用，提高倉儲效率及價值。

1 背景

1.1 5G+工業互聯網及產業數字化轉型

隨著《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》[1]等一系列政策文件的發布，黨和國家為當前工業互聯網的未來發展明確了方向。

“5G+工業互聯網”是指利用以5G為代表的新一代信息通信技術，構建與工業經濟深度融合的新型基礎設施、應用模式和工業生態[2]。當前，新一輪科技革命和產業變革正突飛猛進，信息技術的發展日新月異。5G與工業互聯網的融合將加速數字中國、智慧社會建設，加速中國新型工業化進程，為中國經濟發展注入新動能。根據最新發布的《5G+工業互聯網發展報告(2021版)》顯示，當前在建的“5G+工業互聯網”項目多達1800余項，在各大國民經濟的重點行業均有所應用，為其他行業和企業利用“5G+工業互聯網”進行數字化轉型提供了良好案例。

智能制造是新一輪工業革命的核心技術[3]，需要依托當前高速發展的大數據、云計算、人工智能以及移動互聯網等技術進行，是數字化技術同傳統制造業的融合與發展。傳統的設備控制方法和信息處理方式已經無法滿足智能制造的需要，高性能的計算機和更完備的網絡基礎設施成為實現產業數字化轉型所必不可少的條件。在未來，隨著物聯網等數字化技術的迅速發展和5G技術的出現及應用，我們即將邁入萬物互聯的時代，實現人與物之間的互聯。當前智能工廠發展呈現出信息化、智能化、自動化、數字化等特點，這是對傳統工廠的全面優化的結果。智能工廠將應用新興的數字化技術，對生產流程中的各要素進行靈活配置與優化。在智能工廠中重復性的工作將被機器取代，生產過程中的故障將被智能系統預測并處理，傳統的生產流水線將不復存在，生產信息得以共享與傳遞，生產過程將更加智能、安全、高效、互聯。智能工廠可以大大縮減生產成本，提高生產流程的安全性和可靠性，實現人與機器協同管理。

企業數字化轉型是企業謀求自身發展與順應時代浪潮的必然選擇。企業在迎接這場數字化轉型大潮之時，不僅要懂得應用數字化技術給企業生產帶來技術迭代，更要重新思考企業的整體信息化架構，全盤布局數字化轉型路徑。數字化轉型可以降低企業生產在低創新程度的重復勞作上的投入，通過數字化的手段，企業創新性的活動變得簡單容易。以往需要投入大量人力物力進行實地測試的創新活動，如今只需要使用電腦程序進行模擬即可實現，大大提高了企業的運行效率，實現產業高質量發展。

1.2 5G技術賦能產業

5G技術以用戶為中心，構建全方位的信息生態系統，而且從線上到線下、從消費到生產、從平臺到生態，有效支撐垂直行業融合發展，全面使能工業互聯網[4]。5G全稱為第五代移動通信技術，其具有低時延、高速率、大容量和高移動性等特性，5G系統能夠提供每平方千米超過百萬個設備的連接支持，為萬物互聯提供通信基礎[5]。當前，我國5G基礎建設愈發完善，以5G技術為基礎的智能制造項目已經實際落地到諸多行業當中。5G的應用場景豐富，在工業制造、物流、電力、交通等諸多領域都有應用實踐。

物流與倉儲行業的數字化轉型是未來發展的必經路線，5G與人工智能技術相結合保障了智能機器人的可靠與高效，將工人們從繁瑣的重復勞動中解放出來。基于5G的低時延性能，使得倉儲環境中的無人機、機器人、分揀設備等始終保持高精度作業，減少安全隱患并提高生產效率，實現倉儲到運輸再到配送的作業一體化進程。

1.3 發展智慧倉儲的必要性

智能物流與智慧倉儲，是5G技術的重要應用場景。打造互聯工廠，實現工業連接，助推國家工業4.0戰略是倉儲行業發展的應有之義。推動數字經濟同實體經濟的深度融合，是新時期國家經濟高質量發展的重要課題，而智慧倉儲物流就是踐行實體經濟數字化很好的切入點。實現倉儲物流行業數字化轉型，有助于提高企業管理運作效率，提高產品生產運輸速率，有效提升倉儲物流行業員工的勞動舒適度。

2 智慧倉儲發展現狀

2.1 智慧倉儲國內外發展概述

隨著數字經濟的發展，企業紛紛開啟數字化轉型，智慧物流、智慧倉儲是企業開始數字化轉型的必經道路，也是未來發展的新趨勢。智慧物流是以各種傳感設備將產品信息分階段進行采集、篩選、分析、跟蹤、匯總為基礎，通過網絡實現互聯，并實現物流自動化、智能化、網絡化和實時化的一種新興的物聯網物流業形態[6]。

智慧倉儲、智慧物流依托物聯網技術實現，國內外企業積極參與物聯網技術的開發與應用，為智慧倉儲物流提供技術基礎。英國Tesco、美國沃爾瑪、德國麥德龍等大型企業均有自己的智慧倉儲計劃，而許多大型物流公司均對物流跟蹤和監控技術有較大的技術研發投入，其中以聯邦快遞、順豐快遞為代表。

近年來，以5G技術為基礎，實現智慧倉儲系統在國內已有部分案例。2019年，三一重工基于5G的智能網聯云化AGV項目將5G 、MEC和AI技術同AGV相結合，通過將AGV激光雷達導航向基于5G上行大帶寬的視覺導航遷移，將深度學習算法向5G邊緣計算MEC平臺遷移，從而極大降低了AGV單機功能復雜度和成本，提高AGV車智能化和標準化水平，為三一重工節省人力成本的同時，以企業實現數字化、智能化轉型的方式提升了生產效率。

2020年8月，以貴州輪胎創新產線為載體、中國聯通提供云網邊端全流程解決方案，作為智慧倉儲的前置解決方案，以5G網絡技術為基礎，聯合相關工業設備商共同打造貴州輪胎“5G全連接柔性生產線”項目。采用5G專網技術支撐一條完整生產線，實現數字化工廠生產“人、機、料、法、環、測” 要素全面互聯管控，將生產每道工序生產數據化，可根據倉儲及訂單實時數據，調度全工序、全場景的無線工業互聯及車間生產，實現生產線與智慧倉儲的有機聯動。

2.2 智慧倉儲中的5G技術

智慧倉儲技術層面上的應用主要體現在四個方面：一是傳統倉儲設備的智能化與網絡化，二是倉儲設備的自動化與標準化，三是系統平臺對接的應用，四是物流大數據推動的倉儲資源整合與共享[7]。在其中，5G技術的引入使得智慧倉儲在具體應用層面均取得了不小的突破。

傳統物流倉儲行業中，應用的AGV與堆垛機等采用的無線通信協議主要以Wi-Fi為主，其存在傳輸效率不高、難以實現設備互聯、Wi-Fi連接的安全性穩定性不理想等問題。而應用5G通信，可以極大降低通信時延，提高設備靈敏度，實現穩定快速的設備互聯。通過低時延的通信，可以很好地協調多種設備之間的協同工作，提高倉儲系統的自動化水平，提高作業的準確率和效率。

5G專網的可擴展性較強，解決了不同系統平臺之間的對接困難，極快的傳輸速率也意味著大量的數據可以被很好地傳輸并儲存利用，具有更好的時效性。通過5G實時將物流在線的大量業務數據傳輸至后臺，及時處理分析數據，使得物流大數據理念變為現實。通過對物流大數據進行處理與分析，挖掘對企業運營管理有價值信息，從而科學合理地進行管理決策[8]，帶來了數據驅動的商業模式推動產業智能化變革，大幅度提高生產效率。

3 5G賦能倉儲數字化轉型典型

作為全國首批5G試點城市之一的貴陽，目前已經在5G應用及大數據創新方面取得了諸多成果。下面將以貴州茅臺酒廠習酒園區5G智慧倉儲項目建設成果為例，介紹5G技術在智慧倉儲中的應用。

3.1 智慧倉儲5G專網方案

智慧倉儲建設將結合現場倉儲狀況，通常采用5G專網的形式進行。5G專網的核心網用戶面網元UPF為行業用戶私有化部署，無線基站、核心網控制面網元根據客戶需求靈活部署，為用戶提供部分物理獨享的5G專用網絡。滿足行業用戶大帶寬、低時延、數據不出園區的需求。該模式下行業用戶網內業務數據本地卸載，可通過功能定制優化，減小公眾網絡故障對用戶生產業務的影響，保障生產安全。

在大網與園區間由于傳輸網故障和大網失聯時，會導致園區基站、用戶面UPF和大網之間的N2/N4接口同時中斷，而影響用戶業務連續性。因此，基于習酒項目對網絡可靠性有較高需求，采用核心網邊緣高可靠方案，如圖1所示，通過在原有硬件新增一塊刀片，部署本地臨時控制面，滿足對中斷敏感型如PLC設備、視覺質檢等業務的可用性需求，進行差異化的業務保障，保障在與大網控制面失聯時，具備本地數據業務應急接入能力，園區內基站和邊緣UPF網元間的用戶面傳輸仍可正常穩定運轉一定時間。支持對連接態用戶提供業務保活功能，在與大網失聯后，提供移動性切換和重新接入功能，用戶面可繼續傳輸數據至故障恢復。本例使用5G專網，以5G賦能倉儲數字化轉型，賦能行業數字化應用場景創新及信息化業務演進[9]。

圖1 邊緣高可靠方案

3.2 基于5G的智能化物流搬運設備

3.2.1 5G賦能堆垛機

巷道堆垛機是立體庫中的核心設備，具有作業高度高、停位精度高、速度快的特點，因此對堆垛機單機的結構強度、剛度、撓度、穩定性、安全性具有很高的要求。傳統的通訊方式有有線通訊、紅外通訊、Wi-Fi等。有線通訊對實際電纜和布線有較高要求，應用較為不便；紅外通信的數據傳輸受到環境限制，在惡劣環境(如粉塵多、光照差)下數據傳輸的距離和可靠性較差；Wi-Fi技術本身存在連接不穩定、傳輸容量低以及易受干擾等缺點，尤其在倉儲環境中，密集貨物對于Wi-Fi信號的阻擋使得堆垛機難以穩定運行。

堆垛機可通過5G通訊，實現高速率、低時延的堆垛機控制、VR操作教學及維護，可以提升運維效率，降低成本。基于5G技術的高效傳輸，還可以在堆垛機中加入機器視覺檢測，快速地進行自動檢測貨箱擺放姿態、實時盤點等，安全且高效。

通過5G專網技術，賦能堆垛機突破傳統通訊方式的限制，在如下方面取得了良好進展。

1)低時延：MEC平臺通過5G網絡獲得端到端通訊保障與及時通信，實現對堆垛機的控制和信息采集。

2)信息安全：5G通過核心網MEC下沉建立專網，企業數據不出園區，滿足企業對數據安全的要求。

3)邊緣計算：為每一臺堆垛機配置單機GPU復雜度高和成本高，但是通過MEC平臺集成GPU，并實現廠區多臺堆垛機調度，可以無需對工廠環境做改造，實現柔性化生產。

3.2.2 5G賦能AGV

AGV無人叉車設備能夠沿規定的導引路徑行駛，與物料輸送中常用的其他設備相比，AGV的活動區域無需鋪設軌道等固定裝置，也不受場地、道路和空間的限制，因此是倉儲系統中不可或缺的自動化設備[10]。傳統AGV實時控制傳輸的數據量并不大，但是進行數據傳輸的頻率很高，對時延的要求較為苛刻。實現AGV協同運作，更是需要極為精確的時延控制，而傳統的通訊方式在實現這一過程中存在困難。白酒行業物料自動搬運需求高可靠性、高穩定性都可以通過搭建5G專網實現。

通過5G專網技術，賦能AGV，使其擁有了如下應用價值。

1)連續移動性：5G替代有線，解決固網布線難、改造維護成本高等問題，為工業園區提供無處不在的無線覆蓋，以滿足移動連續性的需求。

2)上行大帶寬：AGV集成多臺高清攝像頭。5G提供超高可靠通信和超級上行帶寬，并通過SLA保障滿足多種數據上行帶寬訴求，以及支持高并發的海量終端通信，實現5G終端全接入。

3)低時延：5G通過MEC平臺實現低時延的端到端通訊保障，使得時延大大降低，滿足AGV進行實時圖像處理要求的時延。

4)數據安全：5G通過核心網MEC下沉建立專網，企業數據不出園區，滿足企業對數據安全的要求。

5)邊緣計算：MEC平臺集成GPU實現算力共享，降低AGV單機的復雜度和成本。MEC平臺集成的AGV視覺感知算法可深度學習不斷迭代，可滿足廠區多臺AGV協同調度，且無需對工廠現有環境進行改造，可實現柔性化生產。

6)降本增效：基于5G視覺SLAM的AGV成本僅為激光SLAM的1/9，大大降低了成本，具備規模推廣價值。

4 總結與展望

4.1 總結

當前我國物流業正處于重要的戰略機遇期，隨著我國產業結構調整和發展方式轉換，物流業在國民經濟中的基礎性、戰略性地位日益顯現，煥發出新的生機和活力[11]。

本文介紹的習酒與聯通所合作共建的智慧倉儲項目以5G通信技術為基礎，實現對人員、物料、產品和設備的全流程追蹤、定位、管理、信息采集及指令傳達；通過5G+MEC的綜合提升，實現WMS、WCS系統對底層AGV、堆垛機等設備工作狀態的快速感知、快速響應、快速反饋、快速調度。在原有場地基礎上加入AGV輔助搬運、倉儲搬運流水線，并對原有設備整合，實現物流產線融合，整體升級，最終實現物流園區全物流、全設備、全過程的統一管理，提高物流效率，提升物流質量，節約生產成本并充分保證人員財產、園區數據、物流安全；VR設備、AR設備在5G的加持下，能夠實時對作業基礎流程進行必要的操作和控制，對故障狀態進行全面的采集與預警，全面監控保障園區安全。

希望該項目能成為倉儲行業數字化轉型的排頭兵，成為貴州智慧倉儲的項目標桿，為后來企業進行倉儲改革與數字化探索積累經驗與教訓。

4.2 5G智慧倉儲展望

智慧倉儲未來發展會傾向于降低執行工作成本，很大程度解放人工搬運，提高勞動力統計準確率和效率，提升智能物流、智能倉儲能力。此外，智慧倉儲未來的發展離不開5G技術，5G技術將全面覆蓋習酒智慧倉儲全場景，通過“一張5G網”承載智慧倉儲全移動業務系統，從而實現物流倉儲一體化管理，提高執行效率。使用現代的管理思想和管理方法，提高企業管理水平，最大限度地提高企業的管理水平和管理效率，使企業更快更好發展，加速向數字化企業轉型。

以條碼為信息載體可便捷和較準確地實現物料跟蹤，這一功能也會得以廣泛應用，動態監督物料存儲情況預先進行監督和控制也會成為智慧倉儲發展環節中必不可少的部分，進而實現智慧倉儲可管控一體化。