基于5G+8K的新型顯示全連接制造工廠模型研究

張曼華 李廣朋 孫彥竹 朱其盛

（深圳創維-RGB電子有限公司 深圳 518108）

前言

自21世紀初以來，科學技術的快速發展，特別是信息技術的快速發展，為制造業提供了深厚的技術基礎。制造業的發展境況與市場需求和國家政策也發生了巨大的變化。在此背景下，美國國家科委發布了“先進制造國戰略計劃”[1]，德國技術科學院提出了“工業4.0戰略計劃”[2]，中國也提出了2015年“中國制造2025戰略計劃”[3]。所有這些都表明，智能制造業已成為產業變革的一種新趨勢。要想實現智能制造，數字化是企業必經的建設階段。

近年來，國家及各部委近年來密切出臺5G﹢工業互聯網融合創新發展的政策，推動智能制造行業轉型升級。2021年，工信部印發《工業互聯網創新發展行動計劃（2021-2023年）》中，對加大5G賦能智慧工廠做了系列部署，提出到2023年，在10個重點行業打造30個5G全連接工廠[4]。未來5G將滲透到工業生產制造的各個環節，全面提升數字化水平。然而如何將目前前沿的科學技術應用到企業實際的制造場景，形成一套科學有效、低成本、適用性強的數字化制造轉型模式，目前尚未有較多的研究。

作為具有全球競爭力的智能家電和信息技術領軍企業，創維已擁有一批具有自主知識產權的核心技術，已具備依靠自有技術對外賦能，帶動上下游產業鏈的能力。創維秉承創導未來的品牌精神，主動融入國家制造強國的戰略，在2018年提出“智能化”、“精細化”、“國際化”三大戰略，有計劃、有步驟的實現創維數字化戰略轉型升級。本文立足創維全連接工廠建設，研究了基于5G﹢8K的新型顯示全連接制造工廠建設模式并在深圳總部基地進行了場景驗證。本文的組織結構如下：第1節整體介紹了基于5G﹢8K建立的一個數字化工廠模型。第2節介紹了5G網絡的構建過程。第3節介紹了數字化平臺的構建。第4節介紹了5G感知式AGV智慧物流、5G預警式設備管理、5G﹢VR遠程運維、5G﹢8K工業視覺檢測四大核心應用場景。第5節總結了全文，在列舉取得效果的同時并指出了進一步的工作方向。第6節對參與本文研究建設的單位及參與者進行了致謝。

1 基于5G+8K建立的數字化全連接工廠框架模型

中國工程院研究團隊在“制造強國戰略研究” 中，持續推動智能制造理論體系的構建，提出了中國智能制造發展戰略[5]，同時在“面向2035的智能制造技術預見和路線圖”研究工作指出智能制造系統是由智能產品、智能生產及智能服務三大功能系統以及工業智聯網和智能制造云兩大支撐系統集成而成，其中，智能產品是主體，智能生產是主線，以智能服務為中心的產業模式變革是主題，智能制造云和工業智聯網是支撐[5]。2021年數字化轉型白皮書也指出，數字化轉型網絡是基礎、平臺是關鍵、場景是核心。結合新型顯示行業的特點，本文提出了數字化制造層面建設全連接工廠的架構模型，如圖1所示。研究主要立足數字化轉型要解決的問題，從其對象、轉型基礎、價值等層面出發，設計了建設框架。全連接制造工廠的突出特征有四個方面，其一全連接要素：全連接面向工業生產制造全流程，以連接制造設備、制造流程要素為基礎，實現設備、系統互聯互通，生產流程并行協同。其二全連接系統平臺：基于開放環境部署應用，提供一套微服務解決方案，實現了一個快速、可擴展、可持久化、高吞吐量、低延遲。面向工業各環節場景，為設備連接、系統連接提供平臺基礎，平臺向下可以承接海量異構數據、向上可以支撐各種工業應用開發。其三全連接價值：設備、系統全連接以后，通過平臺實現各環節業務的價值體現，最實現降低運營成本、縮短交付周期、降低產品不良率、提高生產效率的目的。其四全連接網絡基礎：5G全覆蓋的工廠基礎專網。余下章節重點講述創維基于此架構模型的創新性實踐。

圖1 全連接工廠整體框架

2 5G工業網絡構建

2.1 5G現狀概述

在全球5G技術發展中，中國5G技術已經走在了世界的前列，尤其是在大規模商業應用層面。2018年以前處于技術的突破期，其后逐步進行了組網測試并取得了很大的成果。此后發展步伐逐步加快截止2019年，5G基站建設迅速展開建設，5G網絡及硬件得到了迅速的發展。2020年以后，鎖著技術的成熟三大運營商逐步獲取了商用拍照，5G網絡正式進入商用階段。在5G通信技術研發之處，其瞄準的目標就是萬物互聯，并做為其基礎進行布局。隨著5G基礎設施、網絡的普及，在VR（虛擬現實）與AR（增強現實）領域得到了迅速的應用落地。5G的未來應用將不斷向深水區推進。

2.2 5G工業組網方案

在工業領域一般存在兩種建設模式，一種是基于基站﹢UPF下沉﹢企業公有云的建設模式，此種模式適合于新建工廠及對數據本地化要求程度低的企業。另一種模式是對于已經搭建有本地工業。

一方面在商用通信場景上將更加的深化，另外在工業領域也將實現底層邊端工業設備的連接，在自動駕駛、智能家居、遠程運維、超高清視頻、等領域也將發揮其不可獲取的作用。截止到2020年底，我國5G基站建設已經突破71.8萬。目前來看我國5G產業布局較早，國內5G網絡建設、5G產業技術專利和通信裝備制造水平在全球看均暫時領先。十四五時期是我國5G產業快速發展的關鍵時期，也是全球5G產業全面競爭時期，我國5G產業高質量發展任重道遠。在工業應用領域5G以其“大帶寬、廣連接、低時延”的特點，逐步打開了應用場景。

網絡基礎的情況，采用基于基站﹢切片﹢UPF下沉﹢企業私有云﹢邊緣云MEC融合的建設思路來搭建5G網絡。目前工業企業多采用圖2所示的組網模式。下邊將結合創維實際實施情況，詳細對組網方案進行描述。

圖2 5G網絡企業級組網方案

第一步：5G宏基站構建

目前國內能夠提供5G組網的供應商主要有移動、聯通、電信三家。根據3GPP組織的規則，無線基站分為4類，分別是宏基站、微基站、皮基站和飛基站[6]。微基站、皮基站和飛基站，通常合稱小基站或小站。

無線基站主要劃分依據是功率和容量，其中：宏基站的功率在10 W以上，可同時接入用戶數視基站規模而定，一般在1 000個以上。本文采用深圳電信宏基站硬件產品，其覆蓋范圍為5 000 m2。5G宏站設置在工業園區不同位置，通過宏站5G網絡在園區內實現了網絡引入。

第二步：5G專網切片

工廠廠區內的生產區域、辦公區域分別建設多個5G基站，通過網絡切片的方式實現企業專網應用，對不同的場景提供個性化的5G網絡服務，如圖3所示。具體的，通過5G專網切片為工廠的辦公和生產提供便捷安全網絡服務，解決了生產線設備聯網和廠區專網安全等問題。

圖3 5G網絡切片示意圖

第三步：5G室分部署

宏基站部署以后，要想將5G網絡信號實現生產車間內部的全覆蓋，還需要將室分信號部署至生產現場以滿足網絡需求。創維現場5G室分硬件選型：根據站點的基本網絡需求和設備功能的應用要素，創維工業互聯網5G網絡建設設備選型為：電信RHUB型號：RHUB5923；PRRU型號：PRRU5936，其指標如圖4。按照其覆蓋能力，在生產區及辦公區部署了69個室分微站，其詳細情況如表1，圖5為部署現場。

圖4 室分選型簡圖

圖5 室分現場部署圖

創維現場對于室分的選型如圖4所示，主要選型依據集中在模塊、電架構、光架構等方面。

第四步：UPF下沉﹢邊緣MEC

UPF（User Plane Function）是指用戶面功能，將UPF下沉到企業機房，除了滿足基本的流量轉發、本地分流以外，更加滿足企業數據超低時延高安全可靠等需求，是保證工業數據不出園區的一種技術手段。

MEC（Multi-Access Edge Computing）是指多接入邊緣計算，實現邊緣云側數據采集、計算能力提供。是對工業現場實時計算需求的一種補充技術，可以高效的進行數據處理下發。在創維機房全下沉部署UPF﹢MEC，采用電信自研UPF設備，20 Gbps按需擴容，可滿足工業園區數據高效處理、轉發的需求，如圖6所示。同時，采用中國電信自研MEC平臺支持固定/移動網絡接入、第三方能力/應用靈活部署以及邊緣能力統一開放。依托業務與云端的協同運算，在網絡傳輸上實現了較低的時延、上行下行的大帶寬、云端的算力增強，有力的保障了業務能力。深圳電信建設高質量的5G專網為創維工業園區提供業務隔離、業務可靠性和高安全要求提供網絡基礎。

圖 6 UPF+MEC技術路線示例圖

2.3 本章小結

隨著制造業數字化轉型的深入以及制造工藝、品控的升級，采用5G技術來支撐制造企業全流程的網絡需求已經是一種趨勢。本節重點以創維工業現場的5G組網情況，從5G基站、切片、室分部署、UPF下沉、邊緣MEC等方面介紹了5G組網的步驟。5G網絡的組建，為全連接制造工廠模型提供了網絡基礎。

3 數字化制造平臺DMSPlat構建

3.1 平臺現狀概述

工業互聯網平臺是面向制造業數字化、網絡化、智能化需求，構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業云平臺[7]。工業互聯網平臺的構建規范及標準已有國家層面的標準以供參考。從平臺服務能力來分，可以分為公共服務平臺、行業性互聯網平臺、雙跨平臺等。在國內工業互聯網平臺已初具規模，諸如海爾、用友、東方國信、樹根互聯等，已經開始服務用戶。但是由于制造業務等的復雜性，各個平臺都未能做到兼容并蓄。因此，如何形成極具特色、如何形成良性的發展模式任然是工業互聯網平臺的重中之重。

3.2 平臺建設方案

平臺建設一般采用4層架構加1安全體系方案，創維立足彩電制造行業，基于應用一站式提供、功能模塊化部署、流程并行協同理念，搭建了為制造全生命周期提供服務的制造平臺，如下圖7所示。下文具體介紹建設步驟。

圖7 創維DMSPlat工業互聯網平臺框架示意圖

第一步：技術架構搭建

技術架構是指平臺的技術路線、技術選型，是搭建平臺的技術基礎。按照國家發布的工業互聯網平臺建設白皮書，核心架構一共有4層：

邊緣層：主要作用是將制造生產端側的各種各樣的設備、傳感器、攝像頭、PDA、工控機、掃碼器等產生的數據進行采集歸一，為上層提供數據基礎。創維平臺重點構建了“協議解析”、邊緣IES以解決協議多樣、設備種類繁多帶來的數據采集難題。

IaaS基礎服務層：主要作用是對數據提供網絡及存儲服務，以基礎設施（機房、供電、服務器、網絡設備、存儲設備）共建公有云/私有云中心數據匯聚。創維平臺集成了了云操作系統、高斯DB數據庫、Redis等。

PaaS平臺服務層：采用SpringBoot﹢SpringCloud技術，提供的一套微服務解決方案，包括服務注冊與發現，配置中心，全鏈路監控，服務網關，負載均衡，熔斷器等組件，實現了一個快速、可擴展、可持久化、高吞吐量、低延遲、高并發，分布式系統[8]。平臺服務層向下可以承接海量異構數據、向上可以支撐各種工業應用的開發。

SaaS應用服務層：是平臺的服務層，主要是各種工業應用場景。創維平臺在SaaS層基于開放環境部署應用，面向工業各環節場景，結合行業經驗梳理出了制造環節應該具備的工業應用。搭載創維工業應用的DMSPlat數字化制造系統平臺，是對內對外服務的最終輸出。

第二步：工業應用開發

如第 3.1 章節描述，講述了平臺的建設架構。本章節主要描述在應用功能上平臺應該具備的能力。一般來講，工業應用種類的開發遵循的原則為“打通制造全流程、實現全域要素的互聯”。創維平臺在SaaS層為制造環節提供所需的BI生產可視化、APS計劃排產、MES生產執行、WMS倉儲管理、PMS工藝管理、QMS質量管理、EMS設備管理、FMCS能源管理、ISS智能安防，OA移動辦公[8]等十大智能應用服務等制造環節必須具備的10個應用服務，以支撐5G全連接工廠制造場景拉通互聯。下邊具體講述平臺的應用及其主要功能。

1）計劃排產系統（APS）

APS（Advanced Planning System）計劃排產，主要進行月度計劃排產、六日計劃排產及生產作業計劃的下達。系統根據產線產能信息，物料齊套信息，協助排產。APS計劃排產系統的應用使得計劃準確率及達成率有效提高，交付周期有效縮短。

2）倉儲管理系統（WMS）

WMS（Advanced Planning System）倉儲管理系統，是以生產企業的原材料、半成品或者成品為管理對象，提供核心的“收、發、存”業務，來實現管理過程的信息化。具體功能包含基礎數據、庫位設置、入庫作業、入庫質檢、上架作業、出庫作業、下架作業、移動端、BI等核心功能。系統向上通過接口連接ERP系統，實現訂單數據、賬務數據的交互。向下通過接口連接MES系統，實現物料的JIT配送等。共同打造了一個橫向互聯制造過程的倉儲一體化管理系統。

3）制造執行系統（MES）

MES（Advanced Planning System）制造執行系統，作為制造企業生產過程的執行軟件，是面向制造企業車間執行層的生產信息化管理軟件。MES在功能建設上涵蓋了生產從計劃開始到成品出貨的全流程信息化支持。包含計劃管理模塊、物料管理模塊、工藝管理模塊、生產執行模塊、站點模塊等，系統通過接口與外部數據交互。

4）工藝管理系統（PMS）

PMS（Advanced Planning System）工藝管理系統，是面向以工單為維度的產品制造工藝信息化管理的流程軟件。PMS為具體的生產訂單、工單提供包括新品導入、工藝路線設置、工藝BOM的管理、工時定額的設置及生產技術的改進等。對生產設備、環節、生產條件等的要求，通常是以工藝參數、工藝指導文件等的方式提供。通過PMS工藝管理系統，提高生產工藝的一致性，及可智能制造性。系統可通過接口與外部系統交互。

5）質量管理系統（QMS）

QMS（Advanced Planning System）質量管理系統，是面向制造企業在線質量管理的信息化軟件。QMS系統以企業在生產中的產品在線質量管控、質量信息匯總、分析、預警、可視化為主要的建設內容，為企業產品質量提供全流程的保證及提供高層決策的輸入。系統功能包括質檢標準、在線抽檢、在線質量判別、成品半成品批次質量報表等，系統通過接口可與外部系統進行數據交互，提升系統能力。

6）設備管理系統（EMS）

EMS（Advanced Planning System）設備管理系統，是面向制造企業生產設備管理的信息化軟件。EMS可以通過對資產的管理，維護過程的記錄及設備運行狀態的監控等一系列功能，建立起一套完善的設備維修和設備效率分析系統，保障設備正常運行，提高設備利用效率。系統通過接口可與外部系統進行數據交互，提升系統能力。

7）能源管理系統（FMCS）

FMCS（Advanced Planning System）能源管理系統，是面向制造企業生產過程中能源使用情況管理的信息化軟件。FMCS可以負責對能源的使用進行統計及狀態監控。通過系統管理，達到提高能源利用率，降低能耗的目的。系統通過接口可與外部系統進行數據交互，提升系統能力。

8）智能安防系統（ISS）

ISS（Advanced Planning System）安防管理系統，是面向制造企業車間、工廠安全時是防控的信息化軟件。ISS可以為提供包括人員追蹤、區域禁入、時是記錄、主動預警推送等功能，系統通過接口可與外部系統進行數據交互，提升系統能力。

9）辦公管理系統（OMS）

OMS（Advanced Planning System）辦公管理系統，是面向制造企業制造流在線管理的信息化軟件。OMS可以項目管理、文件審批、移動辦公、指標管理、OKR管理。

10）可視化看板系統（BI）

BI（Advanced Planning System）可視化系統，立足于工業應用系統數據可視化、數據分析等方面，為整個工業應用系統提供工廠級、車間級數據可視化看板服務。可實現生產可視化、質量可視化、計劃可視化、追溯可視化、報表可視化等功能，如圖8所示。系統功能擴展模塊可實現數據智能分析，為上層決策者提供數據支撐，助力數字化轉型。

圖8 可視化大屏建設示意圖

第三步：統一平臺門戶開發

所有數字化制造系統統一入口管理、單點登錄、實時生產信息瀏覽、實時切換各地區信息入口，以滿足“一站式”應用服務的數字化平臺建設理念。平臺登錄門戶設計如圖9所示。

圖9 平臺統一門戶建設示意圖

3.3 本章小結

本章主要講了數字化制造平臺的構建步驟以及其應具備的能力，通過核心工業應用系統實現了線下流程的數字化，連接了面向工業生產制造全流程要素。進而實現了設備、系統互聯互通，生產流程并行協同的平臺目標。

4 基于平臺的核心場景構建

數字化制造平臺構建目的是實現對行業工業生產的服務，進而輸出價值。因此在平臺基礎構建形成以后，只有通過平臺立足企業生產過程中的痛點，狠抓“牛鼻子”問題，提煉出行業適用的、低成本的解決方案，對內實現企業的制造模式變革及基礎夯實，對外賦能小微企業，才能使得本文提出的基于新技術的“一張專網、一個平臺、核心場景落地”轉型新模式良性的、不斷迭代的發展。下文主要以創維場景應用為實踐對象概要講解新模式下互聯工廠的核心應用場景解決方案。

4.1 5G感知式AGV智慧物流場景解決方案

1）業務場景痛點

小訂單模式下，彩電生產運輸頻次增加，配送現場情況復雜，廠內AGV傳統無線網絡受環境較大。在這種情況下，以訂單驅動的自主調度配送﹢AGV低故障高效率的感知式模式，已是數字化模式下物流運輸需要突破的業務痛點。

2）業務場景方案

結合5G“低時延”的技術特點，依托數字化制造平臺研發倉儲管理系統，采用“5G﹢WMS﹢AGV”實現感知式的智能生產輸送，園區物流智能化管理。WMS系統自主觸發物流需求、視覺AGV自主智能路徑規劃，車輛預約管理系統管理物流車輛，實現生產運輸場內到場外的智能化，大幅提升生產輸送協同效率及降低AGV故障率，降本增效的同時創新了生產輸送模式。圖10為場景技術架構。

圖10 5G+AGV場景建設技術路線框架示意圖

4.2 5G預警式設備管理場景解決方案

1）業務場景痛點

彩電制造經過自動化升級后，各工序段存在眾多多源、異構的設備；同時傳統4G﹢有線的方式已經不能滿足數量激增的設備聯網問題。面對工廠設備封閉、接口異構、設備傳統有線連接、人工盤點、無系統管理、設備數據價值挖掘難等突出問題，新型的5G設備管理應用模式，亟需落地。

2）業務場景方案

基于5G工業互聯網網關對制造過程設備的多源異構數據協議進行解析，實現對設備的各項運行參數數據進行采集，數據通過創維5G傳輸，進入創維云邊協同的本地服務中心，即創維DMSPlat數字化制造工業互聯網平臺，最終實現設備的預警式遠程運維、設備盤點、OEE等。圖11為場景技術架構。

圖11 5G設備場景建設技術路線框架示意圖

4.3 5G+VR遠程運維場景解決方案

1）業務場景痛點

彩電訂單模式逐步向小批量轉變，混線生產成為了常態，頻繁的轉機生產，導致生產線及其核心工序協同生產的高精尖設備異常情況呈現升高趨勢。目前處理方式為生產發現問題-停機-線下通知檢修-檢修到場排除故障-復產的模式。如果情況發生在總部基地以外，需安排技術專家出差處理。這種模式存在高額的人工成本、停產效率損失、協同性差等痛點。

2）業務場景方案

基通過5G﹢8K﹢VR/AR融合技術應用，搭建智慧檢修平臺，通過現場部署8K超高清攝像機對現場進行全面極低時延場景監控。實現工廠端生產線體設備、工藝、物流、人員、質量、安全等高清場景實時遠程交互、全程跟蹤、記錄和回放，技術專家及管理者能遠程全方位掌握智能工廠生產現場高效決策解決問題圖12為場景技術架構。

圖12 5G+VR場景建設技術路線框架示意圖

4.4 5G工業視覺檢測場景解決方案

1）業務場景痛點

彩電生產檢測環節，視覺AI質檢場景單條產線流量需求達240 Mbps，創維在10條產線應用視覺AI質檢，峰值流量將高達2 400 Mbps，現有內網帶寬無法承載如此高流量。如果網絡擁塞將直接導致質檢設備無法與云端通信，造成產線作業停頓。

2）業務場景方案

通過前端圖像采集集-5G邊緣云視覺檢測軟件平臺-云端圖像算法中心模式，在邊緣端我們采用創維8K攝像機及360 °的遠景攝像頭采集生產現場的圖片數據，數據經過創維5G無線網絡向后臺工業云平臺傳輸，在平臺側作為AI視覺檢測算法模型的輸入，經由模型給出結果輸出，即將算力在云端、控制在邊緣，以快速響應產線需求。5G工業視覺檢測將廣泛應用在彩電整機視覺檢測，如圖13所示。

圖13 5G工業視覺場景建設技術路線框架示意圖

4.5 本章小結

本章主要介紹了在平臺的能力基礎上，創維在數字化制造環節，結合實際場景痛點打造的4個通用場景解決方案，場景經過實踐已具備了對外賦能輸出的價值。

5 結論

本文基于5G技術、8K技術、VR/AR技術，在“一張專網、一個平臺、核心場景落地”的數字化建設理念下，形成了一套數字化轉型模式的方法論，此模式在創維新型顯示深圳制造基地進行了實踐，取得了比較明現的效果，主要表現在三個方面。，具有重大的結果顯示制造及跨廠區、本文的研究內容為行業在應用層面提供了一種新的、低成本的數字化互聯工廠建設模式，對行業有積極的借鑒意義。

1）創維總部基地在制造環節實現了物料、計劃、生產、設備、質量等核心生產要素實現了互聯互通，創維實現了制造流程的數字化。

2）創維模式基于平臺服務了廣州基地、南京基地等，在驗證平臺服務能力的同時實現了創維跨地域的高效協同，同時對效率提升、質量提升、運營成本降低帶了積極的促進作用。

3）目前數字化轉型不斷的向深水區推進，創維基于新型顯示行業提出的互聯工廠建設模式，對我國廣大企業制定數字化升級路徑具有借鑒意義。

4）模型中引入了5G技術、8K技術、VR技術等，對新技術在制造業的場景使用提供了場景試驗田，對其產業鏈發展亦有促進作用。

未來，其一創維將繼續豐富平臺的應用場景，以數字化制造為基礎，不斷的向數字化研發、數字化供應鏈、數字化營銷深入，提供解決方案，增加平臺的服務能力。其二將創維模式向國內其余基地繼續推廣擴大影響力，進而完成上下游500家供應鏈企業的生態建設，形成家電行業工業互聯網平臺生態圈。其三與行業聯盟、政府單位緊密合作，以期為其他行業的中小微制造企業提供轉型方案。