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　　5G時代到來，智能制造將如何布局？

　　國際金屬加工網(wǎng)

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

　　1月11日13:30-17:00 2023 Ansys中國機器人行業(yè)典型研討會

　　5G技術切合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡的應用需求，能滿足工業(yè)環(huán)境下設備互聯(lián)和遠程交互應用需求。在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化控制、物流追蹤、工業(yè)AR、云化機器人等工業(yè)應用領域，5G技術起著支撐作用。

　　5G時代的到來，將大幅改善智能工廠的勞動條件，減少生產(chǎn)線人工干預，提高生產(chǎn)過程可控性，最重要的是借助于信息化技術打通企業(yè)的各個流程，實現(xiàn)從設計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎上實現(xiàn)資源的整合優(yōu)化，從而進一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

5G技術場景支撐智能制造

　　作為新一代移動通信技術，5G技術切合了傳統(tǒng)制造企業(yè)智能制造轉(zhuǎn)型對無線網(wǎng)絡的應用需求，能滿足工業(yè)環(huán)境下設備互聯(lián)和遠程交互應用需求。在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)自動化控制、物流追蹤、工業(yè)AR、云化機器人等工業(yè)應用領域，5G技術起著支撐作用。

　　物聯(lián)網(wǎng)：隨著工廠智能化轉(zhuǎn)型的推進，物聯(lián)網(wǎng)作為連接人、機器和設備的關鍵支撐技術正受到企業(yè)的高度關注。這種需求在推動物聯(lián)網(wǎng)應用落地的同時，也極大的刺激了5G技術的發(fā)展。

　　工業(yè)自動化控制：這是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。5G可提供極低時延長、高可靠，海量連接的網(wǎng)絡，使得閉環(huán)控制應用通過無線網(wǎng)絡連接成為可能。

物流追蹤：從倉庫管理到物流配送均需要廣覆蓋、深覆蓋、低功耗、大連接、低成本的連接技術。此外，虛擬工廠的端到端整合跨越產(chǎn)品的整個生命周期，要連接分布廣泛的已售出的商品，也需要低功耗、低成本和廣覆蓋的網(wǎng)絡，企業(yè)內(nèi)部或企業(yè)之間的橫向集成也需要無所不在的網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡能很好的滿足這類需求。

　　工業(yè)AR：在智能工廠生產(chǎn)過程中，人發(fā)揮更重要的作用。由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性，這對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務和生產(chǎn)活動的需求，增強現(xiàn)實AR將發(fā)揮很關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：

如：監(jiān)控流程和生產(chǎn)流程。生產(chǎn)任務分步指引，例如手動裝配過程指導；遠程專家業(yè)務支撐，例如遠程維護。在這些應用中，輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護工作高效開展。

　　云化機器人：在智能制造生產(chǎn)場景中，需要機器人有自組織和協(xié)同的能力來滿足柔性生產(chǎn)，這就帶來了機器人對云化的需求。5G網(wǎng)絡是云化機器人理想的通信網(wǎng)絡，是使能云化機器人的關鍵。

　　5G技術已經(jīng)成為支撐智能制造轉(zhuǎn)型的關鍵使能技術，能將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來，構(gòu)建統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)絡。5G技術的發(fā)展可以幫助制造企業(yè)擺脫以往無線網(wǎng)絡技術較為混亂的應用狀態(tài)，這對于推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的實施以及智能制造的深化轉(zhuǎn)型有著積極的意義。

　　智能制造的核心是智能工廠

信息化革命愈演愈烈，機器設備、人和產(chǎn)品等制造元素不再是獨立的個體，它們通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)緊密聯(lián)系在一起，實現(xiàn)更協(xié)調(diào)和高效的制造系統(tǒng)。

　　當前制造業(yè)的轉(zhuǎn)型可以看作是自動化升級和信息技術的融合提升，這不僅僅是自動化和機器換人，而且工廠能實現(xiàn)自主化決策，靈活生產(chǎn)出多樣化的產(chǎn)品，并能快速應對更多的市場變化。

　　人工智能和制造系統(tǒng)的結(jié)合將是必然的，利用機器學習、模式識別、認知分析等算法模型，可以提升工廠控制管理系統(tǒng)的能力，實現(xiàn)所謂的智能制造，才能使企業(yè)在今天競爭激烈的環(huán)境獲得更好的優(yōu)勢。

　　智能制造過程主要圍繞著智能工廠展開，而人工智能在智能工廠中發(fā)揮著重要的作用。物聯(lián)網(wǎng)將所有的機器設備連接在一起，例如控制器、傳感器、執(zhí)行器的聯(lián)網(wǎng)，然后，AI就可以分析傳感器上傳的數(shù)據(jù)，這就是智能制造的核心。

隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應用發(fā)展，網(wǎng)絡和實體系統(tǒng)將緊密聯(lián)系在一起，也就是物聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)現(xiàn)場的處理器、傳感器連接起來，使得機器人之間可以進行通信，可以互相溝通，而機器和人的工作將不再會嚴格分工，未來制造系統(tǒng)把人和機器融合在一起。

　　數(shù)字雙胞胎是重要的角色，智能制造的整個流程都有一個數(shù)字孿生模型，系統(tǒng)里包括了現(xiàn)實世界的任何東西，可以是應用或者操作指南手冊等。

　　此外，智能制造系統(tǒng)里還有人機交互，即人和機器人之間的互動。還有用人工智能驅(qū)動、優(yōu)化產(chǎn)品和流程等。工廠需要做一些預測性維護或者是預測機器的能耗等等，越來越多的這些功能都可以在智能工廠里實現(xiàn)。

　　5G時代智能工廠前景展望

從2016年到2018年，我國的5G基礎研發(fā)測試分為三個階段。第一階段是5G關聯(lián)技術試驗，第二階段是5G技術方案驗證，第三階段是5G的系統(tǒng)驗證。

　　我國于2016年1月啟動了5G技術試驗，為保證實驗工作的順利開展，IMT-2020(5G)推進組在北京懷柔規(guī)劃建設了30個站的5G外場。在5G第二階段試驗完成之后，第三階段試驗將于2017年年底或2018年年初啟動；預計5G第一個標準版本將于2018年6月完成，完整版本或?qū)⒂?019年9月完成，并有望在2020年實現(xiàn)大規(guī)模商用。

面對第三階段試驗，為了做好配合，進一步豐富場景，我國未來計劃在6個城市開展更多的試驗，包括5G技術與智慧城市的核心規(guī)劃結(jié)合，助力智慧城市的建設；借助5G的試驗推動雙創(chuàng)，以及在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能制造方面充分利用5G技術。

　　智能工廠是5G技術的重要應用場景之一。利用5G網(wǎng)絡將生產(chǎn)設備無縫連接，并進一步打通設計、采購、倉儲、物流等環(huán)節(jié)，使生產(chǎn)更加扁平化、定制化、智能化，從而構(gòu)造一個面向未來的智能制造網(wǎng)絡。在此，編者整理了業(yè)界對5G時代智能工廠的前景展望，讓我們一同期待新時代的到來。

　　助推柔性制造，實現(xiàn)個性化生產(chǎn)

　　全球人口正在接近80億，中產(chǎn)階層消費群不斷擴大，有望形成巨大市場，進而對消費布局產(chǎn)生影響。帶有客戶需求和產(chǎn)品“信息”功能的系統(tǒng)成為硬件產(chǎn)品銷售新的核心，個性化定制成為潮流。為了滿足全球各地不同市場對產(chǎn)品的多樣化、個性化需求，生產(chǎn)企業(yè)內(nèi)部需要更新現(xiàn)有的生產(chǎn)模式，基于柔性技術的生產(chǎn)模式成為趨勢。

國際生產(chǎn)工廠研究協(xié)會的定義為：柔性制造系統(tǒng)是一個自動化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，在最少人的干預下，能夠生產(chǎn)任何范圍的產(chǎn)品族，系統(tǒng)的柔性通常受到系統(tǒng)設計時所考慮的產(chǎn)品族的限制。柔性生產(chǎn)的到來，催生了對新技術的需求。

　　一方面，在企業(yè)工廠內(nèi)，柔性生產(chǎn)對工業(yè)機器人的靈活移動性和差異化業(yè)務處理能力有很高要求。5G利用其自身無可比擬的獨特優(yōu)勢，助力柔性化生產(chǎn)的大規(guī)模普及。5G網(wǎng)絡進入工廠，在減少機器與機器之間線纜成本的同時，利用高可靠性網(wǎng)絡的連續(xù)覆蓋，使機器人在移動過程中活動區(qū)域不受限，按需到達各個地點，在各種場景中進行不間斷工作以及工作內(nèi)容的平滑切換。

5G網(wǎng)絡也可使能各種具有差異化特征的業(yè)務需求。大型工廠中，不同生產(chǎn)場景對網(wǎng)絡的服務質(zhì)量要求不同。精度要求高的工序環(huán)節(jié)關鍵在于時延，關鍵性任務需要保證網(wǎng)絡可靠性、大流量數(shù)據(jù)即時分析和處理的高速率。5G網(wǎng)絡以其端到端的切片技術，同一個核心網(wǎng)中具有不同的服務質(zhì)量，按需靈活調(diào)整。如設備狀態(tài)信息的上報被設為最高的業(yè)務等級等。

　　另一方面，5G可構(gòu)建連接工廠內(nèi)外的人和機器為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)，最終使任何人和物在任何時間、任何地點都能實現(xiàn)彼此信息共享。消費者在要求個性化商品和服務的同時，企業(yè)和消費者的關系發(fā)生變化，消費者將參與到企業(yè)的生產(chǎn)過程中，消費者可以跨地域通過5G網(wǎng)絡，參與產(chǎn)品的設計，并實時查詢產(chǎn)品狀態(tài)信息。

　　工廠維護模式全面升級

大型企業(yè)的生產(chǎn)場景中，經(jīng)常涉及到跨工廠、跨地域設備維護，遠程問題定位等場景。5G技術在這些方面的應用，可以提升運行、維護效率，降低成本。5G帶來的不僅是萬物互聯(lián)，還有萬物信息交互，使得未來智能工廠的維護工作突破工廠邊界。

　　工廠維護工作按照復雜程度，可根據(jù)實際情況由工業(yè)機器人或者人與工業(yè)機器人協(xié)作完成。在未來，工廠中每個物體都是一個有唯一IP的終端，使生產(chǎn)環(huán)節(jié)的原材料都具有“信息”屬性。原材料會根據(jù)“信息”自動生產(chǎn)和維護。人也變成了具有自己IP的終端，人和工業(yè)機器人進入整個生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，和帶有唯一IP的原料、設備、產(chǎn)品進行信息交互。工業(yè)機器人在管理工廠的同時，人在千里之外也可以第一時間接收到實時信息跟進，并進行交互操作。

設想在未來有5G網(wǎng)絡覆蓋的一家智能工廠里，當某一物體故障發(fā)生時，故障被以最高優(yōu)先級“零”時延上報到工業(yè)機器人。一般情況下，工業(yè)機器人可以根據(jù)自主學習的經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫在不經(jīng)過人的干涉下完成修復工作。另一種情況，由工業(yè)機器人判斷該故障必須由人來進行操作修復。

　　此時，人即使遠在地球的另一端，也可通過一臺簡單的VR和遠程觸覺感知技術的設備，遠程控制工廠內(nèi)的工業(yè)機器人到達故障現(xiàn)場進行修復，工業(yè)機器人在萬里之外實時同步模擬人的動作，人在此時如同親臨現(xiàn)場進行施工。

5G技術使得人和工業(yè)機器人在處理更復雜場景時也能游刃有余。如在需要多人協(xié)作修復的情況下，即使相隔了幾大洲的不同專家也可以各自通過VR和遠程觸覺感知設備，第一時間“聚集”在故障現(xiàn)場。5G網(wǎng)絡的大流量能夠滿足VR中高清圖像的海量數(shù)據(jù)交互要求，極低時延使得觸覺感知網(wǎng)絡中，人在地球另一端也能把自己的動作無誤差地傳遞給工廠機器人，多人控制工廠中不同機器人進行下一步修復動作。

　　同時，借助萬物互聯(lián)，人和工業(yè)機器人、產(chǎn)品和原料全都被直接連接到各類相關的知識和經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫，在故障診斷時，人和工業(yè)機器人可參考海量的經(jīng)驗和專業(yè)知識，提高問題定位精準度。

　　工業(yè)機器人加入“管理層”

在未來智能工廠生產(chǎn)的環(huán)節(jié)中涉及到物流、上料、倉儲等方案判斷和決策，5G技術能夠為智能工廠提供全云化網(wǎng)絡平臺。精密傳感技術作用于不計其數(shù)的傳感器，在極短時間內(nèi)進行信息狀態(tài)上報，大量工業(yè)級數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡收集起來，龐大的數(shù)據(jù)庫開始形成，工業(yè)機器人結(jié)合云計算的超級計算能力進行自主學習和精確判斷，給出最佳解決方案。

　　在一些特定場景下，借助5G下的D2D(Device-to-Device，意為：設備到設備)技術，物體與物體之間直接通信，進一步降低了業(yè)務端到端的時延，在網(wǎng)絡負荷實現(xiàn)分流的同時，反應更為敏捷。生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的時間變得更短，解決方案更快更優(yōu)，生產(chǎn)制造效率得以大幅度提高。

我們可以想象未來10年內(nèi)，5G網(wǎng)絡覆蓋到工廠各個角落。5G技術控制的工業(yè)機器人，已經(jīng)從玻璃柜里走到了玻璃柜外，不分日夜地在車間中自由穿梭，進行設備的巡檢和修理，送料、質(zhì)檢或者高難度的生產(chǎn)動作。機器人成為中、基層管理人員，通過信息計算和精確判斷，進行生產(chǎn)協(xié)調(diào)和生產(chǎn)決策。這里只需要少數(shù)人承擔工廠的運行監(jiān)測和高級管理工作。機器人成為人的高級助手，替代人完成人難以完成的工作，人和機器人在工廠中得以共生。

　　按需分配資源

　　5G網(wǎng)絡通過網(wǎng)絡切片提供適用于各種制造場景的解決方案，實現(xiàn)實時高效和低能耗，并簡化部署，為智能工廠的未來發(fā)展奠定堅實基礎。

　　首先，利用網(wǎng)絡切片技術保證按需分配網(wǎng)絡資源，以滿足不同制造場景下對網(wǎng)絡的要求。不同應用對時延、移動性、網(wǎng)絡覆蓋、連接密度和連接成本有不同需求，對5G網(wǎng)絡的靈活配置尤其是對網(wǎng)絡資源的合理快速分配及再分配提出了更嚴苛的要求。

作為5G網(wǎng)絡最重要的特性，基于多種新技術組合的端到端的網(wǎng)絡切片能力，可以將所需的網(wǎng)絡資源靈活動態(tài)地在全網(wǎng)中面向不同的需求進行分配及能力釋放；根據(jù)服務管理提供的藍圖和輸入?yún)?shù)，創(chuàng)建網(wǎng)絡切片，使其提供特定的網(wǎng)絡特性。比如極低的時延、極高的可靠性、極大的帶寬等，以滿足不同應用場景對網(wǎng)絡的要求。例如在智能工廠原型中，為滿足工廠內(nèi)的關鍵事務處理要求，創(chuàng)建了關鍵事務切片，以提供低時延，高可靠的網(wǎng)絡。

在創(chuàng)建網(wǎng)絡切片的過程中，需要調(diào)度基礎設施中的資源。包括接入資源、傳輸資源和云資源等。而各個基礎設施資源也都有各自的管理功能。通過網(wǎng)絡切片管理，根據(jù)客戶不同的需求，為客戶提供共享的或者隔離的基礎設施資源。由于各種資源的相互獨立性，網(wǎng)絡切片管理也在不同資源之間進行協(xié)同管理。在智能工廠原型中，展示了采用多層級的、模塊化的管理模式，使整個網(wǎng)絡切片的管理和協(xié)同更加通用、更加靈活并且易于擴展。

　　除了關鍵事務切片，5G智能工廠還將額外創(chuàng)建移動寬帶切片和大連接切片。不同切片在網(wǎng)絡切片管理系統(tǒng)的調(diào)度下，共享同一基礎設施，但又互不干擾，保持各自業(yè)務的獨立性。

其次，5G能夠優(yōu)化網(wǎng)絡連接，采取本地流量分流，以滿足低延遲的要求。每個切片針對業(yè)務需求的優(yōu)化，不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡功能特性的不同，還體現(xiàn)在靈活的部署方案上。切片內(nèi)部的網(wǎng)絡功能模塊部署非常靈活，可按照業(yè)務需求分別部署在多個分布式數(shù)據(jù)中心。原型中的關鍵事務切片為保證事務處理的實時性，對時延要求很高，將用戶數(shù)據(jù)面功能模塊部署在靠近終端用戶的本地數(shù)據(jù)中心，盡可能地降低時延，保證對生產(chǎn)的實時控制和響應。

　　此外，采用分布式云計算技術，以靈活的方式在本地數(shù)據(jù)中心或集中數(shù)據(jù)中心部署基于NFV(NetworkFunctionVirtualization，意為：網(wǎng)絡功能虛擬化)技術的工業(yè)應用和關鍵網(wǎng)絡功能。5G網(wǎng)絡的高帶寬和低時延特性，使智能處理能力通過遷移到云端而大幅提升，為提升智能化水平鋪平了道路。

　　在5G網(wǎng)絡的連接下，智能工廠成為了各項智能技術的應用平臺。除了上述四類技術的運用，智能工廠有望與未來多項先進科技相結(jié)合，實現(xiàn)資源利用、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟收益的最大化。

例如借助5G高速網(wǎng)絡，采集關鍵裝備制造、生產(chǎn)過程、能源供給等環(huán)節(jié)的能效相關數(shù)據(jù)，使用能源管理系統(tǒng)對能效相關數(shù)據(jù)進行管理和分析，及時發(fā)現(xiàn)能效的波動和異常，在保證正常生產(chǎn)的前提下，相應地對生產(chǎn)過程、設備、能源供給及人員等進行調(diào)整，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的能效提高；使用ERP(EnterpriseResourcePlanning，意為：企業(yè)資源計劃)進行原材料庫存管理，包括各種原材料及供應商信息。當客戶訂單下達時，ERP自動計算所需的原材料，并且根據(jù)供應商信息即時計算原材料的采購時間，確保在滿足交貨時間的同時做到庫存成本最低甚至為零。

因此，5G時代的智能工廠將大幅改善勞動條件，減少生產(chǎn)線人工干預，提高生產(chǎn)過程可控性，最重要的是借助于信息化技術打通企業(yè)的各個流程，實現(xiàn)從設計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎上實現(xiàn)資源的整合優(yōu)化，從而進一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

　　( 文章來源：互聯(lián)網(wǎng) )

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