在數字化浪潮的驅動(dòng)下，大數據、云計算、人工智能等新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)的融合逐漸從理念普及走向應用推廣，制造業(yè)智能化、柔性化、服務(wù)化、高端化轉型發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，對高性能、具有靈活組網(wǎng)能力的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )需求日益迫切。2019年是5G商用的元年，5G具有媲美光纖的傳輸速度、萬(wàn)物互聯(lián)的泛在連接和接近工業(yè)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)能力，正逐步向工業(yè)領(lǐng)域加強滲透，引發(fā)一系列融合創(chuàng )新應用與變革，為制造業(yè)轉型升級帶來(lái)歷史性的發(fā)展機遇。

一、5G賦能柔性生產(chǎn)線(xiàn)

柔性生產(chǎn)線(xiàn)可以根據訂單的變化靈活調整產(chǎn)品生產(chǎn)任務(wù)，是實(shí)現多樣化、個(gè)性化、定制化生產(chǎn)的關(guān)鍵依托。在傳統的網(wǎng)絡(luò )架構下，生產(chǎn)線(xiàn)上各單元的模塊化設計雖然相對完善，但是由于物理空間中的網(wǎng)絡(luò )部署限制，制造企業(yè)在進(jìn)行混線(xiàn)生產(chǎn)的過(guò)程中始終受到較大約束。5G將在兩個(gè)方面賦能柔性生產(chǎn)線(xiàn)：一是提高生產(chǎn)線(xiàn)的靈活部署能力。未來(lái)柔性生產(chǎn)線(xiàn)上的制造模塊需要具備靈活快速的重部署能力和低廉的改造升級成本。5G網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入工廠(chǎng)，將使生產(chǎn)線(xiàn)上的設備擺脫線(xiàn)纜的束縛，通過(guò)與云端平臺無(wú)線(xiàn)連接，進(jìn)行功能的快速更新和拓展，并且自由移動(dòng)和拆分組合，在短期內實(shí)現生產(chǎn)線(xiàn)的靈活改造。二是提供彈性化的網(wǎng)絡(luò )部署方式。5G網(wǎng)絡(luò )中的SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò )）、NFV(網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化）和網(wǎng)絡(luò )切片功能，能夠支持制造企業(yè)根據不同的業(yè)務(wù)場(chǎng)景靈活編排網(wǎng)絡(luò )架構，按需打造專(zhuān)屬的傳輸網(wǎng)絡(luò )，還可以根據不同的傳輸需求對網(wǎng)絡(luò )資源進(jìn)行調配，通過(guò)帶寬限制和優(yōu)先級配置等方式，為不同的生產(chǎn)環(huán)節提供適合的網(wǎng)絡(luò )控制功能和性能保證。在這樣的架構下，柔性生產(chǎn)線(xiàn)的工序可以根據原料、訂單的變化而改變，設備之間的聯(lián)網(wǎng)和通信關(guān)系也會(huì )隨之發(fā)生相應的改變。

二、5G賦能云化機器人

云化機器人的基本特征是位于云端的控制平臺利用人工智能、大數據等先進(jìn)技術(shù)控制本地機器人執行任務(wù)。云化機器人會(huì )與云端平臺進(jìn)行信息量巨大的實(shí)時(shí)數據交換，需要大速率、低時(shí)延、高可靠的無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )支撐。5G將在三個(gè)方面賦能工業(yè)云化機器人：一是加強機器人之間的協(xié)同工作能力。5G為工業(yè)機器人之間的通信提供高速網(wǎng)絡(luò )支持，使機器人具備自組織與協(xié)同能力。工業(yè)機器人可以通過(guò)相互合作，完成過(guò)去單個(gè)機器人無(wú)法獨立完成的任務(wù)。另外，有更高權限的領(lǐng)導型機器人能通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )指揮一群執行型機器人高效完成任務(wù)。二是使機器人更加敏捷、安全地與工人協(xié)作。5G高可靠、超低時(shí)延的特性能使機器人實(shí)時(shí)感知工人的動(dòng)作，靈巧地進(jìn)行反饋和配合，同時(shí)始終與工人保持安全距離，保證人機協(xié)作的安全。三是實(shí)現機器人的遠程實(shí)時(shí)控制。在高溫、高壓等某些不適合工人進(jìn)入的特定生產(chǎn)環(huán)境，工人可以在監控中心通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )對機器人進(jìn)行實(shí)時(shí)遠程操作，同步、安全地完成預定工作目標。

三、5G賦能工業(yè)AR/VR

未來(lái)工業(yè)AR將用于裝配過(guò)程指導、設備檢修等應用場(chǎng)景，通過(guò)虛擬影像與真實(shí)視覺(jué)疊加直觀(guān)地呈現出操作步驟，幫助工程師縮短作業(yè)時(shí)間，降低錯誤率。工業(yè)VR將輔助工業(yè)設計，使遠程的工作人員進(jìn)入同一個(gè)虛擬場(chǎng)景中協(xié)同設計產(chǎn)品，也可以實(shí)現工廠(chǎng)的三維立體虛擬化展示，使管理人員全面了解工廠(chǎng)生產(chǎn)情況。超高清AR/VR視頻每秒容量高達百兆以上，目前的4G或Wifi網(wǎng)絡(luò )很難同時(shí)滿(mǎn)足穩定、流暢、實(shí)時(shí)三方面的視覺(jué)體驗要求。5G將在三個(gè)方面賦能工業(yè)AR/VR:一是使工業(yè)AR/VR終端更加輕便、價(jià)格更低。在復雜多變的工廠(chǎng)環(huán)境中，VR/AR終端需要具備高程度的靈活性和輕便性?；?G的工業(yè)云VR/AR可以將數據和計算密集型任務(wù)轉移到云端處理，終端僅保留連接和顯示功能，大幅降低終端的重量以及造價(jià)。二是提升工業(yè)AR/VR的顯示效果。5G網(wǎng)絡(luò )高速率、大容量的特性將滿(mǎn)足AR/VR中高清圖像的海量數據交互，提升AR/VR設備的流暢度和清晰度，支撐8K分辨率、3D等極致顯示需求，使更加復雜的渲染效果得以呈現，讓使用者有更好的視覺(jué)感受。三是提高工業(yè)AR/VR的交互體驗。工業(yè)AR/VR的發(fā)展方向是使用者通過(guò)交互設備與虛擬或現實(shí)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)互動(dòng)，5G將滿(mǎn)足遠程多人協(xié)同設計、虛擬工廠(chǎng)操作培訓等強交互工業(yè)AR/VR的毫秒級低時(shí)延需求，增強用戶(hù)與用戶(hù)、用戶(hù)與環(huán)境之間的交互體驗。

四、5G賦能實(shí)時(shí)數據采集與監控

在智能工廠(chǎng)中，生產(chǎn)數據的采集和車(chē)間工況、設備狀態(tài)的監控愈發(fā)重要，能為生產(chǎn)的決策、調度、運維提供可靠的依據。雖然NB-IoT、Zigbee等無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)數據采集與監控中得到了一定程度的使用，但在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面都還存在各自的局限性。5G將在三個(gè)方面賦能數據采集與監控:一是促進(jìn)工廠(chǎng)內海量數據實(shí)時(shí)上傳。大連接、低時(shí)延的5G網(wǎng)絡(luò )可以將工廠(chǎng)內海量的生產(chǎn)設備及關(guān)鍵部件進(jìn)行互聯(lián)，并且提升生產(chǎn)數據采集的及時(shí)性，為生產(chǎn)流程優(yōu)化、能耗管理提供網(wǎng)絡(luò )支撐。另外，工廠(chǎng)內大量的環(huán)境傳感器可以通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò )在極短時(shí)間內進(jìn)行溫度、濕度、亮度、空氣質(zhì)量、污染等信息狀態(tài)的上報，使管理人員能夠對廠(chǎng)房?jì)鹊沫h(huán)境進(jìn)行精準調控。二是支持超高清視頻監控和機器視覺(jué)識別。5G網(wǎng)絡(luò )能夠將廠(chǎng)房?jì)雀叻直媛实谋O控錄像同步回傳到控制中心，通過(guò)5G+8K超高清視頻還原各區域的生產(chǎn)細節，為工廠(chǎng)精細化監控和管理提供支持。同時(shí)，智能工廠(chǎng)中產(chǎn)品缺陷檢測、精細原材料識別、精密測量等場(chǎng)景需要用到視頻圖像識別。5G網(wǎng)絡(luò )能保障海量高分辨率視頻圖像的實(shí)時(shí)傳輸，提升機器視覺(jué)系統的識別速度和精度。三是提升工廠(chǎng)設備遠程運維能力。5G廣覆蓋、大連接、低成本、低能耗的特性有利于遠程生產(chǎn)設備全生命周期工作狀態(tài)的實(shí)時(shí)監測，使生產(chǎn)設備的維護工作突破工廠(chǎng)邊界，實(shí)現跨工廠(chǎng)、跨地域遠程故障診斷和維修。

五、結語(yǔ)

作為新一代無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)， 5G網(wǎng)絡(luò )將為智能制造生產(chǎn)系統提供多樣化和高質(zhì)量的通信保障，促進(jìn)各個(gè)環(huán)節海量信息的融合貫通。未來(lái)隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )與制造業(yè)的融合走向縱深，其所帶來(lái)的變革既是生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化，如可控性的提高、運營(yíng)效率的躍升、生產(chǎn)成本與能耗的降低等，更將帶動(dòng)一系列革命性的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新模式在制造業(yè)中普及應用?？梢灶A見(jiàn)，在“5G+”時(shí)代，制造業(yè)智能化升級將更為全面和深入，以5G為核心的融合創(chuàng )新將成為我國制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的強大動(dòng)力和強勁支撐。

作者簡(jiǎn)介

顧城天：中國信息通信研究院政策與經(jīng)濟研究所政策研究部工程師，從事5G、智能制造領(lǐng)域的政策研究工作。

聯(lián)系方式：guchengtian@caict.ac.cn

來(lái)源：中國信通院