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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

　　先進制造 ◇ 系列技術講座

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

　　5G技術切合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能滿足工業環境下設備互聯和遠程交互應用需求。在物聯網、工業自動化控制、物流追蹤、工業AR、云化機器人等工業應用領域，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，減少生產線人工干預，提高生產過程可控性，最重要的是借助于信息化技術打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個環節的互聯互通，并在此基礎上實現資源的整合優化，從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。

5G技術場景支撐智能制造

　　作為新一代移動通信技術，5G技術切合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能滿足工業環境下設備互聯和遠程交互應用需求。在物聯網、工業自動化控制、物流追蹤、工業AR、云化機器人等工業應用領域，5G技術起著支撐作用。

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

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

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絡，企業內部或企業之間的橫向集成也需要無所不在的網絡，5G網絡能很好的滿足這類需求。

　　工業AR：在智能工廠生產過程中，人發揮更重要的作用。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活動的需求，增強現實AR將發揮很關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：

如：監控流程和生產流程。生產任務分步指引，例如手動裝配過程指導；遠程專家業務支撐，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：在智能制造生產場景中，需要機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產，這就帶來了機器人對云化的需求。5G網絡是云化機器人理想的通信網絡，是使能云化機器人的關鍵。

　　5G技術已經成為支撐智能制造轉型的關鍵使能技術，能將分布廣泛、零散的人、機器和設備全部連接起來，構建統一的互聯網絡。5G技術的發展可以幫助制造企業擺脫以往無線網絡技術較為混亂的應用狀態，這對于推動工業互聯網的實施以及智能制造的深化轉型有著積極的意義。

　　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、人和產品等制造元素不再是獨立的個體，它們通過工業物聯網緊密聯系在一起，實現更協調和高效的制造系統。

　　當前制造業的轉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，而且工廠能實現自主化決策，靈活生產出多樣化的產品，并能快速應對更多的市場變化。

　　人工智能和制造系統的結合將是必然的，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的能力，實現所謂的智能制造，才能使企業在今天競爭激烈的環境獲得更好的優勢。

　　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揮著重要的作用。物聯網將所有的機器設備連接在一起，例如控制器、傳感器、執行器的聯網，然后，AI就可以分析傳感器上傳的數據，這就是智能制造的核心。

隨著工業物聯網的應用發展，網絡和實體系統將緊密聯系在一起，也就是物聯網將生產現場的處理器、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，未來制造系統把人和機器融合在一起。

　　數字雙胞胎是重要的角色，智能制造的整個流程都有一個數字孿生模型，系統里包括了現實世界的任何東西，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。還有用人工智能驅動、優化產品和流程等。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。

　　5G時代智能工廠前景展望

從2016年到2018年，我國的5G基礎研發測試分為三個階段。第一階段是5G關聯技術試驗，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，完整版本或將于2019年9月完成，并有望在2020年實現大規模商用。

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劃結合，助力智慧城市的建設；借助5G的試驗推動雙創，以及在工業互聯網、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網絡將生產設備無縫連接，并進一步打通設計、采購、倉儲、物流等環節，使生產更加扁平化、定制化、智能化，從而構造一個面向未來的智能制造網絡。在此，編者整理了業界對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，實現個性化生產

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

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

　　一方面，在企業工廠內，柔性生產對工業機器人的靈活移動性和差異化業務處理能力有很高要求。5G利用其自身無可比擬的獨特優勢，助力柔性化生產的大規模普及。5G網絡進入工廠，在減少機器與機器之間線纜成本的同時，利用高可靠性網絡的連續覆蓋，使機器人在移動過程中活動區域不受限，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容的平滑切換。

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

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

　　工廠維護模式全面升級

大型企業的生產場景中，經常涉及到跨工廠、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，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，可根據實際情況由工業機器人或者人與工業機器人協作完成。在未來，工廠中每個物體都是一個有唯一IP的終端，使生產環節的原材料都具有“信息”屬性。原材料會根據“信息”自動生產和維護。人也變成了具有自己IP的終端，人和工業機器人進入整個生產環節中，和帶有唯一IP的原料、設備、產品進行信息交互。工業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網絡覆蓋的一家智能工廠里，當某一物體故障發生時，故障被以最高優先級“零”時延上報到工業機器人。一般情況下，工業機器人可以根據自主學習的經驗數據庫在不經過人的干涉下完成修復工作。另一種情況，由工業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，遠程控制工廠內的工業機器人到達故障現場進行修復，工業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場進行施工。

5G技術使得人和工業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”在故障現場。5G網絡的大流量能夠滿足VR中高清圖像的海量數據交互要求，極低時延使得觸覺感知網絡中，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，人和工業機器人、產品和原料全都被直接連接到各類相關的知識和經驗數據庫，在故障診斷時，人和工業機器人可參考海量的經驗和專業知識，提高問題定位精準度。

　　工業機器人加入“管理層”

在未來智能工廠生產的環節中涉及到物流、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絡平臺。精密傳感技術作用于不計其數的傳感器，在極短時間內進行信息狀態上報，大量工業級數據通過5G網絡收集起來，龐大的數據庫開始形成，工業機器人結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，進一步降低了業務端到端的時延，在網絡負荷實現分流的同時，反應更為敏捷。生產制造各環節的時間變得更短，解決方案更快更優，生產制造效率得以大幅度提高。

我們可以想象未來10年內，5G網絡覆蓋到工廠各個角落。5G技術控制的工業機器人，已經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、質檢或者高難度的生產動作。機器人成為中、基層管理人員，通過信息計算和精確判斷，進行生產協調和生產決策。這里只需要少數人承擔工廠的運行監測和高級管理工作。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網絡通過網絡切片提供適用于各種制造場景的解決方案，實現實時高效和低能耗，并簡化部署，為智能工廠的未來發展奠定堅實基礎。

　　首先，利用網絡切片技術保證按需分配網絡資源，以滿足不同制造場景下對網絡的要求。不同應用對時延、移動性、網絡覆蓋、連接密度和連接成本有不同需求，對5G網絡的靈活配置尤其是對網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網絡最重要的特性，基于多種新技術組合的端到端的網絡切片能力，可以將所需的網絡資源靈活動態地在全網中面向不同的需求進行分配及能力釋放；根據服務管理提供的藍圖和輸入參數，創建網絡切片，使其提供特定的網絡特性。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絡的要求。例如在智能工廠原型中，為滿足工廠內的關鍵事務處理要求，創建了關鍵事務切片，以提供低時延，高可靠的網絡。

在創建網絡切片的過程中，需要調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。通過網絡切片管理，根據客戶不同的需求，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，網絡切片管理也在不同資源之間進行協同管理。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，使整個網絡切片的管理和協同更加通用、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建移動寬帶切片和大連接切片。不同切片在網絡切片管理系統的調度下，共享同一基礎設施，但又互不干擾，保持各自業務的獨立性。

其次，5G能夠優化網絡連接，采取本地流量分流，以滿足低延遲的要求。每個切片針對業務需求的優化，不僅體現在網絡功能特性的不同，還體現在靈活的部署方案上。切片內部的網絡功能模塊部署非常靈活，可按照業務需求分別部署在多個分布式數據中心。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，將用戶數據面功能模塊部署在靠近終端用戶的本地數據中心，盡可能地降低時延，保證對生產的實時控制和響應。

　　此外，采用分布式云計算技術，以靈活的方式在本地數據中心或集中數據中心部署基于NFV(NetworkFunctionVirtualization，意為：網絡功能虛擬化)技術的工業應用和關鍵網絡功能。5G網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合，實現資源利用、生產效率和經濟收益的最大化。

例如借助5G高速網絡，采集關鍵裝備制造、生產過程、能源供給等環節的能效相關數據，使用能源管理系統對能效相關數據進行管理和分析，及時發現能效的波動和異常，在保證正常生產的前提下，相應地對生產過程、設備、能源供給及人員等進行調整，實現生產過程的能效提高；使用ERP(EnterpriseResourcePlanning，意為：企業資源計劃)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，減少生產線人工干預，提高生產過程可控性，最重要的是借助于信息化技術打通企業的各個流程，實現從設計、生產到銷售各個環節的互聯互通，并在此基礎上實現資源的整合優化，從而進一步提高企業的生產效率和產品質量。

　　( 文章來源：互聯網 )

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