5G在智能制造中有哪些典型應(yīng)用

5G時(shí)代即將來臨，引爆了人們對未來變化的遐想。5G應(yīng)用已經(jīng)成了熱門話題，如5G AR/VR、5G車聯(lián)網(wǎng)、還有重量級(jí)熱點(diǎn)5G智能制造。那么5G智能制造是什么概念，5G對于智能制造有什么樣的意義?

制造業(yè)在國家層面乃至整個(gè)人類社會(huì)扮演著至關(guān)重要的角色，智能制造已然成為全球化課題和國家級(jí)戰(zhàn)略課題，很多國家都在智能制造領(lǐng)域進(jìn)行了規(guī)劃和部署，如中國“中國制造2025”、德國“工業(yè)4.0平臺(tái)”、美國“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃”等。

其中信息通信系統(tǒng)升級(jí)是智能制造中很重要的一環(huán)，5G在使能智能工廠多樣化需求方面，有著絕對的優(yōu)勢。

華為Wireless X Labs通過典型的智能制造應(yīng)用場景和Use case，對智能制造對5G網(wǎng)絡(luò)的多樣化需求進(jìn)行研究。X Labs是一個(gè)新的研究平臺(tái)，將運(yùn)營商，垂直行業(yè)合作伙伴和行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者聚集在一起，共同探索移動(dòng)應(yīng)用的未來用例，推動(dòng)企業(yè)和技術(shù)創(chuàng)新，促進(jìn)開放的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。如下為華為和德電針對5G端到端低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)在智能制造領(lǐng)域的聯(lián)合展示。

什么是智能制造

廣義上智能制造是具有信息感知獲取、智能判斷決策、自動(dòng)執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程及系統(tǒng)與模式的總稱。具體來看智能制造體現(xiàn)在制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)與信息技術(shù)的融合，如大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、物聯(lián)等技術(shù)。

簡而言之，智能制造具有以下特征：以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)的智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)，以通信網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)支撐。通過自組織的柔性制造系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高效的個(gè)性化生產(chǎn)的目標(biāo)。

以汽車生產(chǎn)線為例，智能制造柔性生產(chǎn)過程中，定制化車輛通過云化的智能信息物理系統(tǒng)的調(diào)度在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)線上自主移動(dòng)，完成生產(chǎn)步驟。動(dòng)態(tài)產(chǎn)線可按需組合以滿足不同車型和配置的需要，實(shí)現(xiàn)車輛定制化的生產(chǎn)，并且產(chǎn)線智能生產(chǎn)將大大縮短定制化周期，同時(shí)也極大減少了汽車廠商的庫存以及資金占用，降低了生產(chǎn)成本。而傳統(tǒng)順序生產(chǎn)的汽車產(chǎn)線在靈活度上很難滿足高度定制化的需求，并且定制化生產(chǎn)周期更長。

智能制造為什么需要無線通信

了解什么是智能制造后，顯而易見智能制造過程中云平臺(tái)和工廠生產(chǎn)設(shè)施的實(shí)時(shí)通信、以及海量傳感器和人工智能平臺(tái)的信息交互，和人機(jī)界面的高效交互，對通信網(wǎng)絡(luò)有多樣化的需求以及極為苛刻的性能要求，并且需要引入高可靠的無線通信技術(shù)。

高可靠無線通信技術(shù)在工廠的應(yīng)用來看，一方面，生產(chǎn)制造設(shè)備無線化使得工廠模塊化生產(chǎn)和柔性制造成為可能。另一方面，因?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)可以使工廠和生產(chǎn)線的建設(shè)、改造施工更加便捷，并且通過無線化可減少大量的維護(hù)工作降低成本。

無線通信網(wǎng)絡(luò)在智能制造應(yīng)用面臨哪些挑戰(zhàn)

在智能制造自動(dòng)化控制系統(tǒng)中，低時(shí)延的應(yīng)用尤為廣泛，比如對環(huán)境敏感高精度的生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)、化學(xué)危險(xiǎn)品生產(chǎn)環(huán)節(jié)等。智能制造閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳感器(如壓力、溫度等)獲取到的信息需要通過極低時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，最終數(shù)據(jù)需要傳遞到系統(tǒng)的執(zhí)行器件(如：機(jī)械臂、電子閥門、加熱器等)完成高精度生產(chǎn)作業(yè)的控制，并且在整個(gè)過程需要網(wǎng)絡(luò)極高可靠性，來確保生產(chǎn)過程的安全高效。

此外，工廠中自動(dòng)化控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的工作范圍可以是或者幾百平方公里到幾萬平方公里，甚至可能是分布式部署。根據(jù)生產(chǎn)場景的不同，制造工廠的生產(chǎn)區(qū)域內(nèi)可能有數(shù)以萬計(jì)傳感器和執(zhí)行器，需要通信網(wǎng)絡(luò)的海量連接能力作為支撐。

5G網(wǎng)絡(luò)具備的能力

華為在北京懷柔率先完成了由IMT-2020(5G)推進(jìn)組組織的中國5G技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)無線技術(shù)第二階段測試。在C-Band 的測試環(huán)節(jié)中，利用200MHz帶寬，通過5G新空口及大規(guī)模多入多出等技術(shù)進(jìn)行測試，小區(qū)峰值超過20Gbps，空口時(shí)延在0.5ms以內(nèi)，單小區(qū)大于1000萬連接。

和傳統(tǒng)的移動(dòng)通信技術(shù)相比，5G將進(jìn)一步提升用戶體驗(yàn)：在容量方面，5G通信技術(shù)將比4G實(shí)現(xiàn)單位面積移動(dòng)數(shù)據(jù)流量增長1000倍;在傳輸速率方面，單用戶典型數(shù)據(jù)速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達(dá)10Gbps(相當(dāng)于4G網(wǎng)絡(luò)速率的100倍);端到端時(shí)延縮短5倍;在可接入性方面：可聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量增加10到100倍;在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應(yīng)降至千分之一，低功率電池續(xù)航時(shí)間增加10倍。

5G典型制造業(yè)應(yīng)用場景

5G 使能工業(yè)AR應(yīng)用

在未來智能工廠生產(chǎn)過程中，人將發(fā)揮更重要的作用。 然而由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性，這將對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務(wù)和生產(chǎn)活動(dòng)的需求，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR將發(fā)揮很關(guān)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(wù)分步指引，例如手動(dòng)裝配過程指導(dǎo);遠(yuǎn)程專家業(yè)務(wù)支撐，例如遠(yuǎn)程維護(hù)。

在這些應(yīng)用中，輔助AR設(shè)施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護(hù)工作高效開展。因此需要將設(shè)備信息處理功能上移到云端，AR設(shè)備僅僅具備連接和顯示的功能，AR設(shè)備和云端通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。AR設(shè)備將通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)獲取必要的信息(例如，生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)、生產(chǎn)設(shè)備數(shù)據(jù)、以及故障處理指導(dǎo)信息)。

在這種場景下AR眼鏡的顯示內(nèi)容必須與AR設(shè)備中攝像頭的運(yùn)動(dòng)同步，以避免視覺范圍失步現(xiàn)象。通常從視覺移動(dòng)到AR圖像反應(yīng)時(shí)間低于20ms，則會(huì)有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數(shù)據(jù)到云端到AR顯示內(nèi)容的云端回傳需要小于20mms，除去屏幕刷新和云端處理的時(shí)延，則需無線網(wǎng)絡(luò)的雙向傳輸時(shí)延在10ms內(nèi)才能滿足實(shí)時(shí)性體驗(yàn)的需求。而該時(shí)延要求，LTE網(wǎng)絡(luò)無法滿足。

5G使能工廠無線自動(dòng)化控制

在自動(dòng)化控制中，倒立擺是典型的應(yīng)用。倒立擺原理用于機(jī)器人各種姿態(tài)控制、航空飛船對接控制等姿態(tài)控制等工業(yè)應(yīng)用。華為X Labs通過倒立擺驗(yàn)證5G對極低試驗(yàn)自動(dòng)控制的價(jià)值，研究表明，當(dāng)?shù)沽[運(yùn)行在4G模式下時(shí)，4G的過高時(shí)延，使得倒立擺的控制指令不能得到快速執(zhí)行，倒立擺起擺到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間過長，達(dá)到13.2秒。

當(dāng)運(yùn)行在5G模式下時(shí)，5G的1ms超低時(shí)延，使倒立擺的控制指令快速執(zhí)行，起擺到穩(wěn)態(tài)只用4秒。通過對比，可以看到5G低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)在自動(dòng)控制的巨大價(jià)值，網(wǎng)絡(luò)端到端時(shí)延從4G的50ms減低至5G的1ms。

自動(dòng)化控制是制造工廠中最基礎(chǔ)的應(yīng)用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制周期內(nèi)每個(gè)傳感器進(jìn)行連續(xù)測量，測量數(shù)據(jù)傳輸給控制器以設(shè)定執(zhí)行器。典型的閉環(huán)控制過程周期低至ms級(jí)別，所以系統(tǒng)通信的時(shí)延需要達(dá)到ms級(jí)別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確控制，同時(shí)對可靠性也有極高的要求。如果在生產(chǎn)過程中由于時(shí)延過長，或者控制信息在數(shù)據(jù)傳送時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤可能導(dǎo)致生產(chǎn)停機(jī)，會(huì)造成巨大的財(cái)務(wù)損失。

此外，在規(guī)模生產(chǎn)的工廠中，大量生產(chǎn)環(huán)節(jié)都用到自動(dòng)控制過程，所以將有高密度海量的控制器、傳感器、執(zhí)行器需要通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。

閉環(huán)控制系統(tǒng)不同應(yīng)用中傳感器數(shù)量、控制周期的時(shí)延要求、帶寬要求都有差異，典型來看，周期時(shí)間和通信帶寬大小的一些典型值如下：

5G切片網(wǎng)絡(luò)可提供極低時(shí)延長、高可靠，海量連接的網(wǎng)絡(luò)，使得閉環(huán)控制應(yīng)用通過無線網(wǎng)絡(luò)連接成為可能?；谌A為5G的實(shí)測能力：空口時(shí)延可到0.4ms,單小區(qū)下行速率達(dá)到20Gbps，小區(qū)最大可支持1000萬+連接數(shù)。由此可見，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中僅有5G網(wǎng)絡(luò)可滿足閉環(huán)控制對網(wǎng)絡(luò)的要求。

5G 使能工廠云化機(jī)器人

在智能制造生產(chǎn)場景中，需要機(jī)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(jī)器人對云化的需求。 和傳統(tǒng)的機(jī)器人相比，云化機(jī)器人需要通過網(wǎng)絡(luò)連接到云端的控制中心，基于超高計(jì)算能力的平臺(tái)，并通過大數(shù)據(jù)和人工智能對生產(chǎn)制造過程進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算控制。

通過云技術(shù)機(jī)器人將大量運(yùn)算功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能移到云端，這將大大降低機(jī)器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求，機(jī)器人需要滿足可自由移動(dòng)的要求。因此在機(jī)器人云化的過程中，需要無線通信網(wǎng)絡(luò)具備極低時(shí)延和高可靠的特征。

5G網(wǎng)絡(luò)是云化機(jī)器人理想的通信網(wǎng)絡(luò)，是使能云化機(jī)器人的關(guān)鍵。5G切片網(wǎng)絡(luò)能夠?yàn)樵苹瘷C(jī)器人應(yīng)用提供端到端定制化的網(wǎng)絡(luò)支撐。5G網(wǎng)絡(luò)可以達(dá)到低至1ms的端到端通信時(shí)延，并且支持99.999%的連接可靠性，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)能力能夠極大滿足云化機(jī)器人對時(shí)延和可靠性的挑戰(zhàn)。

華為已與德國與制造企業(yè)開展智能制造領(lǐng)域的合作。如與Festo共同合作基于5G切片網(wǎng)絡(luò)的云化機(jī)器人的項(xiàng)目,項(xiàng)目通過5G uRLLC(超高可靠和低時(shí)延通信)切片網(wǎng)絡(luò)，針對云化機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的高可靠性和實(shí)時(shí)性的滿足度進(jìn)行測試。

機(jī)器人的軌跡信息和控制數(shù)據(jù)在制造云中處理有助于系統(tǒng)計(jì)算能力的擴(kuò)展和機(jī)器人平臺(tái)的節(jié)能。機(jī)器人生產(chǎn)服務(wù)與制造云的結(jié)合意味著將工業(yè)機(jī)器人的基本功能與高性能的計(jì)算系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)協(xié)同，5G切片網(wǎng)絡(luò)使能了這一應(yīng)用場景。

機(jī)器人與協(xié)同設(shè)施間的通信需求