5G時(shí)代智能工廠前景展望

　　從2016年到2018年，我國(guó)的5G基礎(chǔ)研發(fā)測(cè)試分為三個(gè)階段。第一階段是5G關(guān)聯(lián)技術(shù)試驗(yàn)，第二階段是5G技術(shù)方案驗(yàn)證，第三階段是5G的系統(tǒng)驗(yàn)證。

　　我國(guó)于2016年1月啟動(dòng)了5G技術(shù)試驗(yàn)，為保證實(shí)驗(yàn)工作的順利開展，IMT-2020(5G)推進(jìn)組在北京懷柔規(guī)劃建設(shè)了30個(gè)站的5G外場(chǎng)。在5G第二階段試驗(yàn)完成之后，第三階段試驗(yàn)將于2017年年底或2018年年初啟動(dòng);預(yù)計(jì)5G第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模商用。

　　面對(duì)第三階段試驗(yàn)，為了做好配合，進(jìn)一步豐富場(chǎng)景，我國(guó)未來(lái)計(jì)劃在6個(gè)城市開展更多的試驗(yàn)，包括5G技術(shù)與智慧城市的核心規(guī)劃結(jié)合，助力智慧城市的建設(shè);借助5G的試驗(yàn)推動(dòng)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(shù)。

　　智能工廠是5G技術(shù)的重要應(yīng)用場(chǎng)景之一。利用5G網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)設(shè)備無(wú)縫連接，并進(jìn)一步打通設(shè)計(jì)、采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、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(gè)面向未來(lái)的智能制造網(wǎng)絡(luò)。在此，編者整理了業(yè)界對(duì)5G時(shí)代智能工廠的前景展望，讓我們一同期待新時(shí)代的到來(lái)。

　　助推柔性制造 實(shí)現(xiàn)個(gè)性化生產(chǎn)

　　全球人口正在接近80億，中產(chǎn)階層消費(fèi)群不斷擴(kuò)大，有望形成巨大市場(chǎng)，進(jìn)而對(duì)消費(fèi)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(gè)性化定制成為潮流。為了滿足全球各地不同市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的多樣化、個(gè)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(shù)的生產(chǎn)模式成為趨勢(shì)。國(guó)際生產(chǎn)工廠研究協(xié)會(huì)的定義為：柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，在最少人的干預(yù)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(shè)計(jì)時(shí)所考慮的產(chǎn)品族的限制。柔性生產(chǎn)的到來(lái)，催生了對(duì)新技術(shù)的需求。

　　一方面，在企業(yè)工廠內(nèi)，柔性生產(chǎn)對(duì)工業(yè)機(jī)器人的靈活移動(dòng)性和差異化業(yè)務(wù)處理能力有很高要求。5G利用其自身無(wú)可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，助力柔性化生產(chǎn)的大規(guī)模普及。5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入工廠，在減少機(jī)器與機(jī)器之間線纜成本的同時(shí)，利用高可靠性網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋，使機(jī)器人在移動(dòng)過(guò)程中活動(dòng)區(qū)域不受限，按需到達(dá)各個(gè)地點(diǎn)，在各種場(chǎng)景中進(jìn)行不間斷工作以及工作內(nèi)容的平滑切換。

　　5G網(wǎng)絡(luò)也可使能各種具有差異化特征的業(yè)務(wù)需求。大型工廠中，不同生產(chǎn)場(chǎng)景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量要求不同。精度要求高的工序環(huán)節(jié)關(guān)鍵在于時(shí)延，關(guān)鍵性任務(wù)需要保證網(wǎng)絡(luò)可靠性、大流量數(shù)據(jù)即時(shí)分析和處理的高速率。5G網(wǎng)絡(luò)以其端到端的切片技術(shù)，同一個(gè)核心網(wǎng)中具有不同的服務(wù)質(zhì)量，按需靈活調(diào)整。如設(shè)備狀態(tài)信息的上報(bào)被設(shè)為最高的業(yè)務(wù)等級(jí)等。

　　另一方面，5G可構(gòu)建連接工廠內(nèi)外的人和機(jī)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(shí)間、任何地點(diǎn)都能實(shí)現(xiàn)彼此信息共享。消費(fèi)者在要求個(gè)性化商品和服務(wù)的同時(shí)，企業(yè)和消費(fèi)者的關(guān)系發(fā)生變化，消費(fèi)者將參與到企業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中，消費(fèi)者可以跨地域通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)，參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，并實(shí)時(shí)查詢產(chǎn)品狀態(tài)信息。

　　工廠維護(hù)模式全面升級(jí)

　　大型企業(yè)的生產(chǎn)場(chǎng)景中，經(jīng)常涉及到跨工廠、跨地域設(shè)備維護(hù)，遠(yuǎn)程問(wèn)題定位等場(chǎng)景。5G技術(shù)在這些方面的應(yīng)用，可以提升運(yùn)行、維護(hù)效率，降低成本。5G帶來(lái)的不僅是萬(wàn)物互聯(lián)，還有萬(wàn)物信息交互，使得未來(lái)智能工廠的維護(hù)工作突破工廠邊界。工廠維護(hù)工作按照復(fù)雜程度，可根據(jù)實(shí)際情況由工業(yè)機(jī)器人或者人與工業(yè)機(jī)器人協(xié)作完成。在未來(lái)，工廠中每個(gè)物體都是一個(gè)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(huì)根據(jù)“信息”自動(dòng)生產(chǎn)和維護(hù)。人也變成了具有自己IP的終端，人和工業(yè)機(jī)器人進(jìn)入整個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，和帶有唯一IP的原料、設(shè)備、產(chǎn)品進(jìn)行信息交互。工業(yè)機(jī)器人在管理工廠的同時(shí)，人在千里之外也可以第一時(shí)間接收到實(shí)時(shí)信息跟進(jìn)，并進(jìn)行交互操作。

　　設(shè)想在未來(lái)有5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一家智能工廠里，當(dāng)某一物體故障發(fā)生時(shí)，故障被以最高優(yōu)先級(jí)“零”時(shí)延上報(bào)到工業(yè)機(jī)器人。一般情況下，工業(yè)機(jī)器人可以根據(jù)自主學(xué)習(xí)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)在不經(jīng)過(guò)人的干涉下完成修復(fù)工作。另一種情況，由工業(yè)機(jī)器人判斷該故障必須由人來(lái)進(jìn)行操作修復(fù)。

　　此時(shí)，人即使遠(yuǎn)在地球的另一端，也可通過(guò)一臺(tái)簡(jiǎn)單的VR和遠(yuǎn)程觸覺(jué)感知技術(shù)的設(shè)備，遠(yuǎn)程控制工廠內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人到達(dá)故障現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修復(fù)，工業(yè)機(jī)器人在萬(wàn)里之外實(shí)時(shí)同步模擬人的動(dòng)作，人在此時(shí)如同親臨現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行施工。

　　5G技術(shù)使得人和工業(yè)機(jī)器人在處理更復(fù)雜場(chǎng)景時(shí)也能游刃有余。如在需要多人協(xié)作修復(fù)的情況下，即使相隔了幾大洲的不同專家也可以各自通過(guò)VR和遠(yuǎn)程觸覺(jué)感知設(shè)備，第一時(shí)間“聚集”在故障現(xiàn)場(chǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)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(shí)延使得觸覺(jué)感知網(wǎng)絡(luò)中，人在地球另一端也能把自己的動(dòng)作無(wú)誤差地傳遞給工廠機(jī)器人，多人控制工廠中不同機(jī)器人進(jìn)行下一步修復(fù)動(dòng)作。同時(shí)，借助萬(wàn)物互聯(lián)，人和工業(yè)機(jī)器人、產(chǎn)品和原料全都被直接連接到各類相關(guān)的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，在故障診斷時(shí)，人和工業(yè)機(jī)器人可參考海量的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí)，提高問(wèn)題定位精準(zhǔn)度。

　　工業(yè)機(jī)器人加入“管理層”

　　在未來(lái)智能工廠生產(chǎn)的環(huán)節(jié)中涉及到物流、上料、倉(cāng)儲(chǔ)等方案判斷和決策，5G技術(shù)能夠?yàn)橹悄芄S提供全云化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。精密傳感技術(shù)作用于不計(jì)其數(shù)的傳感器，在極短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行信息狀態(tài)上報(bào)，大量工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)收集起來(lái)，龐大的數(shù)據(jù)庫(kù)開始形成，工業(yè)機(jī)器人結(jié)合云計(jì)算的超級(jí)計(jì)算能力進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和精確判斷，給出最佳解決方案。在一些特定場(chǎng)景下，借助5G下的D2D(Device-to-Device，意為：設(shè)備到設(shè)備)技術(shù)，物體與物體之間直接通信，進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)端到端的時(shí)延，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷實(shí)現(xiàn)分流的同時(shí)，反應(yīng)更為敏捷。生產(chǎn)制造各環(huán)節(jié)的時(shí)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(lái)10年內(nèi)，5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋到工廠各個(gè)角落。5G技術(shù)控制的工業(yè)機(jī)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(jìn)行設(shè)備的巡檢和修理，送料、質(zhì)檢或者高難度的生產(chǎn)動(dòng)作。機(jī)器人成為中、基層管理人員，通過(guò)信息計(jì)算和精確判斷，進(jìn)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(dān)工廠的運(yùn)行監(jiān)測(cè)和高級(jí)管理工作。機(jī)器人成為人的高級(jí)助手，替代人完成人難以完成的工作，人和機(jī)器人在工廠中得以共生。

　　按需分配資源

　　5G網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片提供適用于各種制造場(chǎng)景的解決方案，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高效和低能耗，并簡(jiǎn)化部署，為智能工廠的未來(lái)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　首先，利用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)保證按需分配網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足不同制造場(chǎng)景下對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求。不同應(yīng)用對(duì)時(shí)延、移動(dòng)性、網(wǎng)絡(luò)覆蓋、連接密度和連接成本有不同需求，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的靈活配置尤其是對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的合理快速分配及再分配提出了更嚴(yán)苛的要求。

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

　　在創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片的過(guò)程中，需要調(diào)度基礎(chǔ)設(shè)施中的資源。包括接入資源、傳輸資源和云資源等。而各個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施資源也都有各自的管理功能。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)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(chǔ)設(shè)施資源。由于各種資源的相互獨(dú)立性，網(wǎng)絡(luò)切片管理也在不同資源之間進(jìn)行協(xié)同管理。在智能工廠原型中，展示了采用多層級(jí)的、模塊化的管理模式，使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片的管理和協(xié)同更加通用、更加靈活并且易于擴(kuò)展。

　　除了關(guān)鍵事務(wù)切片，5G智能工廠還將額外創(chuàng)建移動(dòng)寬帶切片和大連接切片。不同切片在網(wǎng)絡(luò)切片管理系統(tǒng)的調(diào)度下，共享同一基礎(chǔ)設(shè)施，但又互不干擾，保持各自業(yè)務(wù)的獨(dú)立性。

　　其次，5G能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)連接，采取本地流量分流，以滿足低延遲的要求。每個(gè)切片針對(duì)業(yè)務(wù)需求的優(yōu)化，不僅體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)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(luò)功能模塊部署非常靈活，可按照業(yè)務(wù)需求分別部署在多個(gè)分布式數(shù)據(jù)中心。原型中的關(guān)鍵事務(wù)切片為保證事務(wù)處理的實(shí)時(shí)性，對(duì)時(shí)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?cái)?shù)據(jù)中心，盡可能地降低時(shí)延，保證對(duì)生產(chǎn)的實(shí)時(shí)控制和響應(yīng)。

　　此外，采用分布式云計(jì)算技術(shù)，以靈活的方式在本地?cái)?shù)據(jù)中心或集中數(shù)據(jù)中心部署基于NFV(Network Function Virtualization，意為：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用和關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)功能。5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和低時(shí)延特性，使智能處理能力通過(guò)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(luò)的連接下，智能工廠成為了各項(xiàng)智能技術(shù)的應(yīng)用平臺(tái)。除了上述四類技術(shù)的運(yùn)用，智能工廠有望與未來(lái)多項(xiàng)先進(jìn)科技相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)資源利用、生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)收益的最大化。例如借助5G高速網(wǎng)絡(luò)，采集關(guān)鍵裝備制造、生產(chǎn)過(guò)程、能源供給等環(huán)節(jié)的能效相關(guān)數(shù)據(jù)，使用能源管理系統(tǒng)對(duì)能效相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理和分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)能效的波動(dòng)和異常，在保證正常生產(chǎn)的前提下，相應(yīng)地對(duì)生產(chǎn)過(guò)程、設(shè)備、能源供給及人員等進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的能效提高;使用ERP(Enterprise Resource Planning，意為：企業(yè)資源計(jì)劃)進(jìn)行原材料庫(kù)存管理，包括各種原材料及供應(yīng)商信息。當(dāng)客戶訂單下達(dá)時(shí)，ERP自動(dòng)計(jì)算所需的原材料，并且根據(jù)供應(yīng)商信息即時(shí)計(jì)算原材料的采購(gòu)時(shí)間，確保在滿足交貨時(shí)間的同時(shí)做到庫(kù)存成本最低甚至為零。

　　因此，5G時(shí)代的智能工廠將大幅改善勞動(dòng)條件，減少生產(chǎn)線人工干預(yù)，提高生產(chǎn)過(guò)程可控性，最重要的是借助于信息化技術(shù)打通企業(yè)的各個(gè)流程，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到銷售各個(gè)環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化，從而進(jìn)一步提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。