“5G+”时代智能制造创新应用前瞻

  点击数:1742  发布时间:2019-08-12 10:59
在数字化浪潮的驱动下,大数据、云计算、人工智能等新一代信息通信技术与制造业的融合逐渐从理念普及走向应用推广,制造业智能化、柔性化、服务化、高端化转型发展趋势愈发明显,对高性能、具有灵活组网能力的无线网络需求日益迫切。2019年是5G商用的元年,5G具有媲美光纤的传输速度、万物互联的泛在连接和接近工业总线的实时能力,正逐步向工业领域加强渗透,引发一系列融合创新应用与变革,为制造业转型升级带来历史性的发展机遇。
关键词:云化机器人 ,智能制造 ,5G

在数字化浪潮的驱动下,大数据、云计算、人工智能等新一代信息通信技术与制造业的融合逐渐从理念普及走向应用推广,制造业智能化、柔性化、服务化、高端化转型发展趋势愈发明显,对高性能、具有灵活组网能力的无线网络需求日益迫切。2019年是5G商用的元年,5G具有媲美光纤的传输速度、万物互联的泛在连接和接近工业总线的实时能力,正逐步向工业领域加强渗透,引发一系列融合创新应用与变革,为制造业转型升级带来历史性的发展机遇。

一、5G赋能柔性生产线

柔性生产线可以根据订单的变化灵活调整产品生产任务,是实现多样化、个性化、定制化生产的关键依托。在传统的网络架构下,生产线上各单元的模块化设计虽然相对完善,但是由于物理空间中的网络部署限制,制造企业在进行混线生产的过程中始终受到较大约束。5G将在两个方面赋能柔性生产线:一是提高生产线的灵活部署能力。未来柔性生产线上的制造模块需要具备灵活快速的重部署能力和低廉的改造升级成本。5G网络进入工厂,将使生产线上的设备摆脱线缆的束缚,通过与云端平台无线连接,进行功能的快速更新和拓展,并且自由移动和拆分组合,在短期内实现生产线的灵活改造。二是提供弹性化的网络部署方式。5G网络中的SDN(软件定义网络)、NFV(网络功能虚拟化)和网络切片功能,能够支持制造企业根据不同的业务场景灵活编排网络架构,按需打造专属的传输网络,还可以根据不同的传输需求对网络资源进行调配,通过带宽限制和优先级配置等方式,为不同的生产环节提供适合的网络控制功能和性能保证。在这样的架构下,柔性生产线的工序可以根据原料、订单的变化而改变,设备之间的联网和通信关系也会随之发生相应的改变。

二、5G赋能云化机器人

云化机器人的基本特征是位于云端的控制平台利用人工智能、大数据等先进技术控制本地机器人执行任务。云化机器人会与云端平台进行信息量巨大的实时数据交换,需要大速率、低时延、高可靠的无线通信网络支撑。5G将在三个方面赋能工业云化机器人:一是加强机器人之间的协同工作能力。5G为工业机器人之间的通信提供高速网络支持,使机器人具备自组织与协同能力。工业机器人可以通过相互合作,完成过去单个机器人无法独立完成的任务。另外,有更高权限的领导型机器人能通过5G网络指挥一群执行型机器人高效完成任务。二是使机器人更加敏捷、安全地与工人协作。5G高可靠、超低时延的特性能使机器人实时感知工人的动作,灵巧地进行反馈和配合,同时始终与工人保持安全距离,保证人机协作的安全。三是实现机器人的远程实时控制。在高温、高压等某些不适合工人进入的特定生产环境,工人可以在监控中心通过5G网络对机器人进行实时远程操作,同步、安全地完成预定工作目标。

三、5G赋能工业AR/VR

未来工业AR将用于装配过程指导、设备检修等应用场景,通过虚拟影像与真实视觉叠加直观地呈现出操作步骤,帮助工程师缩短作业时间,降低错误率。工业VR将辅助工业设计,使远程的工作人员进入同一个虚拟场景中协同设计产品,也可以实现工厂的三维立体虚拟化展示,使管理人员全面了解工厂生产情况。超高清AR/VR视频每秒容量高达百兆以上,目前的4G或Wifi网络很难同时满足稳定、流畅、实时三方面的视觉体验要求。5G将在三个方面赋能工业AR/VR:一是使工业AR/VR终端更加轻便、价格更低。在复杂多变的工厂环境中,VR/AR终端需要具备高程度的灵活性和轻便性。基于5G的工业云VR/AR可以将数据和计算密集型任务转移到云端处理,终端仅保留连接和显示功能,大幅降低终端的重量以及造价。二是提升工业AR/VR的显示效果。5G网络高速率、大容量的特性将满足AR/VR中高清图像的海量数据交互,提升AR/VR设备的流畅度和清晰度,支撑8K分辨率、3D等极致显示需求,使更加复杂的渲染效果得以呈现,让使用者有更好的视觉感受。三是提高工业AR/VR的交互体验。工业AR/VR的发展方向是使用者通过交互设备与虚拟或现实环境进行实时互动,5G将满足远程多人协同设计、虚拟工厂操作培训等强交互工业AR/VR的毫秒级低时延需求,增强用户与用户、用户与环境之间的交互体验。

四、5G赋能实时数据采集与监控

在智能工厂中,生产数据的采集和车间工况、设备状态的监控愈发重要,能为生产的决策、调度、运维提供可靠的依据。虽然NB-IoT、Zigbee等无线技术已经在工业数据采集与监控中得到了一定程度的使用,但在传输速率、覆盖范围、延迟、可靠性和安全性等方面都还存在各自的局限性。5G将在三个方面赋能数据采集与监控:一是促进工厂内海量数据实时上传。大连接、低时延的5G网络可以将工厂内海量的生产设备及关键部件进行互联,并且提升生产数据采集的及时性,为生产流程优化、能耗管理提供网络支撑。另外,工厂内大量的环境传感器可以通过5G网络在极短时间内进行温度、湿度、亮度、空气质量、污染等信息状态的上报,使管理人员能够对厂房内的环境进行精准调控。二是支持超高清视频监控和机器视觉识别。5G网络能够将厂房内高分辨率的监控录像同步回传到控制中心,通过5G+8K超高清视频还原各区域的生产细节,为工厂精细化监控和管理提供支持。同时,智能工厂中产品缺陷检测、精细原材料识别、精密测量等场景需要用到视频图像识别。5G网络能保障海量高分辨率视频图像的实时传输,提升机器视觉系统的识别速度和精度。三是提升工厂设备远程运维能力。5G广覆盖、大连接、低成本、低能耗的特性有利于远程生产设备全生命周期工作状态的实时监测,使生产设备的维护工作突破工厂边界,实现跨工厂、跨地域远程故障诊断和维修。

五、结语

作为新一代无线通信技术, 5G网络将为智能制造生产系统提供多样化和高质量的通信保障,促进各个环节海量信息的融合贯通。未来随着5G网络与制造业的融合走向纵深,其所带来的变革既是生产过程的优化,如可控性的提高、运营效率的跃升、生产成本与能耗的降低等,更将带动一系列革命性的新产品、新技术和新模式在制造业中普及应用。可以预见,在“5G+”时代,制造业智能化升级将更为全面和深入,以5G为核心的融合创新将成为我国制造业高质量发展的强大动力和强劲支撑。

作者简介

顾城天:中国信息通信研究院政策与经济研究所政策研究部工程师,从事5G、智能制造领域的政策研究工作。

联系方式:guchengtian@caict.ac.cn

来源:中国信通院

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