基于5G的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景分析研究

1 引言

ITU（International Telecommunication Union，國(guó)際電信聯(lián)盟）為第五代移動(dòng)通信（5G）定義了eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量大連接）、uRLLC（低時(shí)延高可靠）3種特性，以全新的移動(dòng)通信系統(tǒng)架構(gòu)，提供10 Gbit/s的峰值速率、毫秒級(jí)的傳輸時(shí)延和千億級(jí)的連接能力。

中國(guó)信息通信研究院院長(zhǎng)劉多[1]認(rèn)為5G將開(kāi)啟萬(wàn)物互聯(lián)的新時(shí)代，同時(shí)，作為第四次工業(yè)革命的重要基石，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G最重要的應(yīng)用場(chǎng)景，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為重要的探索方向。進(jìn)入工業(yè)4.0時(shí)代，工業(yè)企業(yè)均面臨生產(chǎn)及服務(wù)轉(zhuǎn)型，5G將成為工業(yè)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵支撐技術(shù)[2]。業(yè)界眾多研究者在5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域做出了大量的嘗試。楊鑫等[3]分析電信運(yùn)營(yíng)商的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略，闡述運(yùn)營(yíng)商提供連接+云+應(yīng)用等邊緣計(jì)算解決方案，并在工業(yè)場(chǎng)景下進(jìn)行了應(yīng)用，如5G虛擬專網(wǎng)、5G云化AGV、5G視頻/視覺(jué)分析等應(yīng)用。劉潔[4]從網(wǎng)絡(luò)角度分析了工業(yè)企業(yè)的5G應(yīng)用需求，分析了基于5G的工業(yè)園區(qū)垂直組網(wǎng)類服務(wù)架構(gòu)，得出5G垂直組網(wǎng)類服務(wù)將成為5G重要引用場(chǎng)景的結(jié)論。

機(jī)器視覺(jué)是工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中重要的技術(shù)應(yīng)用，機(jī)器視覺(jué)通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件獲取物體圖像特征點(diǎn)以分析物體特征的技術(shù)手段。馬紅衛(wèi)[5]利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)構(gòu)建了一套基于機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)機(jī)器人鋰電池載流片定位系統(tǒng)。業(yè)界對(duì)5G在工業(yè)機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中的研究應(yīng)用進(jìn)行了一系列探索，薛俊偉等[6]設(shè)計(jì)了運(yùn)行在5G網(wǎng)絡(luò)下的智能巡檢機(jī)器人通過(guò)雙目視覺(jué)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能巡檢。郝志偉[7]在5G環(huán)境下通過(guò)機(jī)器視覺(jué)技術(shù)分析帶式輸送機(jī)整體的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶式輸送機(jī)傳送的智能化控制。

5G的發(fā)展，為工業(yè)機(jī)器視覺(jué)的規(guī)?；瘧?yīng)用提供了網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。本文闡述了5G+機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景，列舉說(shuō)明了可移動(dòng)工業(yè)機(jī)器代表場(chǎng)景——工廠視覺(jué)導(dǎo)航、固定工業(yè)機(jī)器代表場(chǎng)景——工業(yè)柔性視覺(jué)、廠區(qū)監(jiān)控設(shè)備代表場(chǎng)景——工廠智能監(jiān)控三類場(chǎng)景應(yīng)用場(chǎng)合，通過(guò)市場(chǎng)需求、客戶價(jià)值、5G技術(shù)替代性3個(gè)維度分析該三類應(yīng)用場(chǎng)合的價(jià)值，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展提供決策支持。

2 5G+機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景描述

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)是通過(guò)機(jī)器視覺(jué)產(chǎn)品CMOS/CCD將被攝取目標(biāo)轉(zhuǎn)換成圖像信號(hào)，傳送給專用的圖像處理系統(tǒng)，得到被攝目標(biāo)的形態(tài)信息，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字化信號(hào)，圖像系統(tǒng)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行各種運(yùn)算來(lái)抽取目標(biāo)的特征，進(jìn)而根據(jù)判別的結(jié)果來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)的設(shè)備動(dòng)作。5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景如圖1所示。采用機(jī)器視覺(jué)的解決方案已經(jīng)成為自動(dòng)化生產(chǎn)的主流，機(jī)器視覺(jué)可以快速獲取大量信息，并進(jìn)行自動(dòng)處理。5G技術(shù)引入后，5G+機(jī)器視覺(jué)能夠提高生產(chǎn)的柔性和自動(dòng)化程度。

圖1 5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景

3 5G+機(jī)器視覺(jué)技術(shù)路線

隨著工業(yè)生產(chǎn)智能化的要求越來(lái)越高，機(jī)器視覺(jué)在工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中運(yùn)用越來(lái)越廣泛。如圖2所示，機(jī)器視覺(jué)采集的數(shù)據(jù)最早是通過(guò)有線連接的方式存儲(chǔ)在本地處理器中，并通過(guò)工業(yè)通訊的方式與PLC控制系統(tǒng)互聯(lián)從而進(jìn)行協(xié)同工作。比較常見(jiàn)的是通過(guò)PC板卡，支持多種接口形式（PCI、PCIe、104等），同時(shí)支持多種通訊協(xié)議（profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、PROFIBUS、DevieceNet等）。機(jī)器視覺(jué)設(shè)備在應(yīng)用上不直接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接，它們的應(yīng)用都是直接連到客戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)中，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)一般不存在泄露問(wèn)題，因?yàn)檫@些數(shù)據(jù)都是存儲(chǔ)在客戶手中，客戶需要自行確保數(shù)據(jù)的安全性。

如圖2所示，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)處理與分析才是整個(gè)系統(tǒng)的核心，相當(dāng)于人的大腦。傳統(tǒng)的機(jī)器視覺(jué)采用本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理模式，一般每臺(tái)設(shè)備都會(huì)搭載一臺(tái)性能強(qiáng)大的電腦或服務(wù)器，極大增加了機(jī)器視覺(jué)的成本。而隨著云計(jì)算技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)不再需要在本地部署高性能電腦或服務(wù)器，有線（光纖/銅纜）、無(wú)線（wi fi/4G/5G）將替代傳統(tǒng)本地通信總線連接，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)、計(jì)算和協(xié)同的云處理。5G將增加云化機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的靈活性，視頻采集、傳輸和數(shù)據(jù)處理分析，以及控制指令的發(fā)出都利用5G傳到云端，在云端進(jìn)行所有處理，最后再發(fā)出指令給機(jī)器運(yùn)動(dòng)執(zhí)行。

圖2 5G+機(jī)器視覺(jué)技術(shù)路線

（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)云化

機(jī)器視覺(jué)一直是圍繞大數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)，獲取并處理無(wú)數(shù)的以千兆字節(jié)為單位的圖像，然后針對(duì)一項(xiàng)指定的對(duì)象或任務(wù)提取出制定決策所需要的信息，會(huì)生成大量的數(shù)據(jù)，每分鐘千兆字節(jié)的數(shù)據(jù)很快就變成了太字節(jié)，甚至是拍字節(jié)。5G可以保證大數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（2）數(shù)據(jù)計(jì)算云化

為保證機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，必須要明確系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間。包括：觸發(fā)到開(kāi)始成像的成像延遲；圖像從相機(jī)到采集卡的采集延遲；圖像從采集卡到處理器的處理延遲；通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的通信延遲；圖像處理過(guò)程的算法延遲；處理結(jié)果送達(dá)I/O端口的I/O延遲；控制系統(tǒng)處理過(guò)程的控制延遲等。這些延遲過(guò)程中除了通信延遲外，其他都屬于工業(yè)系統(tǒng)延遲是可控的，云處理帶來(lái)的通信延遲也必須是可控的，5G可以滿足低時(shí)延需求。

（3）數(shù)據(jù)協(xié)同云化

隨著機(jī)器視覺(jué)的范圍已經(jīng)擴(kuò)展到工廠車間以外，分布數(shù)據(jù)協(xié)同處理也是面臨的問(wèn)題。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分布式數(shù)據(jù)連接，實(shí)現(xiàn)匯聚處理并控制。

4 5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用場(chǎng)景

隨著自動(dòng)化控制的移動(dòng)性需求，如不同位置、地點(diǎn)的制造，甚至柔性制造，對(duì)數(shù)據(jù)采集的移動(dòng)接入提出了新的要求，使用WIFI模塊和云端處理都成為處理移動(dòng)數(shù)據(jù)的一張方式，但是對(duì)數(shù)據(jù)流量、接入數(shù)量、時(shí)延、穩(wěn)定性都提出更高的要求，5G云化機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)解決方案更適合特定場(chǎng)景。5G+機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景的重點(diǎn)集中在以下應(yīng)用場(chǎng)合。

（1）可移動(dòng)工業(yè)機(jī)器：工廠視覺(jué)導(dǎo)航

工廠自動(dòng)AGV小車應(yīng)用于制造業(yè)中，AGV小車通過(guò)5G+機(jī)器視覺(jué)的處理能夠準(zhǔn)確無(wú)誤的調(diào)整行走搬運(yùn)的路線，可準(zhǔn)確有效地完成貨物的搬運(yùn)工作，大大提高了企業(yè)生產(chǎn)的柔性智能性以及企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

（2）固定工業(yè)機(jī)器：工業(yè)柔性視覺(jué)

采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的工業(yè)設(shè)備在進(jìn)行柔性制造過(guò)程中，會(huì)采用移動(dòng)技術(shù)特別是5G來(lái)滿足生產(chǎn)需求，提高了生產(chǎn)的自動(dòng)化程度，讓不適合人工作業(yè)的危險(xiǎn)工作環(huán)境變成了可能，讓大批量、持續(xù)生產(chǎn)變成了現(xiàn)實(shí)，大大提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品精度。重點(diǎn)面向5大領(lǐng)域：圖像識(shí)別應(yīng)用、圖像檢測(cè)應(yīng)用、視覺(jué)定位應(yīng)用、物體測(cè)量應(yīng)用、物體分揀應(yīng)用。

（3）廠區(qū)監(jiān)控設(shè)備：工廠智能監(jiān)控

采用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)5G技術(shù)，擴(kuò)展視頻監(jiān)控的移動(dòng)性、范圍和智能化。實(shí)現(xiàn)周界檢測(cè)、越線檢測(cè)、徘徊逗留檢測(cè)、遺失檢測(cè)、遺留檢測(cè)、快速移動(dòng)檢測(cè)、打架檢測(cè)、尾隨檢測(cè)、人群聚集、火災(zāi)煙霧檢測(cè)、PTZ目標(biāo)跟蹤、視頻故障分析、視頻存儲(chǔ)和回放等功能。

5 5G+機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景評(píng)估

5.1 可移動(dòng)工業(yè)機(jī)器：工廠視覺(jué)導(dǎo)航

（1）市場(chǎng)需求

國(guó)外企業(yè)關(guān)注創(chuàng)新性的應(yīng)用，像自動(dòng)AGV小車的應(yīng)用，要簡(jiǎn)化人員的操作，要提高人員的效率，減少人員操作的負(fù)擔(dān)。但這在中國(guó)，目前需求不多，因?yàn)橹袊?guó)的人力成本相對(duì)較低，尤其在二三線城市，對(duì)于一些機(jī)器自動(dòng)化的產(chǎn)品沒(méi)有太大的需求。只有信息化程度較高的頭部企業(yè)，會(huì)有大量AGV小車的應(yīng)用需求，在實(shí)際項(xiàng)目中汽車制造行業(yè)、鋼鐵制造行業(yè)以及大型工廠倉(cāng)儲(chǔ)均有具體需求。

（2）客戶價(jià)值

工廠采用視覺(jué)導(dǎo)航如AGV小車能夠提高工作效率高，減少人工干預(yù)降低錯(cuò)誤率，充電自動(dòng)化，方便，減少占地面積，減低人工成本，美觀，提高觀賞度，提高企業(yè)的形象。

（3）5G技術(shù)替代性

采用WiFi局域網(wǎng)通信調(diào)度AGV，支持的終端數(shù)量、信號(hào)覆蓋及穩(wěn)定性、邊界切換、抗干擾、建設(shè)及維護(hù)等方面均存在瓶頸，交付成本高。使用4G或Wi-Fi將圖像傳輸至服務(wù)器處理，則壓縮后圖像的清晰度會(huì)受到明顯影響，影響定位效果。

（4）典型案例

某大型制造企業(yè)的5G+AGV無(wú)人駕駛車方案。場(chǎng)景特征為長(zhǎng)時(shí)間、高強(qiáng)度、高安全生產(chǎn)要求，同時(shí)運(yùn)載對(duì)象重量超百噸，同時(shí)涉及夜間作業(yè)；5G+AGV能力要求為24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)、可精細(xì)化操控；網(wǎng)絡(luò)方案為由通信運(yùn)營(yíng)商采用SA組網(wǎng)模式，新建7個(gè)5G站點(diǎn)，共計(jì)12個(gè)小區(qū)。

綜合工廠視覺(jué)導(dǎo)航的市場(chǎng)需求、客戶價(jià)值及5G技術(shù)替代性3個(gè)維度，并通過(guò)典型案例驗(yàn)證，分析得出工廠視覺(jué)導(dǎo)航為現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用。

5.2 固定工業(yè)機(jī)器：工業(yè)柔性視覺(jué)

（1）市場(chǎng)需求

機(jī)器視覺(jué)主要的市場(chǎng)分布在電子制造業(yè)、汽車制造、制藥、食品與包裝機(jī)械等領(lǐng)域。從機(jī)器視覺(jué)的具體應(yīng)用看，電子制造業(yè)應(yīng)用具體在PCB印刷電路、電子封裝、絲網(wǎng)印刷、SMMT表面貼裝、半導(dǎo)體及集成電路、回流和波峰焊，以及智能手機(jī)、平板電腦等消費(fèi)類產(chǎn)品。汽車制造業(yè)的主要應(yīng)用于面板印刷質(zhì)量檢測(cè)、精密測(cè)量等。食藥和包裝機(jī)械主要集中在封裝缺陷檢測(cè)、生產(chǎn)日期檢測(cè)、顏色識(shí)別、分揀等方面。印刷機(jī)械則是在于印刷質(zhì)量檢測(cè)、印刷字符檢測(cè)、條碼識(shí)別等。但是，中國(guó)工業(yè)企業(yè)信息化階段不高，只有細(xì)分行業(yè)頭部企業(yè)才能采購(gòu)帶有機(jī)器視覺(jué)的工業(yè)設(shè)備，進(jìn)行柔性生產(chǎn)選擇帶有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)功能特別是5G下需求并不明顯。

（2）客戶價(jià)值

在工業(yè)領(lǐng)域，機(jī)器視覺(jué)充當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備“眼睛”的功能，解決人眼無(wú)法識(shí)別、檢測(cè)的工作，實(shí)現(xiàn)效率好、成本低的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）5G技術(shù)替代性

5G相對(duì)有線方式在技術(shù)參數(shù)上無(wú)特別優(yōu)勢(shì)，只在移動(dòng)性技術(shù)參數(shù)全面優(yōu)于WIFI。

（4）典型案例

某大型制造企業(yè)建設(shè)基于5G的三維掃描建模監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。通過(guò)激光三維掃描建模監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，精確快速獲取物體表面三維數(shù)據(jù)并生成三維模型，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將測(cè)量生成的海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至云端，進(jìn)行快速對(duì)比處理，以確定實(shí)體三維模型是否和原始理論模型一致。提高了生產(chǎn)效率，并建立質(zhì)量信息數(shù)據(jù)庫(kù)，便于后期質(zhì)量追溯。

綜合工業(yè)柔性視覺(jué)的市場(chǎng)需求、客戶價(jià)值及5G技術(shù)替代性3個(gè)維度，并通過(guò)典型案例驗(yàn)證，分析得出工業(yè)柔性視覺(jué)為高度定制化的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，難以形成大范圍、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用規(guī)模。

5.3 廠區(qū)監(jiān)控設(shè)備：工廠智能監(jiān)控

（1）市場(chǎng)需求

視頻監(jiān)控技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域一個(gè)新興的應(yīng)用，在監(jiān)控與識(shí)別領(lǐng)域得到大量運(yùn)用。新興視頻監(jiān)控與傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的需求將長(zhǎng)期重疊，對(duì)視頻監(jiān)控功能有特別要求的廠家會(huì)選用5G技術(shù)，側(cè)重移動(dòng)性和高清視頻處理需求。

（2）客戶價(jià)值

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)，能夠自動(dòng)檢測(cè)、實(shí)時(shí)跟蹤可疑人物，必要時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)多攝像機(jī)接連跟蹤，同時(shí)發(fā)出告警，使得智能視頻分析得以逐步實(shí)現(xiàn)。

（3）5G技術(shù)替代性

5G相對(duì)有線方式在技術(shù)參數(shù)上無(wú)特別優(yōu)勢(shì)，只在移動(dòng)性技術(shù)參數(shù)全面優(yōu)于WIFI。

（4）典型案例

某大型制造企業(yè)針對(duì)鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)品新能源立體停車庫(kù)提供整體智能監(jiān)控服務(wù)，5G配合高清視頻設(shè)備采集關(guān)鍵設(shè)備、廠區(qū)敏感位置、安全巡檢過(guò)程中的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)回傳后臺(tái)管理系統(tǒng)，對(duì)在用設(shè)備關(guān)鍵部件的狀態(tài)、性能與損耗在線智能檢測(cè)、遠(yuǎn)程診斷管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控，降低了布線施工以及調(diào)試維護(hù)成本，確保車庫(kù)的正常運(yùn)營(yíng)以及人員的安全，提高車庫(kù)運(yùn)營(yíng)效率的同時(shí)更好的提高了車庫(kù)的信息化技術(shù)水平以及產(chǎn)品的安全性。預(yù)計(jì)為立體車庫(kù)產(chǎn)品提升附加值約10%。

綜合工廠智能監(jiān)控的市場(chǎng)需求、客戶價(jià)值及5G技術(shù)替代性3個(gè)維度，并通過(guò)典型案例驗(yàn)證，分析得出工廠智能監(jiān)控為高度重疊化的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，難以形成大范圍、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用規(guī)模，為現(xiàn)有補(bǔ)充。

6 研究結(jié)論

本文從業(yè)務(wù)角度說(shuō)明了5G與機(jī)器視覺(jué)的相關(guān)性，從技術(shù)應(yīng)用方面論證了5G在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用方向。本文分析了工廠視覺(jué)導(dǎo)航、工業(yè)柔性視覺(jué)、工廠智能監(jiān)控三類代表機(jī)器視覺(jué)場(chǎng)景，通過(guò)市場(chǎng)需求、客戶價(jià)值、5G技術(shù)替代性3個(gè)維度分析該三類應(yīng)用場(chǎng)合的價(jià)值。

現(xiàn)階段我國(guó)工業(yè)機(jī)器視覺(jué)仍處于起步階段，5G在機(jī)器視覺(jué)中的應(yīng)用可依托傳統(tǒng)機(jī)器視覺(jué)良好發(fā)展態(tài)勢(shì)，布局現(xiàn)階段需求較明顯的5G+工業(yè)機(jī)器應(yīng)用。本文分析得出，以自動(dòng)AGV小車為代表的可移動(dòng)工業(yè)視覺(jué)導(dǎo)航是現(xiàn)階段重點(diǎn)發(fā)展的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用；工業(yè)柔性視覺(jué)為高度定制化的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，難以形成大范圍、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用規(guī)模；工廠智能監(jiān)控為高度重疊化的5G+機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用，難以形成大范圍、標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用規(guī)模，為現(xiàn)有補(bǔ)充。

2011年我國(guó)機(jī)器視覺(jué)市場(chǎng)開(kāi)始啟動(dòng)，行業(yè)步入快速發(fā)展期，市場(chǎng)需求較大。結(jié)合我國(guó)工業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，積極推進(jìn)5G在機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域中的應(yīng)用，提高我國(guó)工業(yè)信息化建設(shè)水平。