張全安
(中國五環(huán)工程有限公司,湖北 武漢 430223)
5G時(shí)代的到來,給工廠實(shí)現(xiàn)智能化提供了必要的技術(shù)支撐,將會(huì)重新定義企業(yè)的生產(chǎn)效率及成本,增強(qiáng)生產(chǎn)過程的可控性。依托新一代信息技術(shù)打通企業(yè)各生產(chǎn)流程,實(shí)現(xiàn)從上游設(shè)計(jì)到下游售后服務(wù)各環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)資源的整合優(yōu)化。智能工廠不僅是自動(dòng)化的升級(jí)和信息技術(shù)的融合,更是工廠自主化抉擇、柔性化生產(chǎn)、目標(biāo)化銷售、快速適應(yīng)市場變化的高度智能化工廠。智能工廠離不開人工智能的技術(shù),應(yīng)利用機(jī)器學(xué)習(xí)、模擬過程、認(rèn)知分析等演化算法,來提升工廠智能控制管理能力。5G物聯(lián)網(wǎng)將所有的機(jī)器設(shè)備連接在一起,例如控制系統(tǒng)、傳感設(shè)備、響應(yīng)終端的聯(lián)網(wǎng)。人工智能分析傳感器上采集的數(shù)據(jù),能夠通過數(shù)字孿生、模型演化等自主判斷、自主決策,實(shí)現(xiàn)真正意義上的智能工廠。
作為新一代移動(dòng)通信技術(shù),5G應(yīng)用場景和底層技術(shù)滿足智能工廠對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求,能滿足智能工廠所需的設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程交互應(yīng)用需求。在物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)軟件驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化控制、實(shí)時(shí)物流跟蹤、智能機(jī)器人等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域,5G技術(shù)起著支撐作用。
無線通信技術(shù)提升傳輸速率通常是通過提高頻譜利用率和拓寬頻譜帶寬來實(shí)現(xiàn)的。由于信道中存在噪聲,頻譜利用率并不是越高越好。所以,提高信道傳輸速率最簡單的辦法就是增加頻譜帶寬。問題是目前6GHz以下頻段已經(jīng)基本用完,到了4G時(shí)代已變得非常擁擠,所以6GHz以上的毫米波頻段得以開發(fā)利用。3GPP組織規(guī)定5G 主要使用FR1頻段和FR2頻段,其中,F(xiàn)R1就是Sub 6GHz頻段;FR2毫米波頻段。相比4G-LTE頻段而言,毫米波的帶寬拓寬了大約10倍。
根據(jù)c=λv可知,光速c在真空中是恒定的,波長越短,頻率v越高,繞射能力和穿透能力越弱,在障礙物較多的環(huán)境中,其輻射范圍大打折扣。毫米波對(duì)空間中的其他因素也比較敏感,典型的因素就是空氣中的水分子,它對(duì)毫米波頻譜的吸收程度很高,所以這些頻譜在雨天、經(jīng)過樹木甚至人體時(shí)會(huì)受到阻擋,衰弱得非???。為解決傳輸輻射短板,小基站就應(yīng)運(yùn)而生。小基站包括飛基站、皮基站、微基站。其覆蓋范圍通常從10 m到200 m不等,所以在5G覆蓋時(shí),會(huì)使用宏基站和小基站組網(wǎng),這種組網(wǎng)方式即為5G關(guān)鍵組網(wǎng)技術(shù)——超密集組網(wǎng)。
大規(guī)模MIMO即大規(guī)模天線技術(shù)。Massive包含兩層意思,一是天線的數(shù)量,傳統(tǒng)的TDD網(wǎng)絡(luò)的天線數(shù)最多8根,而大規(guī)模MIMO的天線最多可達(dá)到1 024個(gè);二是信號(hào)覆蓋的維度,傳統(tǒng)的MIMO被稱為2D-MIMO,以8根天線為例,信號(hào)覆蓋時(shí),只在二維空間一個(gè)方向傳播,形成二維平面波,垂直方向沒有電磁波傳播;而Massive MIMO,是信號(hào)“水平維度+垂直維度”的三維立體空間進(jìn)行發(fā)射,信號(hào)的輻射在空間疊加成電磁波束。所以業(yè)界又稱Massive MIMO為3D-MIMO。
有了大規(guī)模MIMO,為了解決毫米波傳輸繞射和穿透能力差的短板,波束成形技術(shù)就應(yīng)運(yùn)而生。波束成形技術(shù)通過調(diào)節(jié)大規(guī)模電線中的每個(gè)天線的相對(duì)位置,使信號(hào)在傳播過程中進(jìn)行有效疊加,形成更強(qiáng)的信號(hào)增益來克服傳輸過程中的損耗,這種信號(hào)將各天線輻射的電磁波通過波的疊加和抵消,形成了一束一束的波束,波束突破了傳輸距離和穿透能力弱的缺點(diǎn),從而為5G無線信號(hào)的傳輸質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的保障。
5G全雙工為同頻同時(shí)全雙工技術(shù),天線同時(shí)收發(fā)電磁波,收發(fā)信號(hào)的電磁波通過疊加到達(dá)天線。發(fā)送信號(hào)和接受信號(hào)在天線端形成疊加。由于發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度很高,電磁波動(dòng)幅度很強(qiáng),而接收的信號(hào)通過一定的衰減到達(dá)天線,信號(hào)強(qiáng)度相對(duì)較弱,電磁波振幅較小,造成發(fā)送的強(qiáng)信號(hào)淹沒了接收的弱信號(hào),導(dǎo)致無法接收信號(hào)。解決這個(gè)問題需要用到全雙工的自干擾抑制技術(shù),可以理解為預(yù)先知道了發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度,天線在嘗試接收信號(hào)的同時(shí),默認(rèn)減去了發(fā)送信號(hào)的強(qiáng)度,剩下的就是接收的信號(hào)強(qiáng)度,從而達(dá)到“全雙工”的效果。
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以形象地把信道比喻成道路,為了提高道路通行速度,一條道路劃分為不同的車道,有快車道、慢車道、非機(jī)動(dòng)車道等。5G的三大類不同的應(yīng)用場景對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能和功能有不同的要求,各要求之間甚至?xí)a(chǎn)生沖突。如果和4G-LTE一樣使用單一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),將所有的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)需求都接到同一網(wǎng)絡(luò),隨著終端數(shù)的增長,勢(shì)必造成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率低、延時(shí)長,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)也會(huì)很復(fù)雜。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)就是把單一的物理實(shí)體網(wǎng)絡(luò)從應(yīng)用層切割開,形成了邏輯上的多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)。各虛擬網(wǎng)絡(luò)之間單獨(dú)傳輸,假如其中一條虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生擁堵或者故障,它也不會(huì)影響其他虛擬網(wǎng)絡(luò)。這種面向應(yīng)用、面向場景的虛擬專用網(wǎng)絡(luò),保證了不同需求和不同場景得到獨(dú)享的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
針對(duì)不同應(yīng)用場景對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求的不同,邊緣計(jì)算技術(shù)將計(jì)算能力下沉到接入網(wǎng)的機(jī)房中。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中把計(jì)算放到核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心機(jī)房內(nèi),所有信息必須從網(wǎng)絡(luò)接入層傳輸?shù)胶诵膶舆M(jìn)行處理后,再返回網(wǎng)絡(luò)接入層。在網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備增加計(jì)算能力,低價(jià)值量數(shù)據(jù)、局域性數(shù)據(jù)等在邊緣機(jī)房的設(shè)備進(jìn)行處理,無需再傳輸回核心網(wǎng),這樣可以減少傳輸內(nèi)容、大幅減輕傳輸網(wǎng)絡(luò)的帶寬壓力、降低業(yè)務(wù)時(shí)延。
智能工廠是一個(gè)由智能設(shè)備組成的網(wǎng)絡(luò),此網(wǎng)絡(luò)對(duì)性能要求極高,5G網(wǎng)絡(luò)所具有的性能可以滿足智能工廠網(wǎng)絡(luò)所需。相對(duì)于4G,5G在速率、時(shí)延、接入密度等關(guān)鍵指標(biāo)上有了大幅提升,5G和4G網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比見表1。
表1 5G和4G關(guān)鍵指標(biāo)對(duì)比
根據(jù)5G國際標(biāo)準(zhǔn)制定組織3GPP定義的5G三大應(yīng)用場景,可以判定三大應(yīng)用場景完全能保證智能工廠中網(wǎng)絡(luò)的支撐和關(guān)鍵指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
增強(qiáng)移動(dòng)寬帶的特性是大帶寬、高速率,5G的最高數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到20 Gbps。
應(yīng)用場景為高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),支持如超高清視頻、在線4K/8K視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR等新技術(shù),使用于智能工廠預(yù)測性維護(hù)、危險(xiǎn)源識(shí)別、安防監(jiān)控、遠(yuǎn)程運(yùn)維、環(huán)境監(jiān)測等方面。
終端的連接密度大幅提升。此能力面向物聯(lián)網(wǎng),最大的應(yīng)用是對(duì)網(wǎng)絡(luò)感知實(shí)時(shí)性要求低的場景和對(duì)終端密集程度高的場景。
使用場景為大量物聯(lián)網(wǎng)傳感器布置采集大量數(shù)據(jù),適合智能工廠設(shè)備布置大量傳感器場景,通過工廠各處的傳感器采集的數(shù)據(jù),結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí),提升工廠智能化水平。
5G在數(shù)據(jù)包傳輸上的時(shí)延為1ms,在移動(dòng)性方面的表現(xiàn)也得到大幅提升,其切換和保證通訊質(zhì)量極速達(dá)到500 km/h。
使用場景為對(duì)時(shí)延和可靠性要求較高的應(yīng)用場景,如智能工廠中的遠(yuǎn)程設(shè)備操控和安全監(jiān)控、潛在威脅源識(shí)別等。
利用5G網(wǎng)絡(luò)將智能工廠中的生產(chǎn)設(shè)備與傳感器無縫連接,實(shí)現(xiàn)物物互聯(lián)、人物互聯(lián),從而打通企業(yè)的各生產(chǎn)流通環(huán)節(jié),使生產(chǎn)更加人性化、扁平化、柔性化、智能化。本文探討了工廠實(shí)現(xiàn)智能化的方式,主要從工廠生產(chǎn)、物流、運(yùn)維及日常監(jiān)控等方面切入,其構(gòu)成的系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。智能設(shè)備采集工廠數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)被智能化的物流和生產(chǎn)系統(tǒng)所利用,提供物流運(yùn)輸和生產(chǎn)管理。智能運(yùn)維綜合工廠里的各項(xiàng)數(shù)據(jù),提供數(shù)據(jù)分析、智能仿真、決策分析等。智能監(jiān)控系統(tǒng)保障整個(gè)工廠安全生產(chǎn),提供預(yù)警機(jī)制。
圖1 智能工廠系統(tǒng)架構(gòu)
5G的mMTC使得工廠眾多設(shè)備與設(shè)備之間互聯(lián)成為可能,利用其eMBB和URLLC特性,借助精密傳感技術(shù)作用于無處不在的傳感器,快速收集狀態(tài)信息,大量工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)通過5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)收集起來,龐大的數(shù)據(jù)庫開始形成,工業(yè)機(jī)器人利用云計(jì)算的超級(jí)計(jì)算能力,進(jìn)行演化迭代學(xué)習(xí)和準(zhǔn)確的判斷,給出最佳解決方案。在此基礎(chǔ)上,企業(yè)可以借助工業(yè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控,實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過工廠實(shí)時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與歷史海量數(shù)據(jù)對(duì)比,隨時(shí)了解工廠生產(chǎn)情況,結(jié)合銷售數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)工廠的定制化生產(chǎn)。
另一方面,5G網(wǎng)絡(luò)利用其網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),使得同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。工廠可以劃分不同的業(yè)務(wù)等級(jí),如危險(xiǎn)報(bào)警處理信息的采集和上報(bào)被設(shè)為最高的等級(jí)等。在大型工廠中,不同生產(chǎn)場景需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)也不同,對(duì)質(zhì)量要求不同。比如,精度或者速度要求較高的工序或者設(shè)備更關(guān)注時(shí)延,關(guān)鍵性任務(wù)著重關(guān)注網(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。
在5G智能工廠中,使用ERP系統(tǒng)對(duì)人員、財(cái)務(wù)狀況、原料及供應(yīng)商、庫存等進(jìn)行管理,系統(tǒng)收到訂單時(shí),在無需人的參與或者有限參與下,ERP系統(tǒng)根據(jù)收集的數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算出人工時(shí)、原料量等。這些數(shù)據(jù)還可以利用到物流、倉儲(chǔ)等系統(tǒng);比如,知道原料量和用料時(shí)間,結(jié)合供應(yīng)商和物流服務(wù)信息,就可以準(zhǔn)確下單訂貨,避免太早到貨而長時(shí)間存儲(chǔ)、太晚到貨影響正常生產(chǎn)。時(shí)間上準(zhǔn)確的銜接不僅滿足交貨時(shí)間,而且?guī)齑娉杀疽矔?huì)大大降低。
工廠建設(shè)時(shí),要實(shí)現(xiàn)智能工廠,物流倉儲(chǔ)智能化不可或缺。智能工廠初期規(guī)劃時(shí),應(yīng)盡可能減少甚至避免一次性原材料、各種物料的搬運(yùn)工作。很多工廠在廠區(qū)有原料區(qū)、倉庫、主副產(chǎn)品及廢棄物堆放點(diǎn)等,可以借助5G高速網(wǎng)絡(luò)部署的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),利用工業(yè)機(jī)器人、自動(dòng)駕駛車輛、遠(yuǎn)程駕駛車輛、無人叉車等新工具完成智能運(yùn)輸,以最合理的路線和最快的方式完成各堆放點(diǎn)與倉庫物料及產(chǎn)品的運(yùn)送。另外,在不同裝置或者不同工序之間采用電子導(dǎo)軌的機(jī)器人、系統(tǒng)控制的機(jī)械手等方式來傳遞物料,還可以采用有軌制導(dǎo)車輛、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車或者智慧型引導(dǎo)運(yùn)輸車等方式傳遞物料。PLC立體倉庫控制系統(tǒng)的應(yīng)用,也是智能工廠規(guī)劃需要考慮的。
在工廠智能化過程中,每個(gè)設(shè)備、儀表、零部件等都是一個(gè)終端,甚至原材料、中間產(chǎn)物、廢料、產(chǎn)品等都具備信息屬性,在某種程度上,人也是終端。這些帶有信息屬性的“終端”進(jìn)入工廠的各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中,實(shí)時(shí)地進(jìn)行信息交互,了解工廠運(yùn)行情況。達(dá)到這種信息互聯(lián)的程度時(shí),工廠中可以安排工業(yè)機(jī)器人現(xiàn)場管理工廠,人在工廠外的任何地方實(shí)時(shí)接受工廠信息,并進(jìn)行交互操作,完成跨工廠、跨地域設(shè)備維護(hù),遠(yuǎn)程解決問題。5G技術(shù)在這方面的應(yīng)用,利用了智能工廠中萬物互聯(lián)、信息交互的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了智能工廠遠(yuǎn)程維護(hù)、隨時(shí)隨地維護(hù),有效降低了工廠維護(hù)的成本,減少停工維護(hù)時(shí)間,提升了工廠運(yùn)行、維護(hù)的效率。
設(shè)想在5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一家智能工廠里,當(dāng)某一設(shè)備發(fā)出報(bào)警信息或者故障信號(hào)時(shí),會(huì)以毫秒級(jí)時(shí)延告知監(jiān)控人員或者工業(yè)機(jī)器人。通常,機(jī)器人利用歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)自行迭代學(xué)習(xí),不需要人的參與就會(huì)完成修復(fù)工作。工業(yè)機(jī)器人自行完不成時(shí),會(huì)給出相應(yīng)的處理意見,告知需要由人工處理。類似這樣的故障修復(fù)工作可以根據(jù)維護(hù)工作的復(fù)雜度來劃分,根據(jù)實(shí)際情況,由工廠機(jī)器人或人機(jī)協(xié)同完成。
5G的eMBB業(yè)務(wù)典型的應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)VR和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR也可以應(yīng)用到工廠遠(yuǎn)程維護(hù)方面,利用一臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)VR和觸覺反饋技術(shù)的設(shè)備,遠(yuǎn)程操控工廠內(nèi)的無人機(jī)和工業(yè)機(jī)器人對(duì)故障進(jìn)行修復(fù)。工業(yè)機(jī)器人在人的遠(yuǎn)程操控下,通過觸覺反饋系統(tǒng)實(shí)時(shí)模擬人的動(dòng)作,此時(shí)人如“親臨”在現(xiàn)場操作,解決了工廠內(nèi)危險(xiǎn)源附近設(shè)備的維護(hù)。此項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用,還可以運(yùn)用到各地專家在異地就工廠內(nèi)某一故障難題協(xié)同解決的場景,各專家快速聚焦工廠故障,利用5G網(wǎng)絡(luò)的低延時(shí)、大流量,快速感知觸覺設(shè)備反饋回的動(dòng)作,多專家協(xié)助工廠中不同機(jī)器人進(jìn)行故障修復(fù)。同時(shí),借助5G的互聯(lián)互通、萬物信息交換,在整個(gè)故障排除的過程中各類信息和相關(guān)知識(shí)都被存儲(chǔ)到知識(shí)庫中,最終沉淀到大數(shù)據(jù)中心,在以后的工廠運(yùn)行中,遇到類似的故障診斷時(shí),人和工業(yè)機(jī)器人可參考相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識(shí),快速準(zhǔn)確地定位故障。
工廠運(yùn)行中,實(shí)時(shí)采集生產(chǎn)數(shù)據(jù),掌握設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)越來越重要。通過在工廠生產(chǎn)線裝配DCS系統(tǒng)或者PLC控制系統(tǒng),部署壓力監(jiān)測、電子閥監(jiān)測、泄漏監(jiān)測、流量控制等大量的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息,作為生產(chǎn)決策、運(yùn)行調(diào)度、運(yùn)維保障的重要依據(jù)。在5G智能監(jiān)控中,在關(guān)鍵的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)部署高精度的終端,再通過PLC系統(tǒng)匯聚后接入5G網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)控制平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控。只要數(shù)據(jù)產(chǎn)生異常,系統(tǒng)立即報(bào)警,隨后啟動(dòng)反向控制系統(tǒng)。比較典型的例子如工廠污染物排放監(jiān)控系統(tǒng),可以達(dá)到污染物排放監(jiān)管、預(yù)警預(yù)報(bào)、污染成分分析、應(yīng)急預(yù)案啟動(dòng)等。
在工廠大型設(shè)備或超高設(shè)備的監(jiān)控和巡檢中,利用虛擬現(xiàn)實(shí)VR結(jié)合一整套智慧監(jiān)控系統(tǒng),采用“5G+VR+無人機(jī)+智慧監(jiān)控系統(tǒng)”的智慧監(jiān)控模式,在無人機(jī)上搭載高清云臺(tái),可以近距離懸停并對(duì)大型設(shè)備或超高設(shè)備及設(shè)備狀態(tài)儀表進(jìn)行360°全景4K/8K拍攝,再通過5G網(wǎng)絡(luò)將4K/8K超高清全景視頻傳輸?shù)椒?wù)器中。監(jiān)控人員可以利用VR穿戴設(shè)備、智能管理系統(tǒng)接入服務(wù)器,對(duì)設(shè)備的外觀及表盤進(jìn)行實(shí)時(shí)查看,并及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行情況。
在5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)代,智能工廠集成了各項(xiàng)智能技術(shù)。智能工廠與新一代信息技術(shù)深度融合,能夠徹底實(shí)現(xiàn)資源整合、信息融合。比如在一家有5G網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的智能工廠中,密集的傳感器采集工廠中關(guān)鍵設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、工廠生產(chǎn)制造過程中的狀態(tài)數(shù)據(jù)、原料供給及市場需求等各類相關(guān)數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)將以數(shù)據(jù)中心的形式呈現(xiàn),利用超級(jí)云計(jì)算方式進(jìn)行挖掘和分析,再與歷史經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,快速發(fā)現(xiàn)并定位生產(chǎn)過程中的偏差和異常。如果偏差和異常超出了某個(gè)設(shè)定的范圍,系統(tǒng)就會(huì)針對(duì)設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)狀態(tài)和原料供給做出及時(shí)調(diào)整,自動(dòng)糾偏,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程系統(tǒng)的可控性。
因此,5G時(shí)代的智能工廠最大程度提升整個(gè)生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的可視化和可控性,降低人工參與難度,且打通了智能工廠中的各個(gè)生產(chǎn)流程,達(dá)到優(yōu)化資源配置,提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。隨著5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)入快速期,技術(shù)更加成熟,應(yīng)用不斷深化,所能涵蓋的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用規(guī)模更加縱深,在智能工廠中發(fā)揮的作用也會(huì)越來越重要,更加貼合智能工廠屬性所需。