基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)

陳翠 廖鐳鳴

【摘? 要】目前國內制造業(yè)面臨技術改造和轉型升級等問題，5G將作為支撐智能制造轉型的重要使能技術。首先，結合國內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用現(xiàn)狀分析其典型的業(yè)務應用;其次，從系統(tǒng)架構、技術需求等方面，深入研究分析工業(yè)智能化云系統(tǒng);最后，搭建網(wǎng)絡環(huán)境將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景與工廠內本地網(wǎng)、工廠外傳輸網(wǎng)有效地連接起來。通過驗證表明，5G網(wǎng)絡能很好地滿足上行高帶寬傳輸、下行低時延控制的結合，同時，基于5G的AR智能巡檢、遠程運維指導、機器視覺檢測，已成為當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應用。

【關鍵詞】AI;AR;MEC;大數(shù)據(jù);工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2020.10.002? ? ? ? 中圖分類號：TN929.5

文獻標志碼：A? ? ? ? 文章編號：1006-1010（2020）10-0007-06

引用格式：陳翠，廖鐳鳴. 基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)[J]. 移動通信， 2020，44（10）： 07-12.

0? ?引言

自2015年以來，國務院先后出臺《中國制造2025》《國務院關于積極推進“互聯(lián)網(wǎng)+”行動的指導意見》《深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導意見》等一系列指導性文件。如今，5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新型基礎設施建設的重要內容，將助力傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉型升級，推動工業(yè)化與信息化在更廣范圍、更深程度、更高水平上實現(xiàn)融合發(fā)展。

為了支持工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的低時延、高可靠的通信需求，在3GPP R15版本中，主要通過更大的子載波間隔、Mini-slots、快速HARQ-ACK、Pre-scheduling等技術來降低空口時延，并通過PDCP復制傳輸、增強數(shù)據(jù)與控制信道的傳輸系統(tǒng)參數(shù)等技術來提升傳輸?shù)目煽啃?。在R16版本中，3GPP提出uRLLC高可靠性增強解決方案，如通過PDCCH監(jiān)視功能、支持多個HARQ-ACK、無序PUSCH調度、UE優(yōu)先級和多路復用等多個功能[1-2]。綜合R15版本和剛凍結的R16版本，將使以往受限于網(wǎng)絡接入而不能實現(xiàn)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，在5G網(wǎng)絡下變得可行。面向未來，5G R17版本將持續(xù)完善相關的技術指標，進一步滿足未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中多種業(yè)務應用的技術需求。

本文將結合國內工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用現(xiàn)狀，研究探討5G網(wǎng)絡下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的技術需求、工業(yè)智能化云系統(tǒng)的設計以及應用案例的業(yè)務價值。

1? ?5G網(wǎng)絡下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務分析

目前我國“5G﹢工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”業(yè)務應用案例超過上千個，典型應用場景集中在AR智能巡檢、遠程運維指導、機器視覺檢測、工業(yè)設備操控、智慧工廠應用等[4-5]。

（1）AR智能巡檢：巡檢人員佩戴智能AR眼鏡進行遠程巡檢，對現(xiàn)場生產(chǎn)設備進行數(shù)字化管理，通過5G網(wǎng)絡實時回傳高清巡檢畫面、設備信息、環(huán)境信息等，對收集的數(shù)據(jù)進行智能化分析，判斷廠區(qū)設備或環(huán)境是否存在異常，保障生產(chǎn)線的穩(wěn)定運行，提高巡檢工作的效率及準確性。

（2）遠程運維指導：利用“5G+AR”技術實現(xiàn)遠程專家對一線工作人員進行技術指導，分析故障類型和解決方案，確保故障判斷的準確性、維護的及時性，使生產(chǎn)線現(xiàn)場設備的維修、維護變得更高效、更便捷。

（3）機器視覺檢測：利用5G網(wǎng)絡結合超高清視頻對產(chǎn)品的缺損、拼縫縫隙等進行監(jiān)控，實現(xiàn)檢測數(shù)據(jù)快速傳輸，通過AI算法實現(xiàn)對產(chǎn)品的智能化檢測，提高產(chǎn)品成品率和提升生產(chǎn)效率。

（4）工業(yè)設備操控：對于高危場景（如礦井、輻射區(qū)域等）下，操作人員在控制中心佩戴可穿戴裝置，通過5G網(wǎng)絡對裝載在特殊機器人身上的仿生機械手進行遠程控制，實現(xiàn)保養(yǎng)及檢修、處理放射性廢物等一系列操作，完成預定的工作目標，保證生產(chǎn)的安全性及可靠性。

（5）智慧工廠應用：利用5G網(wǎng)絡，在工廠內可以實現(xiàn)設備互聯(lián)、人員互聯(lián)、工裝互聯(lián)、工具互聯(lián)、物料互聯(lián)、產(chǎn)品互聯(lián)，將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在云平臺進行大數(shù)據(jù)智能分析決策，實現(xiàn)全連接工廠實時生產(chǎn)優(yōu)化。

2? ?基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)的驗證與應用

2.1? 系統(tǒng)總體架構

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要一張無所不在的寬帶網(wǎng)絡，把人、物、數(shù)據(jù)、流程全部連接起來。傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，主要依靠有線網(wǎng)絡或Wi-Fi進行數(shù)據(jù)傳輸和執(zhí)行控制。當前存在諸多問題，如有線網(wǎng)絡對生產(chǎn)線布局帶來一定的限制，Wi-Fi網(wǎng)絡信號的不穩(wěn)定及對工業(yè)接入點頻段帶來嚴重干擾等問題。

5G網(wǎng)絡不僅能有效解決生產(chǎn)線的有線部署、網(wǎng)絡信號不穩(wěn)定及干擾等問題，通過無線傳輸、無線控制，改變設備之間的依存關系和連接模式，還能滿足操控類業(yè)務對網(wǎng)絡低時延的要求。本文中工業(yè)智能化云系統(tǒng)是基于“云-管-端”的新型架構，由采集終端、工業(yè)智能網(wǎng)關、5G網(wǎng)絡、MEC服務器、工業(yè)云平臺和可信云平臺組成，將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用場景與工廠內本地網(wǎng)、工廠外傳輸網(wǎng)有效地連接起來[6]。

基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)網(wǎng)絡拓撲圖如圖1所示：

采集終端：各種機器、設備組及設施通過傳感器、控制器和監(jiān)控設備與5G網(wǎng)絡連接。

工業(yè)智能網(wǎng)關：部署在工廠內本地網(wǎng)，對異構的設備接入層進行統(tǒng)一，減小甚至消除架構、接入方式和各種設備之間存在的巨大差異，實現(xiàn)5G網(wǎng)絡與工業(yè)網(wǎng)絡之間的互聯(lián)互通。

5G接入網(wǎng)：宏基站或小基站，承載傳送本地以及遠程業(yè)務數(shù)據(jù)流的職責，是架構中的數(shù)據(jù)傳輸主干。

MEC服務器：部署在無線接入側，可提供本地應用服務，減少數(shù)據(jù)傳輸過程中的轉發(fā)和處理時間，降低端到端的傳輸時延。

5G核心網(wǎng)：提供5G網(wǎng)絡終端接入的加密鑒權等安全服務。

工業(yè)云平臺：為網(wǎng)絡提供按需、易擴展的方式來獲取服務，包括工業(yè)流程建模、工業(yè)數(shù)據(jù)分析和決策與控制應用等。

可信云平臺：提供廣域網(wǎng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的認證、授權、加密服務等安全服務。

2.2? 技術需求和系統(tǒng)架構分析

如圖2所示，結合工業(yè)大數(shù)據(jù)、AI和MEC等核心技術，基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)分為應用層、網(wǎng)絡層和采集層。

（1）網(wǎng)絡層

5G支撐低時延、高可靠的業(yè)務應用，已成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡層的關鍵組成部分。5G端到端網(wǎng)絡環(huán)境需要滿足以下技術指標要求。

1）下行傳輸帶寬速率>400 Mbit/s，端到端傳輸時延<50 ms;機器視覺檢測的傳輸視頻分辨率≥1080 P。

AR業(yè)務對網(wǎng)絡指標的要求如表1所示：

2）工業(yè)檢測控制低時延要求<10 ms，其中uRLLC用戶面單向時延（gNB和UE PDCP之間）<0.5 ms。

5G網(wǎng)絡時延分解示意圖如圖3所示：

3）控制指令的傳輸成功率為99.999%。

典型閉環(huán)控制過程的周期時間低至毫秒，以確?？刂葡到y(tǒng)實現(xiàn)精確控制。如果檢測過程中的延遲過長，或者傳輸控制指令信息錯誤，則可能導致設備停機并導致生產(chǎn)延遲。

（2）采集層

目前，工業(yè)數(shù)據(jù)采集可分為自動采集或集成采集，來自傳感器、控制器、監(jiān)控設備等多種數(shù)據(jù)源，有機器機況、狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)、材料庫存等多種數(shù)據(jù)結構，有文字、圖片、語音或視頻等多種數(shù)據(jù)類型。由于工業(yè)場景下存在不同數(shù)據(jù)源、數(shù)據(jù)結構和數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，需要工業(yè)智能網(wǎng)關進行協(xié)議轉換、適配，進行數(shù)據(jù)間交互和傳輸至云端，滿足以下技術指標要求：

1）支持10種以上多源異構數(shù)據(jù)種類，包含水、電、氣等多源異構數(shù)據(jù)數(shù)字化檢測和采集;

2）支持多種通信協(xié)議，包括ICE61870-104、Ethernet/IP、CANOpen、Modbus TCP、MODBUS RTU等五種以上工業(yè)網(wǎng)絡協(xié)議和HTTP、MQTT等網(wǎng)絡應用層協(xié)議。

工業(yè)智能網(wǎng)關的硬件結構圖如圖4所示：

（3）應用層

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)服務域、應用域的功能離不開相關的平臺應用技術，本文中的工業(yè)云平臺分為兩大部分：邊緣云平臺和中心云平臺。

工業(yè)邊緣云平臺主要包括表計讀取、實時監(jiān)控、設備管理和任務管理等通用功能模塊。通過MEC技術在設備層進行數(shù)據(jù)預處理，進而大幅提高數(shù)據(jù)采集、傳輸效率，以降低網(wǎng)絡接入、存儲、計算等成本，提高現(xiàn)場控制反饋的及時性。

工業(yè)中心云平臺包括智能應用和融合分析兩個模塊。智能應用模塊可以提供AR智能巡檢、遠程運維指導、機器視覺檢測等可視化組件，根據(jù)業(yè)務需要自由剪裁或者互相嵌套，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相關業(yè)務的自編排。融合分析模塊包括流程建模、數(shù)據(jù)處理、圖像分析和決策控制，核心在于工業(yè)大數(shù)據(jù)的分析與處理。對于AR智能巡檢，先建立標準化作業(yè)的流程模型，再采用智能化視頻動態(tài)分析技術建立圖形識別模型;對于機器視覺檢測，通過對海量缺陷樣本的深度學習，輔以機器視覺、文本分析等，形成智能評價算法。

工業(yè)云平臺軟件功能模塊分解如圖5所示：

2.3? 基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)搭建及應用驗證

在懷柔某工廠產(chǎn)品組裝線（如圖6所示）搭建一套網(wǎng)絡測試環(huán)境，對基于5G的工業(yè)智能化云系統(tǒng)進行驗證，對原網(wǎng)絡拓撲圖中進行簡化（去除可信云平臺）。網(wǎng)絡測試環(huán)境設備清單參見表2。

（1）應用場景一：AR智能巡檢

目前，工廠巡檢存在勞動力耗費大、工作效率低、巡檢不到位、偽造巡檢數(shù)據(jù)、巡檢數(shù)據(jù)統(tǒng)計不完善，導致不能及時有效發(fā)現(xiàn)問題，使工廠蒙受重大損失。

如圖7所示，對于產(chǎn)品組裝線的日常巡檢，巡檢人員佩戴AR眼鏡后，掃描巡檢二維碼獲取員工身份、巡檢表單（包括巡檢時間、巡檢類型、巡檢路線等），開始進入智能巡檢的工作流程。其中，網(wǎng)絡需要支持多個視頻終端在40 Mbit/s碼流視頻上傳。

如圖8所示，首先，通過智能化視頻動態(tài)分析技術建立圖形識別模型，AR智能眼鏡可以快速識別需要巡檢的設備對象，獲取該設備相對應的各種物理參數(shù)，如當前環(huán)境參數(shù)、設備狀態(tài)等;然后，以“遙控手柄、語音”兩種輸入方式在邊緣云平臺將視頻、數(shù)據(jù)等信息留存，并通過5G網(wǎng)絡實時上傳至工業(yè)中心云平臺;最后，工業(yè)中心云平臺中決策控制模塊根據(jù)判定結論向巡檢人員發(fā)送操控指令，完成整個巡檢的閉環(huán)工作流程。

每次巡檢完成后，后臺自動生成完整巡檢報告，定期匯總輸出統(tǒng)計報表。特別是關鍵節(jié)點、關鍵操作、關鍵位置，做到隨時通過圖片、視頻等方式打點記錄，實現(xiàn)控制平臺實時監(jiān)控、及時發(fā)現(xiàn)設備異常和環(huán)境安全等隱患，并快速消除。AR智能巡檢的應用，一是將巡檢過程實現(xiàn)100%的電子化，節(jié)省人工整理的成本，二是為工廠解決現(xiàn)場巡檢效率低、不可追溯等問題。

后臺記錄的環(huán)境參數(shù)信息（溫度、濕度等）如圖9所示：

（2）應用場景二：遠程運維指導

越來越多復雜的機器進入到工作場所，設備維護和故障排除時常發(fā)生，工作場所的工人有操作能力，但身邊卻沒有相應的專家來指導，導致設備維修、維護的效率低下。

對于日常巡檢中發(fā)現(xiàn)設備狀態(tài)不正常時，巡檢人員通過“5G+AR眼鏡”，實時采集現(xiàn)場各種信息并提交工業(yè)云平臺，也可從工業(yè)邊緣云平臺調取維修指導手冊，在指導手冊的指導下完成簡單的維修。對于生產(chǎn)操作中遇上較為復雜的問題，通過現(xiàn)場AR眼鏡端和后臺指揮中心兩個環(huán)節(jié)，有效地調用資源來處理。

遠程運維指導的流程示意圖如圖10所示：

1）現(xiàn)場AR眼鏡端：一線人員通過佩戴智能AR眼鏡，與技術專家進行遠程實時音視頻通訊，將一線人員的第一視角信息共享給后臺指揮中心的專家。

2）后臺指揮中心：專家通過遠端的平板或電腦看到現(xiàn)場的高清畫面，及時在屏幕上進行圈畫標注，同時傳遞給一線人員的AR眼鏡端，并指導進行操作;或將部分實用資料如說明文檔、視頻解說等傳送給一線人員，進行遠程交流和指導，輔助現(xiàn)場解決疑難問題。一線AR眼鏡端遠程專家指導界面如圖11所示：

根據(jù)客戶的經(jīng)驗判斷，遠程運維指導可以解決30%～40%的現(xiàn)場支持工作。不用遠程指導的情況，專家支持一線人員的比例是1：10;如采用遠程指導的情況，專家可支持工程師的比例為1：15。遠程運維指導的應用，將改變原有的設備維修、維護的方式，大幅提高技術指導效率，縮短遠程指導周期，節(jié)約運維成本。

采用遠程運維指導后人力成本對比如表3所示：

（3）應用場景三：機器視覺檢測

隨著市場對產(chǎn)品質量檢測和控制的要求越來越高，與人類視覺相比，機器視覺優(yōu)勢尤其明顯。目前，缺陷檢測功能是機器視覺應用得最多的功能之一，主要檢測產(chǎn)品表面的各種信息。

如圖12所示，在產(chǎn)品組裝線上，裝置一套工業(yè)機器視覺檢測系統(tǒng)，包括光源、鏡頭、相機、激光鐳射、掃描器和控制板卡等。利用5G+工業(yè)相機實現(xiàn)拼縫縫隙檢查，進行外觀檢測、尺寸測量、視覺定位與識別計數(shù)等，將檢測結果傳送到工業(yè)邊緣云平臺。機器視覺檢測對傳輸視頻分辨率≥1080 P，對5G上行帶寬要求至少為75 Mbit/s，同時對安全隔離度要求高。

如圖13所示，將圖像分析模塊前置部署到工業(yè)邊緣云平臺，采用基于AI和大數(shù)據(jù)的智能評價算法，對關鍵配件、最終成品進行如表面缺陷檢測等相關質量檢測。對于合格的配件出庫，進入下一個裝配環(huán)節(jié);對于不合格的配件立即淘汰，降低最終成品的不良率，避免成本損失。

最后，對產(chǎn)品報廢率、不良率等指標進行建立質量信息數(shù)據(jù)庫，對生產(chǎn)成本數(shù)據(jù)進行實時核算、分析生成報表，便于后期質量問題分析追溯。機器視覺檢測的應用，一是通過大數(shù)據(jù)處理與深度學習協(xié)同，提高質檢效率、產(chǎn)品質量，對比試塊數(shù)量減少90%以上，評判時間由4個小時縮短為3～5分鐘;二是降低設備監(jiān)控過程中漏檢、錯檢的風險， 減少對人工檢測的依賴，降低專業(yè)人員的成本。

3? ?結束語

本文從系統(tǒng)架構、技術需求等方面，深入研究分析工業(yè)智能化云系統(tǒng)，搭建網(wǎng)絡環(huán)境驗證5G網(wǎng)絡滿足上行高帶寬傳輸、下行低時延控制的結合，并支持AR智能巡檢、遠程運維指導、機器視覺檢測等融合應用，使得巡檢規(guī)范化、運維便捷化和檢測標準化。

5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用目前尚處于孵化探索初期，一是有諸多關鍵技術問題有待研究，主要包括網(wǎng)絡切片技術、融合網(wǎng)絡架構、工業(yè)網(wǎng)絡標準化、工業(yè)網(wǎng)絡安全體系、工業(yè)網(wǎng)絡監(jiān)測體系等一系列問題;二是5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應用系統(tǒng)需要還要進一步完善，如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的端到端解決方案、工業(yè)5G通信模組的加強等。

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