5G技術(shù)在物流核心設(shè)備中的應(yīng)用

文 / 邢靈冰

現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展和日益激烈的市場(chǎng)競爭，對(duì)立體倉庫技術(shù)提出了更高的要求。而巷道堆垛機(jī)、AGV等是整個(gè)自動(dòng)化立體倉庫系統(tǒng)的核心單機(jī)，其穩(wěn)定性直接決定了立體倉庫的運(yùn)行效率。這些傳統(tǒng)設(shè)備的通訊均采用WIFI技術(shù)。 由于WIFI技術(shù)本身的缺陷，存在易受干擾、易掉線等一系列問題，尤其是高架庫中密集貨品對(duì)WIFI信號(hào)的阻擋，也無法使設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。而且隨著物流技術(shù)應(yīng)用的多樣化和智慧化，比如需要加入視覺、信息讀取等功能，對(duì)通訊帶寬和通訊質(zhì)量的要求就更高了。因此，一種全新的高穩(wěn)定性、抗干擾能力強(qiáng)、應(yīng)用范圍廣的通訊需求就顯得尤為迫切。

一、5G網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)

5G 通信應(yīng)運(yùn)而生，低時(shí)延、大帶寬、大容量， 以及無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)特有的高可靠、高安全、廣覆蓋能力等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，將工廠車間、物流園區(qū)的人- 機(jī)-料、點(diǎn)- 線- 場(chǎng)進(jìn)行數(shù)字化、無線化改造。以便利用大數(shù)據(jù)、IoT、AR、AI 等新興技術(shù)，在信息化、自動(dòng)化基礎(chǔ)上，打造數(shù)字化、智能化方案。提高物流系統(tǒng)分析決策和執(zhí)行效率，整合物流資源，融入工藝與流程，確保生產(chǎn)節(jié)拍。同時(shí)，5G 無線通信方式實(shí)現(xiàn)工廠網(wǎng)絡(luò)扁平化，進(jìn)一步賦能柔性制造。5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)WIFI的對(duì)比如表1。

二、5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景

結(jié)合物流業(yè)務(wù)對(duì)通信要求的特征，將5G技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景總結(jié)為四大類：

第一類：行業(yè) eMBB?；?G 大帶寬的通信能力。

第二類：行業(yè)上行視頻?；谝曨l與圖像作業(yè)。

第三類：無線工業(yè)控制?；?G 低時(shí)延的實(shí)時(shí)控制。

第四類：5G 感知技術(shù)?；?G 通信技術(shù)的感知和定位能力。

三、5G在核心物流設(shè)備的應(yīng)用

1.AGV集群調(diào)度

AGV 是物流行業(yè)目前最具自動(dòng)化、智能化設(shè)備，也是發(fā)展最迅猛的技術(shù)，可見的方向是自主移動(dòng)機(jī)器人AMR。電商分揀平臺(tái)上，幾百臺(tái)AGV 同時(shí)運(yùn)行，如圖1。AGV 實(shí)時(shí)控制傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不大，但數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率很高，時(shí)延要求苛刻。

2.AGV 協(xié)同控制

工業(yè)制造和搬運(yùn)對(duì)象大小不一，重的物件達(dá)到幾百噸，不可能為每種規(guī)格的物件設(shè)計(jì)一款A(yù)GV。多AGV協(xié)同搬運(yùn)一個(gè)超大超重物件就很有必要，既減少AGV定制成本，又可以靈活組合復(fù)用，節(jié)約投資。超大設(shè)備組裝時(shí)，比如飛機(jī)機(jī)翼，也需要多個(gè)AGV同步托舉，物件的停放位置精度也受同步啟停的影響。超大設(shè)備運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)彎時(shí)，編隊(duì)成組的不同AGV需要執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)參數(shù)。

在多AGV協(xié)同搬運(yùn)物件超重情況下，考慮到安全和慣性，需要多個(gè)AGV同步啟停，否則會(huì)出現(xiàn)單一AGV獨(dú)立超過負(fù)重，也就是對(duì)通信時(shí)延產(chǎn)生的命令到達(dá)時(shí)間差很苛刻。通信時(shí)延要控制在5～10微秒，以便留給機(jī)電伺服系統(tǒng)更充裕的時(shí)間。各AGV之間時(shí)鐘同步也要求在1 微秒。

表1 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)與傳統(tǒng)WIFI對(duì)比

3.AGV的云化控制

5G的上行大帶寬、低延時(shí)使得AGV的云化視覺導(dǎo)航成為可能。將AGV本地?cái)z像頭數(shù)據(jù)上傳，在云上進(jìn)行計(jì)算處理，可以消除在每個(gè)AGV本地部署激光雷達(dá)、工控機(jī)GPU、購買算法license的大量硬件、軟件成本。

視覺導(dǎo)航一般要求至少每100ms 周期必須刷新上傳一次視覺幀以及下發(fā)位置信息，以防碰撞。上傳和下發(fā)的時(shí)延要控制在20ms 以內(nèi)。以便給云端的圖像處理和位置計(jì)算留出寬裕的時(shí)間。

4.堆垛機(jī) C2C控制

堆垛機(jī)是自動(dòng)化立體倉庫的核心設(shè)備，通訊方式一般是采用有線通訊、紅外通訊、WIFI。

有線通訊方式對(duì)電纜和布線要求極高，而且故障率高，應(yīng)用極不方便。

紅外通訊必須直線對(duì)準(zhǔn)安裝，在環(huán)境惡劣如粉塵多、照度差等條件下，數(shù)據(jù)傳送的距離和可靠性較差，易出現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸中斷等情況。

WIFI由于技術(shù)本身的缺陷，存在干擾、容量、掉線等一系列問題，尤其是高架庫中密集貨品對(duì)WIFI信號(hào)的阻擋，也無法使堆垛機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行中電氣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和設(shè)備維護(hù)所需的大數(shù)據(jù)通信低帶寬的通信能力更無法承載。5G 無線通信將徹底消除以上問題。

堆垛機(jī)加入機(jī)器視覺，主要用工業(yè)相機(jī)。在出入庫環(huán)節(jié)，對(duì)包裝箱進(jìn)行外觀破損檢測(cè)；在高架庫放貨環(huán)節(jié)，對(duì)貨箱擺放姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)；在盤點(diǎn)、抽檢環(huán)節(jié)，可以通過云視頻實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)盤點(diǎn)，安全高效。

視覺需要大數(shù)據(jù)上傳，如果采用5G網(wǎng)絡(luò)，2 秒內(nèi)可以將非壓縮照片上傳到邊緣服務(wù)器，加上圖片處理時(shí)間， 可以滿足3～4 秒完成一個(gè)貨品外觀檢測(cè)的節(jié)奏。目前主要的視覺堆垛機(jī)廠家已經(jīng)啟動(dòng)內(nèi)置5G 通信模組的技術(shù)更新。

圖1 電商分揀正在運(yùn)行的AGV

圖2 已商用的5G模組和終端

表2 物流場(chǎng)景設(shè)備通信的典型特性

表3 物流設(shè)備5G改造推薦使用的5G 終端

圖3 硬件架構(gòu)實(shí)施圖

四、5G網(wǎng)絡(luò)的建網(wǎng)要求

與MBB 業(yè)務(wù)不同，物流場(chǎng)景的設(shè)備通信有以下幾個(gè)典型特性（如表2）：

1.超深度覆蓋：高架庫場(chǎng)景，巷道狹窄，貨物密集，對(duì)信號(hào)穿透強(qiáng)度的要求高；

2.長距離無切換：物流設(shè)備在大型車間運(yùn)行，需要 300米內(nèi)無切換；

3.切換帶設(shè)計(jì)復(fù)雜：不同的車間格局和流程工藝要求下的切換帶設(shè)計(jì)差異很大；

4.并發(fā)量超大：極端情況下，一個(gè)萬平方米車間的物流設(shè)備，大概近萬次 /秒的并發(fā)通信。

五、5G終端選型建議

據(jù)GSA 報(bào)告，到2019 年10月，全球已發(fā)布的5G 終端有172 款，38 款終端已經(jīng)商用。到2019 年11月，總計(jì)15款CPE進(jìn)行發(fā)布或者商用。華為自2003年就開始大力投入通訊模組研發(fā)，至今已經(jīng)有近二十年豐富經(jīng)驗(yàn)，使能各行各業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)高速連接。2019 年10 月，華為發(fā)布MH5000 5G 工業(yè)模組，售價(jià)999元。2020 年，CPE 的售價(jià)也會(huì)降到300 美金以下。截止到2019 年12 月，典型幾類已商用的5G模組和終端，如圖2。

基于當(dāng)前終端形態(tài)和物流場(chǎng)景，物流設(shè)備進(jìn)行5G 改造推薦使用的5G 終端如表3。

六、具體硬件架構(gòu)實(shí)施圖

5G應(yīng)用場(chǎng)景中堆垛機(jī)、AGV等物流核心設(shè)備的邏輯控制器大多采用基于PC端的倍福PLC，5G終端選擇華為CPE行業(yè)終端，雙方為兩個(gè)PLC標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備提供了Ether CAT自動(dòng)化協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)第二層級(jí)的以太網(wǎng)通信，主從設(shè)備之間通過5G基站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)于特殊應(yīng)用場(chǎng)景，引入移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)（MEC），如圖3。

七、結(jié)語

5G 技術(shù)賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，推動(dòng)信息化與工業(yè)化深入融合，為產(chǎn)業(yè)提供新動(dòng)力。5G 技術(shù)為傳統(tǒng)物流產(chǎn)業(yè)的核心設(shè)備發(fā)展插上騰飛的翅膀，整合人工智能成果和大數(shù)據(jù)智慧，提高制造物流、倉儲(chǔ)物流、場(chǎng)外物流移動(dòng)信息化程度和運(yùn)營管理效率、生產(chǎn)節(jié)拍。