5G在船舶制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用研究

彭 懿 ，呂建軍 ，孔 寧 ，周 清

(1.上海船舶工藝研究所，上海 200032；2.上海申博信息系統(tǒng)工程有限公司，上海 200032)

0 引言

船舶制造是典型的多品種小批量的按單生產(chǎn)模式，因此船企在經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到一些問題：船東需求不確定；船型研發(fā)周期長(zhǎng)；多船型并行生產(chǎn)，資源共享易出現(xiàn)瓶頸；計(jì)劃排程應(yīng)變差；設(shè)備、產(chǎn)線難以柔性應(yīng)對(duì)；質(zhì)量無(wú)法做到零缺陷；工藝無(wú)法可靠迭代；成本無(wú)法精確化；監(jiān)控產(chǎn)品進(jìn)度難；物料需求多變，導(dǎo)致缺料與采購(gòu)延遲嚴(yán)重……這些痛點(diǎn)導(dǎo)致船企長(zhǎng)期存在訂單交付延期、物料庫(kù)存高、成本居高不下、質(zhì)量工藝水平提升難等問題。

融合了信息、網(wǎng)絡(luò)、制造、管理、系統(tǒng)工程等先進(jìn)技術(shù)的智能制造技術(shù)能為上述問題的解決提供途徑，因此船舶智能制造已成為船舶制造發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)是通過信息技術(shù)把設(shè)備、生產(chǎn)線、工廠、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶緊密地連接融合起來。從企業(yè)角度來看，企業(yè)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供的數(shù)據(jù)分析，更精準(zhǔn)高效地處理市場(chǎng)需求、研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、經(jīng)營(yíng)管理、售后服務(wù)等領(lǐng)域的問題[1]。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)智能制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，是智能制造的信息基礎(chǔ)設(shè)施，建成了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)才能真正實(shí)現(xiàn)智能制造。智能制造要求工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具備低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋，而5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)恰好滿足這樣的需求[2-7]。本文從介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展態(tài)勢(shì)出發(fā)，引出了5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)系，對(duì)5G的特點(diǎn)做了簡(jiǎn)要介紹，介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船廠的應(yīng)用現(xiàn)狀，分析其中存在的問題，將5G的特點(diǎn)與船廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求相結(jié)合提出了5個(gè)典型的5G應(yīng)用場(chǎng)景，最后展望了基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船舶行業(yè)的應(yīng)用并提出了建議。

1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展態(tài)勢(shì)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念是由美國(guó)GE公司于2012年提出的。2013年GE提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)革命(Industrial Internet Revolution)，推出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)產(chǎn)品Predix，時(shí)任CEO伊梅爾特在其演講中稱，一個(gè)開放、全球化的網(wǎng)絡(luò)將人、數(shù)據(jù)和機(jī)器連接起來。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將過去機(jī)器與機(jī)器之間通過各種總線通信擴(kuò)展到通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器、機(jī)器與機(jī)器之間的互聯(lián)互通，將消費(fèi)者與生產(chǎn)終端連接起來，將互聯(lián)網(wǎng)理念植入制造業(yè)，在全球范圍內(nèi)掀起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究應(yīng)用浪潮。世界上主要工業(yè)國(guó)都制定了本國(guó)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展計(jì)劃，推動(dòng)新一代信息技術(shù)和制造業(yè)的深度融合，大力加快制造業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、平臺(tái)化、智能化轉(zhuǎn)型。盡管各國(guó)的發(fā)展戰(zhàn)略名稱不同，側(cè)重點(diǎn)各異，但都強(qiáng)調(diào)新一代信息技術(shù)在制造業(yè)上的應(yīng)用[8]。中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟(AII)對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是滿足工業(yè)智能化發(fā)展需求，具有低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋特點(diǎn)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，是新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)深度融合所形成的新興業(yè)態(tài)與應(yīng)用模式”[9]。5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)具有低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋特點(diǎn)，這與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的要求高度契合。因此，世界主要發(fā)達(dá)經(jīng)濟(jì)體積極推進(jìn)5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用。

2017年起，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)通過設(shè)立專項(xiàng)基金的方式推進(jìn)5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。2018年歐盟成立工業(yè)互聯(lián)與自動(dòng)化5G聯(lián)盟(5GACIA)聚集OT企業(yè)、ICT企業(yè)、學(xué)術(shù)界等各方力量共同推進(jìn)5G應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。在亞洲，日本確定了2020年?yáng)|京奧運(yùn)會(huì)實(shí)現(xiàn)5G大規(guī)模商用部署的目標(biāo)，同時(shí)發(fā)布了制造業(yè)白皮書以推進(jìn)5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。韓國(guó)在2019年發(fā)布5G+戰(zhàn)略，確定五項(xiàng)核心服務(wù)和十大5G+戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，其中智慧工廠是五項(xiàng)核心業(yè)務(wù)之一。

國(guó)內(nèi)從中央到地方到企業(yè)對(duì)5G在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用非常重視，出臺(tái)政策、措施積極推動(dòng)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。2017年11月，國(guó)務(wù)院印發(fā)《關(guān)于深化“互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的指導(dǎo)意見》，明確將5G列為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。2019年，工業(yè)和信息化部在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展工程中設(shè)置工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)化改造及推廣服務(wù)平臺(tái)項(xiàng)目，支持國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)開展5G應(yīng)用探索。北京、上海、廣東、浙江等地都將5G與工業(yè)的融合應(yīng)用作為產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重點(diǎn)，一批典型5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目在飛機(jī)制造、機(jī)械制造、消費(fèi)電子產(chǎn)品制造、鋼鐵冶金等行業(yè)落地應(yīng)用[10-13]。

2 5G技術(shù)特點(diǎn)介紹

隨著第5代移動(dòng)通信(5G)第1階段標(biāo)準(zhǔn)的凍結(jié)及規(guī)范在2018年中發(fā)布，5G商用已成為各行各業(yè)討論的熱點(diǎn)。5G作為新一代移動(dòng)通信技術(shù)與以往的無(wú)線通信技術(shù)相比具有高速、大容量、低時(shí)延、高可靠性的特點(diǎn)，如最高傳輸速率可達(dá)數(shù)10 Gb/s、每平方公里聯(lián)網(wǎng)設(shè)備可達(dá)百萬(wàn)數(shù)量級(jí)、時(shí)延可低至毫秒級(jí)(ms)、連接可靠性可達(dá)99.999 9%等。正因?yàn)橛腥绱送怀龅膬?yōu)點(diǎn)，ITU給出了5G的3種典型應(yīng)用場(chǎng)景[14]：增強(qiáng)移動(dòng)寬帶(eMBB)、海量機(jī)器通信(mMTC)、超高可靠和低時(shí)延通信(uRLLC)?？梢?G的應(yīng)用場(chǎng)景不再局限于生活鄰域，而是可以延伸到社會(huì)的各個(gè)方面，當(dāng)然也包括制造業(yè)。正如中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)李正茂副總裁所說“4G改變生活，5G改變社會(huì)”，5G時(shí)代的新價(jià)值在于從老3C(Communication、Consume、Computer) 全面轉(zhuǎn)向新3C(Connect、Control、Convergence)。過去通信僅是人與人連接，但到5G時(shí)代將增加人與物、物與物的連接，即萬(wàn)物互聯(lián)。過去通信僅是信息的交互流動(dòng)，但在5G時(shí)代信息通過控制機(jī)器行為實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化和智能化[15]。

3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船廠應(yīng)用現(xiàn)狀及問題

美國(guó)CIRILO LD將造船技術(shù)發(fā)展史分為鉚接技術(shù)、焊接技術(shù)、成組技術(shù)、信息技術(shù)和智能技術(shù)5個(gè)階段[16]。到目前為止，我國(guó)船舶制造業(yè)正處于第4階段，即信息技術(shù)階段，正奮力向第5階段邁進(jìn)。智能技術(shù)階段的顯著特點(diǎn)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)要素的互聯(lián)互通。船舶行業(yè)近年來在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)上也取得了顯著的進(jìn)步。國(guó)內(nèi)外一些實(shí)力雄厚的船廠在設(shè)備聯(lián)網(wǎng)控制、人員和車輛識(shí)別定位、視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)等方面都有應(yīng)用。如日本的IHI公司將RFID成功地應(yīng)用于船廠的零配件管理，取得了不錯(cuò)的效果[17]。振華重工將衛(wèi)星定位技術(shù)應(yīng)用于廠區(qū)運(yùn)輸車輛的定位和調(diào)度，提高了車輛的利用效率，優(yōu)化了物流管理。廣船國(guó)際對(duì)切割機(jī)實(shí)施聯(lián)網(wǎng)改造后實(shí)現(xiàn)了切割機(jī)作業(yè)狀況數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。

但當(dāng)前國(guó)內(nèi)船廠在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用方面存在以下問題：

(1)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)還停留在工位或車間。絕大多數(shù)船廠的生產(chǎn)設(shè)備還停留在工位聯(lián)網(wǎng)階段，即生產(chǎn)設(shè)備通過現(xiàn)場(chǎng)總線連接到PLC，PLC再通過以太網(wǎng)連接到工控機(jī)。僅有個(gè)別船廠將工控機(jī)通過以太網(wǎng)接入到車間控制室。所以嚴(yán)格意義上講，當(dāng)前國(guó)內(nèi)船廠還沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

(2)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不完善，升級(jí)改造難度大、成本高。國(guó)內(nèi)船廠的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施絕大多數(shù)建于10年以前，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施僅覆蓋了辦公區(qū)域，當(dāng)時(shí)并沒有考慮將網(wǎng)絡(luò)覆蓋車間、堆場(chǎng)、碼頭、船塢等區(qū)域。而辦公區(qū)域的面積占整個(gè)船廠面積的10%不到，也就是船廠超過90%的區(qū)域是無(wú)法接入船廠內(nèi)部網(wǎng)的。而要實(shí)現(xiàn)整個(gè)廠區(qū)的互聯(lián)互通，必須將90%的無(wú)網(wǎng)區(qū)域接入船廠內(nèi)部網(wǎng)，如果是采用有線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施難度大、成本高。

(3)辦公網(wǎng)和工控網(wǎng)并存，且在物理上是隔離的。船廠的辦公網(wǎng)就是普通的商用以太網(wǎng)；工控網(wǎng)則由各種總線或工業(yè)以太網(wǎng)組成，使用范圍局限在車間或工位。船廠各部門都在這兩張網(wǎng)上處理日常工作。研發(fā)設(shè)計(jì)部門在辦公網(wǎng)上完成產(chǎn)品的開發(fā)工作，生成供生產(chǎn)設(shè)備使用的數(shù)據(jù)和文件，再通過移動(dòng)存儲(chǔ)介質(zhì)拷貝到制造部門的工控網(wǎng)里。這樣的方式存在重要的數(shù)據(jù)文件易丟失、保密性不好、數(shù)據(jù)文件更新不及時(shí)等問題。

(4)國(guó)內(nèi)船廠的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)基本上采用有線方式，僅在極少數(shù)場(chǎng)景使用無(wú)線方式。辦公網(wǎng)采用以太網(wǎng)，通過網(wǎng)線或光纖連接各種辦公設(shè)備；工控網(wǎng)采用各種總線或工業(yè)以太網(wǎng)，通過電纜、網(wǎng)線或光纖連接設(shè)備。無(wú)線通信主要應(yīng)用在對(duì)實(shí)時(shí)性、可靠性要求不是很高的場(chǎng)景，如物資管理、車輛定位、噴掃碼設(shè)備等。如將RFID應(yīng)用于物資出入庫(kù)管理，將2G/3G/4G應(yīng)用于車輛定位通信，將藍(lán)牙應(yīng)用于噴掃碼設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)。

(5)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)接口不統(tǒng)一，甚至沒有聯(lián)網(wǎng)接口。船廠設(shè)備多，同一車間同一條生產(chǎn)線上的設(shè)備可能來自不同的廠家，不同廠家的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)接口往往不同，通信協(xié)議也不同。還有部分設(shè)備是沒有聯(lián)網(wǎng)接口的“啞”設(shè)備。這就導(dǎo)致設(shè)備聯(lián)網(wǎng)難度大、代價(jià)高。

4 5G在船廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

船舶行業(yè)是典型的離散制造業(yè)，產(chǎn)品是由零部件通過多道不連續(xù)的工序加工裝配而成的，生產(chǎn)過程是離散的。因此船舶建造涉及的整個(gè)生產(chǎn)鏈條很長(zhǎng)，而生產(chǎn)鏈條上的各個(gè)環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，產(chǎn)能差異很大。這樣就會(huì)出現(xiàn)因某個(gè)環(huán)節(jié)出問題導(dǎo)致各環(huán)節(jié)銜接出現(xiàn)問題，而影響最終產(chǎn)品的生產(chǎn)。從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角看，每一個(gè)環(huán)節(jié)就是一個(gè)數(shù)據(jù)生產(chǎn)、收發(fā)的“數(shù)據(jù)島”，但因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，當(dāng)前還是一個(gè)一個(gè)“數(shù)據(jù)孤島”。因此，在船舶行業(yè)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)把各個(gè)“數(shù)據(jù)孤島”聯(lián)通起來，就會(huì)非常有意義?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船廠的應(yīng)用現(xiàn)狀和面臨的問題，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船廠的全面落地，5G技術(shù)在實(shí)現(xiàn)成本、應(yīng)用場(chǎng)景方面的突出優(yōu)勢(shì)決定了5G是目前實(shí)現(xiàn)船廠工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最合適的通信技術(shù)[18-20]。

4.1 快速低成本實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)前國(guó)內(nèi)船廠基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)于10年前，在建設(shè)階段沒有考慮設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的問題，因此并沒有將有線網(wǎng)絡(luò)敷設(shè)到車間、場(chǎng)地。考慮到船廠普遍占地面積大，要實(shí)現(xiàn)全廠區(qū)的可靠網(wǎng)絡(luò)覆蓋，必須在全廠區(qū)敷設(shè)光纖骨干網(wǎng)，將光纜敷設(shè)到車間一級(jí)。這樣不但設(shè)備采購(gòu)成本高，而且施工難度大、周期長(zhǎng)、代價(jià)高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備的入網(wǎng)。5G使上述問題得到很好的解決。

(1)5G是無(wú)線通信技術(shù)，通過合理的基站部署，只需要少量的基站即可實(shí)現(xiàn)廠區(qū)5G信號(hào)的全覆蓋，在個(gè)別信號(hào)盲區(qū)可以通過中繼微基站實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋。其施工簡(jiǎn)單，不需要挖溝開槽，不破壞已有建筑、場(chǎng)地的結(jié)構(gòu)，車間內(nèi)部無(wú)需架設(shè)橋架。

(2)5G的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)是由電信運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本的分?jǐn)偵洗瑥S可以與運(yùn)營(yíng)商商談，這可以極大降低船廠在基礎(chǔ)設(shè)施上的一次性投入。

(3)5G可以實(shí)現(xiàn)船廠全生產(chǎn)要素聯(lián)網(wǎng)。作為移動(dòng)通信技術(shù)，5G既可以用于固定生產(chǎn)要素(材料、設(shè)備、辦公用具等)的聯(lián)網(wǎng)，也可以用于移動(dòng)生產(chǎn)要素(人員、車輛、機(jī)器人等)的聯(lián)網(wǎng)。在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)工控網(wǎng)和辦公網(wǎng)的融合。

4.2 人機(jī)料位置感知

(1)人員定位

船舶行業(yè)屬于勞動(dòng)力密集行業(yè)，大中型船廠人數(shù)均在萬(wàn)人以上，人員分布復(fù)雜。船舶行業(yè)又是高危行業(yè)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)總是呈現(xiàn)多工種立體交叉作業(yè)狀態(tài)。從安全、工作紀(jì)律、生產(chǎn)效率等方面考慮，加強(qiáng)人員管理是十分必要的。當(dāng)前已有船廠在特定區(qū)域(如船上、船臺(tái)、船塢等)做了人員定位管理的嘗試，取得了不錯(cuò)的效果。但都是使用特定的技術(shù)，如藍(lán)牙、ZigBee、RFID等，需要專門搭建專用的系統(tǒng)，實(shí)施較復(fù)雜，維護(hù)成本高，制約了此類技術(shù)的推廣應(yīng)用。而以往基于2G/3G/4G蜂窩網(wǎng)的定位技術(shù)(如ECID、OTDOA等),雖然信號(hào)可以覆蓋到室內(nèi)外，但是精度無(wú)法滿足需求。

(2)物資定位

船廠可移動(dòng)設(shè)備多、危險(xiǎn)物品多、中間產(chǎn)品多，以往對(duì)這些設(shè)備、物資的管理是做手工臺(tái)賬。但手工臺(tái)賬存在更新不及時(shí)、物品去向不明確、無(wú)法知道物品當(dāng)前位置等問題。易出現(xiàn)諸如設(shè)備在某處閑置，而需要使用的人找不到設(shè)備；危險(xiǎn)物品未得到及時(shí)有效處理；中間產(chǎn)品管理不到位等情況。

上述問題，5G都能解決。5G的高密集組網(wǎng)、波束賦形、大規(guī)模天線陣列、毫米波頻譜等，為高精度距離和角度測(cè)量提供了基礎(chǔ)性技術(shù)支持?；久芏蕊@著提高，終端信號(hào)可被多個(gè)基站同時(shí)接收到，這也將有利于多基站協(xié)作實(shí)現(xiàn)高精度定位。2019年北京郵電大學(xué)鄧中亮團(tuán)隊(duì)首次在室內(nèi)實(shí)現(xiàn)了5G高精度定位，實(shí)現(xiàn)“能通信就能精確定位”，將現(xiàn)有基站測(cè)距精度從數(shù)十米提高到5 cm[21]?？梢灶A(yù)見在不久的未來，隨著5G的大規(guī)模商用，室內(nèi)外融合高精度定位將成為現(xiàn)實(shí)。屆時(shí)，只要有5G信號(hào)覆蓋的地方就可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位，做到能通信就能精確定位，不需要搭建專門的定位系統(tǒng)，只要人員、物品攜帶有5G終端，位置就能被感知，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了高精度定位和通信。船廠對(duì)人員、設(shè)備、物資的管理將更加精細(xì)。

4.3 廠區(qū)車輛自動(dòng)駕駛

船舶行業(yè)是重工業(yè)，原材料、中間產(chǎn)品、設(shè)備的搬運(yùn)都要依靠各種運(yùn)輸車輛。因?yàn)楫a(chǎn)品特點(diǎn)，船廠廠區(qū)占地面積大，廠區(qū)內(nèi)通勤、保潔、消防都得依靠機(jī)動(dòng)車輛。因此，每天都有各式各樣的車輛在廠區(qū)的道路上行駛，使得廠區(qū)的交通狀況較復(fù)雜。由于一些特種車輛(如平板運(yùn)輸車、叉車)司機(jī)的駕駛盲區(qū)很大，車輛肇事時(shí)有發(fā)生。此外，船廠都位于大江、大河或海邊，水面開闊，易出現(xiàn)霧天，也給廠區(qū)交通安全造成不利影響。

感知能力建立在多種信息來源(例如雷達(dá)、激光、車載攝像機(jī)、高精度地圖等)基礎(chǔ)之上的自動(dòng)駕駛車輛，不容易受到天氣、障礙物等因素影響，更是將人的因素(如疲勞駕駛、超速駕駛、無(wú)證駕駛、醉酒駕駛等)剔除掉，通過V2X模式，實(shí)現(xiàn)人、車、路等信息的協(xié)同，實(shí)現(xiàn)最高等級(jí)的安全，最優(yōu)的通行效率。自動(dòng)駕駛車輛可能是未來船廠運(yùn)輸和通勤的主要交通工具。

5G網(wǎng)絡(luò)可以滿足其接近100%的高可靠性、毫秒級(jí)端到端時(shí)延和每秒上百兆傳輸速率的需求。通過車載終端將本地傳感器和遠(yuǎn)程服務(wù)信息進(jìn)行智能融合，合作式感知能夠有效提升車輛的安全機(jī)動(dòng)性能，在車輛超車、換道、躲避障礙物等方面提供可靠保障。

4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)在船舶行業(yè)應(yīng)用多年，從最初的笨重昂貴的3D巨幕投影設(shè)備到現(xiàn)在的VR頭顯，從僅顯示3D立體影像到現(xiàn)在的VR、AR、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、全息現(xiàn)實(shí)(HR)等，從最初僅有幾家高校、研究機(jī)構(gòu)和船廠的實(shí)驗(yàn)室可以體驗(yàn)到目前全行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用。在此，將VR、AR、混合現(xiàn)實(shí)(MR)、全息現(xiàn)實(shí)(HR)多種場(chǎng)景呈現(xiàn)和交互方式總稱為XR。近年來，XR在可視化、交互方式2個(gè)核心能力方向上取得了突破性的進(jìn)展，在當(dāng)前能預(yù)見的場(chǎng)景下，XR在船舶制造行業(yè)也有著非常廣闊的行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景和增值空間，如虛擬化協(xié)同設(shè)計(jì)、產(chǎn)品推廣、智能制造、教育培訓(xùn)等，國(guó)內(nèi)已有船廠在這方面做了初步的嘗試[22]。雖然XR在船舶行業(yè)有著非常廣闊的應(yīng)用價(jià)值和適用場(chǎng)景，但XR對(duì)整個(gè)通信過程的低延時(shí)、高帶寬、大并發(fā)提出了極嚴(yán)格的要求，具體如表1所示。

表1 XR對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的要求

通過對(duì)XR業(yè)務(wù)做專有網(wǎng)絡(luò)切片，5G都能滿足表1中的技術(shù)指標(biāo)要求。

(1)虛擬化協(xié)同設(shè)計(jì)

XR虛擬化協(xié)同設(shè)計(jì)使不同地域、不同單位、不同部門的工程師可以通過5G網(wǎng)絡(luò)能夠與存儲(chǔ)在船廠服務(wù)器上的船舶三維模型快速地進(jìn)行交互設(shè)計(jì)，也能夠使工程師實(shí)時(shí)交流想法。

(2)產(chǎn)品推廣

船廠拜訪船東、參加各種展會(huì)推薦自己的產(chǎn)品，以往是通過宣傳冊(cè)和預(yù)先錄制的視頻資料。通過5G網(wǎng)絡(luò)，只需給客戶戴上XR設(shè)備就可以讓客戶漫游廠區(qū)觀看正在生產(chǎn)的產(chǎn)品。

(3)輔助生產(chǎn)

XR可以實(shí)現(xiàn)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工人通過穿戴設(shè)備(如3D眼鏡)掃描需要組裝的零件上的標(biāo)識(shí)，通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)觀看存儲(chǔ)在船廠服務(wù)器上的零件的裝配順序3D動(dòng)畫演示和安裝工藝要求講解視頻。

(4)教育培訓(xùn)

當(dāng)前，船廠都非常重視員工培訓(xùn)，并把培訓(xùn)作為降低安全事故發(fā)生率、提高員工技能水平、增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的重要抓手，培訓(xùn)內(nèi)容包括安全、技能等。通過5G網(wǎng)絡(luò)，員工可以在工作崗位上通過XR接受教育培訓(xùn)而無(wú)需定時(shí)定點(diǎn)集中培訓(xùn)。

4.5 智能車間

當(dāng)前，無(wú)線技術(shù)在船廠主要應(yīng)用于通信、設(shè)備及產(chǎn)品信息的采集、非實(shí)時(shí)控制等。由于在可靠性、數(shù)據(jù)傳輸速率、覆蓋距離、移動(dòng)性等方面的不足，導(dǎo)致當(dāng)前無(wú)線技術(shù)未能在制造現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，特別是其特有的低時(shí)延、高可靠、大帶寬等特性，使得無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備實(shí)時(shí)控制、遠(yuǎn)程維護(hù)及操控、工業(yè)高清圖像處理等成為可能，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)未來船廠柔性生產(chǎn)線、柔性車間奠定了基礎(chǔ)。可以預(yù)見未來船廠車間中將出現(xiàn)更多的無(wú)線連接，這將促使車間網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)不斷優(yōu)化，有效提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與管理水平，促進(jìn)船廠提質(zhì)增效，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)產(chǎn)品全生命周期的管控。5G在船舶智能制造方面至少可應(yīng)用于以下4個(gè)場(chǎng)景：

(1)工業(yè)控制

5G特有的低時(shí)延、高可靠特性使得無(wú)線技術(shù)應(yīng)用于船廠生產(chǎn)線實(shí)時(shí)控制成為可能。通過對(duì)船廠已有生產(chǎn)設(shè)備的簡(jiǎn)單改造，如加裝5G通信模塊或終端，就可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)控制，省去了弱電施工，大大簡(jiǎn)化了線網(wǎng)結(jié)構(gòu)，顯著降低了設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的成本。

(2)工業(yè)穿戴

5G大帶寬、移動(dòng)性、泛在性、低功耗等優(yōu)勢(shì)為工業(yè)可穿戴設(shè)備在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。未來船廠生產(chǎn)線上的工人在工業(yè)可穿戴設(shè)備的輔助下能更高效高質(zhì)安全地完成工作。

(3)車間物流自動(dòng)化

5G低時(shí)延、高可靠、大帶寬、移動(dòng)性等優(yōu)勢(shì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)車間內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人、AGV、行車的精準(zhǔn)控制和調(diào)度，甚至基于機(jī)器視覺的路徑導(dǎo)航規(guī)劃等。

(4)智能感知

5G泛在性、低功耗等優(yōu)勢(shì)使通過在車間安裝海量工業(yè)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境、物資、設(shè)備的全方位感知成為現(xiàn)實(shí)，使原來很多未知不可控的因素變得已知和可控，使船廠變成一個(gè)“透明工廠”。

5 結(jié)論

5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)都屬于新興技術(shù)，如果兩者能有機(jī)高效地進(jìn)行結(jié)合，必將為船舶行業(yè)數(shù)字化智能化轉(zhuǎn)型提供切切實(shí)實(shí)的手段。作為傳統(tǒng)制造業(yè)，近年來船舶制造企業(yè)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用上做了一些探索，取得了一些成果，但也面臨不少問題。經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)實(shí)表明，5G為建設(shè)船舶制造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供了切實(shí)可行的技術(shù)途徑。當(dāng)前，為促進(jìn)5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船舶行業(yè)應(yīng)用，仍需充分發(fā)揮政府引導(dǎo)作用，如依托 IMT-2020（5G）推進(jìn)組、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟等行業(yè)平臺(tái)，統(tǒng)籌科研機(jī)構(gòu)、高校、電信運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備制造商、終端廠商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和船舶行業(yè)協(xié)會(huì)等產(chǎn)學(xué)研用力量，協(xié)同開展5G技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)研制、設(shè)備開發(fā)與行業(yè)應(yīng)用，加快推動(dòng)5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)基于5G的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在船舶制造中的全面應(yīng)用。