智能制造場景的5G應(yīng)用展望

陳震

摘要：制造業(yè)對智能化、數(shù)字化和協(xié)同化發(fā)展的需求日益迫切，在工業(yè)制造領(lǐng)域，新型物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)得到了日漸廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，在智能制造行業(yè)領(lǐng)域，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，5G應(yīng)用呈現(xiàn)出廣闊前景。本文簡述了智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，淺析了5G關(guān)鍵技術(shù)，探究了智能制造場景及5G應(yīng)用，以期為相關(guān)研究提供借鑒。

關(guān)鍵詞：智能制造;5G;應(yīng)用

前言：德國早在2011年即提出工業(yè)4.0概念，旨在構(gòu)建智能生產(chǎn)模式，提供高度數(shù)字化和個性化的產(chǎn)品服務(wù)。美國將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)定義為面向全球的開放性網(wǎng)絡(luò)，對人、機器和數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。日本在2015年提出工業(yè)4.1J，將單一工廠下的智能制造延伸至整個工業(yè)領(lǐng)域，形成整體價值鏈。我國高度重視促進(jìn)工業(yè)化和信息化實現(xiàn)深度融合。以5G技術(shù)為基礎(chǔ)展開智能制造場景相關(guān)應(yīng)用研究，與智能制造領(lǐng)域呈現(xiàn)的發(fā)展趨勢相符合。

一、智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)主要包括配置層、認(rèn)知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)化層以及智能連接層。智能連接層對傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，并經(jīng)由數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層將傳感數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為關(guān)于底層設(shè)備的信息;再向網(wǎng)絡(luò)層傳遞，依托網(wǎng)絡(luò)層實施云計算服務(wù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合;將融合信息向認(rèn)知層傳遞，據(jù)此對機器進(jìn)行操控;由配置層實施智能決策，將具體情況作為依據(jù)，對參數(shù)配置實施自適應(yīng)調(diào)整。智能制造以實現(xiàn)自我感知、預(yù)測，自主決策以及智能匹配等功能為生產(chǎn)目標(biāo)。智能制造面臨嚴(yán)峻的通信挑戰(zhàn)，例如，設(shè)備高連接密度挑戰(zhàn)、低功耗挑戰(zhàn)、超低延遲挑戰(zhàn)以及高傳輸速率挑戰(zhàn)等。5G通信技術(shù)較為先進(jìn)，延遲更低，傳輸速率更高，且連接無處不在，能實現(xiàn)對上述挑戰(zhàn)的有效應(yīng)對。

二、5G關(guān)鍵技術(shù)

1、5G架構(gòu)

第三代合作伙伴項目對5G系統(tǒng)架構(gòu)作出了定義，在5G系統(tǒng)架構(gòu)下，核心網(wǎng)控制面實現(xiàn)了與用戶面的分離，并具備策略控制和會話管理等功能，并集中部署控制面功能，在網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉部署用戶面功能。5G網(wǎng)絡(luò)對邊緣應(yīng)用提供支撐時，其應(yīng)用功能將AF請求發(fā)送至PCF或者網(wǎng)絡(luò)開發(fā)功能，請求涵蓋終端信息、N6路由需求等系列參數(shù)。PCF將AF提供的參數(shù)信息作為依據(jù)，利用SMF對UPF進(jìn)行合理選擇，并經(jīng)由N6接口向目標(biāo)應(yīng)用實例傳輸目標(biāo)業(yè)務(wù)。

2、5G支持的應(yīng)用場景

國際電信聯(lián)盟對5G面向的具體通信需求實施分類，主要為三種應(yīng)用場景提供支持，一是增強型移動寬帶，二是大規(guī)模機器型通信，三是超可靠低延遲通信。其中，增強型移動寬帶場景針對的主要是用戶體驗率等關(guān)于人的通信性能;大規(guī)模機器型通信場景以低成本、長電池壽命和高連接密度為基本需求;超可靠低延遲通信場景的傳輸需求有兩個關(guān)鍵點，一是低延遲，二是高可靠性。增強型移動寬帶實現(xiàn)了對無縫連接實際范圍的拓寬，能增強用戶體驗，對用戶體驗速率和數(shù)據(jù)速率提出的要求較高，對靈活性、可靠性以及時間延遲等提出的要求則相對較低，以歐盟5G-MEDIA項目為例，該項目目標(biāo)是依托5G網(wǎng)絡(luò)，形成大寬帶、高速率的移動媒體流，據(jù)此增強用戶體驗。大規(guī)模機器型通信場景包含較多終端設(shè)備，且設(shè)備體量較大，對連接設(shè)備的可變性和多樣性以及連接密度提出的需求較高。多數(shù)設(shè)備保持靜止?fàn)顟B(tài)，大規(guī)模機器型通信場景對移動性和延遲提出的要求較低。超可靠低延遲通信場景對可靠性和延遲提出的要求較為嚴(yán)格，不僅要求按照端到端傳輸對信號進(jìn)行精確控制，還要求將延遲從原來的幾十毫秒有效減少至幾毫秒。

3.網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片是指5G根據(jù)需求對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置的技術(shù)實現(xiàn)。僅憑單一網(wǎng)絡(luò)，難以良好滿足多通信需求相應(yīng)的全部場，由此催生網(wǎng)絡(luò)切片，該技術(shù)支持增強型移動寬帶、大規(guī)模機器型通信、超可靠低延遲通信等各類場景。網(wǎng)絡(luò)切片以編排架構(gòu)為依托，能實現(xiàn)靈活部署，并為不同企業(yè)提供差異化服務(wù)。例如，WANG依托移動驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)切片，對5G網(wǎng)絡(luò)實施移動管理。工業(yè)垂直應(yīng)用面向特定用例的網(wǎng)絡(luò)切片，將各項網(wǎng)絡(luò)功能向共享基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)的各個切片動態(tài)分配，同時，水平切片相應(yīng)的特定用例可構(gòu)成端到端網(wǎng)絡(luò)，與工業(yè)垂直應(yīng)用相應(yīng)的切片具有相似的需求。邊緣云或者本地服務(wù)器能對低延遲服務(wù)進(jìn)行處理，集中式服務(wù)器可對延遲要求較低的服務(wù)進(jìn)行處理。

三、智能制造場景及5G應(yīng)用

1、以擴展5C架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能制造

綜合考慮智能制造的各項需求，對5C架構(gòu)加以擴展，其中，智能連接層配置的設(shè)備較多，如何對終端設(shè)備進(jìn)行高效訪問，并保障高可靠性，是亟需考慮解決的問題;數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層對智能連接層所采集的各項數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但無法保障數(shù)據(jù)實時性;網(wǎng)絡(luò)層對數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層包含的信息進(jìn)行收集，需對數(shù)據(jù)分析和相關(guān)計算進(jìn)行加速，并實現(xiàn)超低延遲;認(rèn)知層需對網(wǎng)絡(luò)層分析信息制定決策，但對決策計算速率要求較高，仍需優(yōu)化用戶傳輸率;在配置層作用下，設(shè)備能實現(xiàn)對各項參數(shù)的自配置，要求通信具有較高的可靠性。

2.人機界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景

人機界面的應(yīng)用主要體現(xiàn)在人與各類制造設(shè)備的良好交互。生產(chǎn)信息系統(tǒng)主要包括兩類，一類是制造執(zhí)行系統(tǒng)，一類是資源規(guī)劃系統(tǒng)。人機界面與生產(chǎn)信息場景常見的典型用例如下：（1）增強現(xiàn)實，操作者將AR眼鏡戴好，即能對機器內(nèi)部相應(yīng)的視覺圖像進(jìn)行獲取，操作者穿戴的手套具有反饋功能，能對機械臂進(jìn)行有效操控，實現(xiàn)對裝配任務(wù)的高效完成。（2）遠(yuǎn)程訪問與監(jiān)控，對爆炸、輻射、污染等高風(fēng)險環(huán)境具有較強的適用性。5G具有高可靠性和低延遲優(yōu)勢，從技術(shù)層面為交互式人機控制和遠(yuǎn)程控制提供了可能，并能確保工廠內(nèi)外實現(xiàn)同步操作。上述用例基于人的角度展開決策，能增強認(rèn)知層性能。

在人機交互上，技能互聯(lián)網(wǎng)綜合了各領(lǐng)域趨勢，主域捕獲技能對從屬域進(jìn)行傳輸完成再現(xiàn)，再對主域返回反饋，形成閉環(huán)。主控領(lǐng)域通過HMIs對技能進(jìn)行捕獲，該HMIs作為觸覺設(shè)備，能轉(zhuǎn)換人的輸入，形成壓力指令和特定運動，能跟隨人手，實現(xiàn)精確運動。當(dāng)對專家技能進(jìn)行準(zhǔn)確掌握后，即能通過可靠和低延遲的通信系統(tǒng)實現(xiàn)傳輸。從屬域能對遠(yuǎn)程環(huán)境進(jìn)行準(zhǔn)確感知，并由終端機器人根據(jù)命令對捕獲信息進(jìn)行復(fù)制，形成反饋信號，向主域反饋，由此構(gòu)建閉環(huán)回路。5G能與技能互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，并依托混合現(xiàn)實技術(shù)，增強性能體驗。

移動MES利用5G通信技術(shù)，將Android系統(tǒng)相應(yīng)的APK程序分發(fā)在服務(wù)器上，對APK程序進(jìn)行修改更新后，在服務(wù)器上發(fā)布，潔凈室包含的任意PDA與5G連接后，即能實現(xiàn)對更新提示的直接接收，在對PDA進(jìn)行更新時，能減少點對點需求，進(jìn)而減少維護(hù)人員承擔(dān)的工作量。

3.流程自動化場景

實現(xiàn)自動化流程的工廠主要加工電力、石油、水、食品等產(chǎn)品，通常，要對生產(chǎn)過程涉及的各類工藝參數(shù)，包括壓力、流量、液位、溫度等實施自動控制和健康狀態(tài)監(jiān)控。實現(xiàn)自動化流程的工廠具有分布密度較高的設(shè)備設(shè)施，據(jù)此連接人、系統(tǒng)和機器。應(yīng)用5G能促進(jìn)流程自動化效率實現(xiàn)大幅度提高，并降低材料交付、內(nèi)部調(diào)度等環(huán)節(jié)造成的能源、資源消耗，通過配備5G移動機器人，能高效搬運物料，增強生產(chǎn)的靈活性。在流動自動化場景中，5C架構(gòu)包含的智能連接層通過人工智能技術(shù)，對數(shù)據(jù)展開大規(guī)模收集;數(shù)據(jù)-信息轉(zhuǎn)換層通過D2D技術(shù)，對數(shù)據(jù)規(guī)模壓力進(jìn)行緩解;以云計算技術(shù)為基礎(chǔ)的移動機器人結(jié)合CPS，對流程加工實施自適應(yīng)規(guī)劃和有效控制。

4.工廠自動化場景

工廠自動化能有效驅(qū)動大規(guī)模生產(chǎn)的實現(xiàn)，要促進(jìn)所有機器開展通信，并落實執(zhí)行各項任務(wù)，例如，對工件進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，需從某設(shè)備切換至其他設(shè)備。在制造過程中，數(shù)據(jù)量逐漸增加，機器聯(lián)網(wǎng)數(shù)量也隨之增加，對此，在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，需對各類終端設(shè)備實施5G通信研究。以云計算系統(tǒng)為基礎(chǔ)，對故障位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并發(fā)出實時報警，實現(xiàn)對故障問題的快速解決，加強預(yù)測性維護(hù)。5G服務(wù)可靠性和通信延遲，能促進(jìn)工廠自動化場景實現(xiàn)高效良好的落地應(yīng)用。

結(jié)語

5G標(biāo)準(zhǔn)逐步完善后，對制造場景的多接入邊緣計算能實現(xiàn)對邊緣節(jié)點業(yè)務(wù)的就近提供。5G關(guān)鍵技術(shù)主要包括5G架構(gòu)、5G支持的應(yīng)用場景、網(wǎng)絡(luò)切片等內(nèi)容。智能制造場景及5G應(yīng)用主要體現(xiàn)在以擴展5C架構(gòu)為基礎(chǔ)的智能制造、人機界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景、流程自動化場景等方面。

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