5G技術(shù)在服裝智能工廠中的應(yīng)用探究

李雪霞，張志斌,2，褚建立

(1.河北科技工程職業(yè)技術(shù)大學(xué)，河北 邢臺 054000；2.河北省服裝個性化定制技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 邢臺 054000)

2019年11月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》[1]，提出深入研究工廠內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)等關(guān)鍵問題，形成覆蓋重點行業(yè)的網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)及方案。2020年3月，工業(yè)和信息化部在《關(guān)于開展產(chǎn)業(yè)鏈固鏈行動推動產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同復(fù)工復(fù)產(chǎn)的通知》[2]中提到，要加快5G網(wǎng)絡(luò)、人工智能等新基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，加快制造業(yè)智能化改造。2020年5月，政府工作報告提出加強新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，拓展5G應(yīng)用，推動制造業(yè)升級和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進智能制造，打造數(shù)字經(jīng)濟新優(yōu)勢。2020年12月工業(yè)和信息化部發(fā)布《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展行動計劃(2021—2023年)》[3]，提出深化“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合應(yīng)用，支持企業(yè)建設(shè)5G全連接工廠，推動5G應(yīng)用向核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)滲透，加快典型應(yīng)用場景推廣。2021年7月5日，工業(yè)和信息化部、國家發(fā)展改革委等十部門聯(lián)合印發(fā)關(guān)于《5G 應(yīng)用“揚帆”行動計劃(2021—2023 年)》[4]的通知，《行動計劃》明確提出到2023年5G在大型工業(yè)企業(yè)滲透率要達到35%，打造典型應(yīng)用場景，形成100種以上的5G應(yīng)用解決方案，示范引領(lǐng)5G應(yīng)用規(guī)模化落地。在服裝行業(yè)，雅戈爾集團、紅豆集團、漢帛國際等企業(yè)已率先建成5G服裝智能工廠。

目前5G技術(shù)應(yīng)用場景研究集中在智能制造場景(機械制造)、智慧礦山建設(shè)、現(xiàn)代供應(yīng)鏈場景、煤礦智能化、智慧碼頭、智能電網(wǎng)等，有關(guān)服裝智能工廠5G應(yīng)用場景的研究還較少，為了進一步推動我國服裝智能工廠建設(shè)進程，本文借鑒相關(guān)制造業(yè)應(yīng)用場景案例，通過文獻研究法、案例分析法、歸納演繹法等研究方法，分析5G技術(shù)應(yīng)用于服裝智能工廠建設(shè)的難點及其可行性，就服裝智能工廠5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和應(yīng)用場景進行研討。

1 5G技術(shù)概述

1.1 5G技術(shù)的三大特性

第5代移動通信技術(shù)(5G)有三大關(guān)鍵特性：增強移動帶寬(eMBB)、高可靠超低時延連接(uRLLC)和海量物聯(lián)(mMTC)。在服裝智能工廠中，利用5G的eMBB大帶寬特性，可以連接無線工業(yè)相機和超高清攝像頭等，進行工業(yè)質(zhì)檢、4K/8K高清直播、安防等活動。利用5G的uRLLC超低時延高可靠特性，實現(xiàn)云化自動導(dǎo)引車(云化AGV)自動編組協(xié)同物料配送、智能化縫制單元實時控制、機器人同步等。利用5G的mMTC海量物聯(lián)特性，連接縫制設(shè)備、海量服裝物料、人員，進行設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤、物流和庫存管控等[5]。賦能制衣行業(yè)，打造5G+紡織服裝工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。5G技術(shù)的三大關(guān)鍵特性見圖1。

圖1 5G技術(shù)的三大關(guān)鍵特性

1.2 5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)切片是以按需組網(wǎng)的方式，讓運營商可以根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)需求分配差異化的網(wǎng)絡(luò)資源，它在同一個基礎(chǔ)設(shè)施上切出多個端到端的、邏輯獨立的、具有特定網(wǎng)絡(luò)能力且相互隔離的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)[6]。每張網(wǎng)絡(luò)切片在邏輯上相互隔離，服務(wù)于不同的應(yīng)用場景。

一個網(wǎng)絡(luò)切片實例是所需的網(wǎng)絡(luò)功能、虛擬資源和物理資源的集合，具體包括無線接入網(wǎng)(RAN)子切片、傳輸承載網(wǎng)子切片和核心網(wǎng)子切片。網(wǎng)絡(luò)切片是準(zhǔn)專網(wǎng)，任意一個虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會影響其他虛擬網(wǎng)絡(luò)。5G網(wǎng)絡(luò)切片有利于實現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)共享、提升網(wǎng)絡(luò)資源的利用率、滿足用戶多元化要求。

根據(jù)服裝智能工廠各種應(yīng)用的具體連接需求，可構(gòu)建3張5G網(wǎng)絡(luò)切片。

服裝工業(yè)控制切片：uRLLC可以滿足低時延、高可靠通信類網(wǎng)絡(luò)的連接需求，適用于對可靠性、時延敏感要求高的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，尤其是在智能化縫制單元控制、云化AGV調(diào)度、機器人遠(yuǎn)程操控等業(yè)務(wù)領(lǐng)域[7]。

服裝工業(yè)多媒體切片：eMBB增強型移動寬帶可以滿足大帶寬網(wǎng)絡(luò)連接需求，其具有移動性強和大帶寬的特點，適用于數(shù)據(jù)量大的業(yè)務(wù)領(lǐng)域，如服裝電商直播通過5G+VR/AR(虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實)或4K/8K高清視頻實現(xiàn)與客戶交互、服裝展示、秀場直播、虛擬試衣等場景。

服裝工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)切片：mMTC可以滿足海量資源物聯(lián)網(wǎng)連接需求，其具有低能耗、低成本、小數(shù)據(jù)包、海量連接的特點，適用于數(shù)量巨大的終端接入業(yè)務(wù)領(lǐng)域，如服裝物料庫存監(jiān)控、縫制設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控、物流監(jiān)控、資產(chǎn)跟蹤等。

2 服裝智能工廠應(yīng)用5G技術(shù)的可行性分析

2.1 服裝智能工廠應(yīng)用5G技術(shù)的必要性

傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)存在時延不穩(wěn)定、易干擾、易掉線、速度慢、移動式設(shè)備布線困難、網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險以及數(shù)據(jù)孤島等問題[8]。服裝智能工廠對網(wǎng)絡(luò)連接的多樣性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，目前普及的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)、傳統(tǒng)有線通信網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)級無線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)無法滿足服裝智能工廠對于網(wǎng)絡(luò)層的性能要求，需要引入兼容性、靈活性、可靠性更高、帶寬更大、時延更低、連接數(shù)量更大的新一代無線通信技術(shù)。

當(dāng)前服裝消費呈現(xiàn)個性化、定制化、快時尚的特點，訂單的不確定性給傳統(tǒng)服裝企業(yè)帶來諸多挑戰(zhàn)。5G技術(shù)賦能的服裝智能工廠能滿足按需生產(chǎn)、零庫存或低庫存快速響應(yīng)生產(chǎn)模式、用戶全程參與個性化定制等行業(yè)發(fā)展的需求。

2.2 服裝智能工廠應(yīng)用5G的技術(shù)可行性

綜合智能工廠未來發(fā)展需求，對5G系統(tǒng)提出以下技術(shù)需求：①傳輸速率需求，要求用戶峰值速率、用戶體驗速率分別達10、0.1～1.0 Gb/s。②時延需求，要求時延達到毫秒量級。③設(shè)備連接密度需求，要求達到60～600萬個/km2。④流量密度需求，要求達到20 Tbps/km2。⑤可靠性需求，5G R16可靠性可達99.999 9%。

5G傳輸速率用戶峰值速率可達20 Gbps，并且上行速率可滿足超高清直播攝像機、工業(yè)相機的大帶寬需求。5G超低時延可達到1 ms，可滿足工業(yè)實時控制需求。5G的連接密度可達100～600萬個/km2，可以滿足人、機、物等萬物互聯(lián)需求[9]。5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能為各種應(yīng)用提供不同安全級別的網(wǎng)絡(luò)隔離，可以滿足多種應(yīng)用的不同安全級別的需求，具有更強的安全能力。

新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展，支撐服裝智能工廠的實現(xiàn)，推動“5G+智能”時代到來。低時延、高可靠、大帶寬的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)，讓各種資源實時在線、萬物互聯(lián)。5G+MEMS(微機電系統(tǒng))智能傳感器和5G+IOT(物聯(lián)網(wǎng))全方位實時感知人、機、料、法、環(huán)等各種資源的行為狀態(tài)，連續(xù)不斷向管理層傳輸高價值數(shù)據(jù)。借助5G+MEC(邊緣計算)的算力和5G+AI(人工智能)的算法，通過“云大腦”的高效分析+MEC的本地化快速響應(yīng)，為決策者提供精準(zhǔn)智能的描述、診斷、預(yù)測、決策等服務(wù)，實現(xiàn)服裝企業(yè)資源實時監(jiān)管和配置優(yōu)化。

2.3 5G服裝智能工廠建設(shè)過程中的難點

5G服裝智能工廠在建設(shè)過程中，將面臨2個方面的難點，首先是5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及運營投入巨大，特別是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中的投入成本較高，資金回收周期較長；其次是設(shè)備的5G聯(lián)網(wǎng)問題。服裝企業(yè)要實現(xiàn)以下的5G應(yīng)用場景，全廠區(qū)實現(xiàn)需要穩(wěn)定可靠的5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，企業(yè)的智能化縫制單元、云化AGV等工業(yè)設(shè)備需要已完成自動化改造，具備開放的工業(yè)通信協(xié)議接口和5G網(wǎng)絡(luò)接入能力，支持遠(yuǎn)程操控，生產(chǎn)線可根據(jù)要求進行設(shè)備參數(shù)自動配置和自主組合等。所以服裝行業(yè)的5G應(yīng)用場景和產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用風(fēng)險大小和剛需性強弱，在試點示范的基礎(chǔ)上以點帶面、分步推進。

3 基于5G技術(shù)的服裝智能工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案構(gòu)建

基于5G技術(shù)的服裝智能工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括4個層面：數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層。服裝智能工廠是基于5G網(wǎng)絡(luò)的原生云超分布式架構(gòu)、超性能異構(gòu)MEC的技術(shù)內(nèi)核和動態(tài)智能網(wǎng)絡(luò)切片，運用5G提供的“差異化+確定性”的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，實現(xiàn)柔性化的混流生產(chǎn)、大規(guī)模定制生產(chǎn)C2M(用戶直連制造)和高效用戶交互[10]。同時讓管理者可以更全面地對生產(chǎn)過程進行實時、精準(zhǔn)的管控?；?G技術(shù)的服裝智能工廠架構(gòu)方案見圖2。

圖2 基于5G技術(shù)的服裝智能工廠架構(gòu)方案

通過5G+MEC+IOT的云邊端三體協(xié)同架構(gòu)，實現(xiàn)了服裝智能工廠精益化、數(shù)字化及柔性化生產(chǎn)，支持服裝企業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型升級。在以5G為代表的新技術(shù)推動下，服裝的生產(chǎn)將利用“網(wǎng)絡(luò)+數(shù)據(jù)+算法+算力”構(gòu)建以科技為核心的智能化制造體系[11]。5G技術(shù)在服裝智能工廠中的應(yīng)用場景包括基于5G技術(shù)的敏捷制造場景、實現(xiàn)智能物料庫存管理和云化AGV協(xié)同物料配送場景、在線4K/8K高清電商直播和5G+VR/AR智慧門店場景、企業(yè)運作管理效率提升的數(shù)字化管理和5G機器視覺質(zhì)檢場景、設(shè)備的全生命周期管理(遠(yuǎn)程監(jiān)控&調(diào)試&維修)和能耗管理場景。

4 5G技術(shù)在服裝智能工廠中的應(yīng)用場景探討

4.1 基于5G技術(shù)的服裝柔性制造

敏捷性是服裝智能工廠最重要的特征之一。柔性制造可以根據(jù)服裝個性化訂單的不同需求進行迅速響應(yīng)，以數(shù)據(jù)的自動流動化解訂單的不確定性。5G和人工智能技術(shù)賦能服裝柔性生產(chǎn)線，提高生產(chǎn)線的靈活部署能力[12]。未來柔性生產(chǎn)線上的服裝制造設(shè)備可擺脫線纜的束縛，能自由的拆分組合，實現(xiàn)生產(chǎn)線的快速調(diào)整。縫制設(shè)備間自由通信，讓端到端無縫連接，打通設(shè)備間數(shù)據(jù)流、生產(chǎn)信息流和制造工藝流，實現(xiàn)數(shù)據(jù)全面互聯(lián)和跨部門協(xié)作。基于5G技術(shù)的服裝制造環(huán)節(jié)實時工業(yè)控制方案見圖3。

圖3 基于5G技術(shù)的服裝制造環(huán)節(jié)實時工業(yè)控制方案

制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)通過5G網(wǎng)絡(luò)給智能化縫制單元、智能化裁剪單元、智能化整燙單元、自動引導(dǎo)運輸車等服裝智造單元發(fā)送作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、工藝技術(shù)文件、操作視頻、設(shè)備程序等指令，及時調(diào)度生產(chǎn)，實現(xiàn)設(shè)備自主控制、遠(yuǎn)程實時管控和設(shè)備間協(xié)同制造。

4.2 基于5G技術(shù)的服裝物料管理和物流配送

根據(jù)服裝企業(yè)生產(chǎn)流程設(shè)計實現(xiàn)物料資產(chǎn)盤點、取料、退料、補料等智能化管理。當(dāng)顧客下達服裝訂單時，系統(tǒng)會自動核算該訂單所需物料總量，根據(jù)現(xiàn)有物料庫存下單供應(yīng)商補給，確保在滿足交貨時間的同時做到庫存成本最低[13]?；?G技術(shù)的服裝物料管理方案見圖4。

圖4 基于5G技術(shù)的服裝物料管理方案

5G視覺導(dǎo)航+云化AGV系統(tǒng)能通過5G提供的端到端的網(wǎng)絡(luò)支撐，使云化AGV小車具備自組織與協(xié)同能力，實現(xiàn)智能調(diào)度和實時路徑規(guī)劃，靈活柔性的為服裝生產(chǎn)線進行精準(zhǔn)物料配送。

運用5G+IOT+AI技術(shù)，打通供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)數(shù)字化供應(yīng)鏈供需實時化對接。促進服裝各領(lǐng)域生產(chǎn)商與供應(yīng)商之間互聯(lián)互通。實現(xiàn)服裝產(chǎn)品全開發(fā)周期的供應(yīng)鏈垂直互聯(lián)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)效能，提高生產(chǎn)效率與交貨期穩(wěn)定性。

4.3 基于5G技術(shù)的服裝電商直播和智慧門店

5G技術(shù)大帶寬、低延時的特點，可以滿足4K/8K超高清、多視角、3D超高清全景視頻的實時傳輸，為服裝企業(yè)電商直播、秀場直播提供網(wǎng)絡(luò)支撐。應(yīng)用虛擬試衣鏡營造出身臨其境的互動虛擬購物環(huán)境，帶給顧客沉浸式的消費體驗[14]?；?G的直播電商、虛擬現(xiàn)實(VR/AR)營銷、智慧門店和營銷大數(shù)據(jù)分析等先進技術(shù)應(yīng)用，進行貨柜商品識別和客流統(tǒng)計分析，提升營銷服務(wù)效率和客戶黏性，加速孵化本土品牌和擴大市場影響力。構(gòu)建持續(xù)融合創(chuàng)新、富有活力的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，促進服裝產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

利用5G融合云計算、IOT、AI、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)，推動服裝全渠道營銷模式創(chuàng)新。一是銷售模式創(chuàng)新?；谏缃灰曨l和移動實時視頻等新媒體平臺，通過5G+電商直播、秀場直播模式，讓消費者能直觀、高清晰地了解服裝產(chǎn)品細(xì)節(jié)，提供更好的消費體驗[15]。二是購物模式創(chuàng)新。推動5G+VR/AR智慧門店模式，在購物區(qū)域融入VR/AR技術(shù)和3D體感試衣鏡，連通線上與線下，營造現(xiàn)實和虛擬結(jié)合的購物環(huán)境，讓著裝效果、布料質(zhì)地、色彩、圖案等都能真實的展現(xiàn)在消費者眼前。

4.4 基于5G技術(shù)的服裝車間實時管控和機器視覺質(zhì)檢

在生產(chǎn)流程中，服裝工廠內(nèi)部依靠5G的海量連接、低時延、高可靠網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備跨地域?qū)崟r管控。實時采集智能縫紉設(shè)備、吊掛線等設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，實時反饋生產(chǎn)進展，人工智能技術(shù)動態(tài)調(diào)整優(yōu)化產(chǎn)線節(jié)拍和產(chǎn)能平衡。同時與協(xié)同工廠實現(xiàn)設(shè)備互聯(lián)和數(shù)據(jù)交互，構(gòu)建完整的服裝智能工廠網(wǎng)絡(luò)，實時共享產(chǎn)能[16]。終端傳感器實時采集并傳輸設(shè)備、人員、物料、工藝、環(huán)境等環(huán)節(jié)有價值的數(shù)據(jù)，助力實現(xiàn)車間設(shè)備實時工業(yè)控制和車間可視化動態(tài)管理，實現(xiàn)過程監(jiān)控管理與績效落地。打造數(shù)據(jù)化決策模式，提升流程化管理水平。

在生產(chǎn)線部署4K/8K高清工業(yè)相機，利用5G機器視覺技術(shù)和AI視頻圖像實時分析，實現(xiàn)服裝制造車間快速、精確的智能化質(zhì)量檢測、工序檢測、安全監(jiān)測、動作分析和品質(zhì)控制，應(yīng)用客觀、及時的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確反應(yīng)現(xiàn)場情況，促進產(chǎn)品質(zhì)量提升和作業(yè)動作優(yōu)化，推動生產(chǎn)現(xiàn)場管理和作業(yè)能效系統(tǒng)性持續(xù)優(yōu)化[17]。

4.5 基于5G技術(shù)的服裝設(shè)備運維和能耗管理

通過5G網(wǎng)絡(luò)采集服裝工廠內(nèi)部數(shù)據(jù)，進行車間生產(chǎn)設(shè)備和環(huán)境檢測，基于云端計算、MEC邊緣計算和AI數(shù)據(jù)分析，結(jié)合設(shè)備機制模型、設(shè)備異常模型和專家知識模型等人工智能技術(shù)，對設(shè)備運行趨勢進行診斷，形成設(shè)備體檢報告，提出預(yù)測性維修與維護建議[18]，與設(shè)備供應(yīng)商進行合作實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程調(diào)試與維護，實現(xiàn)設(shè)備全生命周期管理。

低時延、大連接的5G網(wǎng)絡(luò)可以將服裝智能工廠內(nèi)海量的生產(chǎn)設(shè)備進行互聯(lián)互通，提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)感知能力與采集的及時性，為設(shè)備能耗精細(xì)化無人化管理、生產(chǎn)流程優(yōu)化提供網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)支撐[19]。智能化縫制單元通過5G網(wǎng)絡(luò)接收工藝技術(shù)文件、作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、維護程序等指令，實現(xiàn)設(shè)備遠(yuǎn)程管控[20]?；?G技術(shù)的服裝設(shè)備維護方案見圖5。

圖5 基于5G技術(shù)的服裝設(shè)備維護方案

5 結(jié)束語

目前，基于5G技術(shù)的服裝柔性生產(chǎn)已經(jīng)逐漸走進現(xiàn)實，5G技術(shù)帶來的不僅是通信網(wǎng)絡(luò)的改進，還有服裝生產(chǎn)工藝的提升，更重構(gòu)了整個服裝智能工廠的架構(gòu)?；?G技術(shù)的服裝智能工廠具有互聯(lián)、透明、優(yōu)化、敏捷、前瞻等特點。作為新一代無線通信技術(shù)，5G技術(shù)將為服裝智能工廠提供多樣化和高質(zhì)量的通信保障，促進服裝生產(chǎn)經(jīng)營各環(huán)節(jié)海量數(shù)據(jù)信息的融合貫通。5G技術(shù)帶來的服裝生產(chǎn)過程的系統(tǒng)性變革，將帶動生產(chǎn)、管理、經(jīng)營活動等一系列的新模式、新業(yè)態(tài)的發(fā)展和普及，實現(xiàn)中國服裝制造業(yè)向數(shù)字化、個性化、定制化、智能化轉(zhuǎn)型升級?？梢灶A(yù)見，以5G為核心的新技術(shù)將成為推動我國服裝業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的強大動力和有力支撐。