5G技術(shù)在煙草工業(yè)企業(yè)的應(yīng)用研究

呂 文

四川省工業(yè)和信息化研究院

1 5G技術(shù)的特征和應(yīng)用

5G是支撐社會(huì)經(jīng)濟(jì)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵新型基礎(chǔ)設(shè)施，為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了重要支撐。5G發(fā)展是未來(lái)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是未來(lái)技術(shù)變革的主導(dǎo)，也是未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、創(chuàng)造就業(yè)的動(dòng)力所在[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛將發(fā)展5G列為國(guó)家戰(zhàn)略，我國(guó)也已將5G作為推動(dòng)內(nèi)需市場(chǎng)轉(zhuǎn)型升級(jí)和驅(qū)動(dòng)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的重要抓手。

1.1 5G技術(shù)的特征

5G是多種新型無(wú)線接入技術(shù)在不斷的演進(jìn)集成后形成的通信解決方案的總稱，其標(biāo)準(zhǔn)制定、技術(shù)特性和應(yīng)用空間均在不斷發(fā)生重大變革。一是5G實(shí)現(xiàn)超高速率、超低時(shí)延、超大連接。5G的峰值速率達(dá)10～20 Gbit/s，是4G的10倍以上；5G可實(shí)現(xiàn)低至1 ms的無(wú)線傳輸時(shí)延，只有4G的1/5 ；海量物聯(lián)網(wǎng)通信（massive machine type communication，mMTC）需要網(wǎng)絡(luò)能夠支持大量終端同時(shí)接入，1 km2的面積最多可支持100萬(wàn)個(gè)連接[2]，是4G的50倍。二是5G時(shí)代應(yīng)用更豐富，前景更廣闊，將出現(xiàn)大量網(wǎng)聯(lián)終端、新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)，應(yīng)用場(chǎng)景也將由4G時(shí)代的消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)拓展到產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。三是5G標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了全球統(tǒng)一，有利于統(tǒng)一全球技術(shù)創(chuàng)新方向，對(duì)形成全球產(chǎn)業(yè)鏈合力具有重大意義，而且5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)演進(jìn)過(guò)程，隨著標(biāo)準(zhǔn)版本的遞增，功能將不斷提升[3]。近期5G技術(shù)從3個(gè)方面強(qiáng)調(diào)對(duì)遠(yuǎn)程控制、多機(jī)器人協(xié)作、沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）等場(chǎng)景的支持：大流量（1 Gbit/s或更高）疊加低時(shí)延；同一業(yè)務(wù)由多種不同類型、不同優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)流量進(jìn)行傳輸；不同業(yè)務(wù)流需要時(shí)間同步，實(shí)現(xiàn)最好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)[4]。

1.2 5G技術(shù)的應(yīng)用

5G正成為賦能千行百業(yè)的重要新基建。5G的顯著特性使之具備了成為新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)基礎(chǔ)，與傳統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施深度融合，同時(shí)加速與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代信息和通信技術(shù)（information and communications technology，ICT）相結(jié)合，帶動(dòng)車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、醫(yī)療健康等垂直行業(yè)蓬勃發(fā)展。例如，2021年我國(guó)“5G +工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在建項(xiàng)目超過(guò)2000個(gè)，已經(jīng)在采礦、港口、鋼鐵、電力、 石油化工等重點(diǎn)行業(yè)領(lǐng)域深度應(yīng)用[5]。以增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、低時(shí)延高可靠通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）及海量物聯(lián)網(wǎng)通信（massive machine type communication，mMTC）等技術(shù)特性滿足未來(lái)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的多樣化應(yīng)用需求將給整個(gè)社會(huì)帶來(lái)更大范圍、更深層次的影響，從消費(fèi)到生產(chǎn)，從平臺(tái)到生態(tài)，全面推動(dòng)數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展邁上新臺(tái)階，整個(gè)社會(huì)將會(huì)步入一個(gè)更加智能的萬(wàn)物互聯(lián)新時(shí)代。

2 5G賦能煙草行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求分析和總體架構(gòu)

2.1 需求分析

5G憑借其高速率、低延時(shí)、大連接等特點(diǎn)，與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷融合疊加，正加速推動(dòng)煙草工業(yè)企業(yè)和商業(yè)企業(yè)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。目前，煙草工業(yè)企業(yè)主要圍繞自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化實(shí)施數(shù)字化轉(zhuǎn)型，具體需求表現(xiàn)在以下環(huán)節(jié)。制絲車間：需要通過(guò)5G融入具備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控、遠(yuǎn)程啟停、工單下發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)全流程自動(dòng)化生產(chǎn)；需要通過(guò)5G融入機(jī)器視覺(jué)替代現(xiàn)有的人工復(fù)核，復(fù)核煙葉等級(jí)、年份等信息，提高生產(chǎn)效率，減輕一線工作壓力。卷包車間：卷包車間加工原料、設(shè)備較多，需要通過(guò)5G融入實(shí)現(xiàn)外掛終端獲取數(shù)據(jù)解析及回傳，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；通過(guò)5G融入運(yùn)用機(jī)器視覺(jué)+機(jī)械臂替代現(xiàn)有人工操作，提高產(chǎn)品質(zhì)檢合格率及工作效率。濾棒成型車間：需要通過(guò)5G融入實(shí)現(xiàn)開(kāi)松、成型、裝盤、發(fā)射濾棒全流程自動(dòng)化；生產(chǎn)區(qū)域周邊需要布設(shè)氣體、噪聲等監(jiān)測(cè)設(shè)備，廠區(qū)周邊需要布設(shè)安全監(jiān)控設(shè)備或自動(dòng)巡檢機(jī)器人，通過(guò)5G融入實(shí)現(xiàn)快速部署、及時(shí)響應(yīng)，滿足隨接隨用的高期望。物流倉(cāng)儲(chǔ)車間：需要融入5G技術(shù)，運(yùn)用無(wú)人搬運(yùn)車（automated guided vehicle，AGV）、堆垛機(jī)/立式倉(cāng)庫(kù)、有軌制導(dǎo)車（rail guided vehicle，RGV）等自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)車間貨物的自動(dòng)流轉(zhuǎn)；物流環(huán)節(jié)現(xiàn)有的AGV小車均使用Wi-Fi進(jìn)行通信，存在Wi-Fi信號(hào)切換時(shí)小車異常停車的風(fēng)險(xiǎn)隱患，需要升級(jí)為5G物流小車，規(guī)避生產(chǎn)安全風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)產(chǎn)能。園區(qū)物流：園區(qū)物流采用立式倉(cāng)庫(kù)，需要融入5G技術(shù)，通過(guò)倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（WMS）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）相互打通，實(shí)現(xiàn)部分自動(dòng)化；需要通過(guò)5G的融入，結(jié)合5G高精度定位技術(shù)，多手段管理物流物資，增加園區(qū)物流柔性，提高AGV/RGV、立體庫(kù)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，整體提升園區(qū)物流效能。

2.2 總體架構(gòu)

針對(duì)煙草工業(yè)企業(yè)的需求，可推進(jìn)5G技術(shù)在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、檢驗(yàn)檢測(cè)、智慧物流、智慧倉(cāng)儲(chǔ)、智慧園區(qū)等領(lǐng)域的應(yīng)用，運(yùn)用5G專網(wǎng)切片技術(shù)（網(wǎng)絡(luò)切片是5G按需配置網(wǎng)絡(luò)的一種實(shí)現(xiàn)[6]），打造面向5G融合應(yīng)用、行業(yè)網(wǎng)提質(zhì)升級(jí)、內(nèi)外網(wǎng)安全隔離、網(wǎng)絡(luò)加密傳輸?shù)确矫娴臄?shù)字化轉(zhuǎn)型綜合解決方案，制定“1+N”的整體網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用規(guī)劃，即1張5G工業(yè)網(wǎng)絡(luò)、N個(gè)應(yīng)用方案。充分運(yùn)用5G通信、人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等新一代信息技術(shù)和預(yù)期感知與通信的融合、算力與移動(dòng)網(wǎng)的融合、數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)[7]的虛實(shí)融合等技術(shù)從數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化3個(gè)方面推進(jìn)煙草工業(yè)企業(yè)信息化轉(zhuǎn)型。一是數(shù)字化。通過(guò)企業(yè)移動(dòng)邊緣計(jì)算（mobile edge computing，MEC）+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的全面深度感知、數(shù)據(jù)共享和算力升級(jí)需求，打通企業(yè)各系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)壁壘。二是網(wǎng)絡(luò)化。通過(guò)構(gòu)建5G專網(wǎng)，提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，提升產(chǎn)線擴(kuò)容需求，降低現(xiàn)有設(shè)備維護(hù)難度，為現(xiàn)有生產(chǎn)線提供底層網(wǎng)絡(luò)化保障。三是智能化。通過(guò)5G專網(wǎng)+設(shè)備/環(huán)境數(shù)據(jù)采集+機(jī)器視覺(jué)+增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）運(yùn)維等創(chuàng)新應(yīng)用建設(shè)，實(shí)現(xiàn)煙草工業(yè)企業(yè)在制絲、卷包、濾棒、物流等全流程場(chǎng)景的智能化建設(shè)需求，優(yōu)化管理、運(yùn)營(yíng)、決策流程，加速企業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用智能化。

3 實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 建設(shè)5G專網(wǎng)

5G與生產(chǎn)要素全連接是實(shí)現(xiàn)智能化工廠的關(guān)鍵，隨著煙草工業(yè)企業(yè)數(shù)據(jù)中臺(tái)的建設(shè)，對(duì)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的要求將越來(lái)越高。通過(guò)5G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)廠區(qū)內(nèi)外5G全覆蓋，解決網(wǎng)間切換問(wèn)題，提升網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性?；诠潭l段專網(wǎng)專用，5G網(wǎng)絡(luò)可滿足公網(wǎng)與專網(wǎng)并行，實(shí)現(xiàn)相互隔離，可排除外部干擾并提供千億級(jí)別的海量連接，靈活滿足廠區(qū)設(shè)備遠(yuǎn)期擴(kuò)容規(guī)劃及海量并發(fā)訪問(wèn)，提升擴(kuò)容性。通過(guò)5G+MEC，實(shí)現(xiàn)本地業(yè)務(wù)處理，滿足數(shù)據(jù)不出場(chǎng)、超低時(shí)延等需求，全面整合公司客戶、個(gè)人客戶業(yè)務(wù)，確保生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全可控。

3.2 5G +場(chǎng)景應(yīng)用

通過(guò)對(duì)工廠的5G+AGV、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)、智能巡檢機(jī)器人等數(shù)字化改造，結(jié)合5G +數(shù)字化管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)卷煙排產(chǎn)、分料、卷胚、檢測(cè)、配送、倉(cāng)儲(chǔ)等環(huán)節(jié)信息聯(lián)動(dòng)和智能化管理。在生產(chǎn)過(guò)程中，生成任務(wù)精準(zhǔn)下發(fā)至工位看板，并能動(dòng)態(tài)調(diào)整，生產(chǎn)物料自動(dòng)發(fā)放，物料包由5G+AGV在上班前自動(dòng)發(fā)放至各個(gè)工位，工人可以通過(guò)一鍵呼叫進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)料，實(shí)現(xiàn)分料、卷制、檢測(cè)、人員等數(shù)據(jù)匹配和集成，實(shí)時(shí)展示車間和每個(gè)工人的任務(wù)進(jìn)度、產(chǎn)品缺陷、計(jì)件等信息，生產(chǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)和倉(cāng)儲(chǔ)數(shù)據(jù)自動(dòng)整理并生成管理報(bào)表。

3.2.1 制絲車間

通過(guò)5G專網(wǎng)+環(huán)境數(shù)據(jù)采集+蟲(chóng)情智能監(jiān)測(cè)+AR輔助運(yùn)維等應(yīng)用，優(yōu)化制絲生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)可視化，豐富質(zhì)檢手段，解決生產(chǎn)過(guò)程中環(huán)境監(jiān)測(cè)不全、人員巡檢難度大、人工追溯成本高等問(wèn)題。環(huán)境數(shù)據(jù)采集：通過(guò)運(yùn)用5G +工業(yè)網(wǎng)關(guān)+環(huán)境采集設(shè)備，滿足制絲車間對(duì)于海量環(huán)境數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理的需求，對(duì)車間內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)（如制絲溫濕等）進(jìn)行采集和可視化管理。蟲(chóng)情智能監(jiān)控：利用5G+人工智能（artificial intelligence，AI）視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，將視頻監(jiān)控終端與系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)煙葉蟲(chóng)情智能化監(jiān)控、傳送帶智能化質(zhì)檢等需求。AR輔助運(yùn)維：利用5G+AR，可實(shí)現(xiàn)8 K VR直播信號(hào)傳輸，達(dá)到AR低時(shí)延要求，而且還可以給人的感官帶來(lái)直觀的刺激與認(rèn)知[8]，為各場(chǎng)景提供多種AR應(yīng)用，解決巡檢、運(yùn)維等工作成本高、效率低的問(wèn)題。

3.2.2 卷包車間

通過(guò)5G專網(wǎng)+設(shè)備數(shù)據(jù)采集+輔料/外包裝質(zhì)檢+AR輔助運(yùn)維等應(yīng)用，可有效提升卷煙廠卷包車間智能化。設(shè)備數(shù)據(jù)采集：通過(guò)5G+工業(yè)網(wǎng)關(guān)+數(shù)據(jù)采集設(shè)備，彌補(bǔ)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信的不足，滿足卷包車間內(nèi)海量離散加工設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)、處理的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)卷包車間各種設(shè)備及環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和可視化管理。輔料/外包裝質(zhì)檢：利用5G+AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)將新時(shí)代的一些代表技術(shù)結(jié)合起來(lái)，應(yīng)用人工智能與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，并以數(shù)字圖像識(shí)別與處理為基礎(chǔ)[9]，使視頻監(jiān)控終端與系統(tǒng)對(duì)接，實(shí)現(xiàn)卷包車間內(nèi)輔料、卷包小包、條包外包裝智能化質(zhì)檢需求。AR輔助運(yùn)維：利用5G+AR，達(dá)到AR低時(shí)延要求。豐富卷包車間內(nèi)離散的設(shè)備檢修手段，解決巡檢、運(yùn)維等工作成本高、效率低的問(wèn)題。

3.2.3 濾棒成型車間

通過(guò)5G專網(wǎng)+設(shè)備數(shù)據(jù)采集+環(huán)境數(shù)據(jù)采集+煙嘴質(zhì)量檢測(cè)等應(yīng)用，提高設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)集中化管理能力、生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)控能力，減少誤檢和漏檢的情況。設(shè)備數(shù)據(jù)采集：通過(guò)5G +工業(yè)網(wǎng)關(guān)+數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾棒成型車間的開(kāi)松機(jī)、成型機(jī)、裝盤機(jī)等各種設(shè)備數(shù)據(jù)的采集和可視化管理。環(huán)境數(shù)據(jù)采集：通過(guò)5G +工業(yè)網(wǎng)關(guān)+環(huán)境采集設(shè)備，滿足濾棒車間對(duì)于海量環(huán)境數(shù)據(jù)，如PM2.5、揚(yáng)塵等信息的采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理，對(duì)車間內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和可視化管理。煙嘴質(zhì)量檢測(cè)：利用5G+AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器視覺(jué)終端與系統(tǒng)對(duì)接，將高清圖像實(shí)時(shí)回傳至質(zhì)檢平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)卷包車間內(nèi)煙支過(guò)濾嘴的質(zhì)量智能化質(zhì)檢需求，確保其沒(méi)有污點(diǎn)和空心的情況。

3.2.4 物流倉(cāng)儲(chǔ)車間

通過(guò)5G專網(wǎng)+智能AGV+托盤管理+AI庫(kù)區(qū)盤點(diǎn)等應(yīng)用，提高AGV并發(fā)控制能力，實(shí)現(xiàn)庫(kù)存設(shè)備、貨物可視化管理。智能AGV：利用5G通信技術(shù)，解決熱點(diǎn)之間不能無(wú)縫切換、時(shí)延較大等問(wèn)題，可以為AGV調(diào)度提供平滑切換的可靠網(wǎng)絡(luò)，助力提升AGV協(xié)作水平，提高庫(kù)存能力和物料流轉(zhuǎn)能力。托盤管理：針對(duì)當(dāng)前以室內(nèi)定位為主要訴求點(diǎn)的定位技術(shù)，往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點(diǎn)[10]，利用5G +高精度定位通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)托盤的智能管理。AI庫(kù)區(qū)盤點(diǎn)：利用5G+AI視覺(jué)識(shí)別技術(shù)，采用光學(xué)自動(dòng)檢測(cè)的方式，實(shí)現(xiàn)庫(kù)區(qū)空貨位盤點(diǎn)、煙箱計(jì)數(shù)、品規(guī)識(shí)別、盤點(diǎn)差錯(cuò)處理等需求。

3.3 5G +智慧營(yíng)銷

5G技術(shù)還可以廣泛應(yīng)用在煙草工業(yè)企業(yè)的營(yíng)銷場(chǎng)景中，發(fā)布5G行業(yè)消息。借助5G技術(shù)發(fā)布的5G行業(yè)消息遵循GSMA RCS UP 2.4標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)，可在不下載應(yīng)用程序、不通過(guò)社交軟件的情況下，推送包含圖片、音視頻、位置、數(shù)據(jù)應(yīng)用等內(nèi)容的消息。企業(yè)可根據(jù)客戶的手機(jī)號(hào)，主動(dòng)觸達(dá)客戶端。個(gè)人客戶可在短信窗口進(jìn)行搜索，并直接進(jìn)入企業(yè)聊天機(jī)器人（chatbot） 獲取所需服務(wù)。通過(guò)5G發(fā)布行業(yè)消息，將實(shí)現(xiàn)3個(gè)方面的突破。一是確保安全可靠。采用安全傳輸層協(xié)議（transport layer security，TLS）等加密技術(shù)，保障信息安全。二是實(shí)現(xiàn)內(nèi)容豐富多樣?？赏ㄟ^(guò)個(gè)性化配置，以卡片形式推送多媒體消息，一次最多12張卡片，最大20 M，高容量信息一次直達(dá)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)引流。三是促成智能交互。結(jié)合AI、智能語(yǔ)音、位置服務(wù)等技術(shù)，服務(wù)端自定義關(guān)鍵詞的觸發(fā)邏輯，實(shí)現(xiàn)會(huì)話式智能互動(dòng)。

4 結(jié)語(yǔ)

5G專網(wǎng)解決了傳統(tǒng)工業(yè)車間布線煩瑣、改造困難等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間無(wú)線化、靈活化，可節(jié)約大量硬件投入。通過(guò)5G技術(shù)在煙草行業(yè)的應(yīng)用，使生產(chǎn)和管理智能化，全面提升企業(yè)在物料轉(zhuǎn)運(yùn)、質(zhì)檢、巡檢、盤點(diǎn)等方面的效率，產(chǎn)品質(zhì)量精準(zhǔn)可控，企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全可靠，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)流程與管理流程的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型，從而降低企業(yè)生產(chǎn)成本，顯著提升經(jīng)濟(jì)效益，打造生產(chǎn)示范新標(biāo)桿，有效實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)制造業(yè)向5G智能制造轉(zhuǎn)型。