浅析5G技术在工业互联网领域的应用研究

Posted 2022-03-26 边缘计算社区

来源：5G行业智库

作者：方德洲、音春、宋兵

编辑：边缘计算社区

【摘  要】从传统工业企业行业痛点和客户应用需求等方面分析，对5G+工业互联网设计理念、设计方案进行分析与研究，对5G在工业互联网领域融合部署具有较强的指导作用。

【关键词】中国移动；5G；工业互联网。

1   背景

目前，我国工业企业信息化水平仍然较低，行业整体处于转型升级关键时期。中央经济工作会议多次强调，要推动制造业高质量发展，坚定不移建设制造强国。面对传统制造企业亟需进行数字化、网络化、智能化升级的现状，5G+工业互联网建设将成为推动行业进一步发展的重中之重。

在工业制造等行业中，车间处于非常重要的位置。企业价值最终表现在产品与服务上，而车间是企业中将各种图纸转变为产品的主要场所，是决定生产效率与产品质量的重要环节，车间往往也是企业中员工数量最多的组织。《中国制造2025》明确指出：“推进制造过程智能化，在重点领域试点建设智能工厂/数字化车间”。数字化车间建设是智能制造的重要一环，是制造企业实施智能制造的主战场，是制造企业走向智能制造的起点。

2   行业痛点及需求分析

（1）工业基础网络需升级

项目实施之前，传统车间机床及工位机均是采用有线连接方式，车间产线经常需要根据生产业务需要而进行调整。有线连接方式限制了设备的工作空间及协同能力，导致车间无法快速响应产线的调整需求，出现车间生产周期紧、产能降低等问题。

为解决上述问题，需对园区、车间等进行工业基础网络的升级改造，提升车间产线调整的灵活性，助力柔性制造。

（2）商务服务模式需拓展

企业传统的商务服务模式只限于设备及零配件的销售，与上下游企业联动性不强。而随着5G、云计算等工业互联网技术高速发展，现有的商务服务模式已不能完全满足市场和企业自身发展的需求。

企业需要在现有的商务服务模式基础上进行拓展，通过产品和解决方案实现服务，通过数据体现价值，而有价值的服务才是客户的需求。

（3）生产管理方法需创新

传统车间的生产和管理主要还是依靠人工来完成，工业自动化管理水平相对较低，业务服务应用受限，业务痛点主要分为以下几点：

①AGV工作空间有限，调配不灵活，协同能力差传统的小型AGV（Automated Guided Vehicle，自动导航车）需配有电磁或光学等自动导航装置，且只能够沿规定的导航路径行驶，导致工作空间受限、调配不灵活。使用WiFi连接时，信号间切换时延大，且存在干扰，协同能力差。

②传统大型机器操作难度大，存在安全隐患传统大型机器（如工程车辆、吊机、机床等）均是需要由专业的操作员进行操作，要求高。若操作员长时间操作，容易产生疲劳而导致安全事故的发生。

③人员、设备等无法进行精细化管理，影响车间产能传统车间人员、设备等管理主要是依靠人力管理和员工的自觉性，对上班期间员工是否在岗且在安全区域、设备是否在线，无法做到精细化地实时管理。经常会出现车间工人消极怠工、未经许可进入危险区域的安全隐患，设备的闲置等问题，导致车间产能受到影响，没有达到最大化。

④日常巡检效率低，场外专家指导成本高，培训效率低

传统车间的日常巡检还是由人工来完成，复杂机器对操作技能要求高，导致巡检效率低。作为高新技术产业，企业经常需要请场外专家来厂进行指导，专家指导运行成本高。其次对员工进行培训，常规的培训方式不能让所有员工都能直观明了的理解设备的关键构造点，从而导致效率低、效果差。

⑤产品质检缺少统一标准，效率低、存在误检可能

传统车间的产品质检主要依靠质检人员的经验判断是否符合标准，没有形成数据库支撑可量化的质检标准，产品出厂标准不一致，存在优劣高低之分。而且人工质检存在视觉疲劳的问题，会导致产品误检过关，质量不达标，严重的会影响企业信誉。

针对上述生产管理方法的业务痛点问题，现代工业企业需要结合自身技术能力，对生产管理方法进行应用创新，实现生产管理方法的变革，降本增效，推进企业高质量发展。

3   设计理念

从提升企业创新能力、改善质量效益、推进量化融合与推行绿色制造入手推动企业革新。从人、机、料、法、环、测等生产过程的各个要素入手，实现提质、增效、降本、减耗。通过数字化手段，将项目-采购-计划-排产-生产线全流程形成一体化数字管控，实现企业的数字化、智能化、高效化和可视化“四化”管理，应重点考虑以下方面因素：

网随业动：依托5G技术，建设满足工业企业生产要求的虚拟专网，打通5G与OT（Operation Technology，操作技术）网络数据链路，实现5G在工业企业应用的安全、灵活、可靠；

平台赋能：依托中国移动工业互联网平台，打造厂内数字化运营平台和企业间网络化协同制造平台，实现工厂内部人员、设备、环境、能耗、物料的全连接，以及产业链上下游的订单、生产、质量、收发、物流、库存等数据的互通，推动企业及产业链数字化、网络化升级；

智慧应用：聚焦室内高精度定位、AR（Augmented Reality，增强现实）辅助、AI（Artificial Intelligence，人工智能）视觉、云化AGV、数字孪生等应用，结合5G+行业平台能力，助力企业逐步实现智能化生产。

4   解决方案

基于5G+AICDE新一代信息技术，将5G作为接入方式，与人工智能（AI）、物联网（IoT）、云计算（Cloud Computing）、大数据（Big Data）、边缘计算（Edge Computing）等新兴信息技术深度融合，为现代工业企业提供“1+1+N”模块化业务服务应用解决方案：1张5G绿色专网，高效安全、1个商业服务新模式、N个5G+业务服务创新应用（5G+AGV、5G室内高精度定位、5G+AR高效巡检与生产辅助、5G+机器视觉检测等多个应用），节省企业人力成本，提升生产效率，助力企业打造安全、绿色的数字一体化车间，实现企业安全生产、高质量发展，如图1所示。

图1  方案框架图

（1）1张5G绿色专网，以移代固，高效安全。

通过工业网络基础建设创新，实现生产业务数据的分流和本地化处理，保证生产数据传输的安全性。项目整体采用5G专享组网架构，通过园区内宏站，结合5G室分增强覆盖，实现多终端设备互联：边缘网关、物联网设备实现工业设备5G大带宽、低时延、高可靠连接。

从过去的固化的“有线连接”拓展到可移动的“无线连接”，实现机床/工位机无线联网，解除了车间设备的使用空间限制。以移代固，助力企业实现车间高效安全的柔性制造，更加快捷灵活地调整产线，缩短了产线更新的周期，满足企业对车间不同的生产需求。

专用DNN+园区边缘UPF下沉部署，提供5G绿色专网安全服务，生产和工艺数据通过边缘云直连企业内网，实现客户数据不出园区的安全保障要求，以及车间内工业PC、数控机床、AGV等设备与后台MES（Manufacturing Execution System，制造执行系统）、WMS（Warehouse Management System，仓库管理系统）等系统间低时延、高可靠数据交互，如图2所示。

图2  5G绿色专网拓扑图

（2）1个商业服务新模式，产业辐射，全面增收。

基于5G网络及产品应用创新研发，由传统的设备、零部件等销售拓展转型为提供产品及解决方案的服务模式。以灵活多变的订单式、模板式的商务服务模式为上下游企业提供服务，减少成本投入，实现共同发展。提供“一个平台+两账号”的服务模式：1个运营管理平台、两个商业服务账户（客户+运营），实现对内安全支撑、对外安全服务增值运营。设备组件实现服务化订购、使用、计量，全面满足客户按需使用、快速部署、安全可靠、专业服务的产品需求；同时以新的商业服务模式辐射全国各省市产业，使企业全面增加收益。如图3所示。

图3  “一个平台+两账号”的服务模式

客户账号主要是对平台售卖管理、商品订单、客户关系等进行管理，可以完成安全服务的订购、安全产品的配置使用、安全事件和报表的查看以及自有租户下相关账号管理功能。运营账号主要是对平台的账号管理、安全运营、监控运维等方面进行全局管理。

（3）N种5G+业务服务创新应用，变革生产，降本增效。

通过5G绿色专网建设，为数字一体化车间奠定基础，为企业提供灵活、安全、高效的多种5G+业务服务创新应用，变革传统车间生产模式，实现降本增效。典型创新应用有5G+AGV小车、5G室内高精度定位服务、5G+AR高效巡检与生产辅助服务、5G机器视觉质检。

4.1   5GAGV业务服务创新应用

基于5G网络的主要特性解决了数据接入及传输问题，通过5G+MEC（Mobile Edge Computing，边缘计算）解决了平台分布式管理问题，通过通信与AGV结合实现了对末端设备的柔性生产管理，端到端解决智能AGV的协同配合问题。结合5G技术的超大带宽、超低时延、海量连接的特性，5G+AGV自动小车减少由人工驾驶操作而带来的安全隐患以及聘用驾驶员的运行成本，提供了传统小车由纯设备产品向集产品与解决方案一体的服务转型的能力，如图4所示。

图4  5G+AGV业务服务创新应用

4.2   5G室内高精度定位业务服务创新应用

由室内云定位平台/定位算法+5G室内融合定位小站+定位标签等组成，利用5G+UWB（Ultra Wide Band，超带宽）信号定位技术，结合5G实现室内10~30厘米级定位，实现对工厂现场内人、设备、移动运输设备的定位，用于人员轨迹追踪、定位呼叫撤离、人员考勤和点名、电子围栏、物料定位、AGV及巡检管理等应用服务，如图5所示。

图5  5G室内高精度定位

4.3   5G+AR高效巡检与生产辅助业务服务创新应用

通过5G+AR辅助装配、AR教学培训、AR智能巡检、AR远程指导等多种生产辅助业务服务应用，降低巡检人员对复杂机器的操作难度，提供场外专家的远程指导，降低车间运行成本，提高巡检效率。同时增加员工培训效率，提升培训效果。

（1）AR辅助装配：机器或设备的装配工艺复杂，AR可以自动识别装配零件并实时指导装配工艺。

（2）AR教学培训：沉浸式教学方式让新员工快速掌握电气装备复杂的装配过程。

（3）AR智能巡检：巡检工人可通过AR眼镜获取巡检设备的实时数据，提高巡检效率。

（4）AR远程指导：基于AR眼镜、pad、大屏等AR终端硬件，配合5G网络，结合云端服务，支持远程专家与现场工人的实时交互，空间感知，远程打点，提高专家指导效率。

图6  AR巡检及远程指导

4.4   5G机器视觉质检业务服务创新应用

通过5G+MEC专网结合工业摄像机，实现5G机器视觉应用，代替人工质检。通过AI深度学习算法，提升质检效率及成功率，增强企业竞争力。通过在车间部署

5G无线网络，保障设备的可移动性、多设备协同以及远程操控等。同时提供专属的私有质检云，保障质检数据不出厂。

图7  5G机器视觉质检

5   总结

5G+AICDE等新一代信息技术不断突破并加速与企业生产业务融合渗透，推动生产方式、组织形态、商业模式等变革与重塑，持续向数字化方向跃迁升级。5G+工业互联网的应用加快推进了离散型制造智能工厂建设，进一步开展智能化与信息化建设、智能物流及立库改造建设、工艺装备产能提升及智能化改造建设，实现5G+创新应用的多种合作场景。

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★原文发表于《广东通信技术》2022年第1期★

 DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2022.01.010

引用格式：方德洲, 音春, 宋兵. 浅析5G技术在工业互联网领域的应用研究[J]. 广东通信技术, 2022, 40(01):44-48.

作者简介

 

方德洲：高级工程师，高级咨询设计师，中国科学技术大学模式识别与智能系统专业硕士，2007年起工作于中国移动通信集团设计院安徽分院，主要从事核心网、5G专网解决方案相关技术的研究工作。

音春：高级工程师，高级咨询设计师，四川大学通信与信息系统专业硕士，2004年起工作于中国移动通信集团设计院安徽分院，主要研究方向为通信运营商移动通信网络架构和技术演进，以及通信运营商投资效益分析。

宋兵：高级工程师，高级咨询设计师，中国人民解放军电子工程学院计算机科学与技术专业学士，2002年起工作于中国移动通信集团设计院安徽分院，主要从事承载网、云计算解决方案相关技术的研究工作。

《广东通信技术》(月刊)创刊于1981年，由广东省通信学会和广东省电信情报中心站主办，编辑部设在中国电信股份有限公司广东研究院内。多次荣获国家部委优秀科技期刊奖、广东省优秀科技期刊奖。目前是中国学术期刊综合评价数据统计源期刊，中国核心期刊(遴选)数据库期刊。

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校审：闻磊、张启迪

排版：张启迪

来源：5G行业智库

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