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“5G+”時代智能制造創新應用前瞻

2019-11-21 14:11:13 中國信息化周報 2019年36期

顧城天 凌衛華

在數字化浪潮的驅動下,大數據、云計算、人工智能等新一代信息通信技術與制造業的融合逐漸從理念普及走向應用推廣,制造業智能化、柔性化、服務化、高端化轉型發展趨勢愈發明顯,對高性能、具有靈活組網能力的無線網絡需求日益迫切。2019年是5G商用元年,5G具有媲美光纖的傳輸速度、萬物互聯的泛在連接和接近工業總線的實時能力,正逐步向工業領域加強滲透,引發一系列融合創新應用與變革,為制造業轉型升級帶來歷史性的發展機遇。

賦能柔性生產線

柔性生產線可以根據訂單的變化靈活調整產品生產任務,是實現多樣化、個性化、定制化生產的關鍵依托。在傳統的網絡架構下,生產線上各單元的模塊化設計雖然相對完善,但是由于物理空間中的網絡部署限制,制造企業在進行混線生產的過程中始終受到較大約束。5G將在兩個方面賦能柔性生產線:

一是提高生產線的靈活部署能力。未來柔性生產線上的制造模塊需要具備靈活快速的重部署能力和低廉的改造升級成本。5G網絡進入工廠,將使生產線上的設備擺脫線纜的束縛,通過與云端平臺無線連接,進行功能的快速更新和拓展,并且自由移動和拆分組合,在短期內實現生產線的靈活改造。

二是提供彈性化的網絡部署方式。5G網絡中的SDN(軟件定義網絡)、NFV(網絡功能虛擬化)和網絡切片功能,能夠支持制造企業根據不同的業務場景靈活編排網絡架構,按需打造專屬的傳輸網絡,還可以根據不同的傳輸需求對網絡資源進行調配,通過帶寬限制和優先級配置等方式,為不同的生產環節提供適合的網絡控制功能和性能保證。在這樣的架構下,柔性生產線的工序可以根據原料、訂單的變化而改變,設備之間的聯網和通信關系也會隨之發生相應的改變。

賦能云化機器人

云化機器人的基本特征是位于云端的控制平臺利用人工智能、大數據等先進技術控制本地機器人執行任務。云化機器人會與云端平臺進行信息量巨大的實時數據交換,需要大速率、低時延、高可靠的無線通信網絡支撐。5G將在三個方面賦能工業云化機器人:

一是加強機器人之間的協同工作能力。5G為工業機器人之間的通信提供高速網絡支持,使機器人具備自組織與協同能力。工業機器人可以通過相互合作,完成過去單個機器人無法獨立完成的任務。另外,有更高權限的領導型機器人能通過5G網絡指揮一群執行型機器人高效完成任務。

二是使機器人更加敏捷、安全地與工人協作。5G高可靠、超低時延的特性能使機器人實時感知工人的動作,靈巧地進行反饋和配合,同時始終與工人保持安全距離,保證人機協作的安全。

三是實現機器人的遠程實時控制。在高溫、高壓等某些不適合工人進入的特定生產環境,工人可以在監控中心通過5G網絡對機器人進行實時遠程操作,同步、安全地完成預定工作目標。

賦能工業AR/VR

未來工業AR將用于裝配過程指導、設備檢修等應用場景,通過虛擬影像與真實視覺疊加直觀地呈現出操作步驟,幫助工程師縮短作業時間,降低錯誤率。工業VR將輔助工業設計,使遠程的工作人員進入同一個虛擬場景中協同設計產品,也可以實現工廠的三維立體虛擬化展示,使管理人員全面了解工廠生產情況。超高清AR/VR視頻每秒容量高達百兆以上,目前的4G或WiFi網絡很難同時滿足穩定、流暢、實時三方面的視覺體驗要求。5G將在以下三個方面賦能工業AR/VR:

一是使工業AR/VR終端更加輕便、價格更低。在復雜多變的工廠環境中,VR/AR終端需要具備高程度的靈活性和輕便性。基于5G的工業云VR/AR可以將數據和計算密集型任務轉移到云端處理,終端僅保留連接和顯示功能,大幅降低終端的重量以及造價。

二是提升工業AR/VR的顯示效果。5G網絡高速率、大容量的特性將滿足AR/VR中高清圖像的海量數據交互,提升AR/VR設備的流暢度和清晰度,支撐8K分辨率、3D等極致顯示需求,使更加復雜的渲染效果得以呈現,讓使用者有更好的視覺感受。

三是提高工業AR/VR的交互體驗。工業AR/VR的發展方向是使用者通過交互設備與虛擬或現實環境進行實時互動,5G將滿足遠程多人協同設計、虛擬工廠操作培訓等強交互工業AR/VR的毫秒級低時延需求,增強用戶與用戶、用戶與環境之間的交互體驗。

賦能實時數據采集與監控

在智能工廠中,生產數據的采集和車間工況、設備狀態的監控愈發重要,能為生產的決策、調度、運維提供可靠的依據。雖然NB-IoT、Zigbee等無線技術已經在工業數據采集與監控中得到了一定程度的使用,但在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面都還存在各自的局限性。5G將在三個方面賦能數據采集與監控:

一是促進工廠內海量數據實時上傳。大連接、低時延的5G網絡可以將工廠內海量的生產設備及關鍵部件進行互聯,并且提升生產數據采集的及時性,為生產流程優化、能耗管理提供網絡支撐。另外,工廠內大量的環境傳感器可以通過5G網絡在極短時間內進行溫度、濕度、亮度、空氣質量、污染等信息狀態的上報,使管理人員能夠對廠房內的環境進行精準調控。

二是支持超高清視頻監控和機器視覺識別。5G網絡能夠將廠房內高分辨率的監控錄像同步回傳到控制中心,通過5G+8K超高清視頻還原各區域的生產細節,為工廠精細化監控和管理提供支持。同時,智能工廠中產品缺陷檢測、精細原材料識別、精密測量等場景需要用到視頻圖像識別。5G網絡能保障海量高分辨率視頻圖像的實時傳輸,提升機器視覺系統的識別速度和精度。

三是提升工廠設備遠程運維能力。5G廣覆蓋、大連接、低成本、低能耗的特性有利于遠程生產設備全生命周期工作狀態的實時監測,使生產設備的維護工作突破工廠邊界,實現跨工廠、跨地域的遠程故障診斷和維修。

作為新一代無線通信技術,5G網絡將為智能制造生產系統提供多樣化和高質量的通信保障,促進各個環節海量信息的融合貫通。未來隨著5G網絡與制造業的融合走向縱深,其所帶來的變革既是生產過程的優化,如可控性的提高、運營效率的躍升、生產成本與能耗的降低等,更將帶動一系列革命性的新產品、新技術和新模式在制造業中普及應用。可以預見,在“5G+”時代,制造業智能化升級將更為全面和深入,以5G為核心的融合創新將成為我國制造業高質量發展的強大動力和強勁支撐。

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