5G與工業互聯網融合應用的思考

作者:杜家懂 責任編輯:田小夢 2019.10.16 09:07 來源:中國信息通信研究院CAICT

從5G第一版本標準發布之后,5G與工業互聯網融合應用就成為了社會上討論的熱點。其實在5G技術標準制定初期,工業應用就是5G需求研究的重點,低時延高可靠的uRLLC技術的時延和可靠性指標就是為了滿足工業實時控制、無人駕駛等應用而制定的。在5G設備預商用之后,國內外運營商和通信設備商紛紛與工業企業開展合作,建立了一系列的5G應用創新研究中心,開展了大量的5G與工業融合應用的研究和試驗。目前,全國已形成5個企業內5G網絡化改造及推廣服務平臺,三大運營商也已形成了幾十個5G應用創新中心或實驗室,并涌現出一大批5G與工業互聯網融合明星企業,如上海飛機制造有限公司、青島港、三一重工、格力、南方電網等。

一、5G成為工業轉型升級不可或缺的支撐技術

步入工業4.0時代,工業企業都面臨著個性化生產及服務化轉型的挑戰。5G作為新一代移動通信系統,其百兆以上的傳輸速率、毫秒級時延、5~6個9的可靠性,保證其能夠與工業各環節融合,為工業企業提供了產線柔性化、生產智能化的工具,也提供了工業企業自身與用戶、供應鏈等聯系的手段,推動工業向智能化、服務化、高端化轉型。

一方面,5G技術使工業企業生產模式和組織方式發生變革。通過5G技術實現人員、設備及環境的全方位互聯及生產設備的遠程實時控制,促使工業生產向著無人化、網絡化、智能化和協同化方向發展。如青島港利用5G實現岸橋吊車遠程操作,能同時滿足遠程操作所需的20ms端到端時延和30路高清視頻回傳需求,實現一個人遠程操作四臺岸橋吊車,不但有效地改善了員工的工作環境,還節省75%的人力成本,有力地推動了無人碼頭的實現;杭汽輪利用5G+3D建模實現產品質量智能化檢測,滿足了三維掃描儀100Mbps圖像上傳需求,將發動機葉片質量檢查時間由小時級降低到分鐘級,推動葉片質量檢查由抽檢模式改為全檢模式,并且將供應鏈中產品零件的入庫檢測改成供貨商出廠遠程檢測,實現了供應鏈的實時協同,減少零件生產返工,保障各工序有效快速開展,整體效率提升20%。

另一方面,5G技術促使工業企業的生產經營模式發生變革。通過5G技術與自身產品的結合,使得工業企業獲得了與客戶交互的入口,通過對產品狀態的全方位監測或控制,為客戶提供更有針對性的個性化服務,推動了工業企業從生產型企業向服務型企業的轉型升級。如廣西柳工利用5G+MEC的19ms左右端到端時延及100Mbps上傳能力實現高效低時延的裝載機遠程控制及作業環境監控,從而使其從賣設備這一單一的商業模式變成了多種商業模式,一方面其可以采用租借設備方式向客戶提供服務,即客戶無需購買設備,只需要按照使用設備的時長進行繳費;另一方面可以通過收集設備的相關信息,比如車輛狀況、車輛工作時限、設備故障頻率等數據,為客戶提供增值服務,如定期更換配件、定期保養提醒等,實現企業從設備制造商向服務提供商轉型。

二、我國開展頂層布局,形成政策和產業雙重驅動

我國高度重視5G與工業互聯網融合發展。2017年11月,國務院印發《關于深化“互聯網+先進制造業”發展工業互聯網的指導意見》中,明確將5G列為工業互聯網網絡基礎設施,并提出開展5G面向工業互聯網應用的網絡技術試驗,協同推進5G在工業企業的應用部署。

2019年8月,工業和信息化部在上海飛機制造有限公司召開“5G+工業互聯網”全國現場工作會議,提出“5G+工業互聯網”512工程,加強試點示范、應用普及、培育解決方案供應商,加快“5G+工業互聯網”在全國推廣普及。2019年工業互聯網創新發展工程中設置工業互聯網企業內5G網絡化改造及推廣服務平臺項目,支持5家國內工業企業及聯合體開展5G內網部署模式、應用孵化推廣、對外公共服務等方面開展探索。

同時我國還以5G應用產業方陣和工業互聯網產業聯盟為跨界合作交流平臺,以“綻放杯”5G應用征集大賽為抓手推動5G向工業互聯網領域滲透。

工業互聯網產業聯盟制定并發布了汽車制造、家電制造、電子制造等領域的5G應用場景及需求白皮書,開展智能電網5G網絡及切片應用、基于5G網絡連接的工業智能化巡檢、基于5G和人工智能的產品質量實時檢測和優化等多個5G與工業互聯網測試床項目。5G應用產業方陣的行業應用組已分別在工業、智能電網、醫療等領域成立跨行業研究子組,開展5G應用解決方案等研究工作,并針對5G在工業應用落地中面臨的關鍵技術問題成立了5G 邊緣計算MEC及5G小基站等共性技術組開展相關的研究,預計今年年底或明年將發布相關白皮書并開展相關標準的制定工作。

第二屆“綻放杯”5G應用征集大賽專門設置了智慧工業賽道,全國共征集到來自北京、上海、廣東、成都、浙江等地區的100多個申報項目,項目涉及AGV導航、AR巡檢、無人機管控、視覺識別、數據分析、無人駕駛等眾多應用領域。經過評審篩選后,共19家企業入圍本次“智慧工業”專題賽決賽。

三、我國企業積極開展落地實踐,形成工業各環節全面探索格局

我國在5G與工業互聯網融合應用實踐方面積極開展探索,在研發、生產及運維的各個環節的典型應用場景下,已經能初步看到5G帶來的經濟效益及價值。

在研發設計環節,5G與VR/AR技術結合,可實現多方遠程虛擬協同設計,有效地解決了異地研發人員溝通困難、成本高昂等問題。如海爾公司利用5G+VR/AR實現家電產品的異地研發協作,使不同地區的研發中心員工可以同時在線對產品問題進行研討,有效地提升了溝通效率,節省了出差成本。

在生產環節,5G與超高清視頻、傳感器、控制系統等結合可以使工業企業實現對設備的遠程操作、生產過程實時監測、設備的預測性維護等,有效提升了生產效率、改善了員工的工作條件。如三一重工的5G智能網聯AGV將實時采集的視頻數據、激光雷達及其他傳感器數據通過5G傳輸到MEC的視覺傳感服務進行視頻實時計算,并與多傳感器上傳數據融合,為AGV提供智能決策,使得AGV具備實時感知、智慧決策的能力,改變了傳統AGV需根據生產環境的不同定制不同配置的限制,大大節省了AGV生產成本。我國上海飛機制造有限公司將5G+AR技術應用到工業裝配領域,借助5G使AR終端在10ms以內實時與云端數據交互,實現線纜連接器插頭快速定位與追蹤,有效解決了每個插頭幾十個甚至上百個插孔和導線的適配問題,實現快速裝配,并保障對裝配過程的關鍵步驟的全流程質量追溯,不但使裝配效率提升70%,且大大降低了操作人員成本。

在運維服務環節,一方面5G與超高清的結合可以使設備巡檢情況實時傳到云端識別,提升了設備巡檢質量和效率。另一方面5G與專家系統的結合帶來專家遠程實時在場指導的業務體驗,能將設備維修時間由數天縮短至數小時。如華為聯手荷蘭運營商KPN、ABB等企業在鹿特丹殼牌煉油廠利用小型5G工業機器人來檢測石油和天然氣的線路,其利用超高清攝像機檢測管道區,并通過數字工廠腐蝕分析平臺對實時管道數據進行處理,可識別高風險腐蝕區并確定最佳糾正措施,避免每天100個因為錯誤估計地下管道位置而導致管道破損的事件。我國廣西玉柴公司利用5G+AR/VR實現遠程運維服務,使得一線作業人員通過AR終端通過5G與遠方指揮中心的專家進行實時的雙向音視頻通話,采集現場圖像信息的同時,指揮中心可以對一線運維人員進行指導,不但有效解決了專家資源稀缺問題,還使平均運維響應時間提前30小時。

四、5G與工業互聯網融合應用還需要突破基礎設施及商業模式等多重限制

5G與工業互聯網融合應用雖然對工業轉型升級起到重要作用,且應用前景廣闊,但本身的發展受到一定因素制約,還需要花一段時間來實現大規模推廣落地。

第一,目前我國很多企業尚處于由工業2.0向工業3.0過渡的階段,生產設備及產線很多還沒有完成數字化改造,在利用5G改造工業之前需要完成裝備和生產線的數字化,這不但導致了工業企業對5G應用的需求受限,而且也使的5G與工業互聯網融合應用部署會相應延后。

第二,目前全球及我國5G與工業融合都處于起步階段,運營商并沒有工廠內5G網絡部署及運維經驗,商業模式、合作方式等也不是特別清晰,這大大延緩了運營商在工廠內的部署5G網絡的進度,也直接導致5G融合應用的落地推廣困難。

五、我國5G與工業互聯網融合應用尚需構建融合研發及應用生態

5G與工業互聯網融合正處在從初期探索走向規模應用關鍵階段,我國目前處于融合應用探索的第一梯隊,要想保持這個優勢,還需要從以下幾方面的開展工作。

第一,鼓勵行業龍頭企業、科研機構、通信企業聯合開展5G與工業互聯網應用及產品的研發工作,可以通過建立跨界應用創新中心、產品研發中心等方式進行,中小企業借助創新中心資源開展5G應用解決方案研發和集成服務,形成一大批云服務或集成服務商。

第二,持續推動“綻放杯”5G應用大賽,激發社會創新熱情,同時推動5G與工業互聯網融合示范區建設,實現創新應用示范的落地。

引導社會資金加大5G與工業互聯網融合產業的投入,發揮國家專項資金的撬動作用,積極引導各類投資基金、銀行信貸向5G與工業互聯網融合領域傾斜,扶持中小微企業開展5G融合產品及應用的研發。


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