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5G+智能制造, 推動制造業數字化轉型發展

2020年3月4日,習總書記在中共中央政治局常務委員會會議上指出,要加快5G網絡、數據中心等新型基礎設施建設進度。“新基建”的關鍵在于“數字基建”,尤其是新冠肺炎疫情爆發后,工業互聯網、大數據和5G等在疫情防控、復工復產等方面發揮了重要作用。加快推進“數字新基建”,不僅是當前對沖疫情、拉動投資、提振經濟的“緊急之需”,更是關乎制造業數字化轉型、經濟發展、社會發展和國家繁榮的“長遠之計”。

智能制造發展趨勢

從“再工業化”到“主宰的未來工業”,美國一直把智能制造放在重要位置。這次疫情過程中,美國一方面在進行疫情防控,一方面仍然在強調制造業回歸。2020年3月23日簽署的《保障5G安全及其他法案》和《寬帶部署準確性和技術可用性法》兩項法案說明,美國在進一步加強對我國5G技術的打壓,5G已成為中美高科技產業主導權爭奪戰的關鍵。

德國提出了“工業4.0”,在實施過程中,發布了“國家工業戰略2030”,放寬壟斷法,允許巨頭出現,事實上也是要進一步提升其核心競爭力。

在我國,“強國戰略”正在實施過程中,特別是疫情以后,要求進一步加強和提升。《中國制造2025》是我國實施制造強國戰略第一個十年的行動綱要,現階段由中國工程院牽頭正在制定“中國制造2035”的實施規劃。雖然疫情對整個經濟的發展特別是制造業產生了很大的影響,但是“強國戰略”不僅沒有停步,還在加速從制造大國向制造強國轉變。

智能制造對我國制造業來說,已經達到了全面的共識。我國企業對智能制造具有強烈需求,在實施智能制造過程中已經由政府主導轉變成為自主驅動,很多企業都在實施智能化、網絡化、數字化的改造和提升,這一點在疫情期間得到了充分的體現,實施了網絡化和智能化改造的企業受疫情沖擊的影響更能減少到最低的限度。

“新基建”推動制造業數字轉型發展

在討論“新基建”的過程中,更應該關注制造業數字化轉型發展。“新基建”帶來了5G、工業互聯網、大數據和人工智能等新一代信息技術,是數字轉型的重要驅動力,在防疫中也發揮了重要的作用。疫情壓力之下,制造業數字化轉型需求和市場被激活,數字“新基建”的基礎支撐作用愈發凸顯。新型數字基礎設施向產業加速滲透,促進新基建、新產業、新模式、新生態和新經濟同步發展。因此,“新基建”將促進工業互聯網、5G、人工智能和數據中心加速發展,為制造業高質量發展提供關鍵支撐。

以“新基建”為契機,加快制造業數字轉型,主要體現在6個方面:①加大數字“新基建”建設力度;②加強系統布局,組織實施制造業數字化轉型行動;③持續打造系統化、多層次的工業互聯網平臺體系;④推動制定數據治理規范,促進數據開發共享;⑤以信息化手段管控好供應鏈安全;⑥打造工業互聯網開源生態。

因此,“新基建”的推出在我國各地都得到了積極的響應,尤其是5G、人工智能、大數據、工業云、高鐵、新能源和特高壓等七大領域,各地已經制定了很多相關政策,相信在新一輪經濟發展中,“新基建”會成為重要的推動力,特別是5G會起到引領作用。未來智能制造發展的趨勢是基于“智能傳感+工業互聯網+人工智能+5G+數字孿生、云計算和邊緣計算”,構成新的技術的賦能,來助推制造業高質量發展。

5G+智能制造系統的新要求

5G是一個完整的產業鏈,在整個工業體系發揮著穿針引線的作用,如圖1所示。在基礎設施方面,我國在“新基建”中加大基站系統的建設,網絡架構也在加快部署,5G網絡設施按照“新基建”的要求可能要提前實施和完成。5G終端方面也帶來了一系列的產業的發展,例如芯片、處理器等。最重要的5G的應用場景方面,現階段智慧交通、智慧醫療、智慧教育、智能電網、文娛應用、物聯網平臺和工業互聯網等都得到了應用。因此,5G給整個產業鏈帶來了完整的推動作用。

圖1 “5G+”產業鏈全景圖

智能制造為什么需要5G?智能工廠里很重要的一個環節就是信息物理系統,海量傳感器的數據采集、數據處理和邊緣傳感等方面需要5G技術才能實現。設備互聯——包括云端機器人、云端控制器和設備主動溝通也需要5G技術才能實現。智能工廠要實現柔性制造,設備的無線化、模塊化生產和生產節拍的自適應等方面也亟需新一代的通信技術5G來實現。更重要的是工廠大腦指揮系統,需要以5G技術來實現人、機、物三元協同,軟件、硬件的有機結合。因此,5G為智能制造賦能。

5G的發展更重要的是互聯互通的特點。4G是移動互聯網的應用,5G實際上是萬物的互聯,這是一個革命性的變化,5G在數據傳輸速率、移動性、傳輸時延和終端連接數量等方面的技術優勢能夠在工業特別是智能制造方面得到顯著的體現。

5G+智能制造怎樣和工業進行融合?5G技術將逐步向工業領域滲透。企業內網中,5G將成為工業有線網絡的重要補充。在企業外網中,5G結合SDN、NFV等新型網絡技術,支撐智能制造中個性化定制、遠程監控、遠程運維和智能服務等新模式的發展。5G的應用場景包括:①智能化生產方面,通過云化工業機器人進行智能化生產,AR/VR輔助裝配,實施在線檢測;②服務化延伸方面,遠程監控產品運行情況,在線智能化運維;③網絡化協同方面,通過AR/VR進行輔助交互設計和協同設計,縮短產品研制周期;④個性化定制方面,交互式個性化產品配置、智能化物流及無人倉庫等。

5G+智能制造網絡化是一個重要支撐,在工廠內網絡要支持工業控制、信息采集和先進人機交互的應用需求,支持制造工廠內的精確定位和高帶寬;在工廠外網方面,要支持多業務場景、多服務質量、多用戶及多行業的隔離和保護,支持及提升制造工廠內邊緣智能化。在智能工廠的整體架構方面,要把5G技術融入整個智能工廠體系,傳統的智能工廠里有許多現場總線、控制環網及工廠網絡方面的技術,以5G作為新的網絡技術的推動,可能要改變現有的智能工廠的組織體系架構,使之更能適應于人工智能和大數據在智能制造的深度應用,使5G能夠深度賦能數據的全面推動,也是5G對整個智能工廠體系架構帶來的新的變化。

工業現場執行、工業現場控制和工業云服務方面,都要用5G技術來推動OT和IT的融合。所以說,5G網絡加速實現OT和IT的融合,生產全生命周期的打通,有效降低客戶成本,并且兼顧工業行業通用性,具有可推廣價值,如圖2所示。5G+智能制造的應用場景在這次疫情防控中,5G發揮了很大的作用,各大媒體都有報道,案例也很多,例如紅外成像體溫監測、機器人遠程巡查、遠程視頻會議、超高清視頻疫情報告、無人機遠程社區巡查及基于大數據的隔離監控等,5G與新型技術的融合為疫情防控提供了全方位的支撐。

圖2 5G網絡加速實現OT和IT的融合

5G+智能制造面向電力裝備行業也能得到很多應用,電力裝備行業主要包括水電、燃機、風電、火電和核電等方面。當前,電力裝備行業對設備制造智能化要求越來越高,對實時加工過程監控要求越來越高,對質量檢測實時性精度要求越來越高,對裝配過程精度效率要求越來越高,這是電力裝備行業面臨的問題。

在輸配電方面更加凸顯,新基建里很重要的一個環節就是特高壓輸變電,輸變電裝備的生產制造過程中也需要大量新的5G技術的應用,典型環節是:①零部件多材料多,需要實時盤庫實現動態庫存和物流管理;②輸變電裝備遠程運維的需求明確,需要實現在役設備智能遠程運維;③輸變電裝備產品差異性定制化特點需要利用數字化模型實現全生命周期的管理。輸配電要在新基建中發揮更重要的作用,5G技術是一個很重要的環節。

5G+智能制造到底在哪些場景得到應用?上海工業自動化儀表研究院做了很多的研究和探索,并實踐了一些5G工業應用示范項目,主要體現在以下幾個方面。

1)產品研發設計。基于5G的產品研發設計以數字化設計制造為基礎,構建設計、工藝和制造相互協同的生產模式。利用5G+AR/VR技術,實現信息貫穿和共享。由計算機提供強大的建模和仿真環境,使產品的零部件從設計到工藝到生產及裝配過程各環節的內容都在計算機上仿真實現,進行優化或系統設計,使產品研發的信息貫穿至各環節充分共享。

2)智能檢測。5G+云為發電設備工廠實時在線圖像檢測、數據分析帶來了可能。基于5G的數據分析檢測體現在工廠的生產制造中,處于底層的傳感器每天都會產生龐大的數據量,基于5G的海量網絡技術,通過大數據并發,合理處理和運用數據,建立專家庫系統,基于數據分析物料缺陷,實現5G的智能檢測。基于5G的視覺檢測區別于傳統的人工觀察,視覺檢測能夠清晰的觀測物料的表面缺陷,視覺檢測包含更大的數據量,需要更快的傳輸速度,5G能夠完全解決視覺檢測的傳輸問題。另一方面,三維模型的實時渲染需要極大的帶寬支持,基于5G的VR技術運用于工業生產的故障檢測中,可提升檢測的安全性,提高員工的幸福感。

3)智能裝配方面,5G+AR/VR實現了實時工步引導,精確智能裝備過程。傳統的裝配工作需要大量的低效率、低可靠性的人工,產生的人為干預因素非常多,通過5G進行信息系統和物理系統的融合,以用戶為中心,利用機器視覺、工步引導等技術,結合深度學習等算法智能化開拓自動化柔性生產方式,通過靈活性和快速響應來實現多樣化和定制化,以提供個性化地產品獲得競爭優勢,贏得市場。這在許多高端裝備、大部件對接方面已經得到應用,在電工行業也能得到很廣泛的應用。

4)智能監控。電氣行業在生產制造過程中,都需要第三方的監造、監控,同時產生海量數據和質保文件,如何建立基于網絡的5G的監造系統,值得思考。5G+圖像識別處理分析邊緣計算基數,連接工業大腦,完成工況實時加工過程的監控及預判,杜絕生產安全隱患。

5)實時控制。低時延是5G一個很重要的特點,無線網絡通信技術是工業制造里很重要的環節,因此5G的低時延、多并發特點可以完成閉環回路控制要求,真正實現在制造過程中對于高端裝備的無線控制。所以說5G時代可能要顛覆傳統的工業無線技術的控制模式和方式,但是這對可靠性的要求更高,還在進一步的研究和探索。

6)多機協同。智能制造很重要的一點就是要實現柔性生產,柔性生產需要多機交互和人機協同,只有通過5G超密集異構網絡為智能制造過程實現人機協同和多機協作,實現去中心化,從而提升生產過程中的可變性與容錯率。

7)云化機器人。在智能制造生產場景中,需要機器人有自組織和協同的能力來滿足柔性生產,這就帶來了機器人對云化的需求。機器人云化的過程中,需要無線通信網絡具備極低時延和高可靠的特征,5G網絡可以達到低至1 ms的端到端通信時延,并且支持99.999%的連接可靠性,也就是說“5G+”可以實現工業機器人云端化操控,使之真正實現智能工廠的柔性制造。

8)智能立體倉庫。在生產制造過程中需要大量的智能立體倉庫,在智能倉儲中利用現有的網絡技術來實現輸送分揀系統、實時通信系統和快速盤庫系統都達不到其真正的要求,建立基于5G的智能立體倉庫才能實現實時盤庫、優化AGV調度和智能管理。

9)智慧物流。5G可以為智能制造過程中的物料管控、物流智能規劃和多機協同的實現提供數據通道保障。傳統AGV存在很多不確定性,因此5G+智能制造系統中,智慧物流也是一個很重要的環節。

10)遠程運維。現有的網絡體系有很大的局限性, 5G大帶寬、低時延特點,結合AR/VR技術實現故障遠程診斷、遠程實時分析,能夠真正實現遠程運維智能化。這也是5G在電力裝備行業將要發揮的一個很重要的作用。

11)數字孿生。許多企業在實施智能工廠的過程中都在討論數字孿生,數字孿生也就是將物理世界與虛擬世界進行有機結合,使之更加同步。傳統的網絡技術無法實現其渲染系統,只有通過建立基于5G的網絡技術,才能打破物理世界與虛擬世界間的鴻溝,實現真正意義上的數字孿生系統,建立透明工廠。

12)信息安全。在工業應用里很重要的一點是安全保障體系,沒有安全的網絡技術是無法實現的,所以在實施5G+智能制造系統時更加要關注工業信息安全態勢感知。5G應用實現無所不在的互聯,在網設備、系統、人的信息安全需要有相應的平臺來保證。

系統創新,標準先行。5G技術在不斷進步和發展,變化非常大,智能制造系統也在不斷地發展,如果把智能制造與5G技術有機結合,有許多標準體系需要進一步提升。利用5G特性將生產現場的處理器、傳感器等設備連接起來,使得機器人之間可以進行通信,可以互相溝通,A I就可以分析傳感器上傳的數據,拓展到一條條數字化生產線,再到局部相互連接的智能系統,最后構建出巨系統。即通過5G技術將系統的IT、OT與CT層緊密地融合在一起,成為一個整體,支持新一代智能制造系統。因此,工業應用中5G標準體系的建設也迫在眉睫!

5G+智能制造應用落地挑戰

“新基建”發布以后,5G+智能制造新政策密集發布,國家不同的會議、不同的部門都在提出要進一步振興疫情后的經濟,其中一個很重要的內容,就是加速5G網絡的建設。

5G已不僅僅是通信技術,而是信息技術和通信技術的融合,在各個垂直細分市場,諸多應用都存在大量個性化地需求,硬件、軟件和工程服務等各方面的產業機會競相涌現。畢竟5G是一個新的技術,也存在很多的問題,智能制造的需求也在不斷增加,如何使5G技術真正解決關鍵技術的瓶頸問題,正在加緊研究。

5G+制造應用于垂直行業的難點,需要從幾個方面考慮。①需要專注5G標準,打造工業5G標準體系,5G SA的技術標準R16尚未凍結,工業應用中5G標準體系的建設迫在眉睫。②亟待開發5G工業芯片,致力解決行業產業鏈問題。5G場景應用中包括終端、芯片等產業鏈并未完全成熟,由于設備成熟度還不高,規模部署后,未來還需承擔大量設備優化、替換成本。③探索運營模式,助力5G商業推廣。5G盈利模式尚不清晰,5G投資和運營成本均顯著高于4G,盡管一些解決方案已經落地,但規模推廣與商業模式還不清晰。④提升行業數字化,結合5G提質增效。很多制造行業基礎的自動化、信息化和數字化水平還需要進一步提高,結合5G的技術優勢可以更好地提高效率、提高產能。

5G+智能制造發展行動

未來,在5G+智能制造方面國家層面可能要采取幾個措施。

1)加速5G、人工智能、大數據等新技術在制造業的應用。推動5G、人工智能、大數據在智能制造的深度應用,建立若干個典型應用場景,實現5G的廣泛應用、AI深度賦能、數據全面驅動,推進5G+人工智能+制造,通過AI深度融合,加速制造業智能化轉型升級,推動智能制造協同創新發展。

2)加強新一代信息基礎設施建設,實現5G工業場景應用推廣。結合邊緣計算、人工智能、大數據和超高清視頻技術,開展基于5G網絡特性的行業應用研究。支持基于5G的遠程機器控制、設備實時監控、云化實時監控、AR輔助裝備與遠程協調等應用,借助5G技術打通企業生產流程,實現設計、生產和銷售各環節的互聯互通。圍繞5G創新應用形成行業標準,推動共性關鍵技術的轉化,培育5G生態鏈企業。

3)聚焦重點產業,實施5G+智能化轉型和新模式應用。以5G的高可靠、低時延推進汽車、電子信息、民用航空、生物醫藥、高端裝備、綠色化工及新材料等行業的智能化轉型和新模式應用,打造具有較強競爭力的產業集群,實現多工廠遠程操控與生產聯動等功能。

4)充分發揮產、學、研、用、政緊密合作優勢,打造5G+智能制造生態圈。聚焦5G賦能智能制造應用,引領全國5G+智能制造產業應用布局方向。著力攻克一批5G+智能制造關鍵技術,著力協助一批具有較強市場競爭力的5G+智能制造獨角獸、隱形冠軍企業,成為5G+智能制造解決方案輸出策源地。創新5G賦能新一代智能制造系統架構,創新搭建5G+智能制造技術、產業平臺,創新推動5G、人工智能和大數據在智能制造的深度應用,成為5G+智能制造平臺和標準制定高地。

這也是疫情后我們關注的重點,我們希望進一步加強協同合作,推動跨界融合,構建創新的平臺,聚焦重點行業,打造基于5G+智能制造的產業集群,來推動新技術在傳統制造業智能化轉型升級過
程中的應用和發展,使之成為我國實現由制造大國向制造強國的轉變的重要推動力。

(本文根據國家工信部智能制造專家咨詢委員會、上海智能制造產業協會徐洪海在2020年中國電氣工業發展高峰論壇上的演講實錄進行整理)

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