導讀：信息通信系統(tǒng)升級是智能制造中很重要的一環(huán)，5G在使能智能工廠多樣化需求方面，有著絕對的優(yōu)勢。
圖片來自“東方IC”
5G時代即將來臨，引爆了人們對未來變化的遐想。5G應用已經成了熱門話題，如5G AR/VR、5G車聯(lián)網、還有重量級熱點5G智能制造。那么5G智能制造是什么概念，5G對于智能制造有什么樣的意義?
制造業(yè)在國家層面乃至整個人類社會扮演著至關重要的角色，智能制造已然成為全球化課題和國家級戰(zhàn)略課題，很多國家都在智能制造領域進行了規(guī)劃和部署，如中國“中國制造2025”、德國“工業(yè)4.0平臺”、美國“工業(yè)互聯(lián)網計劃”等。
其中信息通信系統(tǒng)升級是智能制造中很重要的一環(huán)，5G在使能智能工廠多樣化需求方面，有著絕對的優(yōu)勢。
華為Wireless X Labs通過典型的智能制造應用場景和Use case，對智能制造對5G網絡的多樣化需求進行研究。X Labs是一個新的研究平臺，將運營商，垂直行業(yè)合作伙伴和行業(yè)領導者聚集在一起，共同探索移動應用的未來用例，推動企業(yè)和技術創(chuàng)新，促進開放的行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。如下為華為和德電針對5G端到端低時延網絡在智能制造領域的聯(lián)合展示。
廣義上智能制造是具有信息感知獲取、智能判斷決策、自動執(zhí)行等功能的先進制造過程及系統(tǒng)與模式的總稱。具體來看智能制造體現(xiàn)在制造過程的各個環(huán)節(jié)與信息技術的融合，如大數據、云計算、人工智能、物聯(lián)等技術。
簡而言之，智能制造具有以下特征：以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)的智能化為核心，以端到端數據流為基礎，以通信網絡為基礎支撐。通過自組織的柔性制造系統(tǒng)，實現(xiàn)高效的個性化生產的目標。
以汽車生產線為例，智能制造柔性生產過程中，定制化車輛通過云化的智能信息物理系統(tǒng)的調度在動態(tài)生產線上自主移動，完成生產步驟。動態(tài)產線可按需組合以滿足不同車型和配置的需要，實現(xiàn)車輛定制化的生產，并且產線智能生產將大大縮短定制化周期，同時也極大減少了汽車廠商的庫存以及資金占用，降低了生產成本。而傳統(tǒng)順序生產的汽車產線在靈活度上很難滿足高度定制化的需求，并且定制化生產周期更長。
智能制造為什么需要無線通信
了解什么是智能制造后，顯而易見智能制造過程中云平臺和工廠生產設施的實時通信、以及海量傳感器和人工智能平臺的信息交互，和人機界面的高效交互，對通信網絡有多樣化的需求以及極為苛刻的性能要求，并且需要引入高可靠的無線通信技術。
高可靠無線通信技術在工廠的應用來看，一方面，生產制造設備無線化使得工廠模塊化生產和柔性制造成為可能。另一方面，因為無線網絡可以使工廠和生產線的建設、改造施工更加便捷，并且通過無線化可減少大量的維護工作降低成本。
無線通信網絡在智能制造應用面臨哪些挑戰(zhàn)
在智能制造自動化控制系統(tǒng)中，低時延的應用尤為廣泛，比如對環(huán)境敏感高精度的生產制造環(huán)節(jié)、化學危險品生產環(huán)節(jié)等。智能制造閉環(huán)控制系統(tǒng)中傳感器(如壓力、溫度等)獲取到的信息需要通過極低時延的網絡進行傳遞，最終數據需要傳遞到系統(tǒng)的執(zhí)行器件(如：機械臂、電子閥門、加熱器等)完成高精度生產作業(yè)的控制，并且在整個過程需要網絡極高可靠性，來確保生產過程的安全高效。
此外，工廠中自動化控制系統(tǒng)和傳感系統(tǒng)的工作范圍可以是或者幾百平方公里到幾萬平方公里，甚至可能是分布式部署。根據生產場景的不同，制造工廠的生產區(qū)域內可能有數以萬計傳感器和執(zhí)行器，需要通信網絡的海量連接能力作為支撐。
5G網絡具備的能力
華為在北京懷柔率先完成了由IMT-2020(5G)推進組組織的中國5G技術研發(fā)試驗無線技術第二階段測試。在C-Band 的測試環(huán)節(jié)中，利用200MHz帶寬，通過5G新空口及大規(guī)模多入多出等技術進行測試，小區(qū)峰值超過20Gbps，空口時延在0.5ms以內，單小區(qū)大于1000萬連接。
和傳統(tǒng)的移動通信技術相比，5G將進一步提升用戶體驗：在容量方面，5G通信技術將比4G實現(xiàn)單位面積移動數據流量增長1000倍;在傳輸速率方面，單用戶典型數據速率提升10到100倍，峰值傳輸速率可達10Gbps(相當于4G網絡速率的100倍);端到端時延縮短5倍;在可接入性方面：可聯(lián)網設備的數量增加10到100倍;在可靠性和能耗方面：每比特能源消耗應降至千分之一，低功率電池續(xù)航時間增加10倍。
5G 使能工業(yè)AR應用
在未來智能工廠生產過程中，人將發(fā)揮更重要的作用。 然而由于未來工廠具有高度的靈活性和多功能性，這將對工廠車間工作人員有更高的要求。為快速滿足新任務和生產活動的需求，增強現(xiàn)實AR將發(fā)揮很關鍵作用，在智能制造過程中可用于如下場景：如：監(jiān)控流程和生產流程。生產任務分步指引，例如手動裝配過程指導;遠程專家業(yè)務支撐，例如遠程維護。
在這些應用中，輔助AR設施需要最大程度具備靈活性和輕便性，以便維護工作高效開展。因此需要將設備信息處理功能上移到云端，AR設備僅僅具備連接和顯示的功能，AR設備和云端通過無線網絡連接。AR設備將通過網絡實時獲取必要的信息(例如，生產環(huán)境數據、生產設備數據、以及故障處理指導信息)。
在這種場景下AR眼鏡的顯示內容必須與AR設備中攝像頭的運動同步，以避免視覺范圍失步現(xiàn)象。通常從視覺移動到AR圖像反應時間低于20ms，則會有較好的同步性，所以要求從攝像頭傳送數據到云端到AR顯示內容的云端回傳需要小于20mms，除去屏幕刷新和云端處理的時延，則需無線網絡的雙向傳輸時延在10ms內才能滿足實時性體驗的需求。而該時延要求，LTE網絡無法滿足。
5G使能工廠無線自動化控制
在自動化控制中，倒立擺是典型的應用。倒立擺原理用于機器人各種姿態(tài)控制、航空飛船對接控制等姿態(tài)控制等工業(yè)應用。華為X Labs通過倒立擺驗證5G對極低試驗自動控制的價值，研究表明，當倒立擺運行在4G模式下時，4G的過高時延，使得倒立擺的控制指令不能得到快速執(zhí)行，倒立擺起擺到穩(wěn)態(tài)的時間過長，達到13.2秒。
當運行在5G模式下時，5G的1ms超低時延，使倒立擺的控制指令快速執(zhí)行，起擺到穩(wěn)態(tài)只用4秒。通過對比，可以看到5G低時延網絡在自動控制的巨大價值，網絡端到端時延從4G的50ms減低至5G的1ms。
自動化控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環(huán)控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)的控制周期內每個傳感器進行連續(xù)測量，測量數據傳輸給控制器以設定執(zhí)行器。典型的閉環(huán)控制過程周期低至ms級別，所以系統(tǒng)通信的時延需要達到ms級別甚至更低才能保證控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制，同時對可靠性也有極高的要求。如果在生產過程中由于時延過長，或者控制信息在數據傳送時發(fā)生錯誤可能導致生產停機，會造成巨大的財務損失。
此外，在規(guī)模生產的工廠中，大量生產環(huán)節(jié)都用到自動控制過程，所以將有高密度海量的控制器、傳感器、執(zhí)行器需要通過無線網絡進行連接。
閉環(huán)控制系統(tǒng)不同應用中傳感器數量、控制周期的時延要求、帶寬要求都有差異，典型來看，周期時間和通信帶寬大小的一些典型值如下：
5G切片網絡可提供極低時延長、高可靠，海量連接的網絡，使得閉環(huán)控制應用通過無線網絡連接成為可能?；谌A為5G的實測能力：空口時延可到0.4ms,單小區(qū)下行速率達到20Gbps，小區(qū)最大可支持1000萬+連接數。由此可見，移動通信網絡中僅有5G網絡可滿足閉環(huán)控制對網絡的要求。
5G 使能工廠云化機器人
在智能制造生產場景中，需要機器人有自組織和協(xié)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。 和傳統(tǒng)的機器人相比，云化機器人需要通過網絡連接到云端的控制中心，基于超高計算能力的平臺，并通過大數據和人工智能對生產制造過程進行實時運算控制。
通過云技術機器人將大量運算功能和數據存儲功能移到云端，這將大大降低機器人本身的硬件成本和功耗。并且為了滿足柔性制造的需求，機器人需要滿足可自由移動的要求。因此在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網絡是云化機器人理想的通信網絡，是使能云化機器人的關鍵。5G切片網絡能夠為云化機器人應用提供端到端定制化的網絡支撐。5G網絡可以達到低至1ms的端到端通信時延，并且支持99.999%的連接可靠性，強大的網絡能力能夠極大滿足云化機器人對時延和可靠性的挑戰(zhàn)。
華為已與德國與制造企業(yè)開展智能制造領域的合作。如與Festo共同合作基于5G切片網絡的云化機器人的項目,項目通過5G uRLLC(超高可靠和低時延通信)切片網絡，針對云化機器人閉環(huán)控制系統(tǒng)的高可靠性和實時性的滿足度進行測試。
機器人的軌跡信息和控制數據在制造云中處理有助于系統(tǒng)計算能力的擴展和機器人平臺的節(jié)能。機器人生產服務與制造云的結合意味著將工業(yè)機器人的基本功能與高性能的計算系統(tǒng)進行實時協(xié)同，5G切片網絡使能了這一應用場景。
機器人與協(xié)同設施間的通信需求
在智能制造柔性生產中，移動機器人是關鍵的使能者。在生產過程中要求多移動機器人之間的協(xié)同和無碰撞作業(yè)，所以移動機器人之間需要實時進行數據交換滿足該需求。移動機器人和外圍設備間也需要進行通信。例如，如起重機或其他制造設施。因此移動機器人需要和周邊協(xié)同設施機進行實時數據交換。
隨著智能制造場景的引入，制造對無線通信網絡的需求已經顯現(xiàn)，5G網絡可為高度模塊化和柔性的生產系統(tǒng)提供多樣化高質量的通信保障。和傳統(tǒng)無線網絡相比，5G網絡在低時延、工廠應用的高密度海量連接、可靠性、以及網絡移動性管理等方面優(yōu)勢凸顯，是智能制造的關鍵使能者。
