5G+智能制造十大典型应用场景 | 附下载
5G技術切合了傳統制造企業智能制造轉型對無線網絡的應用需求，能滿足工業環境下設備互聯和遠程交互應用需求，在協同設計、 自動控制、柔性生產、輔助裝配等十大工業典型應用領域中起著關鍵支撐作用。
下面我們來看看5G+智能制造十大典型應用場景。
01
5G+協同設計
當前制造產業正面臨成本優勢向技術優勢轉型的壓力，不斷地開發出技術含量高、具有自主知識產權的新產品，已成為制造業產業鏈的競爭焦點。傳統的產品研制通常是采用按順序作業的工程方法，企業的設計、工藝、檢驗、制造都是相互獨立的活動，組織和管理也如此。設計人員往往無法考慮制造工藝方面的問題，造成設計與工藝制造環節的脫節，同時產品質量也無法保證。
5G 通信系統憑借大帶寬、低時延、大連接的網絡，不僅能實現多路的高清視頻回傳以及實時的數據分析反饋，同時 5G 的安全性與 穩定性也是在原有 4G 網絡基礎上有了進一步的優化，可以滿足大部分對工廠信息安全有較高要求的客戶。VR 技術將輔助工業設計，使遠程的工作人員進入同一個虛擬場景中協同設計產品。
基于 5G 的產品協同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 AR、VR 技術，可以將所有模塊 AR、VR 化，最終組合起來形成整個設備的總控。
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。
復雜設備或者高端設備制造，需要許多供應商的參與，再最后整合。
使用的材料及材質的強度， 都可以通過虛擬樣機進行認證或者模擬仿真，對研發效率的提高和研發成本的節約有極大幫助。
產品協同設計將改變傳統的設計研發模式，以數字樣機為核心，實現單一數據源的協同設計并行工作模式， 保證設計和制造流程中數據的唯一性。
基于大帶寬的遠程設計虛擬仿真
02
5G+自動控制
自動控制是制造工廠中最基礎的應用，核心是閉環控制系統。在該系統的控制周期內每個傳感器進行連續測量，測量數據傳輸給控制器以設定執行器。典型的閉環控制過程周期低至 ms 級別，所以系統通信的時延需要達到 ms 級別甚至更低才能保證控制系統實現精確控制，同時對可靠性也有極高的要求。由于 4G 的時延過長，部分控制指令不能得到快速執行，控制信息在數據傳送時易發生錯誤，導致生 產停機，造成巨大的財務損失。
在規模生產的工廠中，大量生產環節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、執行器需要通過無線網絡進行連接。閉環控制系統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。
5G 切片網絡可提供極低時延長、高可靠，海量連接的網絡，使得閉環控制應用通過無線網絡連接成為可能。
其中，5G下行峰值速率 20Gbps，它的速率達千兆級 4G 網絡的 20 倍。同時 5G 網絡時延低至 1ms，比較 4G 網絡，端到端延時縮短 5 倍，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，實現高精度時間同步。
5G 工業實時控制模型
工業實時控制分為兩個部分：設備自主控制和遠程實時控制。
其中，設備自主控制主要體現在端到端的通訊。基于 5G 的移動邊緣計算（MEC）技術，將服務器盡量下沉，部署在無線網絡的邊緣。這樣終端與服務器交互時只需要一跳，從而能大幅壓縮端到端的時延。
遠程實時控制為了達到遠程控制的效果，受控者需要在遠程感知的基礎之上，通過 5G 通信網絡向控制者發送狀態信息。控制者根據收到的狀態信息進行分析判斷，并作出決策，通過 5G 通信網絡向受控者發送相應的動作指令。受控者根據收到的動作指令執行相應的動作，完成遠程控制的處理流程。
03
5G+柔性生產
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。
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，對機器的靈活性和差異化業務處理能力提出較高要求。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，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。
基于 5G 技術的 eLTE 相關技術抗干擾性更強，同時 5G 通信可聯網設備數量增加 10-100 倍，覆蓋面積更廣泛（傳輸距離達 10KM）， 能夠更好的獲得整體數據信息。同時，5G 網絡支持 99.999%的連接 可靠性，5G切片網絡也能為云化機器人應用提供端到端定制化的網絡支撐，使機器人具備自組織與協同能力。
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。
04
5G+輔助裝配
工廠以往的裝配過程是剛性自動化的傳統方式，需要人工操作找正位置才能夠裝配成功。生產現場裝配工藝傳達不到位，復雜工藝施工難度高，且施工過程及結果沒有很好的核對手段，裝配順序、工藝參數等查閱不便。
智能輔助裝配對傳輸延時有很高的要求，在 4G 網絡下，由于帶寬和傳輸速度的限制，視頻等信息的傳輸有時會卡頓。采用 5G 網絡后，為快速滿足新任務和生產活動的需求，AR、VR 將發揮很關鍵作用。
利用 5G 網絡的低時延、高帶寬和高可靠性，能夠實現多個智能裝配臺之間的協同工作。
基于 5G、AI、AR 等技術的高度融合，可以形成一套成熟的智能裝配方案，防止人為失誤和無關人員操作，全過程作業指導，提高裝配的品質。
通過模擬裝配過程，可以輔助確定相關的工藝信息。
在裝配過程操作各環節，為工人提供詳細的裝配過程注意事項與操作細節指導；采用基于 AR 的協同裝配方法，不僅可以傳遞 3D 模型和難以用具象內容表示的交互信息，還可以傳遞實景交互內容，隨著對方的 3D 場景信息而變化的動作，讓工藝人員通過語音、標記等交互手段對工人進行直觀地指導。
基于增強現實的AR輔助工藝裝配
05
5G+質量控制
現階段工業品的質量檢測基于傳統人工檢測手段，稍微先進一點的檢測方法是將待檢測產品與預定缺陷類型庫進行比較，上述方法的檢測精度和檢測效率均無法滿足現階段高質量生產的要求，缺乏一定的學習能力和檢測彈性，導致檢測精度和效率較低。而且由于計算能力較弱，4G 的時延過高、帶寬較低，數據無法系統聯動，處理都在線下進行，耗費極大的人力成本。
基于 5G 的大帶寬低時延，通過 5G+AI+機器視覺能夠觀測微米級的目標；獲得的信息量是全面且可追溯的，相關信息可以方便的集成和留存，從而改變整個質量檢測的流程。
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。
基于5G的高精度在線檢測
基于 5G 的智能檢測，通過大數據并發，能夠合理運用處理大數據，建立專家系統，同時，基于數據對生產制作過程中物料缺陷檢測、探傷。
生產制造數據通過 5G 網絡上傳與下行，借助 5G 的高速運算能力，識別異常數據，將數據與專家系統中的故障特征對比，形成基于 5G 的故障診斷系統。
攝像機可拍攝出要檢測的物料或產品，傳輸給信息系統，系統進行視覺識別后進行計算，并對比系統中的實物，判斷物料或產品是否合格。
5G智能檢測不需要檢測人員自帶手持設備觀察波圖等，直接通過分析數據的方式確定故障，極大降低檢測時間，提高了故障排除率。
06
5G+遠程運維
大型企業的生產場景中，經常涉及到跨工廠、跨地域設備維護，遠程問題定位等場景。
傳統的車間運行維護讓工程師疲于奔波，消耗企業大量的人力物力。工廠中傳感器連續監測數據上傳，日常制造數據龐大，大數據需作為設計必要考慮的問題。
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，提升生產數 據采集的及時性與 AI 感知能力，為生產流程優化、能耗管理提供網絡支撐。
5G 具有百萬級別的可連接物聯網終端數量，在機械設備、工具、儀器、安全設備上加裝壓力、轉速等傳感器，通過加裝 5G 物聯網通信模塊，將采集到的運行數據發送到云端，替代現有狀態感知的有線傳輸方式，滿足端到端的數據傳遞。
5G 傳感器信號的無線傳輸，具有低延時，無相互干擾，可靠性高，傳感器布局覆蓋面更廣的優勢特性。通過設備上傳感器安裝的廣覆蓋，直接將采集數據傳遞到云端，進行大數據分析等應用。基于邊緣計算、云端計算、數據分析，結合 設備異常模型、專家知識模型、設備機理模型，對產品運行趨勢分析后，形成產品體檢報告，提出預測性維護與維修建議。邊緣計算、云計算與知識庫資源相結合，建立分析模型，形成預測報告。提高設備有效作業率，提升設備使用壽命，建立設備維護與維修標準。
遠程運維的實施
5G 廣覆蓋、大連接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。將設備狀態分析等應用部署在云端， 同時可將數據輸入到設備供應的遠端云，啟動預防性維護，實時進行專業的設備運維。
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。借助 5G 的高速運算能力，可以有效識別異常數據，將數據與專家系統中的故障特征對比，形成基于5G的故障診斷系統。
07
5G+透明工廠
在智能工廠生產的環節中涉及到物流、上料、倉儲等方案判斷和決策，生產數據的采集和車間工況、環境的監測愈發重要，能為生產的決策、調度、運維提供可靠的依據。傳統的 4G 通訊條件下，工業數據采集在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲、可靠性和安全性等方面存在各自的局限性，無法形成較為完備的數據庫。
5G 技術能夠為智能工廠提供全云化網絡平臺。精密傳感技術作 用于不計其數的傳感器，在極短時間內進行信息狀態上報，大量工業級數據通過 5G 網絡收集，龐大的數據庫開始形成，工業機器人結合云計算的超級計算能力進行自主學習和精確判斷，給出最佳解決方案，真正實現可視化的全透明工廠。
在一些特定場景下，借助 5G 下的 D2D（Device-to-Device，意為：設備到設備）技術，物體與物體之間直接通信，進一步降低了業務端到端的時延，在網絡負荷實現分流的同時，反應更為敏捷。生產制造各環節的時間變得更短，解決方案更快更優，生產制造效率得以大幅度提高。
同時，通過 5G 網絡高通量的帶寬，采用人臉識別技術、行為識別技術和安全預警，實現利用分布在不同地點的多個相機去檢測和區分每一個人，得到某段時間內某人或者某幾個人在一定區域內的工作軌跡。
采用深度學習和數據分析進行質量檢測、生產過程控制中的行為識別與軌跡追蹤，優化資源配置，及提高工人的操作水平與工作效率。
利用 5G 技術監控整個生產工程，對生產過程中可能出現的傷害行為通過智能算法進行預判，給出安全預警，將使整個生產過程都在管理范圍內，更加安全、有效。
08
5G+倉儲管理
立體倉庫具有很高的空間利用率、很強的入出庫能力、采用計算機進行控制管理而利于企業實施現代化管理等特點，已成為企業物流和生產管理不可缺少的倉儲技術，越來越受到企業的重視。
隨著科學技術、信息技術、自動化生產技術及商品化經濟的迅速發展, 生產中所需原材料、半成品、成品及流通環節中的各種物料的搬運、儲存、配送及相應的信息已經不是一個孤立的事物。
傳統智能立體倉庫包含倉儲控制系統軟件（WCS）、倉庫管理系統（WMS），倉儲信息需回傳計算機控制管理軟件分析處理。但由于 4G 網絡的傳輸速率過慢及時延較高，傳統倉儲管理無法做到及時盤庫和自動補貨。
5G+智能倉儲管理基于海量網絡、即時通訊及低延時高可靠性等技術，對物料信息實時追蹤，可實現連續補貨。通過指導式的方式去協調各部分之間的關系促進立體倉庫高效流轉，適用于新型柔性制造需求。5G 功能特色及優勢在于降低了傳統的智能立體倉庫的時延， 提升了智能立體倉庫的運算能力，實現了倉儲系統的自我運轉及功能開發策略的提升。
當智能立體倉庫監測到庫位信息后，在邊緣端分析產線中物料的運轉情況，利用 5G 的特性極速盤庫，得出產線需求及庫存信息，同時，智能立體倉庫自行發送取貨及補貨指令給運輸裝置， 即實現了立庫端到產線端及運輸設備端的信息互通。
實際立體倉庫模型
基于 5G 的智能倉儲管理通過海量網絡、即時通訊及低延時高可靠性等技術，對物料信息實時追蹤，可實現連續補貨。通過指導式的方式去協調各部分之間的關系促進立體倉庫高效流轉，適用于新型柔性制造需求。
5G 功能特色及優勢在于降低了傳統的智能立體倉庫的時延，提升了智能立體倉庫的運算能力，實現了倉儲系統的自我運轉及功能開發策略的提升。
當智能立體倉庫監測到庫位信息后，在邊緣端分析產線中物料的運轉情況，利用 5G 的特性極速盤庫，得出產線需求及庫存信息。
同時，智能立體倉庫自行發送取貨及補貨指令給運輸裝置，即實現了立庫端到產線端及運輸設備端的信息互通，整體優化倉儲系統，提高了企業生產效益和現代化管理水平。
09
5G+物流供應
在 RFID、EDI 等技術的應用下, 智能物流供應的發展幾乎改善了傳統物流倉儲的種種難題。但現階段 AGV 調度往往采用 WIFI 通信方式，存在著易干擾、切換和覆蓋能力不足問題。4G 網絡已經難 以支撐智慧物流信息化建設，如何高效快速的利用數據區協調物流供應鏈的各個環節，從而讓整個物流供應鏈體系低成本且高效的運作是制造業面臨的重點和難題。
5G 具有大寬帶特點，有利于參數估計，可以為高精度測距提供支持，實現精準定位。5G 網絡延時低的特點，可以使得物流各個環境都能夠更加快速、直觀、準確的獲取相關的數據，物流運輸、商品裝撿等數據能更為迅捷的達到用戶端、管理端以及作業端。5G 高并發特性還可以在同一工段同一時間點由更多的 AGV 協同作業。
基于5G的物流供應
基于 5G 的智慧物流著重體現設備自決策、自管理及路徑自規劃，實現按需分配資源。
通過 5G 低延時的網絡傳輸技術建立設備到設備 （D2D）的實時通訊，并利用 5G 中的網絡切片技術完善高時效及低能耗的資源分配，最終實現智能工廠中 AGV 轉運車的智能調度和多機協同，讓生產過程中與物料流轉相關的信息更迅捷地觸達設備端、生產端、管理端，讓端到端無縫連接。
一套工裝智能配送系統包括 AGV 小車設備（集成叉車功能）、 掃碼與工卡識別設備、手持終端呼叫設備、調度系統、與工裝管理系統信息交互設備，自動充電樁等。
在手持終端呼叫設備上將工裝信息發送至調度系統，調度系統接收到工人發出的指令得到工人的工位信息、工人的身份信息和物料的信息等，然后調度系統指派適宜的 AGV 小車至庫料區，AGV 上需安裝 RFID 識別器，根據調度系統給出的指令，對于物料進行自動識別轉運。
物料從庫區或立庫到工位的轉運，自主規劃最優路徑到達目的地，利用 5G 傳輸圖像通過深度學習平臺進行實時避障，還需實現自動開關車間升降門；到達工位后，工人通過員工卡或其他設備掃碼設備完成物料登記后方可提取；完畢后， AGV 小車再根據調度系統指令，繼續進行配送或在指定區域休息（自動充電），無需人員干涉分配，這就是基于 5G 的智慧物流供應。
10
5G+培訓指導
傳統工業培訓缺乏專業的教學訓練，設備實際開機也耗費大量成本，培訓場地及人數受限，因此總體上而言培訓效率不高、效果不佳。
基于 5G 的大帶寬、低時延等特性，能夠利用云端的計算能力實現 AR/VR 應用的運行、渲染、展現和控制，并將 AR/VR 畫面和聲音高效的編碼成音視頻流，通過 5G 網絡實時傳輸至終端。
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。
基于5G的AR培訓
5G+培訓指導以網絡為載體，通過結合 AR、AI、圖像處理等技術，使人員實現更低成本、更高效率的培訓和考核。
通過具有采集功能的終端，如 AR 眼鏡、手機等設備通過以定制化的程序將圖像、聲音等信息實時通過 5G 高速網絡傳回至云端培訓平臺，平臺結合定制化的智能分析系統對數據進行分析處理，可實現信息下發、培訓及考試情景再現等功能，最終為廠內員工的復雜裝配培訓提供有效記錄， 并為追溯人員培訓及考核過程中的問題提供數字化糾查能力。
采用 5G、AR 技術，結合三維建模、爆照圖、拆裝動畫，可指導用戶遠程開展可視化培訓，通過 AR 實時標注，智能交互，超清 5G 即時通訊等交互手段能夠實現云端與現場實時數據傳輸，實現遠程協助技術人員及時介入，有效提升產品維修效率和裝配、維修質量。
基于 VR 技術完成設備的虛擬開機流程培訓，可有效降低設備實際開機帶來的成本。采用三維虛擬表達方式展示工業流水線和工業企業的內部結構，了解工業工廠環境和構成和操作工序，在對應環境中針對動火作業，機器人維修，高空作業，軋機作業等操作要求模擬安全防護的動作和要求，可讓培訓人員感受廠區環境、工種協同操作、作業流程、安全防護點和要求同時演示系統能夠展示各部件、組件的組成結構、裝配關系、運作原理及拆裝的流程。
另外，通過 5G 技術還能夠將工廠和生產線搬進教室，在培訓指導領域通過移動教室實現培訓和指導，實現真正意義上的立體化教學。
本文摘自《5G+智能制造白皮書（2019）》，如需下載完整版白皮書，請掃碼前往我們公眾號對話框回復“智能制造”即可。
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編輯：陳穎思
本文由5G產業圈編輯整理自中國信息通信研究院華東分院，本次分享僅供學習交流，不作商業用途，如有問題，請留言。
總結
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