“5G+工业互联网”四大应用场景

　　随着新型基础设施建设加速推进，作为其主要领域的5G和工业互联网备受关注、持续升温。

　　5G是新一代移动通信技术，不仅可以带来良好的移动互联网体验，还将成为智能制造、智能医疗、智能政务、智慧城市以及自动驾驶等领域的关键支撑技术;工业互联网平台则是代表了新一代信息技术与制造业深度融合创新大方向的顶级生态系统，既包括生产设备、材料和产品等硬件领域，也包括各种管理软件、数据和服务领域。

　　5G开启万物互联的数字化新时代，工业互联网是5G最主要的应用场景，“5G+工业互联网”将是产业融合的重要方向，可进一步促进各生产要素间的高效协同，助力企业实现数字化转型升级。

　　场景一：感知式管理生产过程

　　传统工业时代，生产设备、原材料和能源是工业生产的三个基本要素。传统制造业的发展历史，其实就是企业利用生产设备、原材料和能源进行物质生产的历史，每一次生产设备、原材料和能源领域的技术革命都催生了生产方式的变革和生产力的飞跃。

　　但是，近年来，随着物联网、移动互联网、云计算、大数据等新一代信息技术的快速发展，越来越多的生产设备及零部件以无线方式实现了与互联网或其他终端设备之间的互联，由此衍生出工业互联网。

　　随着信息技术与制造业日益深度融合，工业生产朝向数字化转型升级的趋势愈发明显，数字化的知识和信息数据已成为企业的关键生产要素(如图1所示)。

 

　　5G可支持每平方公里内百万级别“物”的连接，并提供工业级的可靠性和实时性，这些能力使得5G能够成为支撑工业互联网战略顺利实施的关键基础设施。正是这种“大规模连接”能力的升级，才使得生产资源、信息数据、物品物料、生产设备和员工能够全面实现互通互联。

　　未来，通过全面的互通互联，云计算、大数据和区块链等新技术将与自动化技术结合，使得生产工序实现纵向集成，设备与设备之间、员工与设备之间的协同合作将整个工厂内部全部连接起来，可以相互之间发出请求并及时响应，还可以调整利用资源的多少及产品的生产率，开展个性化的柔性生产。

　　工业互联网时代，企业必须确保基本生产工序与物品物料和设备之间的互联互通，以感知实时决策所需的各项数据。

　　一方面，传感器遍布企业的各个生产设备之中，系统可不断从各个流程感知数据，确保数据实时更新;

　　另一方面，通过整合来自企业运营系统(ERP等)、业务系统(MES等)以及供应商和客户的数据，可全面、动态、实时地掌控供应链上下游各个环节的所有流程，从而提高企业供应链网络的整体效率。

　　工业互联网中，在设备/产线原有的自动化控制功能基础上，通过附加“感知”这一新功能，即可实现生产安全和产品生命周期管理等智能化指标要求。

　　这些附加于生产设备的“感知”功能指通过为设备/产线配置众多物联网传感器或5G无线网络通信模块，将所感知的信息数据通过无线网络传输到工业互联网平台背后的数据中心或智能计算中心，再通过大数据分析，实现智能决策，使得设备/产线具有可视化、可控化、自动化和自我优化等功能，从而实现设备/产线的智能化，形成感知式的管理生产过程(如图2所示)。

 

　　通过感知数据，再经过对大数据的挖掘分析，未来的生产过程可实现高可靠性、高稳定性运转，每个生产环节清晰可见，最大限度地降低人工干预，使整个企业有序高效地自动运营。

　　形成感知式管理生产过程之后，企业可以实时掌握生产资源状况;同时随着产品全生命周期管理系统与生产调度系统的优化，原材料使用和能源消耗也会更加节约，从而进一步促进企业降本增效。

　　通过感知，企业可以识别生产过程的各种异常情况，监控生产安全，及时进行设备维修、储备并补充库存、发现并提前解决质量问题;通过感知，企业能够基于历史数据与实时采集数据的对比分析，预测产量和销量，从而提高生产效率、产品产量与质量，及时调整生产调度和供销存体系，同时预防生产安全等问题。

　　基于上述特征，企业可全面、实时掌控生产管理系统及各类资源，有效应对内外部各种不确定因素带来的挑战，更加灵活地响应多样化和个性化的市场需求，更加柔性地应对不断变化的上游供应商和下游客户的需求。

　　场景二：预警式管理设备状态

　　以自动化为标志的工业3.0时代，企业在降低劳动力成本的同时，加大了设备资产的占比，这使得设备的远程诊断与运维服务面临巨大的挑战。因为设备无论如何自动化，也回避不了磨损与老化等问题;同时，制造业是以一个个零部件组装为主要工序的工业领域，由于机械加工设备的结构及其技术复杂程度较高，设备维修难度较大，致使设备故障频繁、损坏程度严重，这些都制约了企业设备管理水平的提升。

　　通过“5G+工业互联网”，企业能够进一步增强对设备状况的把握，并通过实时监控追踪、报警等手段，确保生产调度等决策更加合理、精准，管理系统可预见即将出现的问题与挑战，并提前主动应对，而非等待问题发生后再被动响应。

　　据报道，德国博世公司已经与诺基亚合作开展工厂无线化试验。数据显示，相对于Wi-Fi以及4G，5G更具低时延和高稳定性。博世公司称，相对于工厂生产线大规模停止，部分关键工序短时间停止的损失更大，而那些精度要求较高的工序，关键就在于快速响应(低时延)。也就是说，关键生产任务需要保证网络的稳定性、可靠性、灵敏度以及大流量数据分析和处理所需的高网速。

　　传统的工厂很难敷设光纤，而无线通信技术Wi-Fi难以扩展，速率以及抗干扰性能都不强。制造车间因Wi-Fi的延迟可能导致高昂的代价，如限制了生产力的提升，并降低了利润。

　　在一些发达国家的企业中，移动互联网连接已经比Wi-Fi使用更广。为了利用更高的数据速度及可靠性，许多企业正在考虑建设5G局域网络。相比于4G，5G除了网速提高10倍(或更多)、延迟降低50倍之外，还可以支持更多的设备。

　　随着5G时代的到来，工业互联网领域将会有更多的5G局域网。与其他本地无线网络相比，5G局域网主要优点是：更高的容量支持更多设备，高带宽应用、更广的范围、无缝移动性、工业级可靠性、一致的延迟、更高的服务质量及安全性，还有与产业链上游多个供应商之间的互操作性。

　　Wi-Fi是一定范围内的无线网络通信，电波有效覆盖范围一般只有几十米，可以收发大容量数据且不发生费用，所以在企业、公园、车站、商场、酒店等各种场所广为使用。但是，与移动通信相比，Wi-Fi存在安全性问题，只要掌握Wi-Fi上网用户名和密码，任何人都可以接入网络。同时，Wi-Fi不够稳定，长时间使用经常会发生掉线情况，这决定了企业关键工序不能全面使用Wi-Fi。4G时代，最高下载速率为100Mbit/s、上传为50Mbit/s，传输还会延时，音频、视频和高清图像等大容量数据难以实时发送。而5G局域网不仅拥有“不发生通信费用”的Wi-Fi优势，还可以采用SIM认证，不经由公众网，就可以实现安全、专用和高速、高可靠性及低时延。

　　例如，德国博世公司采用5G局域网后，将电动螺丝刀接入专用网络，就会自动记录拧螺丝的转数、顺序等数据信息。博世公司借助5G对工业工程管理等解决方案进行测试或验证，不仅使得所制造的全部产品保持质量均衡，还能够在拧螺丝顺序发生错误时实时提醒改正。而且，电动螺丝刀同时将工业工程数据全部反馈到服务器上，除了有利于工业工程管理之外，还可以为其他产品提供可用信息。

　　博世公司此前是基于Wi-Fi实现这一管理过程的，后来发现5G局域网在抗频段干扰、带宽(尤其是上传)、超负荷以及网络安全方面，相对于Wi-Fi性能指标更好。工厂内不同的生产线可能采用不同的网络，因此有时根据需要可能要变换生产线，而Wi-Fi的网络通用性较差。未来的工业生产要使用大量数据，从大批量生产和销售的产品开发向适应客户个性化、定制化需求的产品开发转变，Wi-Fi较低的通用性将是一大制约。

　　从提高效率、降低成本的角度考虑，工厂内的网络也需要实现无线化。为了提高产品质量和生产率，许多工厂不断地推进自动化，对机器人的控制也需要无线化实时进行。但是，随着工厂规模的扩大和工业工程的复杂化，4G有时难以应对，而5G有望解决这些问题。

　　例如，奥迪公司采用5G局域网控制工业机器人以及AGV搬运机器人，在一些需要管理大量设备的关键工序中，也可以实现高稳定性、超低时延以及与有线网络同等的性能。同时，工业工程产生的各种数据也可通过5G局域网实时汇集到边缘终端或云计算中，通过人工智能进行处理，实现智能化。

　　在德国，5G已经成为工业4.0的重要基础设施。除了奥迪、戴姆勒、大众等汽车制造企业，石油、化工、海港等企业以及公用事业领域也正在考虑5G网络的构建——5G技术带来的更低延迟、更高带宽、更快的速度和更大的容量正在推动制造业在各种领域的数字化转型。

　　场景三：周期式管理产品质量

　　5G还可用于改善企业的质量管理。人工智能的视觉识别系统会以百万量级的图像数据集进行训练，以确保其能够识别所有潜在的缺陷，使得企业能够迅速识别那些可能影响产品质量的问题。

　　例如，捷普公司应用人工智能视觉识别技术，可在电路板制造的早期阶段发现潜在的错误，能够在35~40道工序的第2道或第3道就识别缺陷，检测故障的准确率达80%，节省了约17%的人工成本和约10%的能源。但是，这种方法需要依托5G才能访问大量实时、高质量的数据，以实现最高效率。利用QR码扫描和射频识别(RFID)追踪溯源方法，产品记录通常仅在到达时进行，并且仅记录位置和时间;如果产品不合格，则很难确定具体发生在数十道工序的哪个环节。通过在产品包装上安装5G传感器，供应链上下游各环节都可以无须手动检查，即可查询位置、温度、湿度和重量等包装信息，实时获得有关产品状态的反馈信息。

　　5G带来的不仅是万物互联，还有所有信息数据的追踪溯源，使得未来企业的质量管理工作不仅仅局限在工厂内开展。工业互联网时代，工厂中每个物品物料都是一个有唯一标识的终端，使得生产环节所使用的原材料或零部件都具有信息属性，会根据信息自动进入下一道工序或环节。员工的工作不是搬运物品物料，也不是操作机器设备，而是与带有唯一标识的原材料、生产设备、产品进行信息数据的交互。同时，借助工业互联网，产品和原材料及零部件的全部数据都可通过5G网络直接传输到各类相关的知识和经验数据库中。一旦产品发生故障，即可通过查询数据库，利用海量的经验和专业知识进行快速诊断，提高故障问题定位精准度，快速开展售后维修服务，从而实现产品的全生命周期管理。

　　产品全生命周期管理既是一个信息化管理系统，又是一种现代化管理理念。基于产品全生命周期管理，企业能够实现并行设计、柔性制造、敏捷制造、协同制造等先进的生产管理方式(如图3所示)。

　　

 

　　随着5G覆盖到企业各个流程，产品将实现研发设计—制造—销售—售后服务—报废回收—再生利用的全生命周期质量管理。

　　第一，感知生产过程，采集海量数据。通过传感器、高清摄像头或3D工业相机进行数据采集，通过工业互联网进行数据分析，可为预测设备故障做出决策支持;可确认库存中可用的原材料或零部件;可代替仪器仪表的部分功能，更精确地进行工业测量以及在恶劣环境下有效收集数据等。

　　第二，网络化——高速传输、云端计算、互联互通。感知到大量数据后，如何将数据传输到数据中心或智能计算中心呢?这就需要依托5G。与以往在某一车间内直接对数据进行简单响应不同，企业需要把不同车间、不同分厂、不同时间段的数据汇聚到同一个工业互联网平台背后的数据中心或智能计算中心，进行复杂的数据计算和分析，从而优化出高价值的算法模型。

　　第三，打通供应链各环节的数据流，实现产品生命周期全过程智能化。如实时收集供应链各个环节产生的大量物流数据，能够帮助企业提高物流效率，降低运营成本。

　　场景四：按需式管理资源配置

　　工业互联网最重要的价值是借助5G和区块链等技术打通企业的各个流程，实现从采购、设计、生产到销售各个环节的互联互通与分布式管理，并在此基础上实现资源的按需配置(如图4所示)。

 

　　以往，企业通常通过研发、计划、采购、生产、配送、服务六个环节组织运营。这六个环节是相对固定的，也是缺一不可的。但是在工业互联网时代，这六个环节甚至可以相对独立，演变为六个可以根据需要而进行动态配置的模块。每个模块都具有物联网感知能力和相应的软件管理系统，它们根据客户的需求，可以高效地自行整合，既不多又不少、既高效又灵活地满足生产工艺需求。

　　一方面，充分利用5G的感知能力和工业互联网的网络能力，在产品研发、生产、销售、物流及服务的全生命周期管理过程中，根据对采集自各环节的大量数据进行分析，可以不断迭代产品设计、灵活调整生产工艺、实时安排生产调度，而不再是完全遵照计划与以往的经验进行管理。

　　另一方面，传统生产管理观点认为，只有等到所有产品设计全部完成之后才能组织生产、完成生产之后才能进行测试、测试完成之后才能进行销售。而未来，采购、设计、研发、生产、测试、销售等各种生产经营活动可以通过工业互联网平台交叉进行、分布式管理，实现并行制造。

　　工业互联网时代，企业将具备自主学习、自我优化、自主决策、自我组织等能力，可以高效地完成生产过程中柔性化、智能化以及高质量化的任务;能够将管理、运营、决策及优化等任务融为一体，实现真正意义上的数字化转型。

　　因此，企业数字化转型可以看作物理角度的自动化和信息角度的智能化融合的“双升级”，不仅仅是机器换人，也不仅仅是减少生产线人工干预、提高生产过程可控性，最重要的是借助5G实现从采购、设计、生产到销售各个环节的互联互通，并依托工业互联网整合与优化配置企业各种资源，实现智能预测和智能决策，柔性生产出多样化和个性化的产品，从而进一步增强企业的核心竞争力。

　　也就是说，随着5G和工业互联网的深度融合和广泛应用，感知式管理生产过程、预警式管理设备状态、周期式管理产品质量、按需式管理资源配置，才是企业数字化转型所追求的目标。

　　本文作者王喜文，系九三学社中央科技委员会、促进技术创新工作委员会委员,北京华夏工联网智能技术研究院院长