淺析5G技術(shù)在工業(yè)制造方面的主要應(yīng)用場景

想象這樣一個場景，你是一位尖端工程師，某天早上接到緊急通知，某跨國制造業(yè)企業(yè)工廠設(shè)備出現(xiàn)故障，需要你的協(xié)助檢測故障并進(jìn)行維修。你驅(qū)車前往辦公地點，途中通過所在城市部署的C-V2X車聯(lián)網(wǎng)，利用邊緣計算等技術(shù)優(yōu)化路線，以最快速到達(dá)辦公地。到達(dá)后，和各國同事開始VR會議，并通過AI實時翻譯進(jìn)行無障礙溝通。初步了解情況后，通過8k實時高清視頻，連線設(shè)備故障地點，利用熱成像等技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場檢測，發(fā)現(xiàn)某一零部件損壞，需要更換。但工廠沒有該零部件庫存，于是利用無人機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)度，以最快速度將部件配送至工廠。零部件到達(dá)工廠后，你在辦公地通過數(shù)據(jù)可視等技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)，引導(dǎo)工廠維護(hù)員把你的“維修決策”傳送至現(xiàn)場云端機(jī)器人“大腦”，結(jié)合機(jī)器人強(qiáng)大的云計算能力，通過柔性關(guān)節(jié)和云端大腦實現(xiàn)高精準(zhǔn)操作，完成故障設(shè)備的維修。

首先，我們來看，制造業(yè)對5G技術(shù)有哪些需求。

在制造業(yè)生產(chǎn)要素利用效率方面，中國制造業(yè)增加值率相比美國、德國等發(fā)達(dá)國家還有不小差距；在制造業(yè)勞動生產(chǎn)率方面，中國制造業(yè)勞動生產(chǎn)率僅為美國的五分之一，工業(yè)企業(yè)需通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)降低成本、優(yōu)化生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)降本增效；企業(yè)在研發(fā)環(huán)節(jié)利用新的技術(shù)，生產(chǎn)更智能化、多元化的產(chǎn)品；在售后服務(wù)環(huán)節(jié)對客戶提供實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、分析、預(yù)測性維護(hù)等，既提升安全性，也為企業(yè)創(chuàng)造更多服務(wù)機(jī)會；隨著大規(guī)模定制化的模式日趨成熟，客戶的個性化定制需求日益顯現(xiàn)。

2035年5G對各行業(yè)支持產(chǎn)出

5G將讓ICT（信息與通信技術(shù)）與傳統(tǒng)行業(yè)真正實現(xiàn)深度融合，將網(wǎng)絡(luò)變得更加開放，為垂直行業(yè)應(yīng)用創(chuàng)新提供綜合能力。

一方面，傳統(tǒng)行業(yè)未來軟件化、智能化將是大勢所趨。另一方面，傳統(tǒng)行業(yè)具備場景決定能力和完善的知識價值體系，5G將促進(jìn)ICT技術(shù)與其需求深度匹配。據(jù)統(tǒng)計，預(yù)計在2035年，5G對各個行業(yè)的支持產(chǎn)出中，制造業(yè)領(lǐng)域的支持產(chǎn)出遙遙領(lǐng)先，超過3000億元。

5G+制造業(yè)行業(yè)應(yīng)用

5G典型的工業(yè)應(yīng)用場景包括低時延高可靠（uRLLC）、大帶寬（eMBB）、大規(guī)模連接（mMTC）。在超低時延與可靠性方面，5G無線技術(shù)可實現(xiàn)1ms的時延以及超過99.999%的可靠性；在大帶寬方面，5G將支持下行速率達(dá)20Gb/s和上行速率達(dá)10Gb/s；在大規(guī)模連接方面，5G能滿足每平方公里100萬臺設(shè)備的連接量。

下面我們來看5G在工業(yè)制造方面的主要應(yīng)用場景。

首先是5G在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

大飛機(jī)被稱為“工業(yè)皇冠”，大飛機(jī)制造環(huán)節(jié)所需零部件超過450萬個。中國在大飛機(jī)制造、研發(fā)設(shè)計等環(huán)節(jié)整體的工藝技術(shù)水平，以及大飛機(jī)制造下游管理模式相對滯后。在飛機(jī)制造環(huán)節(jié)，由于現(xiàn)場總線延遲性等問題，尚未達(dá)到精益化、全流程智能化。

將來使用5G技術(shù)之后，飛機(jī)制造商可以依托5G高速率、低時延、大連接的網(wǎng)絡(luò)支撐能力，結(jié)合私有云計算能力，連接設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)、銷售各個環(huán)節(jié)，使大飛機(jī)生產(chǎn)制造更加定制化、智能化、效率化，降低飛機(jī)制造中的錯誤率，提升裝配效率。

融合了5G的大飛機(jī)制造，將具備全機(jī)協(xié)同設(shè)計優(yōu)化；柔性、可追溯的制造流程；以及更便捷的維修與物流服務(wù)。5G也從生產(chǎn)方法、管理效率、質(zhì)量控制等多方面提升飛機(jī)制造業(yè)智能制造水平。

其次是5G與無人機(jī)的協(xié)同使用。

在4G網(wǎng)絡(luò)下，無人機(jī)的使用存在空中信號雜亂，基站下行干擾較大，低空覆蓋率低，對時延不敏感等問題，在一定程度上會影響識別無人機(jī)空中終端，從而影響無人機(jī)管控。

5G憑借大寬帶提供了更大的用戶下行容量，5G的大規(guī)模多天線 ，新頻譜等，能增強(qiáng)有用信號，減少無人機(jī)低空飛行頻道的干擾，提升無人機(jī)在空中的移動性和覆蓋。同時，網(wǎng)絡(luò)切片每個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間是邏輯獨立的特性，使得一張5G網(wǎng)絡(luò)上能同時承載無人機(jī)不同應(yīng)用，為無人機(jī)提供網(wǎng)絡(luò)整體解決方案。

無人機(jī)行業(yè)快速發(fā)展，無人機(jī)與5G通信技術(shù)的緊密結(jié)合，將形成網(wǎng)聯(lián)無人機(jī)，帶給業(yè)界10倍以上的商業(yè)機(jī)會。5G以全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供10Gbps以上的帶寬、超低時延、大規(guī)模連接等特性，將賦予無人機(jī)實時高清視頻傳輸、遠(yuǎn)程實時控制等重要能力。

第三，是5G與云端機(jī)器人的結(jié)合應(yīng)用。

傳統(tǒng)機(jī)器人的工作范圍和內(nèi)容較為固定，無法滿足現(xiàn)實多變工藝場景下的柔性生產(chǎn)需求。同時，操作精密度較高的工作需要大量數(shù)據(jù)和快速響應(yīng)做支撐，傳統(tǒng)本地機(jī)器人不能互聯(lián)分享數(shù)據(jù)和整合信息，自主判斷能力受局限。

云端機(jī)器人可以借助5G大帶寬、低時延等特性，上傳分享所有機(jī)器人數(shù)據(jù)，結(jié)合機(jī)器視覺、聽覺等技術(shù)，形成云端控制“大腦”，從而能夠根據(jù)不同制造場景需求進(jìn)行自主判斷和執(zhí)行。同時，云端信息的共享減低對本地機(jī)器人計算能力的要求，也減少機(jī)器人的開發(fā)成本和硬件能耗。

具體實施辦法如下：

在園區(qū)安防方面，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬特性，結(jié)合AR等技術(shù)，搭載高清攝像頭，實現(xiàn)全景巡邏，同時進(jìn)行快速的人員識別及周邊環(huán)境分析，協(xié)作工作人員進(jìn)行遠(yuǎn)程指揮并及時開展行動。

在工業(yè)協(xié)作方面，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延搭建云端大腦。通過柔性關(guān)節(jié)和云端大腦實現(xiàn)高精準(zhǔn)操作，進(jìn)行靈活抓取和移動。同時，基于海量數(shù)據(jù)和多動視覺傳感等，結(jié)合強(qiáng)大的云計算能力，實現(xiàn)自動化決策。

在智能服務(wù)方面，利用5G網(wǎng)絡(luò)的大帶寬特性，結(jié)合人工智能和自然交互技術(shù)。構(gòu)建云端數(shù)據(jù)庫，并進(jìn)行自動人臉識別，解決個性化問題。同時，依據(jù)云端數(shù)據(jù)共享，可快速同步其他機(jī)器人服務(wù)能力。

總之，5G云端機(jī)器人可以突破數(shù)據(jù)孤島約束，通過云端大腦處理復(fù)雜數(shù)據(jù)，并及時同步優(yōu)化關(guān)聯(lián)機(jī)器人，使機(jī)器人融會貫通；柔性、精準(zhǔn)操作，為制造和服務(wù)提供保障；監(jiān)控、質(zhì)量管理和遠(yuǎn)程運維也為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)帶來無限可能。

在5G嵌入以上三個傳統(tǒng)應(yīng)用場景之外，5G在AR/VR中（增強(qiáng)現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實）也可以實現(xiàn)強(qiáng)大應(yīng)用。

在5G之前，AR/VR關(guān)鍵在于視覺沉浸度，其中多交焦面顯示技術(shù)在4K顯示所需的帶寬達(dá)到25Gbps以上，全息編碼圖像大體量的全息計算，要求計算時間小于3ms，因此4G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)能力難以滿足AR/VR更高程度的視覺沉浸。

在5G以后，AR/VR業(yè)務(wù)對5G的大帶寬特性高度契合，可通過5G，將云計算等技術(shù)引入到AR/VR中，借助5G高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)，將AR/VR所需的計算及處理能力至于云端，可有效減少終端成本，且維持通信中實時、高清等良好的用戶體驗。

具體在工業(yè)領(lǐng)域中，工廠生產(chǎn)、銷售、售后維護(hù)等各環(huán)節(jié)都開始聯(lián)網(wǎng)，利用5G網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)ERP物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)對接，圍繞工業(yè)場景需求，構(gòu)建日常巡檢、操作現(xiàn)場指引、遠(yuǎn)程專家等業(yè)務(wù)。

總之，5G商用以來，5G+VR/AR的應(yīng)用場景也越來越多樣化。隨著算力的提升，5G+VR/AR將為移動終端的邊緣計算能力帶來明顯提升，而VR/AR產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，將結(jié)合5G帶來的優(yōu)勢，形成成熟的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。

隨著中國5G技術(shù)的不斷提高，5G在制造業(yè)各個領(lǐng)域的需求量不斷上升。5G已有技術(shù)在以上領(lǐng)域已有一定成熟度，下圖為前述應(yīng)用場景的5G技術(shù)成熟度。

目前中國5G在制造業(yè)中多應(yīng)用于大飛機(jī)制造、無人機(jī)、云端機(jī)器人、AR/VR、鋼鐵制造中。航空航天領(lǐng)域由于具有較高技術(shù)含量和較高附加值，其資本投入高、信息密集度高、帶動能力較強(qiáng)，和5G的結(jié)合在市場需求量及應(yīng)用成熟度均排在行業(yè)首位。云端機(jī)器人行業(yè)，隨著人工智能、云計算等技術(shù)與機(jī)器人的不斷融合，5G的應(yīng)用成熟度僅次于航空航天。未來隨著企業(yè)智能化程度的提高、生產(chǎn)設(shè)備信息化率和聯(lián)網(wǎng)率的提升，5G在鋼鐵制造、船舶制造領(lǐng)域的應(yīng)用也會逐步打開。

5G在制造領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)

1、創(chuàng)新應(yīng)用能力建設(shè)不足

目前中國企業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用積極性很強(qiáng)，企業(yè)也在向云上平臺建設(shè)轉(zhuǎn)型。同時，國家政策的大力扶持和推動，也給了業(yè)界很大信心。但5G的發(fā)展在創(chuàng)新應(yīng)用能力建設(shè)方面依然面臨很多挑戰(zhàn)。

一是系統(tǒng)管理復(fù)雜性增加問題。5G與工業(yè)的融合，使得企業(yè)實際生產(chǎn)過程與各種業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同之后，系統(tǒng)整體更加復(fù)雜化，對其進(jìn)行管理將更困難。

二是企業(yè)增量存量調(diào)整問題。目前中國很多企業(yè)尚處于由工業(yè)2.0向工業(yè)3.0過渡階段，生產(chǎn)設(shè)備及產(chǎn)線很多還沒有完成數(shù)字化改造，在利用5G改造工業(yè)網(wǎng)絡(luò)之前需要完成裝備和生產(chǎn)線的升級，這就導(dǎo)致了再投入成本問題，既對5G的投資未能與優(yōu)化存量資產(chǎn)結(jié)合起來，短期內(nèi)看不到增值增效，這一定程度上阻礙了企業(yè)的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新發(fā)展。

三是專網(wǎng)的不確定性問題。5G進(jìn)入垂直行業(yè)市場，理論上專網(wǎng)優(yōu)于公網(wǎng)，但專網(wǎng)未來在面對公共安全、應(yīng)急指揮、鐵路或地鐵信號調(diào)度等對于安全性要求極高的行業(yè)能否完全勝任還是未知數(shù)。此外，專網(wǎng)設(shè)備供應(yīng)商曾表示未來若想真正發(fā)展5G專網(wǎng)，需要從系統(tǒng)、架構(gòu)、平臺、終端、應(yīng)用等方面進(jìn)行全方位改造，目前行業(yè)還沒有找到新的5G應(yīng)用構(gòu)架。

2、5G復(fù)合型高端人才缺口大

制造業(yè)正面臨產(chǎn)業(yè)升級和轉(zhuǎn)型，5G可以加速機(jī)械制造行業(yè)的智能化水平，通過其低時延、高可靠的特性將促進(jìn)無人機(jī) 、自動駕駛 、智能生產(chǎn)等領(lǐng)域的發(fā)展應(yīng)用，而這些領(lǐng)域需要大量的系統(tǒng)規(guī)劃、應(yīng)用開發(fā)和服務(wù)人才。

2018年5G領(lǐng)域人才需求相較2017年增加約58%，而2019年5G領(lǐng)域人才需求較2018年約增長50%，在制造業(yè)領(lǐng)域，由于該領(lǐng)域既需要懂5G的人才，又需要懂工業(yè)的人才，增加了人才需求難度，亟需一批復(fù)合型人才應(yīng)對5G在工業(yè)領(lǐng)域多端點、多場景的應(yīng)用需求。

3、工業(yè)領(lǐng)域基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)字化改造亟需加強(qiáng)

5G與工業(yè)的融合應(yīng)用首先受工業(yè)場景基礎(chǔ)設(shè)施的數(shù)字化水平制約。目前中國80%左右的企業(yè)仍然處在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的探索階段，50%左右的企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的過程當(dāng)中面臨著信息化基礎(chǔ)設(shè)施不足的問題。目前工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率、關(guān)鍵工序數(shù)控化率均不到50%，而工業(yè)企業(yè)智能制造就緒率不足10%，這其中絕大多數(shù)為規(guī)模以上企業(yè)，全國設(shè)備數(shù)字化率和聯(lián)網(wǎng)率依舊有待提高。5G想在工業(yè)領(lǐng)域落地發(fā)展，亟需推進(jìn)工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化改造。

4、產(chǎn)業(yè)發(fā)展驅(qū)動力不足

工業(yè)領(lǐng)域B端行業(yè)用戶在工業(yè)5G網(wǎng)絡(luò)運行維護(hù)主體還不清晰、運營商在制造業(yè)領(lǐng)域的收費模式及盈利模式尚需探討等情況下，部分企業(yè)不愿為5G進(jìn)行新的投入，導(dǎo)致商業(yè)閉環(huán)案例較少。在工業(yè)企業(yè)方面，亟需各產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)龍頭企業(yè)開展新的商業(yè)模式探索，在運營商方面，運營商需要思考5G帶來的服務(wù)提升和商業(yè)模式創(chuàng)新。

建議

1、加強(qiáng)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型意識

只有提升企業(yè)數(shù)字化水平，才能更好地實現(xiàn)5G與工業(yè)的融合應(yīng)用。數(shù)字化轉(zhuǎn)型不是簡單的機(jī)器換人，而是要形成工廠內(nèi)生產(chǎn)要素的全面協(xié)同，打通企業(yè)內(nèi)部的全數(shù)據(jù)鏈。當(dāng)企業(yè)通過生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化改造，并應(yīng)用CAD、MES系統(tǒng)完成了從業(yè)態(tài)、架構(gòu)、管理到企業(yè)文化等一系列數(shù)字化轉(zhuǎn)型后，便將會以高效、敏捷的速度與5G低時延高可靠、大規(guī)模鏈接等數(shù)字化特征融合，實現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展。在這其中，首先要提高企業(yè)全體人員的認(rèn)知，特別是中高級管理人員認(rèn)知。進(jìn)一步以數(shù)據(jù)為資產(chǎn)，以技術(shù)為手段，構(gòu)建能夠支持業(yè)務(wù)持續(xù)創(chuàng)新的技術(shù)平臺體系。

2、企業(yè)與運營商共同探討新商業(yè)模式

在新商業(yè)模式方面，從2G、3G到4G，運營商重點關(guān)注2C模式，但是到了5G時代，重頭戲應(yīng)該放在2B模式上，特別是在制造業(yè)領(lǐng)域的2B商業(yè)模式上，通過在工廠內(nèi)布置5G網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)設(shè)備無線數(shù)據(jù)通信和大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸?shù)男乱淮S生產(chǎn)模式。一方面，通信廠商面向制造業(yè)發(fā)展需求，積極探索5G應(yīng)用場景，開展制造業(yè)重點行業(yè)企業(yè)試點示范，構(gòu)建可推廣的融合應(yīng)用推進(jìn)機(jī)制，并在此基礎(chǔ)上探討關(guān)于不同場景、不同服務(wù)類別的計費方式。另一方面，在工業(yè)制造領(lǐng)域重點研究5G+TSN（時間敏感網(wǎng)絡(luò)）的結(jié)合應(yīng)用，使5G網(wǎng)絡(luò)與TSN互通，滿足部分工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)過程中需達(dá)到微秒級精準(zhǔn)同步的需求，有助于5G的潛力擴(kuò)展到更廣闊的領(lǐng)域，更好地滿足工業(yè)領(lǐng)域的OT和IT需求。

3、培養(yǎng)一批“既懂5G又懂工業(yè)”的解決方案供應(yīng)商

一方面，著重培養(yǎng)一批“既懂5G又懂工業(yè)”的解決方案供應(yīng)商，搭建電信運營商與制造企業(yè)之間的橋梁，切實為企業(yè)提供解決方案，幫助企業(yè)解決轉(zhuǎn)型升級中遇到的問題。另一方面，推動5G數(shù)據(jù)平臺和智能制造同步發(fā)展，構(gòu)建基礎(chǔ)共性、行業(yè)通用、企業(yè)專用的智能制造APP，如把5G數(shù)據(jù)平臺和智能制造APP集成，以解決智能制造中某些痛點問題，從而形成解決方案，測試成功后把該類解決方案向全行業(yè)推廣，帶動5G的推廣應(yīng)用。

4、完善行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)與產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)

在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)方面：

一是圍繞5G在制造業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用場景，加快標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建與標(biāo)準(zhǔn)的出臺；

二是針對制造業(yè)體系，建立研發(fā)、產(chǎn)品、服務(wù)等全方位的檢測認(rèn)證評估體系。

在產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)方面：

一是選取網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)與智能制造發(fā)展基礎(chǔ)較好的城市作為試點，出臺5G與制造業(yè)融合發(fā)展指導(dǎo)意見或行動方案，更有針對性地指導(dǎo)當(dāng)?shù)?G與制造業(yè)的發(fā)展；

二是組建5G與制造業(yè)發(fā)展基金，形成政府支持、行業(yè)主導(dǎo)、市場運作的基金體系，營造制造業(yè)創(chuàng)新投資環(huán)境，提升智能制造發(fā)展水平。

在5G嵌入以上三個傳統(tǒng)應(yīng)用場景之外，5G在AR/VR中（增強(qiáng)現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實）也可以實現(xiàn)強(qiáng)大應(yīng)用。
責(zé)任編輯：tzh