基于5G技術的智能制造模式研究*

□ 王 晉，顏浩龍

(湖南工業職業技術學院，湖南 長沙 410208)

2008年的全球金融危機讓全球各個國家政府意識到了實體經濟的重要，特別是制造業成為了各國爭奪的戰略制高點，各國政府紛紛出臺了工業振興計劃。美國出臺“先進制造業國家戰略計劃”創建“國家制造業創新網絡”，由美國商務部、國防部等部門出資，在全國范圍內建立制造業創新中心，旨在構建制造業“產政學研”聯合的基礎一動員并形成創新智能制造生態體系。德國出臺“工業4.0”戰略，德國政府在汽車工業和自動化工程方面的強大優勢的基礎上，大有發展應用信息物理系統(CPS)，旨在提升制造業智能化水平、智能生產、智能物流為三大主題。日本出臺了“工業價值鏈計劃”，通過建立頂層的框架體系，讓不同的企業通過接口鏈接組成日本制造的聯合體王國，充分利用其發達的物聯網和機器人技術促進制造業發展。而我國則同期出臺了“中國制造2025”來振興我國制造業。

在國際形勢日益復雜的今天，具有自主知識產權的完整產業鏈成為各國確保社會經濟發展的重要支撐，當前我國制造業規模雖大，但是很多產業鏈上的關鍵技術都掌握在發達國家手中，早日實現我國各產業鏈知識產權自有化是關鍵，隨著人工智能、5G、區塊鏈、云計算、大數據等新一代信息技術的飛速發展，為我國制造業領域實現對發達國家的彎道超車提供了機會，特別是5G技術領域我國在世界上處于領先地位，如何充分利用我國在信息技術領域的部分優勢來整合我國制造業的優勢資源，從模式創新帶動產品升級、技術革新，實現關鍵技術與產品的升級。

1 文獻綜述

近年來,智能制造領域吸引了國內外眾多專家學者關注。國內專家史彥軍，韓俏梅，沈衛明[1](2020)研究了包括人機界面、生產信息技術、流程自動化、工廠自動化、物流、設備監控和維護等多個智能制造場景的5G應用，并給出了相關應用的5G邊緣計算開發框架。張云勇[2](2019)通過分析5G的全球部署、商用情況和5G面向產業發展的網絡特性，提出5G將不斷夯實萬物互聯基礎，推動工業互聯網發展和多產業互聯網化融合。周佳軍，姚錫凡[3](2017)對基于云計算、大數據、信息物理系統、物聯網等新一代信息技術的制造物聯、泛在制造、云制造、社會化企業、主動制造和智慧制造等幾種典型新興智能制造模式的產生背景、核心技術等方面進行了歸納總結，并對未來的發展趨勢做了展望。劉宗巍，張保磊[4](2019)研究了新技術條件下汽車產業智能制造C2B模式，并對汽車產業C2B模式與智能工廠相互交融、支撐所需要的軟硬件條件進行了分析。譚建榮，劉達新[5](2017)研究了智能制造的內涵與關鍵技術的基礎上，并提出了從數字制造到智能制造的三大發展模式和具體技術途徑。Bo-hu LI,Bao-cun HOU[6](2017)從人工智能技術與信息通信技術、制造技術及產品有關專業技術等融合的基礎上提出了智能制造新模式以及智能制造系統體系架構和智能制造系統技術體系。唐堂，滕琳[7]對智能工廠方案與體系、數字孿生模型、制造執行系統、智能制造執行系統、全集成的系統概念、企業間價值網絡的橫向集成、全流程的端到端集成、網絡化的縱向垂直集成與網絡化制造進行了系統的研究，并例舉了我國智能制造的成功案例。

綜上所述,智能制造是當前世界各國工業競爭的重要戰略，國內的專家學者對智能制造相關問題的研究較多,但是大部分是集中在智能制造的整體結構模式上,從5G的視角進行的相關研究還比較少見,本文嘗試從5G等新一代信息技術的視角來研究我國智能制造的新模式，為我國智能制造的早日實現提供新的思路和路徑。

2 智能制造的邏輯結構

智能制造是我國制造業水平整體提升發展的必由之路，如何實現傳統制造業向智能制造的順利轉型，首先我們需要思考智能制造的內涵是什么，智能制造與傳統的制造模式的本質區別在哪里,需要什么樣的新技術和基礎設施為前提條件等問題。

傳統制造模式主要有批單生產、訂單生產、定制化生產等，從供應鏈的角度來看有推動式供應鏈和拉動式供應鏈，當前主要的生產模式主要是拉動式供應鏈，即先取得客戶訂單，再根據訂單安排生產，以減少不必要的生產，降低庫存。定制化生產主要集中在大型設備行業，在中小型產品行業還做不到定制化生產，比如大規模個性化的手機生產現有的生產模式還做不到,產品的生產周期還比較長,還做不到全供應鏈的快速反應,特別是從零部件的生產到產成品的生產銷售這樣的長供應鏈還很難做到快速反應、縮短產品生產周期，而智能制造正是依托人工智能、區塊鏈、云計算、大數據等新技術的支撐下對現有生產模式的升級與革新，升級與革新的領域主要集中在產品、生產過程和生產裝備，實現產品智能化、裝備智能化和生產過程智能化。

世界工業的發展經過了以機械制造為代表的工業1.0時代、以電氣化和自動化為代表的工業2.0時代、以電子信息化為代表的工業3.0時代,最后到以智能制造為代表的工業4.0時代。智能制造在我國近年來的發展形成了三個階段：一是數字化制造，也稱為第一代的智能制造，目前我國絕大多數企業還沒有完成數字化制造的轉型；二是數字化網絡化制造，即“互聯網+制造”，也稱為第二代智能制造，在德國的工業4.0和美國的“工業互聯網”中都有成熟的數字化網絡化制造模式。在過去的幾年中,我國一批數字化制造基礎較好的企業較好的實現了數字化網絡化制造的升級改造,另外，大部分還沒有完成數字化制造改造的企業采用了數字化制造與數字化網絡化制造并行推進的升級辦法；三是數字化網絡化智能化制造，也稱為新一代智能制造，是新一代人工智能技術與數字化網絡化制造的深度融合。因此,我國制造業智能制造轉型升級處于三種范式并行的現狀,并且隨著5G等新一代信息技術的飛速發展,這三種范式也在不斷的升級變化中。

我國制造產業當前的現狀是占行業企業比例極少的各行業的龍頭企業已經基本初步實現了數字化網絡化智能化制造,而絕大部分的中小型企業還處于數字化制造的改造過程中,沒有完成數字化網絡化制造的改造,占我國制造業絕大部分的中小型企業遲遲沒能接入各行業工業互聯網平臺中,就不能發揮全國制造業各類資源和相關科研院所的規模優勢進入產品智能化、裝備智能化和生產過程智能化不斷升級的良性循環中。可見,實現我國中小型企業接入工業互聯網平臺是我國制造業全面進入智能化升級的關鍵，而5G技術的成熟應用,進一步改善了制造業企業接入工業互聯網平臺的條件。

3 基于5G的智能制造新模式

5G網絡技術的到來使得我國工業互聯網建設條件變得更加成熟。5G的高速傳輸速率支撐了多種智能制造新模式的運行。

3.1 個性化生產

隨著社會經濟水平的不斷提升,消費者對產品的需要逐漸由功能性需求變化為了個性化需求,不僅要滿足基本的功能需求,還要滿足客戶個人對于顏色、造型、材質等方面的個性化的需求,在傳統的批量規模化生產模式下是無法不增加生產成本的情況下實現個性化生產的，隨著信息技術的不斷發展,傳統的單一生產線逐步向柔性生產線轉變,5G技術的出現有效的解決了供應鏈客戶端信息傳遞和生產線上信息傳遞的網絡延時問題。

在產業供應鏈的生產環節,柔性生產對生產線上各智能設備的靈活移動性和差異化業務處理能力有很高要求,5G技術帶來的網絡傳輸能力的升級,助推了柔性生產的迅速推廣。生產工廠使用5G技術后,在大幅減少生產設備之間線纜成本的同時，充分利用5G可靠網絡的連續覆蓋能力，使工業機器人等智能設備在生產區域中移動不受限,根據需求到達各個地點,在不同的生產場景中進行不間斷生產和工作內容的平滑切換。大型生產工廠中,不同的工作場景對網絡傳遞的具體要求不同,其中，高精度加工環節對信息傳遞的時延要求很高，關鍵性的生產任務必須確保網絡的穩定性、可靠性、大流量數據的即時傳遞與處理。5G技術采用端到端的切片技術實現同一核心網中提供不同質量的服務,根據需求靈活分配調整，如各生產設備生產數據的上報就被設為最高優先級的業務等級。

5G技術大大縮短了供應鏈終端產品用戶與生產、研發環節之間的距離，運用5G技術構建的供應鏈上各環節之間的高速信息傳遞公路,最終實現產業鏈上任何人和物在任何時間、任何地點都能實現全鏈上的信息高度共享。消費者的個性化需求可以即時準確的直接傳遞給產品設計師,不需要經過多個環節來傳遞,從而可以避免信息傳遞過程中造成的失真現象發生,同時,產品設計師可能即時調用消費者的產品運行數據,充分掌握消費者產品使用環境的真實參數,設計出令消費者滿意的個性化產品,企業和消費者之間的關系從簡單的買賣關系變成了合作關系,消費者從多個環節參與到了設計、生產等各個生產流通環節中。

3.2 遠程維護

設備的維護在當前制造業服務化轉型發展的產業發展模式下尤為重要,特別是大型制造企業的供應鏈的整條鏈條上經常涉及到跨工廠、跨區域的生產設備和用戶產品維護的問題。5G網絡技術大帶寬、高速率、低時延的技術特點可以大幅提升維護效率和應用范圍，降低運維成本。5G技術進一步提高了萬物互聯的有效性,特別是對互聯萬物之間的信息交互變得更加暢通，使智能工廠的維護工作不再局限于工廠之內。工廠的設備維護可以通過遠程控制由機器人來協作完成，隨著工業互聯網相關技術的不斷發展,供應鏈上的每一個物體都會有自己唯一的IP，使供應鏈上流轉的每一個物料都具有信息，物料會根據自身的信息全自動的進行生產和維護，供應鏈上各個環節的人也會擁有自己的IP，人、設備和物料在整個供應鏈上的各個環節中進行信息的交互。機器人在協作管理工廠的同時,人可以在千里之外即時獲得相關信息，并與物理系統進行交互操作。

在應用5G網絡技術的環境下,當無人工廠中某設備發生故障時,無人工廠中值守的工業機器人會第一時間作出判斷,對于工業機器人能夠解決的故障，它會第一時間前往排除故障,而工業機器人不能解決的故障則會第一時間上報到對應級別的管理者，此時,管理人員無論在任何地方,都可以通過工業互聯網平臺遠程控制工廠內的機器人或者指導現場維護工人進行故障修復。

5G網絡技術使得人和設備在處理復雜工作場景沒有網絡帶寬和延時的限制,即使在需要多人共同協作維護的工作情況下,不同地方的專家可以同時通過VR等遠程維護設備共同診斷設備故障。5G的超大流量可以滿足遠程維護設備的海量交互數據的傳輸需求,同時,供助工業互聯網平臺,所有相關的工業大數據和相關知識經驗都存儲在工業互聯網平臺上,在遠程維護時，人和工業機器人可以借助工業互聯網平臺上存儲的海量知識與經驗進行故障分析與修復。

3.3 資源優化配置

5G網絡通過網絡切片提供適用于各種制造場景的解決方案，實現實時高效和低能耗，并簡化部署，為智能工廠的未來發展奠定堅實基礎。5G的網絡切片技術可以實現按需分配網絡資源，以滿足不同生產情景下的網絡需求,不同的工作場景對時延、網絡覆蓋、移動性、連接密度等有不同的要求,對5G網絡的靈活配置網絡資源的能力提出了更高的要求。

5G網絡技術最重要的特性是基于多種新技術組合的端到端的網絡切片能力，可以將所需的網絡資源靈活動態地在全網中面向不同的需求進行分配及能力釋放；根據服務管理提供的藍圖和輸入參數，創建網絡切片，使其提供極低的時延、極高的可靠性、極大的帶寬等特定的網絡特性，以滿足不同應用場景對網絡的要求。在創建網絡切片的過程中，需要調度基礎設施中的資源，包括接入資源、傳輸資源和云資源等，而各個基礎設施資源也都有各自的管理功能。通過網絡切片管理，根據客戶不同的需求，為客戶提供共享的或者隔離的基礎設施資源。由于各種資源的相互獨立性，網絡切片管理也在不同資源之間進行協同管理。在智能工廠原型中，展示了采用多層級的、模塊化的管理模式，使整個網絡切片的管理和協同更加通用、更加靈活并且易于擴展。

5G能夠優化網絡連接，采取本地流量分流，以滿足低延遲的要求。每個切片針對業務需求的優化，不僅體現在網絡功能特性的不同，還體現在靈活的部署方案上。切片內部的網絡功能模塊部署非常靈活，可按照業務需求分別部署在多個分布式數據中心。原型中的關鍵事務切片為保證事務處理的實時性，對時延要求很高，將用戶數據面功能模塊部署在靠近終端用戶的本地數據中心，盡可能地降低時延，保證對生產的實時控制和響應。此外，采用分布式云計算技術，以靈活的方式在本地數據中心或集中數據中心部署基于NFV(Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化)技術的工業應用和關鍵網絡功能。5G網絡的高帶寬和低時延特性，使智能處理能力通過遷移到云端而大幅提升，為提升智能化水平鋪平了道路。

4 結論

工業互聯網是我國制造業實現智能制造升級的基礎，5G技術的出現升級了我國工業互聯網發展的網絡環境,對生產設備接入、數據傳速、產成品工作數據上傳等智能制造模式創新的關鍵環節起到了重要的支撐作用。智能制造由產品智能化、裝備智能化和生產過程智能化三部分支撐起來,這三部分中最重要的是產品智能化和裝備智能化,而產品和裝備的研發要快速取得突破,就必須依靠工業互聯網平臺,有5G技術的支撐，工業互聯網平臺將得到快速發展,通過工業互聯網將我國各行業的設備、數據、企業、科研院所都聯接到網絡平臺上,一方面,基于5G技術通過工業互聯網平臺將所有行業企業的設備、工業數據都收集到工業互聯平臺上，這樣我國的工業互聯網平臺就變成了我國不同工業行業的巨型操作系統,為我國的科研工作者提供了研究數據與環境,有利于我國集中所有的智力來攻關瓶頸問題；另一方面,在5G技術的支持下,所有的工業產品在用戶手中的運行數據都可以實時傳輸到工業互聯網平臺上,平臺能根據實時工作數據來監控設備的運行狀態,確保設備處于最佳運行狀態中。5G技術的實施,讓協同研發、網絡化制造、個性化制造等智能制造模式進一步升級。