5G時代下云制造的發展研究

唐 瑾

（長江職業學院 湖北 武漢 430000）

1 引言

云制造是基于云計算、大數據、物聯網、高性能計算、智能信息等技術發展的一種面向服務的新的智能制造模式，以互聯網為基礎，將分散在各地的制造資源整合在一起，通過云平臺實現各制造廠商之間共享不同的資源，以實現分布式協作制造，能極大地提高資源的利用率和生產效率[1]。隨著“工業4.0”的到來以及中國制造的推進，加快新一代信息技術與制造業深度融合，以推進智能制造為主攻方向，作為雙循環基礎發力點，智能制造將成為提升國家整體制造業水平不可忽略的增長引擎[2]。云制造的發展，因其制造服務既高度集成又高度模塊化，為制造業的發展提供了新的機遇。

2 制約云制造發展的因素

2.1 制造業上云的成本及收益

在傳統的IT模式下，網絡運行中的信息傳輸效率不高，制造廠商在使用網絡過程中，信息傳遞效率和準確性無法達到生產要求，對生產工作開展的推動效果不大，并且無法適應先進的工業生產技術。企業在接入云端時，會嚴重影響生產業務的效率。企業則需投入一定的成本來建立自己的局域網、廣域網來提高網絡速率。對已經建立了自己的數據中心、辦公室和IT部門、生產線的制造廠商，要切換到一個全新的云制造系統，需要投入一定的成本部署新的IT環境[3]。對于中小型制造業來說，自動化程度不高，直接過渡到信息化，會增加企業上云成本。由于資金的限制，需要在一定投入后能在短期內獲得收益。根據麥肯錫發布《2021年離散制造業上云調查》顯示全球74%制造業在云轉型后在短期內未能獲取預期價值，超過一半的制造業表示云技術比最初預期的更為復雜，而40%的制造業則表示云轉型超出了企業預算。制造業上云高成本，收益慢，導致云制造市場發展緩慢。

2.2 企業上云的技術限制

企業制造過程的復雜性，而云制造的動態性、多樣性和離散性，使得企業在上云的過程中存在一些不可預知的困難，如將產品的不同組件運送到裝配中心或任何其他工藝流程中，產品快速的更新換代，進行協同制造時不同生產線上半成品之間的快速調度等問題[4]。因此為確保生產計劃順利開展，對云制造的服務能力有著更高的要求。一般大型制造業擁有眾多的信息化系統，如ERP、CRM、OA、PLM、PDM、CAD等，制造業上云則必須對這些信息化系統進行集成，但對于云平臺來說，將這些不同廠商的信息化系統進行集成存在很大困難。其原因就在于目前云平臺發展還不夠成熟，很多信息化解決方案提供商只能提供部分或少數幾種信息化系統，而且不同廠商之間的信息化系統無法實現統一集成。而對于已經上云的制造業來說，因云制造系統平臺多樣化，服務廠家不同，各家云服務平臺標準不同，制造業上云后進行服務遷移非常困難，而且還不容易實現。從而導致一些大型制造業推遲企業上云的計劃。

2.3 云服務器的可靠性

制造廠商要上云必須使用云服務器。云服務器是由多臺服務器組成的集群，在這個集群上虛擬出多個類似獨立服務器的部分，具備高可用性和靈活性等特點[5]。云服務器承載著用戶的云端業務，直接影響業務持續性和數據安全。云服務器的可靠性完全依賴于所使用的資源和本身的冗余。制造廠商在使用云服務器中若突發故障，則需要方便、快捷，迅速創建一個新的云服務器來繼續運行，而且無需增加額外成本。這樣對云服務器的可靠性提出了更高的要求，尤其是災難恢復。

2.4 企業上云安全問題

云制造平臺是采用虛擬化技術實現制造廠商直接進行資源共享調用的，雖然提高了資源利用率，但是資源共享會產生新的安全問題。共享資源會在未授權的情況下被重復使用。這就需要對共享資源實行安全策略以維護用戶的利益，同時需要對虛擬機、虛擬交換機、虛擬存儲等虛擬設備設定安全保護策略，而這些安全策略與傳統的硬件上的標準完全不同。并且企業的云安全和公司的安全策略必須融合起來才能降低安全風險。

云制造平臺各種云服務會在全球范圍內被重復使用，會產生大量的數據，而這些數據存儲在離用戶很“遠”的數據中心，由云計算服務提供商統一進行管理。這些數據安全性存在一定的風險。主要有云計算服務提供商的系統故障導致的數據丟失，人為或黑客入侵導致的數據泄露。這些安全問題都會給企業帶來的重大經濟損失。目前云計算應用剛剛起步，相關法律法規仍不完善，一旦云計算服務提供商或者是制造廠商出現安全問題，都會造成無法挽回的損失。

3 5G加速云制造發展，實現工業數字化轉型

5G技術的迅速發展，加速了“第四次工業革命”的到來，意味著開啟了“工業4.0”時代。該技術并不是在4G網絡上簡單的速率升級，而是實現整個網絡終端、無線和業務等全方面的數字信息融合。5G超高的網絡傳輸速率、超低的網絡延遲、高帶寬等特點促進了物聯網、車聯網、智能制造、遠程控制、城市交智慧公交等技術的發展。5G作為未來網絡應用和信息通信的重要基礎設施，將從多個方面推動云制造的發展，實現工業數字化轉型。

3.1 降低制造業上云IT成本，促進先進工業生產技術應用

云制造服務是基于互聯網的在線應用，這些在線云服務的使用效果依賴于網絡帶寬的高低。5G可以為制造廠商提供超高帶寬、超低時延、高可靠，海量連接的網絡，為企業上云節省建局域網、廣域網的IT成本[6]。

先進的工業生產技術是制造業發展的關鍵，但在傳統的網絡環境下，一方面先進的工業技術雖然從自身的角度上來說具有一定的先進性，但在實際應用中，由于網絡環境的限制，一些先進工業技術的應用效果不佳，無法達到預期目標，先進的工業技術得不到發展應用。5G因其能夠滿足各種高端、復雜的通信場景需求，因而能夠直接或間接地影響工業互聯網，甚至催生出全新的生產技術和生產模式，是支撐先進工業生產技術發展網絡基礎。

3.2 帶動邊緣云計算應用創新，提高云服務可靠性

邊緣計算是一種在網絡邊緣執行計算的一種分布式計算，計算對象包括來自于網絡服務的下行數據和來自于萬物互聯服務的上行數據，靠近物理設備或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用核心能力的開放平臺，就近提供邊緣智能服務[7]。

邊緣云計算系統通過使用無線傳感器網絡來實時監測服務器集群，這樣可以提前檢測具有高風險的服務節點，來避免云服務器的突然癱瘓。邊緣操作系統節點之間能夠互通狀態和診斷信息，使得在系統層面部署故障檢測、節點替換、數據檢測等方面具有保障性。5G技術的發展帶動了邊緣計算的發展，促進了邊緣云計算應用創新，提高了云服務可靠性。

3.3 帶動云制造智能化的發展

在云制造生產中，智能化是制造業中最典型的應用，需要機器設備上云，并能自組織和協同的進行彈性生產。5G網絡是機器設備上云的最佳的通信網絡，是機器設備上云的基礎。

未來制造工廠具有高度的靈活性和多功能性，對生產有更高的要求。例如能實時管控生產流程，快速下達生產任務，準確提供生產技術需求等。為快速響應生產需求，需要在云制造中引入AR技術。在AR的環境中，可以遠程裝配生產過程、遠程維護、遠程專家指導等，以促進生產的高效開展。5G技術的發展促進了AR的發展，推動了云制造智能化的轉變。

3.4 實現云物流追蹤

5G網絡能提供廣覆蓋、低功耗、超連接、低成本的連接技術，使倉庫管理到物流配送再到已發貨的商品都可以在云端實現實時監控，同時還可以實現不同制造廠商之間的倉庫物流管理系統在云端的無縫對接。減少了云制造物流環節所消耗的時間，同時也節省了倉庫終端上云的網絡成本。

3.5 提升云制造安全

5G網絡具有多重安全保障。一是先將數據傳輸協議層分為控制平面、用戶平面、管理平面三個平面，對數據進行隔離、加密和控制；對各種類型的無線通信引入統一的用戶采用認證機制，并對用戶和流量進行加密，加密密鑰的大小從128位增加到256位；二是支持靈活的分段安全策略，集中管理漏洞和信息安全策略的，對異常的大數據進行檢測分析以及對攻擊做出早期響應；三是利用人工智能算法實時檢測針對網絡節點和虛擬基礎設施組件的攻擊，可以在用戶可控的較近位置實現計算和存儲，安全管理用戶數據，提供加密、匿名化、安全存儲、刪除以及分析數據功能，保障數據安全[8]。制造廠商可以利用5G技術對工廠的布局進行重新規劃，對人、機、料、環境、信息和能源的關系進行重新定位和組合，而不用擔心信息泄露或被黑客破壞。

4 總結

隨著5G網絡的廣泛部署，云制造理論技術及應用的不斷發展，必定加快我國制造業的轉型升級，推動我國制造業的進一步發展。