5G技術在服裝智能工廠中的應用探究

李雪霞，張志斌,2，褚建立

(1.河北科技工程職業技術大學，河北 邢臺 054000；2.河北省服裝個性化定制技術創新中心，河北 邢臺 054000)

2019年11月，工業和信息化部印發了《“5G+工業互聯網”512工程推進方案》[1]，提出深入研究工廠內5G網絡部署架構等關鍵問題，形成覆蓋重點行業的網絡部署架構及方案。2020年3月，工業和信息化部在《關于開展產業鏈固鏈行動推動產業鏈協同復工復產的通知》[2]中提到，要加快5G網絡、人工智能等新基礎設施建設，加快制造業智能化改造。2020年5月，政府工作報告提出加強新型基礎設施建設，拓展5G應用，推動制造業升級和新興產業發展，推進智能制造，打造數字經濟新優勢。2020年12月工業和信息化部發布《工業互聯網創新發展行動計劃(2021—2023年)》[3]，提出深化“5G+工業互聯網”融合應用，支持企業建設5G全連接工廠，推動5G應用向核心生產環節滲透，加快典型應用場景推廣。2021年7月5日，工業和信息化部、國家發展改革委等十部門聯合印發關于《5G 應用“揚帆”行動計劃(2021—2023 年)》[4]的通知，《行動計劃》明確提出到2023年5G在大型工業企業滲透率要達到35%，打造典型應用場景，形成100種以上的5G應用解決方案，示范引領5G應用規模化落地。在服裝行業，雅戈爾集團、紅豆集團、漢帛國際等企業已率先建成5G服裝智能工廠。

目前5G技術應用場景研究集中在智能制造場景(機械制造)、智慧礦山建設、現代供應鏈場景、煤礦智能化、智慧碼頭、智能電網等，有關服裝智能工廠5G應用場景的研究還較少，為了進一步推動我國服裝智能工廠建設進程，本文借鑒相關制造業應用場景案例，通過文獻研究法、案例分析法、歸納演繹法等研究方法，分析5G技術應用于服裝智能工廠建設的難點及其可行性，就服裝智能工廠5G網絡架構和應用場景進行研討。

1 5G技術概述

1.1 5G技術的三大特性

第5代移動通信技術(5G)有三大關鍵特性：增強移動帶寬(eMBB)、高可靠超低時延連接(uRLLC)和海量物聯(mMTC)。在服裝智能工廠中，利用5G的eMBB大帶寬特性，可以連接無線工業相機和超高清攝像頭等，進行工業質檢、4K/8K高清直播、安防等活動。利用5G的uRLLC超低時延高可靠特性，實現云化自動導引車(云化AGV)自動編組協同物料配送、智能化縫制單元實時控制、機器人同步等。利用5G的mMTC海量物聯特性，連接縫制設備、海量服裝物料、人員，進行設備狀態監控、資產跟蹤、物流和庫存管控等[5]。賦能制衣行業，打造5G+紡織服裝工業互聯網。5G技術的三大關鍵特性見圖1。

圖1 5G技術的三大關鍵特性

1.2 5G網絡切片技術

網絡切片是以按需組網的方式，讓運營商可以根據用戶的業務需求分配差異化的網絡資源，它在同一個基礎設施上切出多個端到端的、邏輯獨立的、具有特定網絡能力且相互隔離的虛擬專用網絡[6]。每張網絡切片在邏輯上相互隔離，服務于不同的應用場景。

一個網絡切片實例是所需的網絡功能、虛擬資源和物理資源的集合，具體包括無線接入網(RAN)子切片、傳輸承載網子切片和核心網子切片。網絡切片是準專網，任意一個虛擬網絡發生故障都不會影響其他虛擬網絡。5G網絡切片有利于實現5G網絡共享、提升網絡資源的利用率、滿足用戶多元化要求。

根據服裝智能工廠各種應用的具體連接需求，可構建3張5G網絡切片。

服裝工業控制切片：uRLLC可以滿足低時延、高可靠通信類網絡的連接需求，適用于對可靠性、時延敏感要求高的業務領域，尤其是在智能化縫制單元控制、云化AGV調度、機器人遠程操控等業務領域[7]。

服裝工業多媒體切片：eMBB增強型移動寬帶可以滿足大帶寬網絡連接需求，其具有移動性強和大帶寬的特點，適用于數據量大的業務領域，如服裝電商直播通過5G+VR/AR(虛擬現實/增強現實)或4K/8K高清視頻實現與客戶交互、服裝展示、秀場直播、虛擬試衣等場景。

服裝工業物聯網切片：mMTC可以滿足海量資源物聯網連接需求，其具有低能耗、低成本、小數據包、海量連接的特點，適用于數量巨大的終端接入業務領域，如服裝物料庫存監控、縫制設備狀態監控、物流監控、資產跟蹤等。

2 服裝智能工廠應用5G技術的可行性分析

2.1 服裝智能工廠應用5G技術的必要性

傳統的工業網絡存在時延不穩定、易干擾、易掉線、速度慢、移動式設備布線困難、網絡安全風險以及數據孤島等問題[8]。服裝智能工廠對網絡連接的多樣性和穩定性提出了更高的要求，目前普及的現場總線網絡、傳統有線通信網絡、工業級無線網絡已經無法滿足服裝智能工廠對于網絡層的性能要求，需要引入兼容性、靈活性、可靠性更高、帶寬更大、時延更低、連接數量更大的新一代無線通信技術。

當前服裝消費呈現個性化、定制化、快時尚的特點，訂單的不確定性給傳統服裝企業帶來諸多挑戰。5G技術賦能的服裝智能工廠能滿足按需生產、零庫存或低庫存快速響應生產模式、用戶全程參與個性化定制等行業發展的需求。

2.2 服裝智能工廠應用5G的技術可行性

綜合智能工廠未來發展需求，對5G系統提出以下技術需求：①傳輸速率需求，要求用戶峰值速率、用戶體驗速率分別達10、0.1～1.0 Gb/s。②時延需求，要求時延達到毫秒量級。③設備連接密度需求，要求達到60～600萬個/km2。④流量密度需求，要求達到20 Tbps/km2。⑤可靠性需求，5G R16可靠性可達99.999 9%。

5G傳輸速率用戶峰值速率可達20 Gbps，并且上行速率可滿足超高清直播攝像機、工業相機的大帶寬需求。5G超低時延可達到1 ms，可滿足工業實時控制需求。5G的連接密度可達100～600萬個/km2，可以滿足人、機、物等萬物互聯需求[9]。5G的網絡切片技術能為各種應用提供不同安全級別的網絡隔離，可以滿足多種應用的不同安全級別的需求，具有更強的安全能力。

新一代信息通信技術的發展，支撐服裝智能工廠的實現，推動“5G+智能”時代到來。低時延、高可靠、大帶寬的5G移動通信網絡，讓各種資源實時在線、萬物互聯。5G+MEMS(微機電系統)智能傳感器和5G+IOT(物聯網)全方位實時感知人、機、料、法、環等各種資源的行為狀態，連續不斷向管理層傳輸高價值數據。借助5G+MEC(邊緣計算)的算力和5G+AI(人工智能)的算法，通過“云大腦”的高效分析+MEC的本地化快速響應，為決策者提供精準智能的描述、診斷、預測、決策等服務，實現服裝企業資源實時監管和配置優化。

2.3 5G服裝智能工廠建設過程中的難點

5G服裝智能工廠在建設過程中，將面臨2個方面的難點，首先是5G網絡建設及運營投入巨大，特別是在工業互聯網建設中的投入成本較高，資金回收周期較長；其次是設備的5G聯網問題。服裝企業要實現以下的5G應用場景，全廠區實現需要穩定可靠的5G網絡覆蓋，企業的智能化縫制單元、云化AGV等工業設備需要已完成自動化改造，具備開放的工業通信協議接口和5G網絡接入能力，支持遠程操控，生產線可根據要求進行設備參數自動配置和自主組合等。所以服裝行業的5G應用場景和產業生態建設應當根據應用風險大小和剛需性強弱，在試點示范的基礎上以點帶面、分步推進。

3 基于5G技術的服裝智能工廠網絡架構方案構建

基于5G技術的服裝智能工廠網絡架構主要包括4個層面：數據層、網絡層、平臺層和應用層。服裝智能工廠是基于5G網絡的原生云超分布式架構、超性能異構MEC的技術內核和動態智能網絡切片，運用5G提供的“差異化+確定性”的網絡服務能力，實現柔性化的混流生產、大規模定制生產C2M(用戶直連制造)和高效用戶交互[10]。同時讓管理者可以更全面地對生產過程進行實時、精準的管控。基于5G技術的服裝智能工廠架構方案見圖2。

圖2 基于5G技術的服裝智能工廠架構方案

通過5G+MEC+IOT的云邊端三體協同架構，實現了服裝智能工廠精益化、數字化及柔性化生產，支持服裝企業向智能化轉型升級。在以5G為代表的新技術推動下，服裝的生產將利用“網絡+數據+算法+算力”構建以科技為核心的智能化制造體系[11]。5G技術在服裝智能工廠中的應用場景包括基于5G技術的敏捷制造場景、實現智能物料庫存管理和云化AGV協同物料配送場景、在線4K/8K高清電商直播和5G+VR/AR智慧門店場景、企業運作管理效率提升的數字化管理和5G機器視覺質檢場景、設備的全生命周期管理(遠程監控&調試&維修)和能耗管理場景。

4 5G技術在服裝智能工廠中的應用場景探討

4.1 基于5G技術的服裝柔性制造

敏捷性是服裝智能工廠最重要的特征之一。柔性制造可以根據服裝個性化訂單的不同需求進行迅速響應，以數據的自動流動化解訂單的不確定性。5G和人工智能技術賦能服裝柔性生產線，提高生產線的靈活部署能力[12]。未來柔性生產線上的服裝制造設備可擺脫線纜的束縛，能自由的拆分組合，實現生產線的快速調整。縫制設備間自由通信，讓端到端無縫連接，打通設備間數據流、生產信息流和制造工藝流，實現數據全面互聯和跨部門協作。基于5G技術的服裝制造環節實時工業控制方案見圖3。

圖3 基于5G技術的服裝制造環節實時工業控制方案

制造執行系統(MES)通過5G網絡給智能化縫制單元、智能化裁剪單元、智能化整燙單元、自動引導運輸車等服裝智造單元發送作業標準、工藝技術文件、操作視頻、設備程序等指令，及時調度生產，實現設備自主控制、遠程實時管控和設備間協同制造。

4.2 基于5G技術的服裝物料管理和物流配送

根據服裝企業生產流程設計實現物料資產盤點、取料、退料、補料等智能化管理。當顧客下達服裝訂單時，系統會自動核算該訂單所需物料總量，根據現有物料庫存下單供應商補給，確保在滿足交貨時間的同時做到庫存成本最低[13]。基于5G技術的服裝物料管理方案見圖4。

圖4 基于5G技術的服裝物料管理方案

5G視覺導航+云化AGV系統能通過5G提供的端到端的網絡支撐，使云化AGV小車具備自組織與協同能力，實現智能調度和實時路徑規劃，靈活柔性的為服裝生產線進行精準物料配送。

運用5G+IOT+AI技術，打通供應鏈數據流，實現數字化供應鏈供需實時化對接。促進服裝各領域生產商與供應商之間互聯互通。實現服裝產品全開發周期的供應鏈垂直互聯，優化網絡效能，提高生產效率與交貨期穩定性。

4.3 基于5G技術的服裝電商直播和智慧門店

5G技術大帶寬、低延時的特點，可以滿足4K/8K超高清、多視角、3D超高清全景視頻的實時傳輸，為服裝企業電商直播、秀場直播提供網絡支撐。應用虛擬試衣鏡營造出身臨其境的互動虛擬購物環境，帶給顧客沉浸式的消費體驗[14]。基于5G的直播電商、虛擬現實(VR/AR)營銷、智慧門店和營銷大數據分析等先進技術應用，進行貨柜商品識別和客流統計分析，提升營銷服務效率和客戶黏性，加速孵化本土品牌和擴大市場影響力。構建持續融合創新、富有活力的產業生態，促進服裝產業轉型升級。

利用5G融合云計算、IOT、AI、大數據等新技術，推動服裝全渠道營銷模式創新。一是銷售模式創新。基于社交視頻和移動實時視頻等新媒體平臺，通過5G+電商直播、秀場直播模式，讓消費者能直觀、高清晰地了解服裝產品細節，提供更好的消費體驗[15]。二是購物模式創新。推動5G+VR/AR智慧門店模式，在購物區域融入VR/AR技術和3D體感試衣鏡，連通線上與線下，營造現實和虛擬結合的購物環境，讓著裝效果、布料質地、色彩、圖案等都能真實的展現在消費者眼前。

4.4 基于5G技術的服裝車間實時管控和機器視覺質檢

在生產流程中，服裝工廠內部依靠5G的海量連接、低時延、高可靠網絡，實現設備跨地域實時管控。實時采集智能縫紉設備、吊掛線等設備運行狀態數據，實時反饋生產進展，人工智能技術動態調整優化產線節拍和產能平衡。同時與協同工廠實現設備互聯和數據交互，構建完整的服裝智能工廠網絡，實時共享產能[16]。終端傳感器實時采集并傳輸設備、人員、物料、工藝、環境等環節有價值的數據，助力實現車間設備實時工業控制和車間可視化動態管理，實現過程監控管理與績效落地。打造數據化決策模式，提升流程化管理水平。

在生產線部署4K/8K高清工業相機，利用5G機器視覺技術和AI視頻圖像實時分析，實現服裝制造車間快速、精確的智能化質量檢測、工序檢測、安全監測、動作分析和品質控制，應用客觀、及時的數據準確反應現場情況，促進產品質量提升和作業動作優化，推動生產現場管理和作業能效系統性持續優化[17]。

4.5 基于5G技術的服裝設備運維和能耗管理

通過5G網絡采集服裝工廠內部數據，進行車間生產設備和環境檢測，基于云端計算、MEC邊緣計算和AI數據分析，結合設備機制模型、設備異常模型和專家知識模型等人工智能技術，對設備運行趨勢進行診斷，形成設備體檢報告，提出預測性維修與維護建議[18]，與設備供應商進行合作實現設備遠程調試與維護，實現設備全生命周期管理。

低時延、大連接的5G網絡可以將服裝智能工廠內海量的生產設備進行互聯互通，提升生產數據感知能力與采集的及時性，為設備能耗精細化無人化管理、生產流程優化提供網絡和數據支撐[19]。智能化縫制單元通過5G網絡接收工藝技術文件、作業標準、維護程序等指令，實現設備遠程管控[20]。基于5G技術的服裝設備維護方案見圖5。

圖5 基于5G技術的服裝設備維護方案

5 結束語

目前，基于5G技術的服裝柔性生產已經逐漸走進現實，5G技術帶來的不僅是通信網絡的改進，還有服裝生產工藝的提升，更重構了整個服裝智能工廠的架構。基于5G技術的服裝智能工廠具有互聯、透明、優化、敏捷、前瞻等特點。作為新一代無線通信技術，5G技術將為服裝智能工廠提供多樣化和高質量的通信保障，促進服裝生產經營各環節海量數據信息的融合貫通。5G技術帶來的服裝生產過程的系統性變革，將帶動生產、管理、經營活動等一系列的新模式、新業態的發展和普及，實現中國服裝制造業向數字化、個性化、定制化、智能化轉型升級。可以預見，以5G為核心的新技術將成為推動我國服裝業創新發展的強大動力和有力支撐。