基于“5G+VR”的制造業應用研究

方珍

關鍵詞：5G；VR；制造業；應用

1引言

2021年3月，“虛擬現實”（簡稱VR）技術正式列為“十四五”規劃中數字經濟重點發展產業，隨之迎來了全面高速發展的新時期，全國的VR產業得到飛速發展。同時，VR踩在了數字經濟引擎切換、5G千兆普及、行業數字化轉型需求井噴等風口上，VR終端普及率越來越高，VR新應用層出不窮，特別是在旅游、家庭娛樂、技能教育、醫療等方面涌現出新場景、新應用。2019年，隨著5G商用牌照的發放，5G逐漸普及，高速率、低時延、廣連接的5G技術為各種遠程、移動場景提了優質的無線傳輸通道，為新的創新應用提供了可靠的網絡基礎。在VR和5G技術雙重技術加持下，我國制造業也迎來了一波新的發展機遇。本文先對5G和VR技術在制造業的結合點和應用場景進行研究，再探討5G和VR在制造業的應用問題和推進措施。

2 5G和VR技術的發展現狀

VR技術是一門將虛擬和現實相互融合的技術，可以將現實生活場景中的圖像數據進行三維模型720。虛擬化建模，因其將現實進行虛擬化后再進行呈現，故稱為虛擬現實。VR技術區別于一般的呈現方式，它將用戶帶人整個虛擬三維空間，獲得全量的視角，并可隨著用戶視角而改變，帶來沉浸式的視覺感受[2]。

5G技術提供三大場景能力，分別是增強移動寬帶（Enhance Mobile Broadband，eMBB）、海量物聯網通信（Massive Machine Type Communication， mMTC）、超高可靠性與超低時延業務（Ultra Reliable&LowLatency Cormuunication，URLLC）。不同能力服務不同上層應用，eMBB提供100 Mbit/s的用戶體驗速率，面向超高清視頻[3]、VR，AR等場景。mMTC提供海量的物聯連接能力，典型應用包括智慧城市、智能家居等。URLLC面向需要高可靠、低時延的業務，包括工業遠程控制、ACV、無人駕駛控制等。

“5G+VR”廣泛應用于娛樂、醫療、教育、文旅等領域，在千行百業中形成特色應用，如VR看房、VR駕校、VR游戲等，直接將人帶入虛擬的場景中，沉浸式地進行角色扮演，大幅度提高體驗者的參與度，應用效果顯著而深刻。

3 5G和VR技術的結合點

為了保證VR體驗的流暢性，減少時延過大導致的眩暈感，基于云端VR模式需要VR應用數據交互滿足端到端時延20毫秒以下[4]的傳輸延時，同時需要兼顧高速率和移動性的網絡通信要求，滿足[30，100] Mbps寬帶的需求。由于開放頻率的通信手段（如無線Wi-Fi、藍牙等）受限于協議機制和頻段干擾等因素，容易造成卡頓和延時不穩定的問題。

5G作為新一代的通信技術，通過利用5G切片技術，對傳輸數據進行資源隔離，對不同要求的數據包使用不同的網絡切片，賦予不同的傳輸優先級策略和空口資源，可以保障VR的操控和圖像數據優先低時延、高可靠傳輸。同時，通過將邊緣服務器設備（MEC，Mobile Edge Computing）下沉到應用本地，如圖1所示，將VR應用服務部署到MEC服務器上[5]，實現數據流量不出園區、不出工廠，進而達到VR數據的低時延傳輸。

4VR應用關鍵技術

4.1VR全景直播技術

VR直播技術由VR全景攝像機、內容分發服務器、VR顯示端組成。全景VR攝像頭由多個攝像頭組合而成，形成一個多方向采集的前端攝像機，將獲取到的多方向圖片進行投影平面變換，形成圖像基座，對基座進行特征提取、特征匹配以及圖片融合、增強等，最后進行投影映射編碼，即完成了多張照片的360。全拼接，通過拼接過的圖像，可以得到一個360。全景影像[7]。全景圖像拼接可在攝像機內部或者遠端服務器上完成，不同的方式對攝像機的硬件要求也不同。內容分發服務器處理VR顯示端的播放請求，再將VR視頻內容穩定分發傳輸到各個顯示端[7]。

4.2建模技術

建模技術是VR的基礎，包含虛擬環境和虛擬物品的構建。通常而言，建模可分為幾何建模、物理建模、行為建模等。物品對象的幾何信息包含外形和形狀2個要素，一般由幾何建模來刻畫物體的外形狀態。物理建模主要刻畫對象的位移、碰撞、旋轉、形變等信息，實現模型動態行為搭建。針對行為建模，除了設計模型外觀等，還需要關聯模型的物理特性，賦予模型一些特定行為特點，以模擬出一個逼真的物體。通過三個方面的建模，賦予建模物體外形和內在的特性，從而營造出真實的感覺。建模技術產生的模型文件需要經過三維渲染才可以更加真實地展示出來。三維渲染讀取建模輸出的模型文件，可以處理模型的表面數據、紋理數據、燈光效果、折射、透明、模型運動控等信息。

4.3信息交互技術

信息交互是VR的沉浸式效果的關鍵體現，強化人與虛擬場景的互動，提高內容的體驗感是現在研究的一個重點。現階段，VR交互手段大致可分8種，分別為動作捕捉、觸覺反饋、眼球追蹤、手勢追蹤、方向追蹤、語音交互、傳感器交互和模擬場地交互[8]。其中，觸覺反饋是目前市面上VR設備采用的標準交互方式，使用多自動度的雙手手柄進行交互，在虛擬空間有操作手柄的影像和光標，通過按動手柄的按鈕即可進行與虛擬空間的互動。其他的交互方式在不同的場景下有不同的應用優勢，原理都是基于人的行為的信息采集，然后如實反饋并作用在虛擬空間上。

5 5G和VR技術在制造業上的應用

5.1“5G+VR”全景遠程操控

在制造業中，一些工作存在一定作業風險，如高溫、攀爬等，使用遠程操作的方法能大大降低勞動者的風險，相關人員不用到達現場，將機器等操作設備放置在辦公室，配合VR技術的實時全景視角，營造人員在現場的感受，即可在辦公室遠程操作機械設備。同時，通過5G邊緣云網絡進行數據處理，在VR視角上疊加機器的工作狀態和警告信息，可以最大限度地為操作者提供全量的操作信息，未來現場人員操作最終會被取代，實現無人化、智能化生產的目標。

5.2 VR培訓

人員技能培訓一直是企業職工能力提升的重要手段，受限于培訓器材或場地、時間等因素，培訓效果很容易受到影響。比如，往往出現一個教員在前臺演示完成，而由于距離等因素，臺下很多學員尚未看清或者弄明白就結束了，導致教員需要進行反復講解。利用VR技術，將設備的所有零件虛擬化，遵循真實的流程，制作出對應裝維VR流程，將一個個器件組裝起來，搭配VR手套和追蹤定位系統，人員從現場裝配變為虛擬裝配，最后對整個裝配的結果進行系統自動打分評定。通過VR技術，培訓所需實體資源更少，培訓時間更加靈活，考核評定更加標準。

5.3 VR巡檢

大部分的工廠企業巡檢都是以人工登記為主，存在人員漏檢、實時性較差等問題。VR巡檢對需要巡檢的設備和位置進行建模，通過在設備的不同位置加裝傳感器進行數據采集，并與真實現場進行融合，搭建起虛擬和真實結合的VR場景，場景既能實時顯示設備的數據，也可以調看現場的VR實景視頻圖像，以確定現場的具體情況。在發現問題的時候，可以立馬進行VR場景內的故障上報，并可保存人員的巡檢操作記錄，確保巡檢人員操作的正確性并規避漏檢和不檢的問題。

5.4虛擬制造

虛擬制造以仿真為主要應用，對產品的設計、加工、裝配、運維等環節進行建模之后[9]，形成虛擬的產品全流程制造過程。相關人員只需要在VR虛擬工廠中操作虛擬的3D模型，應用手柄或者手勢，進行模擬操作，完成原型產品的設計、試產、裝配流程模擬、運維檢修等生產操作，操作結束后對操作過程進行保存和分析，便可提前發現產品可能出現的問題和缺陷。虛擬制造為企業高效開發、優化操作提供便利的工具，能縮短新產品的開發時間，提前規劃產線的工藝流程、規劃維修步驟等，大幅節約企業的生產管理成本。

5.5虛擬孿生工廠

現階段，工廠運行狀態數據都是通過各類計量儀表和采集系統收集，集中展示在信息化界面中，展示方式多為二維平面方式。虛擬全景工廠利用三維建模軟件對全廠進行整體結構、建筑和設備建模，同時對房屋外觀、地面、墻壁、吊頂、光源等模型進行1：1還原，進而在虛擬空間展示工廠全貌．，針對虛擬工廠，重點需要對廠內的各類設備和運行狀態進行虛擬呈現，和實際運行情況保持一致，真實和虛擬之間相互聯動，打造虛擬VR孿生工廠。通過VR眼鏡，即可游覽整個虛擬全景工廠，在虛擬工廠中進行相關操作，可實際作用到對應的設備上。

6存在的問題

（1）相關設備品類偏少，產品笨重感強，造價偏高。受限于當前5G產業鏈的不成熟，單5G通信模塊售價在千元左右，相較于4G通信模塊的價格貴了近十倍，因此目前支持5G通信的產品偏少，達不到大規模量產的要求。當前，支持5G的VR眼鏡較少，如摩托羅拉發布的5G頸部可穿戴VR設備，目前仍然未到量產的程度。大部分的“5G+VR”應用使用5G CPE進行間接通信，且大部分VR設備仍然較為笨重，長期佩戴對眼睛和脖子的壓迫會帶來一定的健康問題。

（2） VR技術在制造業應用起步較晚，總體水平還需要進一步提高。國內VR在制造業的應用由于發展的時間短，而且技術經驗也不充足，總體水平還需要進一步提高。制造業VR應用處于摸索、打造新應用場景階段。隨著我國的科技水平的不斷提高，相信我國的VR應用將取得更大的進步。

7如何提升5G和VR技術在工業制造業中的應用水平

工業是我國的第一產業經濟，講究實效和成本，關注提升生產管理的“人、機、物、法、環”五要素。5G和VR作為輔助工具，著重在于優化、改良企業的生產管理，提升企業人員管理或者培訓的效率。比如，VR遠程控制可代替很多機器的現場操作，工人不必在現場，遠程即可方便地操控各種機器，提升了機器使用效率。VR孿生工廠在于整體生產的把控，將實際的產線情況與虛擬的產線同步顯示，更加直觀也更加利于企業的生產決策。

為提升5G和VR技術在工業領域的使用水平，需要建立在卓有成效的“5G+VR”的應用基礎上，發掘更加實用、有效的使用場景。隨著SG和VR行業產品的逐步成熟，將會有更多的應用被工業企業采納、使用。

8結束語

VR技術是未來科技發展的一個重點方向，隨著VR終端產品的能力不斷提升、性能不斷增強，產業鏈即將成熟。目前，VR終端的普及率得到了大幅度提高，在導航、旅游、游戲、社交等多個場景已得到廣泛應用。本文分析了在工業制造業場景中，VR技術和5G的關鍵技術、應用場景和推廣應用中的問題。在工業互聯網的趨勢推動下，“5G+VR”技術和產業鏈在逐漸成熟，未來將在工業領域有很大的發展空間。