5G技術在煙草工業企業的應用研究

呂 文

四川省工業和信息化研究院

1 5G技術的特征和應用

5G是支撐社會經濟數字化、網絡化、智能化轉型的關鍵新型基礎設施，為數字經濟發展提供了重要支撐。5G發展是未來技術發展的基礎，是未來技術變革的主導，也是未來經濟發展、創造就業的動力所在[1]。發達國家紛紛將發展5G列為國家戰略，我國也已將5G作為推動內需市場轉型升級和驅動經濟高質量發展的重要抓手。

1.1 5G技術的特征

5G是多種新型無線接入技術在不斷的演進集成后形成的通信解決方案的總稱，其標準制定、技術特性和應用空間均在不斷發生重大變革。一是5G實現超高速率、超低時延、超大連接。5G的峰值速率達10～20 Gbit/s，是4G的10倍以上；5G可實現低至1 ms的無線傳輸時延，只有4G的1/5 ；海量物聯網通信（massive machine type communication，mMTC）需要網絡能夠支持大量終端同時接入，1 km2的面積最多可支持100萬個連接[2]，是4G的50倍。二是5G時代應用更豐富，前景更廣闊，將出現大量網聯終端、新應用、新業態，應用場景也將由4G時代的消費互聯網拓展到產業互聯網。三是5G標準實現了全球統一，有利于統一全球技術創新方向，對形成全球產業鏈合力具有重大意義，而且5G技術標準是一個演進過程，隨著標準版本的遞增，功能將不斷提升[3]。近期5G技術從3個方面強調對遠程控制、多機器人協作、沉浸式虛擬現實（virtual reality，VR）等場景的支持：大流量（1 Gbit/s或更高）疊加低時延；同一業務由多種不同類型、不同優先級的數據流量進行傳輸；不同業務流需要時間同步，實現最好的業務體驗[4]。

1.2 5G技術的應用

5G正成為賦能千行百業的重要新基建。5G的顯著特性使之具備了成為新型網絡基礎設施的技術基礎，與傳統基礎設施深度融合，同時加速與大數據、云計算、人工智能等新一代信息和通信技術（information and communications technology，ICT）相結合，帶動車聯網、智能家居、醫療健康等垂直行業蓬勃發展。例如，2021年我國“5G +工業互聯網”在建項目超過2000個，已經在采礦、港口、鋼鐵、電力、 石油化工等重點行業領域深度應用[5]。以增強型移動寬帶（enhanced mobile broadband，eMBB）、低時延高可靠通信（ultra reliable low latency communication，uRLLC）及海量物聯網通信（massive machine type communication，mMTC）等技術特性滿足未來移動互聯網和物聯網的多樣化應用需求將給整個社會帶來更大范圍、更深層次的影響，從消費到生產，從平臺到生態，全面推動數字經濟發展邁上新臺階，整個社會將會步入一個更加智能的萬物互聯新時代。

2 5G賦能煙草行業的數字化轉型需求分析和總體架構

2.1 需求分析

5G憑借其高速率、低延時、大連接等特點，與人工智能、大數據、云計算、工業互聯網等技術不斷融合疊加，正加速推動煙草工業企業和商業企業的數字化、網絡化、智能化轉型。目前，煙草工業企業主要圍繞自動化、網絡化和智能化實施數字化轉型，具體需求表現在以下環節。制絲車間：需要通過5G融入具備實時狀態監控、遠程啟停、工單下發能力，實現全流程自動化生產；需要通過5G融入機器視覺替代現有的人工復核，復核煙葉等級、年份等信息，提高生產效率，減輕一線工作壓力。卷包車間：卷包車間加工原料、設備較多，需要通過5G融入實現外掛終端獲取數據解析及回傳，實現自動化；通過5G融入運用機器視覺+機械臂替代現有人工操作，提高產品質檢合格率及工作效率。濾棒成型車間：需要通過5G融入實現開松、成型、裝盤、發射濾棒全流程自動化；生產區域周邊需要布設氣體、噪聲等監測設備，廠區周邊需要布設安全監控設備或自動巡檢機器人，通過5G融入實現快速部署、及時響應，滿足隨接隨用的高期望。物流倉儲車間：需要融入5G技術，運用無人搬運車（automated guided vehicle，AGV）、堆垛機/立式倉庫、有軌制導車（rail guided vehicle，RGV）等自動化設備實現車間貨物的自動流轉；物流環節現有的AGV小車均使用Wi-Fi進行通信，存在Wi-Fi信號切換時小車異常停車的風險隱患，需要升級為5G物流小車，規避生產安全風險，提高生產產能。園區物流：園區物流采用立式倉庫，需要融入5G技術，通過倉庫管理系統（WMS）和制造執行系統（MES）相互打通，實現部分自動化；需要通過5G的融入，結合5G高精度定位技術，多手段管理物流物資，增加園區物流柔性，提高AGV/RGV、立體庫的運轉效率，整體提升園區物流效能。

2.2 總體架構

針對煙草工業企業的需求，可推進5G技術在現場作業、檢驗檢測、智慧物流、智慧倉儲、智慧園區等領域的應用，運用5G專網切片技術（網絡切片是5G按需配置網絡的一種實現[6]），打造面向5G融合應用、行業網提質升級、內外網安全隔離、網絡加密傳輸等方面的數字化轉型綜合解決方案，制定“1+N”的整體網絡及應用規劃，即1張5G工業網絡、N個應用方案。充分運用5G通信、人工智能、大數據、邊緣計算等新一代信息技術和預期感知與通信的融合、算力與移動網的融合、數字孿生網絡[7]的虛實融合等技術從數字化、網絡化和智能化3個方面推進煙草工業企業信息化轉型。一是數字化。通過企業移動邊緣計算（mobile edge computing，MEC）+工業互聯網平臺建設，實現數據的全面深度感知、數據共享和算力升級需求，打通企業各系統間的數據壁壘。二是網絡化。通過構建5G專網，提高網絡穩定性，提升產線擴容需求，降低現有設備維護難度，為現有生產線提供底層網絡化保障。三是智能化。通過5G專網+設備/環境數據采集+機器視覺+增強現實（augmented reality，AR）運維等創新應用建設，實現煙草工業企業在制絲、卷包、濾棒、物流等全流程場景的智能化建設需求，優化管理、運營、決策流程，加速企業生產應用智能化。

3 實現路徑

3.1 建設5G專網

5G與生產要素全連接是實現智能化工廠的關鍵，隨著煙草工業企業數據中臺的建設，對數據采集、設備控制的要求將越來越高。通過5G專網實現對廠區內外5G全覆蓋，解決網間切換問題，提升網絡的穩定性。基于固定頻段專網專用，5G網絡可滿足公網與專網并行，實現相互隔離，可排除外部干擾并提供千億級別的海量連接，靈活滿足廠區設備遠期擴容規劃及海量并發訪問，提升擴容性。通過5G+MEC，實現本地業務處理，滿足數據不出場、超低時延等需求，全面整合公司客戶、個人客戶業務，確保生產數據安全可控。

3.2 5G +場景應用

通過對工廠的5G+AGV、機器視覺檢測、智能巡檢機器人等數字化改造，結合5G +數字化管理平臺，實現卷煙排產、分料、卷胚、檢測、配送、倉儲等環節信息聯動和智能化管理。在生產過程中，生成任務精準下發至工位看板，并能動態調整，生產物料自動發放，物料包由5G+AGV在上班前自動發放至各個工位，工人可以通過一鍵呼叫進行自動補料，實現分料、卷制、檢測、人員等數據匹配和集成，實時展示車間和每個工人的任務進度、產品缺陷、計件等信息，生產相關數據和倉儲數據自動整理并生成管理報表。

3.2.1 制絲車間

通過5G專網+環境數據采集+蟲情智能監測+AR輔助運維等應用，優化制絲生產流程，實現設備及環境數據可視化，豐富質檢手段，解決生產過程中環境監測不全、人員巡檢難度大、人工追溯成本高等問題。環境數據采集：通過運用5G +工業網關+環境采集設備，滿足制絲車間對于海量環境數據采集、傳輸、存儲、處理的需求，對車間內環境數據（如制絲溫濕等）進行采集和可視化管理。蟲情智能監控：利用5G+人工智能（artificial intelligence，AI）視覺識別技術，將視頻監控終端與系統對接，實現車間內煙葉蟲情智能化監控、傳送帶智能化質檢等需求。AR輔助運維：利用5G+AR，可實現8 K VR直播信號傳輸，達到AR低時延要求，而且還可以給人的感官帶來直觀的刺激與認知[8]，為各場景提供多種AR應用，解決巡檢、運維等工作成本高、效率低的問題。

3.2.2 卷包車間

通過5G專網+設備數據采集+輔料/外包裝質檢+AR輔助運維等應用，可有效提升卷煙廠卷包車間智能化。設備數據采集：通過5G+工業網關+數據采集設備，彌補現有網絡通信的不足，滿足卷包車間內海量離散加工設備數據采集、傳輸、存儲、處理的需求，實現對卷包車間各種設備及環境數據的采集和可視化管理。輔料/外包裝質檢：利用5G+AI視覺識別技術將新時代的一些代表技術結合起來，應用人工智能與虛擬現實技術，并以數字圖像識別與處理為基礎[9]，使視頻監控終端與系統對接，實現卷包車間內輔料、卷包小包、條包外包裝智能化質檢需求。AR輔助運維：利用5G+AR，達到AR低時延要求。豐富卷包車間內離散的設備檢修手段，解決巡檢、運維等工作成本高、效率低的問題。

3.2.3 濾棒成型車間

通過5G專網+設備數據采集+環境數據采集+煙嘴質量檢測等應用，提高設備運行狀態集中化管理能力、生產環境監控能力，減少誤檢和漏檢的情況。設備數據采集：通過5G +工業網關+數據采集設備，實現對濾棒成型車間的開松機、成型機、裝盤機等各種設備數據的采集和可視化管理。環境數據采集：通過5G +工業網關+環境采集設備，滿足濾棒車間對于海量環境數據，如PM2.5、揚塵等信息的采集、傳輸、存儲和處理，對車間內環境數據進行采集和可視化管理。煙嘴質量檢測：利用5G+AI視覺識別技術，實現機器視覺終端與系統對接，將高清圖像實時回傳至質檢平臺，實現卷包車間內煙支過濾嘴的質量智能化質檢需求，確保其沒有污點和空心的情況。

3.2.4 物流倉儲車間

通過5G專網+智能AGV+托盤管理+AI庫區盤點等應用，提高AGV并發控制能力，實現庫存設備、貨物可視化管理。智能AGV：利用5G通信技術，解決熱點之間不能無縫切換、時延較大等問題，可以為AGV調度提供平滑切換的可靠網絡，助力提升AGV協作水平，提高庫存能力和物料流轉能力。托盤管理：針對當前以室內定位為主要訴求點的定位技術，往往存在覆蓋范圍小、部署成本高等缺點[10]，利用5G +高精度定位通信技術，實現托盤的智能管理。AI庫區盤點：利用5G+AI視覺識別技術，采用光學自動檢測的方式，實現庫區空貨位盤點、煙箱計數、品規識別、盤點差錯處理等需求。

3.3 5G +智慧營銷

5G技術還可以廣泛應用在煙草工業企業的營銷場景中，發布5G行業消息。借助5G技術發布的5G行業消息遵循GSMA RCS UP 2.4標準，通過移動5G網絡，可在不下載應用程序、不通過社交軟件的情況下，推送包含圖片、音視頻、位置、數據應用等內容的消息。企業可根據客戶的手機號，主動觸達客戶端。個人客戶可在短信窗口進行搜索，并直接進入企業聊天機器人（chatbot） 獲取所需服務。通過5G發布行業消息，將實現3個方面的突破。一是確保安全可靠。采用安全傳輸層協議（transport layer security，TLS）等加密技術，保障信息安全。二是實現內容豐富多樣。可通過個性化配置，以卡片形式推送多媒體消息，一次最多12張卡片，最大20 M，高容量信息一次直達，實現精準引流。三是促成智能交互。結合AI、智能語音、位置服務等技術，服務端自定義關鍵詞的觸發邏輯，實現會話式智能互動。

4 結語

5G專網解決了傳統工業車間布線煩瑣、改造困難等問題，實現生產車間無線化、靈活化，可節約大量硬件投入。通過5G技術在煙草行業的應用，使生產和管理智能化，全面提升企業在物料轉運、質檢、巡檢、盤點等方面的效率，產品質量精準可控，企業生產數據安全可靠，實現生產流程與管理流程的數字化、網絡化、智能化轉型，從而降低企業生產成本，顯著提升經濟效益，打造生產示范新標桿，有效實現傳統制造業向5G智能制造轉型。