隨著新型基礎設施建設加速推進，作為其主要領域的5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)備受關注、持續(xù)升溫。
5G是新一代移動通信技術，不僅可以帶來良好的移動互聯(lián)網(wǎng)體驗，還將成為智能制造、智能醫(yī)療、智能政務、智慧城市以及自動駕駛等領域的關鍵支撐技術;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺則是代表了新一代信息技術與制造業(yè)深度融合創(chuàng)新大方向的頂級生態(tài)系統(tǒng)，既包括生產(chǎn)設備、材料和產(chǎn)品等硬件領域，也包括各種管理軟件、數(shù)據(jù)和服務領域。
5G開啟萬物互聯(lián)的數(shù)字化新時代，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是5G最主要的應用場景，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”將是產(chǎn)業(yè)融合的重要方向，可進一步促進各生產(chǎn)要素間的高效協(xié)同，助力企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化轉型升級。
場景一：感知式管理生產(chǎn)過程
傳統(tǒng)工業(yè)時代，生產(chǎn)設備、原材料和能源是工業(yè)生產(chǎn)的三個基本要素。傳統(tǒng)制造業(yè)的發(fā)展歷史，其實就是企業(yè)利用生產(chǎn)設備、原材料和能源進行物質生產(chǎn)的歷史，每一次生產(chǎn)設備、原材料和能源領域的技術革命都催生了生產(chǎn)方式的變革和生產(chǎn)力的飛躍。
但是，近年來，隨著物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術的快速發(fā)展，越來越多的生產(chǎn)設備及零部件以無線方式實現(xiàn)了與互聯(lián)網(wǎng)或其他終端設備之間的互聯(lián)，由此衍生出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。
隨著信息技術與制造業(yè)日益深度融合，工業(yè)生產(chǎn)朝向數(shù)字化轉型升級的趨勢愈發(fā)明顯，數(shù)字化的知識和信息數(shù)據(jù)已成為企業(yè)的關鍵生產(chǎn)要素(如圖1所示)。
5G可支持每平方公里內(nèi)百萬級別“物”的連接，并提供工業(yè)級的可靠性和實時性，這些能力使得5G能夠成為支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略順利實施的關鍵基礎設施。正是這種“大規(guī)模連接”能力的升級，才使得生產(chǎn)資源、信息數(shù)據(jù)、物品物料、生產(chǎn)設備和員工能夠全面實現(xiàn)互通互聯(lián)。
未來，通過全面的互通互聯(lián)，云計算、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等新技術將與自動化技術結合，使得生產(chǎn)工序實現(xiàn)縱向集成，設備與設備之間、員工與設備之間的協(xié)同合作將整個工廠內(nèi)部全部連接起來，可以相互之間發(fā)出請求并及時響應，還可以調(diào)整利用資源的多少及產(chǎn)品的生產(chǎn)率，開展個性化的柔性生產(chǎn)。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)必須確?；旧a(chǎn)工序與物品物料和設備之間的互聯(lián)互通，以感知實時決策所需的各項數(shù)據(jù)。
一方面，傳感器遍布企業(yè)的各個生產(chǎn)設備之中，系統(tǒng)可不斷從各個流程感知數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)實時更新;
另一方面，通過整合來自企業(yè)運營系統(tǒng)(ERP等)、業(yè)務系統(tǒng)(MES等)以及供應商和客戶的數(shù)據(jù)，可全面、動態(tài)、實時地掌控供應鏈上下游各個環(huán)節(jié)的所有流程，從而提高企業(yè)供應鏈網(wǎng)絡的整體效率。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，在設備/產(chǎn)線原有的自動化控制功能基礎上，通過附加“感知”這一新功能，即可實現(xiàn)生產(chǎn)安全和產(chǎn)品生命周期管理等智能化指標要求。
這些附加于生產(chǎn)設備的“感知”功能指通過為設備/產(chǎn)線配置眾多物聯(lián)網(wǎng)傳感器或5G無線網(wǎng)絡通信模塊，將所感知的信息數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡傳輸?shù)焦I(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺背后的數(shù)據(jù)中心或智能計算中心，再通過大數(shù)據(jù)分析，實現(xiàn)智能決策，使得設備/產(chǎn)線具有可視化、可控化、自動化和自我優(yōu)化等功能，從而實現(xiàn)設備/產(chǎn)線的智能化，形成感知式的管理生產(chǎn)過程(如圖2所示)。
通過感知數(shù)據(jù)，再經(jīng)過對大數(shù)據(jù)的挖掘分析，未來的生產(chǎn)過程可實現(xiàn)高可靠性、高穩(wěn)定性運轉，每個生產(chǎn)環(huán)節(jié)清晰可見，最大限度地降低人工干預，使整個企業(yè)有序高效地自動運營。
形成感知式管理生產(chǎn)過程之后，企業(yè)可以實時掌握生產(chǎn)資源狀況;同時隨著產(chǎn)品全生命周期管理系統(tǒng)與生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)的優(yōu)化，原材料使用和能源消耗也會更加節(jié)約，從而進一步促進企業(yè)降本增效。
通過感知，企業(yè)可以識別生產(chǎn)過程的各種異常情況，監(jiān)控生產(chǎn)安全，及時進行設備維修、儲備并補充庫存、發(fā)現(xiàn)并提前解決質量問題;通過感知，企業(yè)能夠基于歷史數(shù)據(jù)與實時采集數(shù)據(jù)的對比分析，預測產(chǎn)量和銷量，從而提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品產(chǎn)量與質量，及時調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度和供銷存體系，同時預防生產(chǎn)安全等問題。
基于上述特征，企業(yè)可全面、實時掌控生產(chǎn)管理系統(tǒng)及各類資源，有效應對內(nèi)外部各種不確定因素帶來的挑戰(zhàn)，更加靈活地響應多樣化和個性化的市場需求，更加柔性地應對不斷變化的上游供應商和下游客戶的需求。
場景二：預警式管理設備狀態(tài)
以自動化為標志的工業(yè)3.0時代，企業(yè)在降低勞動力成本的同時，加大了設備資產(chǎn)的占比，這使得設備的遠程診斷與運維服務面臨巨大的挑戰(zhàn)。因為設備無論如何自動化，也回避不了磨損與老化等問題;同時，制造業(yè)是以一個個零部件組裝為主要工序的工業(yè)領域，由于機械加工設備的結構及其技術復雜程度較高，設備維修難度較大，致使設備故障頻繁、損壞程度嚴重，這些都制約了企業(yè)設備管理水平的提升。
通過“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，企業(yè)能夠進一步增強對設備狀況的把握，并通過實時監(jiān)控追蹤、報警等手段，確保生產(chǎn)調(diào)度等決策更加合理、精準，管理系統(tǒng)可預見即將出現(xiàn)的問題與挑戰(zhàn)，并提前主動應對，而非等待問題發(fā)生后再被動響應。
據(jù)報道，德國博世公司已經(jīng)與諾基亞合作開展工廠無線化試驗。數(shù)據(jù)顯示，相對于Wi-Fi以及4G，5G更具低時延和高穩(wěn)定性。博世公司稱，相對于工廠生產(chǎn)線大規(guī)模停止，部分關鍵工序短時間停止的損失更大，而那些精度要求較高的工序，關鍵就在于快速響應(低時延)。也就是說，關鍵生產(chǎn)任務需要保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、可靠性、靈敏度以及大流量數(shù)據(jù)分析和處理所需的高網(wǎng)速。
傳統(tǒng)的工廠很難敷設光纖，而無線通信技術Wi-Fi難以擴展，速率以及抗干擾性能都不強。制造車間因Wi-Fi的延遲可能導致高昂的代價，如限制了生產(chǎn)力的提升，并降低了利潤。
在一些發(fā)達國家的企業(yè)中，移動互聯(lián)網(wǎng)連接已經(jīng)比Wi-Fi使用更廣。為了利用更高的數(shù)據(jù)速度及可靠性，許多企業(yè)正在考慮建設5G局域網(wǎng)絡。相比于4G，5G除了網(wǎng)速提高10倍(或更多)、延遲降低50倍之外，還可以支持更多的設備。
隨著5G時代的到來，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域將會有更多的5G局域網(wǎng)。與其他本地無線網(wǎng)絡相比，5G局域網(wǎng)主要優(yōu)點是：更高的容量支持更多設備，高帶寬應用、更廣的范圍、無縫移動性、工業(yè)級可靠性、一致的延遲、更高的服務質量及安全性，還有與產(chǎn)業(yè)鏈上游多個供應商之間的互操作性。
Wi-Fi是一定范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡通信，電波有效覆蓋范圍一般只有幾十米，可以收發(fā)大容量數(shù)據(jù)且不發(fā)生費用，所以在企業(yè)、公園、車站、商場、酒店等各種場所廣為使用。但是，與移動通信相比，Wi-Fi存在安全性問題，只要掌握Wi-Fi上網(wǎng)用戶名和密碼，任何人都可以接入網(wǎng)絡。同時，Wi-Fi不夠穩(wěn)定，長時間使用經(jīng)常會發(fā)生掉線情況，這決定了企業(yè)關鍵工序不能全面使用Wi-Fi。4G時代，最高下載速率為100Mbit/s、上傳為50Mbit/s，傳輸還會延時，音頻、視頻和高清圖像等大容量數(shù)據(jù)難以實時發(fā)送。而5G局域網(wǎng)不僅擁有“不發(fā)生通信費用”的Wi-Fi優(yōu)勢，還可以采用SIM認證，不經(jīng)由公眾網(wǎng)，就可以實現(xiàn)安全、專用和高速、高可靠性及低時延。
例如，德國博世公司采用5G局域網(wǎng)后，將電動螺絲刀接入專用網(wǎng)絡，就會自動記錄擰螺絲的轉數(shù)、順序等數(shù)據(jù)信息。博世公司借助5G對工業(yè)工程管理等解決方案進行測試或驗證，不僅使得所制造的全部產(chǎn)品保持質量均衡，還能夠在擰螺絲順序發(fā)生錯誤時實時提醒改正。而且，電動螺絲刀同時將工業(yè)工程數(shù)據(jù)全部反饋到服務器上，除了有利于工業(yè)工程管理之外，還可以為其他產(chǎn)品提供可用信息。
博世公司此前是基于Wi-Fi實現(xiàn)這一管理過程的，后來發(fā)現(xiàn)5G局域網(wǎng)在抗頻段干擾、帶寬(尤其是上傳)、超負荷以及網(wǎng)絡安全方面，相對于Wi-Fi性能指標更好。工廠內(nèi)不同的生產(chǎn)線可能采用不同的網(wǎng)絡，因此有時根據(jù)需要可能要變換生產(chǎn)線，而Wi-Fi的網(wǎng)絡通用性較差。未來的工業(yè)生產(chǎn)要使用大量數(shù)據(jù)，從大批量生產(chǎn)和銷售的產(chǎn)品開發(fā)向適應客戶個性化、定制化需求的產(chǎn)品開發(fā)轉變，Wi-Fi較低的通用性將是一大制約。
從提高效率、降低成本的角度考慮，工廠內(nèi)的網(wǎng)絡也需要實現(xiàn)無線化。為了提高產(chǎn)品質量和生產(chǎn)率，許多工廠不斷地推進自動化，對機器人的控制也需要無線化實時進行。但是，隨著工廠規(guī)模的擴大和工業(yè)工程的復雜化，4G有時難以應對，而5G有望解決這些問題。
例如，奧迪公司采用5G局域網(wǎng)控制工業(yè)機器人以及AGV搬運機器人，在一些需要管理大量設備的關鍵工序中，也可以實現(xiàn)高穩(wěn)定性、超低時延以及與有線網(wǎng)絡同等的性能。同時，工業(yè)工程產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)也可通過5G局域網(wǎng)實時匯集到邊緣終端或云計算中，通過人工智能進行處理，實現(xiàn)智能化。
在德國，5G已經(jīng)成為工業(yè)4.0的重要基礎設施。除了奧迪、戴姆勒、大眾等汽車制造企業(yè)，石油、化工、海港等企業(yè)以及公用事業(yè)領域也正在考慮5G網(wǎng)絡的構建——5G技術帶來的更低延遲、更高帶寬、更快的速度和更大的容量正在推動制造業(yè)在各種領域的數(shù)字化轉型。
場景三：周期式管理產(chǎn)品質量
5G還可用于改善企業(yè)的質量管理。人工智能的視覺識別系統(tǒng)會以百萬量級的圖像數(shù)據(jù)集進行訓練，以確保其能夠識別所有潛在的缺陷，使得企業(yè)能夠迅速識別那些可能影響產(chǎn)品質量的問題。
例如，捷普公司應用人工智能視覺識別技術，可在電路板制造的早期階段發(fā)現(xiàn)潛在的錯誤，能夠在35~40道工序的第2道或第3道就識別缺陷，檢測故障的準確率達80%，節(jié)省了約17%的人工成本和約10%的能源。但是，這種方法需要依托5G才能訪問大量實時、高質量的數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)最高效率。利用QR碼掃描和射頻識別(RFID)追蹤溯源方法，產(chǎn)品記錄通常僅在到達時進行，并且僅記錄位置和時間;如果產(chǎn)品不合格，則很難確定具體發(fā)生在數(shù)十道工序的哪個環(huán)節(jié)。通過在產(chǎn)品包裝上安裝5G傳感器，供應鏈上下游各環(huán)節(jié)都可以無須手動檢查，即可查詢位置、溫度、濕度和重量等包裝信息，實時獲得有關產(chǎn)品狀態(tài)的反饋信息。
5G帶來的不僅是萬物互聯(lián)，還有所有信息數(shù)據(jù)的追蹤溯源，使得未來企業(yè)的質量管理工作不僅僅局限在工廠內(nèi)開展。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，工廠中每個物品物料都是一個有唯一標識的終端，使得生產(chǎn)環(huán)節(jié)所使用的原材料或零部件都具有信息屬性，會根據(jù)信息自動進入下一道工序或環(huán)節(jié)。員工的工作不是搬運物品物料，也不是操作機器設備，而是與帶有唯一標識的原材料、生產(chǎn)設備、產(chǎn)品進行信息數(shù)據(jù)的交互。同時，借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)品和原材料及零部件的全部數(shù)據(jù)都可通過5G網(wǎng)絡直接傳輸?shù)礁黝愊嚓P的知識和經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫中。一旦產(chǎn)品發(fā)生故障，即可通過查詢數(shù)據(jù)庫，利用海量的經(jīng)驗和專業(yè)知識進行快速診斷，提高故障問題定位精準度，快速開展售后維修服務，從而實現(xiàn)產(chǎn)品的全生命周期管理。
產(chǎn)品全生命周期管理既是一個信息化管理系統(tǒng)，又是一種現(xiàn)代化管理理念?；诋a(chǎn)品全生命周期管理，企業(yè)能夠實現(xiàn)并行設計、柔性制造、敏捷制造、協(xié)同制造等先進的生產(chǎn)管理方式(如圖3所示)。
隨著5G覆蓋到企業(yè)各個流程，產(chǎn)品將實現(xiàn)研發(fā)設計—制造—銷售—售后服務—報廢回收—再生利用的全生命周期質量管理。
第一，感知生產(chǎn)過程，采集海量數(shù)據(jù)。通過傳感器、高清攝像頭或3D工業(yè)相機進行數(shù)據(jù)采集，通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)分析，可為預測設備故障做出決策支持;可確認庫存中可用的原材料或零部件;可代替儀器儀表的部分功能，更精確地進行工業(yè)測量以及在惡劣環(huán)境下有效收集數(shù)據(jù)等。
第二，網(wǎng)絡化——高速傳輸、云端計算、互聯(lián)互通。感知到大量數(shù)據(jù)后，如何將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心或智能計算中心呢?這就需要依托5G。與以往在某一車間內(nèi)直接對數(shù)據(jù)進行簡單響應不同，企業(yè)需要把不同車間、不同分廠、不同時間段的數(shù)據(jù)匯聚到同一個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺背后的數(shù)據(jù)中心或智能計算中心，進行復雜的數(shù)據(jù)計算和分析，從而優(yōu)化出高價值的算法模型。
第三，打通供應鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)產(chǎn)品生命周期全過程智能化。如實時收集供應鏈各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量物流數(shù)據(jù)，能夠幫助企業(yè)提高物流效率，降低運營成本。
場景四：按需式管理資源配置
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最重要的價值是借助5G和區(qū)塊鏈等技術打通企業(yè)的各個流程，實現(xiàn)從采購、設計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通與分布式管理，并在此基礎上實現(xiàn)資源的按需配置(如圖4所示)。
以往，企業(yè)通常通過研發(fā)、計劃、采購、生產(chǎn)、配送、服務六個環(huán)節(jié)組織運營。這六個環(huán)節(jié)是相對固定的，也是缺一不可的。但是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，這六個環(huán)節(jié)甚至可以相對獨立，演變?yōu)榱鶄€可以根據(jù)需要而進行動態(tài)配置的模塊。每個模塊都具有物聯(lián)網(wǎng)感知能力和相應的軟件管理系統(tǒng)，它們根據(jù)客戶的需求，可以高效地自行整合，既不多又不少、既高效又靈活地滿足生產(chǎn)工藝需求。
一方面，充分利用5G的感知能力和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡能力，在產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、銷售、物流及服務的全生命周期管理過程中，根據(jù)對采集自各環(huán)節(jié)的大量數(shù)據(jù)進行分析，可以不斷迭代產(chǎn)品設計、靈活調(diào)整生產(chǎn)工藝、實時安排生產(chǎn)調(diào)度，而不再是完全遵照計劃與以往的經(jīng)驗進行管理。
另一方面，傳統(tǒng)生產(chǎn)管理觀點認為，只有等到所有產(chǎn)品設計全部完成之后才能組織生產(chǎn)、完成生產(chǎn)之后才能進行測試、測試完成之后才能進行銷售。而未來，采購、設計、研發(fā)、生產(chǎn)、測試、銷售等各種生產(chǎn)經(jīng)營活動可以通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺交叉進行、分布式管理，實現(xiàn)并行制造。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代，企業(yè)將具備自主學習、自我優(yōu)化、自主決策、自我組織等能力，可以高效地完成生產(chǎn)過程中柔性化、智能化以及高質量化的任務;能夠將管理、運營、決策及優(yōu)化等任務融為一體，實現(xiàn)真正意義上的數(shù)字化轉型。
因此，企業(yè)數(shù)字化轉型可以看作物理角度的自動化和信息角度的智能化融合的“雙升級”，不僅僅是機器換人，也不僅僅是減少生產(chǎn)線人工干預、提高生產(chǎn)過程可控性，最重要的是借助5G實現(xiàn)從采購、設計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的互聯(lián)互通，并依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整合與優(yōu)化配置企業(yè)各種資源，實現(xiàn)智能預測和智能決策，柔性生產(chǎn)出多樣化和個性化的產(chǎn)品，從而進一步增強企業(yè)的核心競爭力。
也就是說，隨著5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合和廣泛應用，感知式管理生產(chǎn)過程、預警式管理設備狀態(tài)、周期式管理產(chǎn)品質量、按需式管理資源配置，才是企業(yè)數(shù)字化轉型所追求的目標。
本文作者王喜文，系九三學社中央科技委員會、促進技術創(chuàng)新工作委員會委員,北京華夏工聯(lián)網(wǎng)智能技術研究院院長
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