陈震

摘要：制造业对智能化、数字化和协同化发展的需求日益迫切，在工业制造领域，新型物联网技术得到了日渐广泛的应用。当前，在智能制造行业领域，物联网技术取得了迅猛发展，5G应用呈现出广阔前景。本文简述了智能制造的信息物理系统架构，浅析了5G关键技术，探究了智能制造场景及5G应用，以期为相关研究提供借鉴。

关键词：智能制造;5G;应用

前言：德国早在2011年即提出工业4.0概念，旨在构建智能生产模式，提供高度数字化和个性化的产品服务。美国将工业互联网定义为面向全球的开放性网络，对人、机器和数据进行连接。日本在2015年提出工业4.1J，将单一工厂下的智能制造延伸至整个工业领域，形成整体价值链。我国高度重视促进工业化和信息化实现深度融合。以5G技术为基础展开智能制造场景相关应用研究，与智能制造领域呈现的发展趋势相符合。

一、智能制造的信息物理系统架构

智能制造的信息物理系统架构主要包括配置层、认知层、网络层、数据-信息转化层以及智能连接层。智能连接层对传感数据进行收集，并经由数据-信息转换层将传感数据转换为关于底层设备的信息;再向网络层传递，依托网络层实施云计算服务，对数据进行融合;将融合信息向认知层传递，据此对机器进行操控;由配置层实施智能决策，将具体情况作为依据，对参数配置实施自适应调整。智能制造以实现自我感知、预测，自主决策以及智能匹配等功能为生产目标。智能制造面临严峻的通信挑战，例如，设备高连接密度挑战、低功耗挑战、超低延迟挑战以及高传输速率挑战等。5G通信技术较为先进，延迟更低，传输速率更高，且连接无处不在，能实现对上述挑战的有效应对。

二、5G关键技术

1、5G架构

第三代合作伙伴项目对5G系统架构作出了定义，在5G系统架构下，核心网控制面实现了与用户面的分离，并具备策略控制和会话管理等功能，并集中部署控制面功能，在网络边缘下沉部署用户面功能。5G网络对边缘应用提供支撑时，其应用功能将AF请求发送至PCF或者网络开发功能，请求涵盖终端信息、N6路由需求等系列参数。PCF将AF提供的参数信息作为依据，利用SMF对UPF進行合理选择，并经由N6接口向目标应用实例传输目标业务。

2、5G支持的应用场景

国际电信联盟对5G面向的具体通信需求实施分类，主要为三种应用场景提供支持，一是增强型移动宽带，二是大规模机器型通信，三是超可靠低延迟通信。其中，增强型移动宽带场景针对的主要是用户体验率等关于人的通信性能;大规模机器型通信场景以低成本、长电池寿命和高连接密度为基本需求;超可靠低延迟通信场景的传输需求有两个关键点，一是低延迟，二是高可靠性。增强型移动宽带实现了对无缝连接实际范围的拓宽，能增强用户体验，对用户体验速率和数据速率提出的要求较高，对灵活性、可靠性以及时间延迟等提出的要求则相对较低，以欧盟5G-MEDIA项目为例，该项目目标是依托5G网络，形成大宽带、高速率的移动媒体流，据此增强用户体验。大规模机器型通信场景包含较多终端设备，且设备体量较大，对连接设备的可变性和多样性以及连接密度提出的需求较高。多数设备保持静止状态，大规模机器型通信场景对移动性和延迟提出的要求较低。超可靠低延迟通信场景对可靠性和延迟提出的要求较为严格，不仅要求按照端到端传输对信号进行精确控制，还要求将延迟从原来的几十毫秒有效减少至几毫秒。

3.网络切片

网络切片是指5G根据需求对网络进行配置的技术实现。仅凭单一网络，难以良好满足多通信需求相应的全部场，由此催生网络切片，该技术支持增强型移动宽带、大规模机器型通信、超可靠低延迟通信等各类场景。网络切片以编排架构为依托，能实现灵活部署，并为不同企业提供差异化服务。例如，WANG依托移动驱动网络切片，对5G网络实施移动管理。工业垂直应用面向特定用例的网络切片，将各项网络功能向共享基础物理网络的各个切片动态分配，同时，水平切片相应的特定用例可构成端到端网络，与工业垂直应用相应的切片具有相似的需求。边缘云或者本地服务器能对低延迟服务进行处理，集中式服务器可对延迟要求较低的服务进行处理。

三、智能制造场景及5G应用

1、以扩展5C架构为基础的智能制造

综合考虑智能制造的各项需求，对5C架构加以扩展，其中，智能连接层配置的设备较多，如何对终端设备进行高效访问，并保障高可靠性，是亟需考虑解决的问题;数据-信息转换层对智能连接层所采集的各项数据进行转换，但无法保障数据实时性;网络层对数据-信息转换层包含的信息进行收集，需对数据分析和相关计算进行加速，并实现超低延迟;认知层需对网络层分析信息制定决策，但对决策计算速率要求较高，仍需优化用户传输率;在配置层作用下，设备能实现对各项参数的自配置，要求通信具有较高的可靠性。

2.人机界面和生产信息系统场景

人机界面的应用主要体现在人与各类制造设备的良好交互。生产信息系统主要包括两类，一类是制造执行系统，一类是资源规划系统。人机界面与生产信息场景常见的典型用例如下：（1）增强现实，操作者将AR眼镜戴好，即能对机器内部相应的视觉图像进行获取，操作者穿戴的手套具有反馈功能，能对机械臂进行有效操控，实现对装配任务的高效完成。（2）远程访问与监控，对爆炸、辐射、污染等高风险环境具有较强的适用性。5G具有高可靠性和低延迟优势，从技术层面为交互式人机控制和远程控制提供了可能，并能确保工厂内外实现同步操作。上述用例基于人的角度展开决策，能增强认知层性能。

在人机交互上，技能互联网综合了各领域趋势，主域捕获技能对从属域进行传输完成再现，再对主域返回反馈，形成闭环。主控领域通过HMIs对技能进行捕获，该HMIs作为触觉设备，能转换人的输入，形成压力指令和特定运动，能跟随人手，实现精确运动。当对专家技能进行准确掌握后，即能通过可靠和低延迟的通信系统实现传输。从属域能对远程环境进行准确感知，并由终端机器人根据命令对捕获信息进行复制，形成反馈信号，向主域反馈，由此构建闭环回路。5G能与技能互联网相结合，并依托混合现实技术，增强性能体验。

移动MES利用5G通信技术，将Android系统相应的APK程序分发在服务器上，对APK程序进行修改更新后，在服务器上发布，洁净室包含的任意PDA与5G连接后，即能实现对更新提示的直接接收，在对PDA进行更新时，能减少点对点需求，进而减少维护人员承担的工作量。

3.流程自动化场景

实现自动化流程的工厂主要加工电力、石油、水、食品等产品，通常，要对生产过程涉及的各类工艺参数，包括压力、流量、液位、温度等实施自动控制和健康状态监控。实现自动化流程的工厂具有分布密度较高的设备设施，据此连接人、系统和机器。应用5G能促进流程自动化效率实现大幅度提高，并降低材料交付、内部调度等环节造成的能源、资源消耗，通过配备5G移动机器人，能高效搬运物料，增强生产的灵活性。在流动自动化场景中，5C架构包含的智能连接层通过人工智能技术，对数据展开大规模收集;数据-信息转换层通过D2D技术，对数据规模压力进行缓解;以云计算技术为基础的移动机器人结合CPS，对流程加工实施自适应规划和有效控制。

4.工厂自动化场景

工厂自动化能有效驱动大规模生产的实现，要促进所有机器开展通信，并落实执行各项任务，例如，对工件进行协调控制，需从某设备切换至其他设备。在制造过程中，数据量逐渐增加，机器联网数量也随之增加，对此，在工业生产领域，需对各類终端设备实施5G通信研究。以云计算系统为基础，对故障位置进行准确定位，并发出实时报警，实现对故障问题的快速解决，加强预测性维护。5G服务可靠性和通信延迟，能促进工厂自动化场景实现高效良好的落地应用。

结语

5G标准逐步完善后，对制造场景的多接入边缘计算能实现对边缘节点业务的就近提供。5G关键技术主要包括5G架构、5G支持的应用场景、网络切片等内容。智能制造场景及5G应用主要体现在以扩展5C架构为基础的智能制造、人机界面和生产信息系统场景、流程自动化场景等方面。

参考文献

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