5G應(yīng)用創(chuàng)新發(fā)展白皮書-5G重點(diǎn)應(yīng)用分析-智慧工廠
智能工廠
隨著5G融合應(yīng)用的不斷發(fā)展和演進(jìn)，應(yīng)用重點(diǎn)行業(yè)和領(lǐng)域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦山、港 口、醫(yī)療、電網(wǎng)、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10個(gè)領(lǐng)域，逐步獲得業(yè)界認(rèn)可，并初步形 成了有望規(guī)模商用的應(yīng)用場(chǎng)景。本文主要介紹5G在智能工廠中的典型應(yīng)用分析，主要從5G典型場(chǎng)景及價(jià)值、未來發(fā)展空間以及面臨的挑戰(zhàn)。
推薦產(chǎn)品：
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)：5G工業(yè)路由應(yīng)用
在工業(yè)場(chǎng)景中，存在一種特殊的重要“關(guān)口”。 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)往往存在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，不同軟件、不同系統(tǒng)、不同工廠之間的網(wǎng)絡(luò)通信語言也都不盡相同，
而工業(yè)網(wǎng)關(guān)就是從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境連接到另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的一種面向工業(yè)應(yīng)用的裝置或設(shè)備。
隨著5G技術(shù)的發(fā)展，其高帶寬、低延時(shí)的特性也將助力工業(yè)網(wǎng)關(guān)向工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。
具體實(shí)現(xiàn)：以太網(wǎng)做LAN口組成內(nèi)部局域網(wǎng)，把5G作為WAN口，通5G上網(wǎng)或者通過WiFi的AP實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)功能。
FCU2303推薦理由：
? 內(nèi)部集成高性能 64位四核ARM處理器LS1046A，主頻高達(dá)1.8GHz，CoreMark跑分45000；
? 8路網(wǎng)口：提供8路千兆網(wǎng)口，可接入多種網(wǎng)口設(shè)備，如攝像頭、云化機(jī)器人等；
? USB3.0：提供對(duì)外USB接口給客戶更高的靈活性，同時(shí)支持U盤更新系統(tǒng)，快捷方便；
? 8路 RS485（含4路RS485/RS232自適應(yīng)接口）：可接入氣象監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、煙感探測(cè)等多種監(jiān)測(cè)設(shè)備；
? 12V供電：提供2路12V供電電源，免去電源緊缺的困擾；
? DI/DO：可對(duì)開關(guān)量進(jìn)行遠(yuǎn)程控制；
? WiFi：支持2.4GHz、5GHz雙頻WiFi；
? 搭載 華為5G工業(yè)模組MH5000/移遠(yuǎn)RM500Q配合LS1046A的網(wǎng)絡(luò)加速引擎，可幫助用戶快速接入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)安全可靠的數(shù)據(jù)傳輸；
? 提供 強(qiáng)勁數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)發(fā)、處理能力， 支持MODBUS、MQTT、IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Lighttpd、Samba等協(xié)議；
? 邊緣計(jì)算能力：提供單點(diǎn)、多點(diǎn)、模型等實(shí)時(shí)控制。
FCU2303經(jīng)過-40℃~+85℃高低溫嚴(yán)格測(cè)試；鋁合金型材外殼，堅(jiān)固耐用。在產(chǎn)品細(xì)節(jié)上更是精益求精，前后擋板螺絲導(dǎo)電處理、橡膠套對(duì)天線缺口進(jìn)行密封、天線與外殼絕緣處理同時(shí)做了防滑扣設(shè)計(jì)，
這些都將增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。除了滿足工業(yè)溫度的要求外，EMC電磁兼容也是工業(yè)產(chǎn)品最為重要的內(nèi)容，F(xiàn)CU2303智能網(wǎng)關(guān)外圍接口全部增加靜電四級(jí)防護(hù)，
通訊端口增加隔離保護(hù)芯片。RS485、RS232接口3KV隔離保護(hù)，EFT3級(jí)防護(hù)；網(wǎng)口、USB、RS485、RS232，靜電四級(jí)防護(hù)。
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正文開始
1. 5G典型場(chǎng)景及價(jià)值
5G作為移動(dòng)通信的最新一代技術(shù)，相比光纖固網(wǎng)，具備接入靈活的特點(diǎn)，更能適配新時(shí)代定制化 生產(chǎn)的柔性制造的需求，其低時(shí)延、高可靠等特性，對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性需求能有更好的保障，5G+ 邊緣計(jì)算可以解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合、業(yè)務(wù)融合、數(shù)據(jù)融合、數(shù)據(jù)安全、隱私保護(hù)等方面的 需求，使得無線技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、控制、遠(yuǎn)程維護(hù)及調(diào)度、圖像智能處理等領(lǐng)域成 為可能。目前，5G相對(duì)于有線和Wi-Fi的關(guān)系并不是替代，而是對(duì)特殊場(chǎng)景的補(bǔ)充和增益，如應(yīng)用于 AGV、AR終端、機(jī)器人、無人車等移動(dòng)性場(chǎng)景，以及光纖不易覆蓋的戶外場(chǎng)景。
5G在智慧工廠中的應(yīng)用探索成效已經(jīng)初步顯現(xiàn)。超高清視頻監(jiān)控、移動(dòng)無人巡檢等疊加賦能型 應(yīng)用，在現(xiàn)有工廠網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用基礎(chǔ)上，疊加5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，在非核心生產(chǎn)和管理業(yè)務(wù)方面有效補(bǔ)充、增強(qiáng) 工廠管理能力。三一重工將5G+高清視頻融入到園區(qū)的安防監(jiān)控之中，實(shí)現(xiàn)采集監(jiān)測(cè)視頻/圖像實(shí)時(shí) 回傳，結(jié)合統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)人員違規(guī)、廠區(qū)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的實(shí)時(shí)分析和報(bào)警。5G+機(jī)器視覺、 AR/VR輔助裝配等業(yè)務(wù)融合型應(yīng)用，通過部署5G MEC（邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施），將5G技術(shù)與人工智能 （AI）等新技術(shù)在邊緣側(cè)進(jìn)行融合，解決原來AI技術(shù)受限于終端的處理能力及成本等問題，全面提升 工業(yè)企業(yè)裝備的智能化水平。5G+工業(yè)控制等產(chǎn)業(yè)升級(jí)型應(yīng)用，涉及工業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將受限于5G 技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)性和可靠性等指標(biāo)的滿足程度及與工業(yè)體系融合深度，在工業(yè)設(shè)備廣泛支持5G聯(lián)網(wǎng)能力 之前，難以形成規(guī)模。寧波愛柯迪股份有限公司在生產(chǎn)線上，研發(fā)集成了5G模組的MES（制造執(zhí)行系 統(tǒng)）工業(yè)網(wǎng)關(guān)，相比較CPE方式性能更優(yōu)，與產(chǎn)線融合的更緊密，提升了整體的生產(chǎn)效率，隨著5G技 術(shù)及工業(yè)體系的不斷升級(jí)，5G工業(yè)終端將越來越多的在生產(chǎn)中使用。
在智慧工廠領(lǐng)域，5G+機(jī)器視覺正逐漸成為行業(yè)共性需求。對(duì)于制造企業(yè)而言，工業(yè)質(zhì)檢一直面 臨人工檢測(cè)質(zhì)量不穩(wěn)定、招工難、留人難、培訓(xùn)難、成本高等難以解決的痛點(diǎn)。5G機(jī)器視覺在智能工 廠領(lǐng)域有廣泛的需求，技術(shù)發(fā)展成熟，商業(yè)模式初步建立。第三屆“綻放杯”大賽獲獎(jiǎng)項(xiàng)目中，南南 鋁使用5G機(jī)器視覺進(jìn)行鋁板檢測(cè)，表面識(shí)別準(zhǔn)確率從71%提升至99.98%，且良品率提高6個(gè)點(diǎn)；海爾在 家電制造中使用5G機(jī)器視覺替換傳統(tǒng)工控機(jī)，降低投資的同時(shí)提高算法檢測(cè)準(zhǔn)確率至99%；寶鋼使用 機(jī)器視覺進(jìn)行車間智能巡檢，自主導(dǎo)航監(jiān)測(cè)車間內(nèi)煙霧、積水等異常。5G機(jī)器視覺可廣泛推廣到流程 制造行業(yè)，工廠前期投資部署5G機(jī)器視覺系統(tǒng)，后期按照生產(chǎn)需求購買算法，商業(yè)模式初具雛形。未 來，這類應(yīng)用將逐漸平臺(tái)化，與MEC等云計(jì)算能力結(jié)合。例如中國電信基于5G MEC的分布式通用機(jī) 器視覺平臺(tái)，充分利用5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延和高帶寬特性，將原來的視覺檢測(cè)識(shí)別算法任務(wù)調(diào)整到MEC上執(zhí) 行，通過邊緣云計(jì)算能力，簡(jiǎn)化檢測(cè)識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)的工控機(jī)方案和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，加快視覺算法的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn) 工廠智能化。工業(yè)視覺依托5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，打造云化工業(yè)級(jí)機(jī)器視覺解決方案，部署便捷，升級(jí)簡(jiǎn)單。 隨著基于5G+MEC分布式機(jī)器視覺平臺(tái)的大規(guī)模應(yīng)用，將大幅降低工業(yè)生產(chǎn)和檢測(cè)成本，提高工業(yè)生 產(chǎn)效率，對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈產(chǎn)生巨大影響。同時(shí)高精度質(zhì)檢算法代替人工質(zhì)檢將改善車間工作環(huán)境、降低生 產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)安全、綠色生產(chǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
2. 未來的發(fā)展空間
數(shù)據(jù)融通、柔性化生產(chǎn)是智能工廠的發(fā)展趨勢(shì)。工業(yè)面臨數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是其必經(jīng) 之路。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，在于數(shù)據(jù)的有效采集和轉(zhuǎn)換融通，信息及數(shù)據(jù)的不足和孤立是面臨的主 要問題。總體看來，5G將極大的滿足我國工作制造的信息化改造需求。
? 我國人口紅利優(yōu)勢(shì)逐漸喪失，通過5G實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人具有巨大市場(chǎng)價(jià)值。2014年全國勞動(dòng)力成 本是十年前的2.7倍，優(yōu)衣庫、耐克、富士康等世界知名企業(yè)紛紛選擇在東南亞和印度開設(shè)新廠，中國 大陸地區(qū)的機(jī)器人密度（每萬名工人的機(jī)器人擁有量）為187，遠(yuǎn)低于全球前兩名新加坡和韓國（分別 為918和855），但中國增速領(lǐng)先全球，兩年時(shí)間翻了一倍，通過5G結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備實(shí)現(xiàn)機(jī)器換人，能 有效降低企業(yè)的人員成本，促進(jìn)科技提質(zhì)增量。
? 中國工業(yè)場(chǎng)景大量設(shè)備處于離線離網(wǎng)狀態(tài)，5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)新老設(shè)備數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)正當(dāng)時(shí)。根據(jù)兩化 融合服務(wù)聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截止到2019年第二季度，調(diào)查的15萬家工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率、關(guān)鍵工 序數(shù)控化率分別為47%和49.2%，而工業(yè)企業(yè)智能制造就緒率僅為7.6%，這其中絕大多數(shù)為規(guī)模以上企 業(yè)。隨著5G的商用，有望成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)互通互聯(lián)的底座，5G數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)發(fā)展空間巨大。
? 5G促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化網(wǎng)聯(lián)應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，市場(chǎng)空間極其可觀。數(shù)字化、聯(lián)網(wǎng)化率不足，也 局限了工業(yè)軟件普及率，使重點(diǎn)工業(yè)企業(yè)應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、 產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM）等工業(yè)軟件配置率較低。2017年中國企業(yè)的94.4%的企業(yè)未能做好部 署智能制造的準(zhǔn)備，生產(chǎn)設(shè)備數(shù)字化率只有44.8%，而數(shù)字化設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率僅為39.0%。制造執(zhí)行系統(tǒng) （MES）普及率只有18.1%，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）只有4.7%。中國亟需大幅提升工業(yè)設(shè)備 設(shè)施網(wǎng)絡(luò)化水平，突破企業(yè)數(shù)字化發(fā)展瓶頸，大力推動(dòng)以5G為支撐的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展，在此之上構(gòu)建 的應(yīng)用附屬價(jià)值極其可觀。
5G低延時(shí)、高帶寬特點(diǎn)能夠保證海量工業(yè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠有效滿足不同工業(yè) 場(chǎng)景連接需求，賦能遠(yuǎn)程控制、機(jī)器視覺、AR/VR等多個(gè)場(chǎng)景。據(jù)德勤咨詢估計(jì)，2020年至2035年， 5G在制造行業(yè)支持的產(chǎn)出將達(dá)到20萬億以上，位居所有行業(yè)之首。
大量5G工業(yè)視覺的落地場(chǎng)景，體現(xiàn)出市場(chǎng)對(duì)機(jī)器視覺的迫切需求，未來將是在智慧工廠中率先落地的應(yīng)用之一。一方面由于5G滿足了多路超高清視頻靈活接入的需 求，另一方面也是由于國內(nèi)機(jī)器視覺起步較晚，目前正作為智能工廠重點(diǎn)應(yīng)用大力推進(jìn)，處在行業(yè)迅 速上升期。據(jù)Markets and Markets預(yù)計(jì)，到2020年全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到125億美元；到2025年底，全 球市場(chǎng)規(guī)模將超過192億美元，機(jī)器視覺未來空間巨大。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院2018年度企業(yè)調(diào)查結(jié)果顯示， 2018年中國機(jī)器視覺行業(yè)銷售總額為83.9億元，比上年同期增長21.6%；研發(fā)投入增長至11.7億元，同 比增長32.8%。隨著全球制造中心向中國轉(zhuǎn)移，中國機(jī)器視覺市場(chǎng)正在繼北美、歐洲和日本之后，成為 國際機(jī)器視覺廠商的重要目標(biāo)市場(chǎng)，5G+MEC作為承載工業(yè)視覺的新型技術(shù)，有助于中國機(jī)器視覺廠 家的迅速崛起，甚至實(shí)現(xiàn)彎道超車。
2020-2025年全球機(jī)器視覺市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)（單位：億美元）
據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院的預(yù)計(jì)，全球工業(yè)相機(jī)市場(chǎng)將在2020年達(dá)到7億美元，2025年增長到12億美元。 按照平均工業(yè)相機(jī)單價(jià)1萬美元估算，2025年工業(yè)相機(jī)規(guī)模能達(dá)到12萬臺(tái)。其中，按照中國占到全球工 業(yè)相機(jī)市場(chǎng)的20%，其中5G網(wǎng)絡(luò)滲透率50%估算，中國的5G工業(yè)相機(jī)需求可達(dá)1.2萬臺(tái)。
2020-2025年全球工業(yè)相機(jī)市場(chǎng)規(guī)模及預(yù)測(cè)（單位：億美元）
3. 面臨的挑戰(zhàn)
隨著5G在工業(yè)企業(yè)落地實(shí)踐的不斷深入，運(yùn)營商、設(shè)備商、行業(yè)解決方案供應(yīng)商正加速磨合，深 入理解工業(yè)企業(yè)的痛點(diǎn)和需求，不斷挖掘、摸索產(chǎn)生相應(yīng)的解決方案，推動(dòng)工業(yè)5G信息化升級(jí)，促進(jìn) 5G網(wǎng)絡(luò)、終端、應(yīng)用、商業(yè)走向成熟。與此同時(shí)，但也存在這一些非常實(shí)際的困難，具體包括以下幾 個(gè)方面：
? 產(chǎn)業(yè)融合難。在工業(yè)領(lǐng)域，自身的迭代和演進(jìn)已經(jīng)推進(jìn)了幾十年，對(duì)于產(chǎn)業(yè)自身的痛點(diǎn)，已經(jīng) 形成了一個(gè)較為封閉和自洽的生態(tài)。如何通過5G網(wǎng)絡(luò)突破工業(yè)體系內(nèi)的自適應(yīng)，從性能的提升轉(zhuǎn)化為 效益的提升，為工業(yè)企業(yè)帶來真實(shí)的價(jià)值，實(shí)現(xiàn)商業(yè)閉環(huán)和技術(shù)變現(xiàn)，道阻且長。
? 5G技術(shù)及產(chǎn)品有待發(fā)展和完善。對(duì)于工業(yè)比較關(guān)鍵的5G uRLLC標(biāo)準(zhǔn)于2020年7月剛剛凍結(jié)， 產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)還有一定滯后。目前企業(yè)網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要沿襲2C覆蓋的邏輯，但工廠場(chǎng)景大多是確 定性的場(chǎng)景，在固定區(qū)域下固定終端應(yīng)用作業(yè)，需要保障相對(duì)穩(wěn)定且定制化的網(wǎng)絡(luò)帶寬需求。與2C 領(lǐng)域終端用戶共享帶寬，隨機(jī)競(jìng)爭(zhēng)接入的原則不同，工業(yè)2B則要確定根據(jù)不同終端場(chǎng)景定制差異化網(wǎng) 絡(luò)，分配最優(yōu)帶寬和服務(wù)，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。網(wǎng)絡(luò)切片、確定性時(shí)延、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主備 冗余等行業(yè)客戶期望的5G功能尚不能完全到位，有待進(jìn)一步技術(shù)發(fā)展。
? 產(chǎn)業(yè)鏈的整體配合道阻且長。5G終端模組的行業(yè)化改造適配存在磨合問題，例如在某裝備制 造企業(yè)的AGV 5G改造項(xiàng)目中，需要將模組的通信控制單元放置在AGV的主體內(nèi)，由于主體為金屬打 造，具有非常強(qiáng)的電磁屏蔽效果，需要將5G天線外置、可調(diào)，且移動(dòng)過程中狀態(tài)不會(huì)碰撞變形；傳統(tǒng) 的工業(yè)路由使用的棒狀天線不能滿足需求，而目前市場(chǎng)上，能用的終端天線設(shè)備屈指可數(shù)。5G工業(yè)終 端和需求的適配是一個(gè)漫長而艱難的過程。
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