5G＋智能制造， 推动制造业数字化转型发展

2020年3月4日，习总书记在中共中央政治局常务委员会会议上指出，要加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度。“新基建”的关键在于“数字基建”，尤其是新冠肺炎疫情爆发后，工业互联网、大数据和5G等在疫情防控、复工复产等方面发挥了重要作用。加快推进“数字新基建”，不仅是当前对冲疫情、拉动投资、提振经济的“紧急之需”，更是关乎制造业数字化转型、经济发展、社会发展和国家繁荣的“长远之计”。

智能制造发展趋势

从“再工业化”到“主宰的未来工业”，美国一直把智能制造放在重要位置。这次疫情过程中，美国一方面在进行疫情防控，一方面仍然在强调制造业回归。2020年3月23日签署的《保障5G安全及其他法案》和《宽带部署准确性和技术可用性法》两项法案说明，美国在进一步加强对我国5G技术的打压，5G已成为中美高科技产业主导权争夺战的关键。

德国提出了“工业4.0”，在实施过程中，发布了“国家工业战略2030”，放宽垄断法，允许巨头出现，事实上也是要进一步提升其核心竞争力。

在我国，“强国战略”正在实施过程中，特别是疫情以后，要求进一步加强和提升。《中国制造2025》是我国实施制造强国战略第一个十年的行动纲要，现阶段由中国工程院牵头正在制定“中国制造2035”的实施规划。虽然疫情对整个经济的发展特别是制造业产生了很大的影响，但是“强国战略”不仅没有停步，还在加速从制造大国向制造强国转变。

智能制造对我国制造业来说，已经达到了全面的共识。我国企业对智能制造具有强烈需求，在实施智能制造过程中已经由政府主导转变成为自主驱动，很多企业都在实施智能化、网络化、数字化的改造和提升，这一点在疫情期间得到了充分的体现，实施了网络化和智能化改造的企业受疫情冲击的影响更能减少到最低的限度。

“新基建”推动制造业数字转型发展

在讨论“新基建”的过程中，更应该关注制造业数字化转型发展。“新基建”带来了5G、工业互联网、大数据和人工智能等新一代信息技术，是数字转型的重要驱动力，在防疫中也发挥了重要的作用。疫情压力之下，制造业数字化转型需求和市场被激活，数字“新基建”的基础支撑作用愈发凸显。新型数字基础设施向产业加速渗透，促进新基建、新产业、新模式、新生态和新经济同步发展。因此，“新基建”将促进工业互联网、5G、人工智能和数据中心加速发展，为制造业高质量发展提供关键支撑。

以“新基建”为契机，加快制造业数字转型，主要体现在6个方面：①加大数字“新基建”建设力度；②加强系统布局，组织实施制造业数字化转型行动；③持续打造系统化、多层次的工业互联网平台体系；④推动制定数据治理规范，促进数据开发共享；⑤以信息化手段管控好供应链安全；⑥打造工业互联网开源生态。

因此，“新基建”的推出在我国各地都得到了积极的响应，尤其是5G、人工智能、大数据、工业云、高铁、新能源和特高压等七大领域，各地已经制定了很多相关政策，相信在新一轮经济发展中，“新基建”会成为重要的推动力，特别是5G会起到引领作用。未来智能制造发展的趋势是基于“智能传感＋工业互联网＋人工智能＋5G＋数字孪生、云计算和边缘计算”，构成新的技术的赋能，来助推制造业高质量发展。

5G＋智能制造系统的新要求

5G是一个完整的产业链，在整个工业体系发挥着穿针引线的作用，如图1所示。在基础设施方面，我国在“新基建”中加大基站系统的建设，网络架构也在加快部署，5G网络设施按照“新基建”的要求可能要提前实施和完成。5G终端方面也带来了一系列的产业的发展，例如芯片、处理器等。最重要的5G的应用场景方面，现阶段智慧交通、智慧医疗、智慧教育、智能电网、文娱应用、物联网平台和工业互联网等都得到了应用。因此，5G给整个产业链带来了完整的推动作用。

图1 “5G＋”产业链全景图

智能制造为什么需要5G？智能工厂里很重要的一个环节就是信息物理系统，海量传感器的数据采集、数据处理和边缘传感等方面需要5G技术才能实现。设备互联——包括云端机器人、云端控制器和设备主动沟通也需要5G技术才能实现。智能工厂要实现柔性制造，设备的无线化、模块化生产和生产节拍的自适应等方面也亟需新一代的通信技术5G来实现。更重要的是工厂大脑指挥系统，需要以5G技术来实现人、机、物三元协同，软件、硬件的有机结合。因此，5G为智能制造赋能。

5G的发展更重要的是互联互通的特点。4G是移动互联网的应用，5G实际上是万物的互联，这是一个革命性的变化，5G在数据传输速率、移动性、传输时延和终端连接数量等方面的技术优势能够在工业特别是智能制造方面得到显著的体现。

5G＋智能制造怎样和工业进行融合？5G技术将逐步向工业领域渗透。企业内网中，5G将成为工业有线网络的重要补充。在企业外网中，5G结合SDN、NFV等新型网络技术，支撑智能制造中个性化定制、远程监控、远程运维和智能服务等新模式的发展。5G的应用场景包括：①智能化生产方面，通过云化工业机器人进行智能化生产，AR/VR辅助装配，实施在线检测；②服务化延伸方面，远程监控产品运行情况，在线智能化运维；③网络化协同方面，通过AR/VR进行辅助交互设计和协同设计，缩短产品研制周期；④个性化定制方面，交互式个性化产品配置、智能化物流及无人仓库等。

5G＋智能制造网络化是一个重要支撑，在工厂内网络要支持工业控制、信息采集和先进人机交互的应用需求，支持制造工厂内的精确定位和高带宽；在工厂外网方面，要支持多业务场景、多服务质量、多用户及多行业的隔离和保护，支持及提升制造工厂内边缘智能化。在智能工厂的整体架构方面，要把5G技术融入整个智能工厂体系，传统的智能工厂里有许多现场总线、控制环网及工厂网络方面的技术，以5G作为新的网络技术的推动，可能要改变现有的智能工厂的组织体系架构，使之更能适应于人工智能和大数据在智能制造的深度应用，使5G能够深度赋能数据的全面推动，也是5G对整个智能工厂体系架构带来的新的变化。

工业现场执行、工业现场控制和工业云服务方面，都要用5G技术来推动OT和IT的融合。所以说，5G网络加速实现OT和IT的融合，生产全生命周期的打通，有效降低客户成本，并且兼顾工业行业通用性，具有可推广价值，如图2所示。5G＋智能制造的应用场景在这次疫情防控中，5G发挥了很大的作用，各大媒体都有报道，案例也很多，例如红外成像体温监测、机器人远程巡查、远程视频会议、超高清视频疫情报告、无人机远程社区巡查及基于大数据的隔离监控等，5G与新型技术的融合为疫情防控提供了全方位的支撑。

图2 5G网络加速实现OT和IT的融合

5G＋智能制造面向电力装备行业也能得到很多应用，电力装备行业主要包括水电、燃机、风电、火电和核电等方面。当前，电力装备行业对设备制造智能化要求越来越高，对实时加工过程监控要求越来越高，对质量检测实时性精度要求越来越高，对装配过程精度效率要求越来越高，这是电力装备行业面临的问题。

在输配电方面更加凸显，新基建里很重要的一个环节就是特高压输变电，输变电装备的生产制造过程中也需要大量新的5G技术的应用，典型环节是：①零部件多材料多，需要实时盘库实现动态库存和物流管理；②输变电装备远程运维的需求明确，需要实现在役设备智能远程运维；③输变电装备产品差异性定制化特点需要利用数字化模型实现全生命周期的管理。输配电要在新基建中发挥更重要的作用，5G技术是一个很重要的环节。

5G＋智能制造到底在哪些场景得到应用？上海工业自动化仪表研究院做了很多的研究和探索，并实践了一些5G工业应用示范项目，主要体现在以下几个方面。

1）产品研发设计。基于5G的产品研发设计以数字化设计制造为基础，构建设计、工艺和制造相互协同的生产模式。利用5G＋AR/VR技术，实现信息贯穿和共享。由计算机提供强大的建模和仿真环境，使产品的零部件从设计到工艺到生产及装配过程各环节的内容都在计算机上仿真实现，进行优化或系统设计，使产品研发的信息贯穿至各环节充分共享。

2）智能检测。5G＋云为发电设备工厂实时在线图像检测、数据分析带来了可能。基于5G的数据分析检测体现在工厂的生产制造中，处于底层的传感器每天都会产生庞大的数据量，基于5G的海量网络技术，通过大数据并发，合理处理和运用数据，建立专家库系统，基于数据分析物料缺陷，实现5G的智能检测。基于5G的视觉检测区别于传统的人工观察，视觉检测能够清晰的观测物料的表面缺陷，视觉检测包含更大的数据量，需要更快的传输速度，5G能够完全解决视觉检测的传输问题。另一方面，三维模型的实时渲染需要极大的带宽支持，基于5G的VR技术运用于工业生产的故障检测中，可提升检测的安全性，提高员工的幸福感。

3）智能装配方面，5G＋AR/VR实现了实时工步引导，精确智能装备过程。传统的装配工作需要大量的低效率、低可靠性的人工，产生的人为干预因素非常多，通过5G进行信息系统和物理系统的融合，以用户为中心，利用机器视觉、工步引导等技术，结合深度学习等算法智能化开拓自动化柔性生产方式，通过灵活性和快速响应来实现多样化和定制化，以提供个性化地产品获得竞争优势，赢得市场。这在许多高端装备、大部件对接方面已经得到应用，在电工行业也能得到很广泛的应用。

4）智能监控。电气行业在生产制造过程中，都需要第三方的监造、监控，同时产生海量数据和质保文件，如何建立基于网络的5G的监造系统，值得思考。5G＋图像识别处理分析边缘计算基数，连接工业大脑，完成工况实时加工过程的监控及预判，杜绝生产安全隐患。

5）实时控制。低时延是5G一个很重要的特点，无线网络通信技术是工业制造里很重要的环节，因此5G的低时延、多并发特点可以完成闭环回路控制要求，真正实现在制造过程中对于高端装备的无线控制。所以说5G时代可能要颠覆传统的工业无线技术的控制模式和方式，但是这对可靠性的要求更高，还在进一步的研究和探索。

6）多机协同。智能制造很重要的一点就是要实现柔性生产，柔性生产需要多机交互和人机协同，只有通过5G超密集异构网络为智能制造过程实现人机协同和多机协作，实现去中心化，从而提升生产过程中的可变性与容错率。

7）云化机器人。在智能制造生产场景中，需要机器人有自组织和协同的能力来满足柔性生产，这就带来了机器人对云化的需求。机器人云化的过程中，需要无线通信网络具备极低时延和高可靠的特征，5G网络可以达到低至1 ms的端到端通信时延，并且支持99.999%的连接可靠性，也就是说“5G＋”可以实现工业机器人云端化操控，使之真正实现智能工厂的柔性制造。

8）智能立体仓库。在生产制造过程中需要大量的智能立体仓库，在智能仓储中利用现有的网络技术来实现输送分拣系统、实时通信系统和快速盘库系统都达不到其真正的要求，建立基于5G的智能立体仓库才能实现实时盘库、优化AGV调度和智能管理。

9）智慧物流。5G可以为智能制造过程中的物料管控、物流智能规划和多机协同的实现提供数据通道保障。传统AGV存在很多不确定性，因此5G＋智能制造系统中，智慧物流也是一个很重要的环节。

10）远程运维。现有的网络体系有很大的局限性， 5G大带宽、低时延特点，结合AR/VR技术实现故障远程诊断、远程实时分析，能够真正实现远程运维智能化。这也是5G在电力装备行业将要发挥的一个很重要的作用。

11）数字孪生。许多企业在实施智能工厂的过程中都在讨论数字孪生，数字孪生也就是将物理世界与虚拟世界进行有机结合，使之更加同步。传统的网络技术无法实现其渲染系统，只有通过建立基于5G的网络技术，才能打破物理世界与虚拟世界间的鸿沟，实现真正意义上的数字孪生系统，建立透明工厂。

12）信息安全。在工业应用里很重要的一点是安全保障体系，没有安全的网络技术是无法实现的，所以在实施5G+智能制造系统时更加要关注工业信息安全态势感知。5G应用实现无所不在的互联，在网设备、系统、人的信息安全需要有相应的平台来保证。

系统创新，标准先行。5G技术在不断进步和发展，变化非常大，智能制造系统也在不断地发展，如果把智能制造与5G技术有机结合，有许多标准体系需要进一步提升。利用5G特性将生产现场的处理器、传感器等设备连接起来，使得机器人之间可以进行通信，可以互相沟通，A I就可以分析传感器上传的数据，拓展到一条条数字化生产线，再到局部相互连接的智能系统，最后构建出巨系统。即通过5G技术将系统的IT、OT与CT层紧密地融合在一起，成为一个整体，支持新一代智能制造系统。因此，工业应用中5G标准体系的建设也迫在眉睫！

5G＋智能制造应用落地挑战

“新基建”发布以后，5G＋智能制造新政策密集发布，国家不同的会议、不同的部门都在提出要进一步振兴疫情后的经济，其中一个很重要的内容，就是加速5G网络的建设。

5G已不仅仅是通信技术，而是信息技术和通信技术的融合，在各个垂直细分市场，诸多应用都存在大量个性化地需求，硬件、软件和工程服务等各方面的产业机会竞相涌现。毕竟5G是一个新的技术，也存在很多的问题，智能制造的需求也在不断增加，如何使5G技术真正解决关键技术的瓶颈问题，正在加紧研究。

5G＋制造应用于垂直行业的难点，需要从几个方面考虑。①需要专注5G标准，打造工业5G标准体系，5G SA的技术标准R16尚未冻结，工业应用中5G标准体系的建设迫在眉睫。②亟待开发5G工业芯片，致力解决行业产业链问题。5G场景应用中包括终端、芯片等产业链并未完全成熟，由于设备成熟度还不高，规模部署后，未来还需承担大量设备优化、替换成本。③探索运营模式，助力5G商业推广。5G盈利模式尚不清晰，5G投资和运营成本均显著高于4G，尽管一些解决方案已经落地，但规模推广与商业模式还不清晰。④提升行业数字化，结合5G提质增效。很多制造行业基础的自动化、信息化和数字化水平还需要进一步提高，结合5G的技术优势可以更好地提高效率、提高产能。

5G＋智能制造发展行动

未来，在5G＋智能制造方面国家层面可能要采取几个措施。

1）加速5G、人工智能、大数据等新技术在制造业的应用。推动5G、人工智能、大数据在智能制造的深度应用，建立若干个典型应用场景，实现5G的广泛应用、AI深度赋能、数据全面驱动，推进5G＋人工智能+制造，通过AI深度融合，加速制造业智能化转型升级，推动智能制造协同创新发展。

2）加强新一代信息基础设施建设，实现5G工业场景应用推广。结合边缘计算、人工智能、大数据和超高清视频技术，开展基于5G网络特性的行业应用研究。支持基于5G的远程机器控制、设备实时监控、云化实时监控、AR辅助装备与远程协调等应用，借助5G技术打通企业生产流程，实现设计、生产和销售各环节的互联互通。围绕5G创新应用形成行业标准，推动共性关键技术的转化，培育5G生态链企业。

3）聚焦重点产业，实施5G+智能化转型和新模式应用。以5G的高可靠、低时延推进汽车、电子信息、民用航空、生物医药、高端装备、绿色化工及新材料等行业的智能化转型和新模式应用，打造具有较强竞争力的产业集群，实现多工厂远程操控与生产联动等功能。

4）充分发挥产、学、研、用、政紧密合作优势，打造5G＋智能制造生态圈。聚焦5G赋能智能制造应用，引领全国5G＋智能制造产业应用布局方向。着力攻克一批5G＋智能制造关键技术，着力协助一批具有较强市场竞争力的5G＋智能制造独角兽、隐形冠军企业，成为5G＋智能制造解决方案输出策源地。创新5G赋能新一代智能制造系统架构，创新搭建5G＋智能制造技术、产业平台，创新推动5G、人工智能和大数据在智能制造的深度应用，成为5G＋智能制造平台和标准制定高地。

这也是疫情后我们关注的重点，我们希望进一步加强协同合作，推动跨界融合，构建创新的平台，聚焦重点行业，打造基于5G+智能制造的产业集群，来推动新技术在传统制造业智能化转型升级过
程中的应用和发展，使之成为我国实现由制造大国向制造强国的转变的重要推动力。

（本文根据国家工信部智能制造专家咨询委员会、上海智能制造产业协会徐洪海在2020年中国电气工业发展高峰论坛上的演讲实录进行整理）

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