圖片來(lái)自“東方IC”

本文將圍繞工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)與消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)的區(qū)別、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的四個(gè)層級(jí)解析、5G對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響和5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，剖析工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，探討5G賦能下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的方向。

日本總務(wù)省今年推出了一部熱門短片《連接5G以后的世界》。在3分多鐘時(shí)間里，短片密集呈現(xiàn)了5G支持下超高清視頻、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能零售、即時(shí)翻譯、AR/VR等應(yīng)用場(chǎng)景。雖然人們對(duì)這些概念已不再陌生，但有了5G加持，似乎夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)的距離又更近了一點(diǎn)。

值得注意的是，面向消費(fèi)者的領(lǐng)域僅是5G賦能的一部分。5G更大的價(jià)值將發(fā)揮在并不太受公眾關(guān)注的工業(yè)領(lǐng)域。事實(shí)上，去年12月1日韓國(guó)全球首推5G商用服務(wù)，三大運(yùn)營(yíng)商的第一個(gè)5G客戶都是企業(yè)。

對(duì)于普通消費(fèi)者來(lái)說(shuō)，5G的概念可能就是更高的網(wǎng)速，5G大帶寬帶來(lái)的上網(wǎng)體驗(yàn)提升是最直觀的，用手機(jī)可以實(shí)時(shí)觀看清晰度更高的視頻。而更低的時(shí)延與更高的可靠性對(duì)C端用戶帶來(lái)的體驗(yàn)改善，相對(duì)來(lái)說(shuō)就小很多，打開網(wǎng)頁(yè)的時(shí)延從50ms降低到10ms，消費(fèi)者基本是感知不到差異的。

在工業(yè)領(lǐng)域，情況則完全不同。很多年前，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念就已提出，但直到移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)如此普及的現(xiàn)在，工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的比例還是很小，聯(lián)網(wǎng)設(shè)備涉及的應(yīng)用也都還很淺。主要原因在于，目前互聯(lián)網(wǎng)在時(shí)延和可靠性方面還達(dá)不到要求。

物聯(lián)網(wǎng)的邊界

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)大而泛的概念，從大的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，可以分為消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)。

這兩類對(duì)物聯(lián)網(wǎng)性能的要求差別很大，消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)比較大的場(chǎng)景有可穿戴設(shè)備、共享經(jīng)濟(jì)、智能家居等，這些場(chǎng)景與消費(fèi)者的生活息息相關(guān)，連接上以GPRS、WiFi和藍(lán)牙等方式為主，主要的性能要求是低功耗。

智能家居是最近快速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。一方面是交互領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)語(yǔ)音交互體驗(yàn)的提升，另一方面是產(chǎn)業(yè)鏈上連接模組成本的降低，從而使得以音箱作為入口，連接并控制家庭內(nèi)部大量的電器成為可行的場(chǎng)景，并產(chǎn)生了像小米IoT、涂鴉、樂(lè)鑫等行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的業(yè)務(wù)或公司。

但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，情況并不一樣。工業(yè)各垂直領(lǐng)域行業(yè)特性迥異 ，知識(shí)壁壘很高，而且工業(yè)制造流程對(duì)可靠性和穩(wěn)定性要求非常高，目前的運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)還很難滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對(duì)性能方面要求。因此物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域的進(jìn)展一直比較緩慢，還沒(méi)有產(chǎn)生比較成熟的商業(yè)模式和相對(duì)大體量的公司。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的現(xiàn)狀

工業(yè)領(lǐng)域包括眾多垂直行業(yè)，比較大的行業(yè)有制造業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、能源、建筑業(yè)、采掘業(yè)等，每個(gè)行業(yè)的特性差異巨大，物聯(lián)網(wǎng)與每個(gè)行業(yè)的結(jié)合，也都要根據(jù)行業(yè)自身特性來(lái)調(diào)整。

如果把物聯(lián)網(wǎng)在行業(yè)里的應(yīng)用抽象出來(lái)，我們可以總結(jié)為四個(gè)層次：數(shù)據(jù)的采集與展示、基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析與管理、深度數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用、工業(yè)控制。

這四個(gè)層次根據(jù)涉及業(yè)務(wù)流程的深度，由淺入深的總結(jié)了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)目前的應(yīng)用和價(jià)值，越淺層次的應(yīng)用，涉及到的業(yè)務(wù)流程越少，通用性會(huì)比較強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域越廣。

數(shù)據(jù)采集與展示

主要是將工業(yè)設(shè)備傳感器上采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)皆破脚_(tái)，并用可視化的方式將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來(lái)。

現(xiàn)在的大部分工業(yè)設(shè)備，例如數(shù)控機(jī)床、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、工業(yè)車輛等，自身就帶有大量傳感器，并提供集中的數(shù)據(jù)接口，只有一小部分老舊設(shè)備，或者有特殊的數(shù)據(jù)需求場(chǎng)景，需要單獨(dú)加裝傳感器和數(shù)據(jù)采集裝置。

在數(shù)據(jù)傳輸方面，廠房?jī)?nèi)的設(shè)備，環(huán)境比較復(fù)雜，一般會(huì)使用網(wǎng)線將機(jī)床設(shè)備連接到集中的數(shù)據(jù)處理裝置上，再通過(guò)4G或者固網(wǎng)連接到云平臺(tái);廠房外的設(shè)備，比如工業(yè)車輛，則通過(guò)內(nèi)置4G通信模塊的終端來(lái)完成數(shù)據(jù)采集和傳輸。

數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)的難點(diǎn)在于，面對(duì)大量不同種類的品牌的工業(yè)設(shè)備時(shí)，設(shè)備數(shù)據(jù)協(xié)議的適配和兼容。最后的數(shù)據(jù)可視化，是客戶比較核心的需求，可以通過(guò)統(tǒng)一的平臺(tái)監(jiān)控在網(wǎng)設(shè)備的狀態(tài)，便于及時(shí)了解設(shè)備異常信息，提高管理人員效率。

基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析與管理

基于云平臺(tái)采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)，進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)分析，并產(chǎn)生一些SaaS應(yīng)用，比如設(shè)備性能指標(biāo)異常的告警、故障代碼查詢、故障原因的關(guān)聯(lián)分析等。

這一層的數(shù)據(jù)分析還偏向于通用分析工具的階段，不涉及基于垂直領(lǐng)域深入行業(yè)知識(shí)的數(shù)據(jù)分析，基于這些數(shù)據(jù)分析結(jié)果，也會(huì)有一些通用的設(shè)備管理功能，像設(shè)備的開關(guān)機(jī)、調(diào)整狀態(tài)、遠(yuǎn)程鎖機(jī)及解鎖等，這些管理應(yīng)用根據(jù)具體的領(lǐng)域需求而不同。

深度數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

深度的數(shù)據(jù)分析，則涉及到具體領(lǐng)域的行業(yè)知識(shí)，需要特定領(lǐng)域的行業(yè)專家來(lái)實(shí)施，具體根據(jù)設(shè)備的領(lǐng)域和特性建立數(shù)據(jù)分析模型。

目前比較多應(yīng)用在故障預(yù)測(cè)領(lǐng)域，大型工業(yè)設(shè)備的故障預(yù)測(cè)一直是難以解決的問(wèn)題，比如機(jī)床、風(fēng)機(jī)等，一旦有大的故障發(fā)生，帶來(lái)的影響以及隨后產(chǎn)生的修復(fù)成本都是巨大的，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)并預(yù)測(cè)設(shè)備故障，可以大幅度降低設(shè)備故障帶來(lái)的影響。

在大量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，使用機(jī)器學(xué)習(xí)，結(jié)合行業(yè)專家的知識(shí)，可以產(chǎn)生深度的行業(yè)應(yīng)用，比如改進(jìn)制造工藝，優(yōu)化制造流程等，可以提高工業(yè)設(shè)備使用效率。

工業(yè)控制

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的目的就是能對(duì)工業(yè)過(guò)程實(shí)施精準(zhǔn)控制。

基于前述傳感器數(shù)據(jù)的采集、展示、建模、分析、應(yīng)用等過(guò)程，在云端形成決策，并轉(zhuǎn)換成工業(yè)設(shè)備可以理解的控制指令，對(duì)工業(yè)設(shè)備進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備資源之間的精準(zhǔn)的信息交互和高效協(xié)作。

當(dāng)前大部分場(chǎng)景的工業(yè)控制系統(tǒng)還需要部署在本地，受通信技術(shù)和處理能力的限制，工業(yè)云平臺(tái)涉及工業(yè)控制的的深度還不夠。5G技術(shù)可以滿足工業(yè)系統(tǒng)對(duì)通信能力的要求，實(shí)現(xiàn)工業(yè)控制的目標(biāo)。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例

一、離散制造業(yè)-數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

制造業(yè)按其產(chǎn)品制造工藝過(guò)程的特點(diǎn)，總體上可分為離散制造業(yè)和流程制造業(yè)。

離散制造業(yè)的產(chǎn)品往往是零部件由多道不連續(xù)的工序加工裝配而成，比如3C產(chǎn)品、汽車、機(jī)械等，生產(chǎn)過(guò)程是離散的。而流程制造業(yè)則是原材料按照固定的工藝流程，經(jīng)過(guò)一系列設(shè)備和裝置加工而形成產(chǎn)品，生產(chǎn)流程自動(dòng)化程度很高，比如石油、化工、天然氣、造紙等等。

離散制造業(yè)涉及的整個(gè)生產(chǎn)鏈條很長(zhǎng)，而生產(chǎn)鏈條上的各個(gè)環(huán)節(jié)相互獨(dú)立，產(chǎn)能差異很大，這樣就會(huì)造成各環(huán)節(jié)銜接出現(xiàn)問(wèn)題，而影響最終產(chǎn)品的生產(chǎn)。比如手機(jī)制造領(lǐng)域，有時(shí)候新機(jī)發(fā)布后產(chǎn)能卻跟不上，可能就是因?yàn)樯a(chǎn)鏈條中，某個(gè)部件良品率過(guò)低導(dǎo)致的。因此，在離散制造業(yè)領(lǐng)域，提供統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，從信息層面把生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)聯(lián)通起來(lái)，就顯得非常有意義。

具體到生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)，大多時(shí)候涉及到的設(shè)備都是機(jī)床，目前國(guó)內(nèi)也有一些公司，在機(jī)床信息聯(lián)網(wǎng)這個(gè)方向上探索，這也是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)里一個(gè)比較典型的應(yīng)用。

通過(guò)采集與管理數(shù)控機(jī)床和相關(guān)傳感器的信息，可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方面的價(jià)值：

設(shè)備層面

獲得設(shè)備性能的數(shù)據(jù)，可以對(duì)設(shè)備后面的二手定價(jià)起到幫助，另外也可以獲得設(shè)備故障信息代碼，及時(shí)了解設(shè)備故障情況，方便后續(xù)維修。

管理層面

可以將車間的操作人員與生產(chǎn)過(guò)程連通起來(lái)，方便對(duì)人員的管理，這種自下而上的數(shù)據(jù)，可以解決車間現(xiàn)場(chǎng)管理靠人的問(wèn)題。

通過(guò)SaaS層面的應(yīng)用，一方面可以將設(shè)備的狀態(tài)信息清晰的展示出來(lái)，另一方面，也可以開發(fā)一些管理和控制方面的應(yīng)用，提高機(jī)床和工廠生產(chǎn)效率。離散制造業(yè)鏈條上各個(gè)環(huán)節(jié)都通過(guò)統(tǒng)一的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)聯(lián)通之后，可以從全局的角度更加方便對(duì)整體制造流程的管理。

二、工程機(jī)械-設(shè)備聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

工程機(jī)械領(lǐng)域也是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)行業(yè)應(yīng)用，工程機(jī)械設(shè)備加裝物聯(lián)網(wǎng)接入終端之后，可以及時(shí)獲取設(shè)備的位置和狀態(tài)信息，提高設(shè)備使用和管理效率。物聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)一般包含兩部分，第一部分是提供物聯(lián)網(wǎng)接入終端，第二部分是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)接入終端主要包含定位模塊和通信模塊，一般采用GPRS或者4G的接入方式。其主要的功能是獲取設(shè)備的位置信息，將其部署到工程機(jī)械設(shè)備里面，也可以獲取設(shè)備的部分狀態(tài)信息，并將這些信息及時(shí)傳送到云平臺(tái)。

物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)可實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地查詢每一臺(tái)機(jī)械設(shè)備的位置等參數(shù)和工況信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備生產(chǎn)作業(yè)數(shù)據(jù)，并在設(shè)備參數(shù)異常時(shí)推送預(yù)警信息，以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的精準(zhǔn)監(jiān)控。同時(shí)，平臺(tái)還可以對(duì)車輛故障進(jìn)行診斷分析，并找到故障解決方案，以協(xié)助售后人員及時(shí)趕到現(xiàn)場(chǎng)維修，提高服務(wù)質(zhì)量。

此外，物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還可以對(duì)設(shè)備在線數(shù)量分布、設(shè)備開工率、設(shè)備平均工時(shí)、設(shè)備區(qū)域工作熱度等進(jìn)行分析，可以對(duì)售后服務(wù)備件市場(chǎng)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，從而優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃及庫(kù)存。

以上兩個(gè)只是比較典型的應(yīng)用案例，市場(chǎng)上有很多做工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的公司，專注在各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，業(yè)務(wù)上大部分集中在數(shù)據(jù)的采集與展示這一層，也有一部分涉及到第二層，會(huì)根據(jù)客戶的行業(yè)特性做一些基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)分析和管理，但做到第三層和第四層的非常少。

究其原因，一方面是淺層的應(yīng)用更加通用，相對(duì)來(lái)說(shuō)技術(shù)上易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)團(tuán)隊(duì)的技術(shù)和行業(yè)深度的要求不會(huì)太高;另一方面是目前連接的技術(shù)水平還無(wú)法達(dá)到工業(yè)級(jí)的應(yīng)用要求，尤其是在網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延和可靠性方面，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)連接無(wú)法參與到工業(yè)系統(tǒng)自身的業(yè)務(wù)和生產(chǎn)流程。

5G對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可能產(chǎn)生的影響

5G的技術(shù)特點(diǎn)

5G并不是為某一個(gè)“殺手級(jí)應(yīng)用”而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，而是面向很多至今甚至尚未可知的應(yīng)用場(chǎng)景。5G系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用的是一種自上而下的方法，先定義未來(lái)的應(yīng)用場(chǎng)景，然后從場(chǎng)景里抽象出技術(shù)的需求，再根據(jù)每個(gè)特定的需求，尋找解決辦法，研發(fā)具體的解決方案。

因?yàn)橄到y(tǒng)的要求十分的廣泛，過(guò)去幾代通信系統(tǒng)的技術(shù)并不適用于5G的需求。在5G眾多的預(yù)設(shè)場(chǎng)景之中，5G在技術(shù)方面的需求被ITU(國(guó)際電信聯(lián)盟)歸納為3個(gè)大的方面：

(1)超高數(shù)據(jù)速率(增強(qiáng)型移動(dòng)帶寬，eMBB)

提供極高的數(shù)據(jù)傳輸速率，以及極端的信號(hào)覆蓋能力

(2)超大連接量(大規(guī)模機(jī)器類通信，mMTC)

提供海量設(shè)備的數(shù)據(jù)連接能力，是物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)需求

(3)超低時(shí)延(超可靠低時(shí)延通信，uRLLC)

提供超可靠低時(shí)延的通信連接服務(wù)，要求極高的可用性和可靠性、極低的時(shí)延

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求

對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，高可靠低時(shí)延的通信系統(tǒng)可以說(shuō)是至關(guān)重要。

一直以來(lái)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用只能停留在表層的數(shù)據(jù)采集展示和由此延伸出來(lái)的一些管理功能，很難涉及到工業(yè)系統(tǒng)的控制等核心領(lǐng)域，其中通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和延時(shí)達(dá)不到要求是其中主要的制約因素。

工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備投入巨大，無(wú)論是機(jī)床、生產(chǎn)線，還是機(jī)械設(shè)備，生產(chǎn)過(guò)程中的故障導(dǎo)致的停工，往往會(huì)影響整條生產(chǎn)線，甚至整個(gè)產(chǎn)品交付周期。

為確保穩(wěn)定性，工業(yè)領(lǐng)域的控制系統(tǒng)還是以本地為主，部署大量的硬件和軟件系統(tǒng)。這一方面導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)非常復(fù)雜，投入巨大，另一方面，也限制了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。在消費(fèi)者需求日新月異的今天，生產(chǎn)系統(tǒng)的更新跟不上消費(fèi)者需求的變化，也會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)失很多新的機(jī)會(huì)。

當(dāng)前的移動(dòng)通信系統(tǒng)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用涉及并不深入，雖然4G在網(wǎng)速上已經(jīng)有很大的提升，能滿足用戶隨時(shí)觀看視頻的需求，但網(wǎng)絡(luò)的可靠性和時(shí)延都還有很大的提升空間，并不能滿足工業(yè)場(chǎng)景的要求。

4G在工業(yè)場(chǎng)景的應(yīng)用，更多是在對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)景里，作為數(shù)據(jù)上傳到云端的一種方式。比如工廠里的機(jī)床設(shè)備，每5-10秒鐘會(huì)采集一次數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)匯總一般會(huì)匯集到一個(gè)統(tǒng)一的終端，由終端通過(guò)4G發(fā)送到云平臺(tái)。

為了保證機(jī)床設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，在工廠內(nèi)部，各個(gè)機(jī)床與統(tǒng)一終端的連接上，一般都會(huì)采用有線連接的方式。這樣的連接方式還是比較重，大量的線纜也會(huì)導(dǎo)致工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的性能提升到可以替代有線電纜的時(shí)候，工廠內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜度也會(huì)降低，更加便于管理。

工業(yè)領(lǐng)域?qū)νㄐ畔到y(tǒng)的這些需求，5G的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)可以很好的滿足，極低的時(shí)延，保證了工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)和控制的要求;高可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，確保了工業(yè)系統(tǒng)對(duì)穩(wěn)定性的要求;大帶寬則可以實(shí)現(xiàn)高清3D視頻，甚至AR的傳輸，在遠(yuǎn)程操控領(lǐng)域大幅提高了操作精度。

5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用

在2018年6月上海舉行的世界移動(dòng)大會(huì)上，央視財(cái)經(jīng)的記者體驗(yàn)了中國(guó)移動(dòng)帶來(lái)的5G智慧工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景演示：

一臺(tái)遠(yuǎn)在石家莊工地上的挖掘機(jī)，通過(guò)5G技術(shù)與設(shè)在現(xiàn)場(chǎng)的駕駛室相連，不僅可在惡劣環(huán)境下作業(yè)，甚至可以打造無(wú)人工地。

參觀者可以在現(xiàn)場(chǎng)駕駛室真人駕駛，同步實(shí)時(shí)控制位于石家莊的挖掘機(jī)，進(jìn)行挖掘機(jī)前后、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及大臂、小臂、挖斗配合挖掘裝車等操作，操作臺(tái)對(duì)面的大屏幕通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)高清視頻同步傳遞真實(shí)場(chǎng)景及全景視頻效果。

雖然這只是一個(gè)場(chǎng)景演示，但它代表了5G在工業(yè)領(lǐng)域潛在應(yīng)用價(jià)值和未來(lái)應(yīng)用的方向。目前5G的商用還沒(méi)有正式開始，還沒(méi)有成熟的5G應(yīng)用場(chǎng)景出來(lái)，但有很多關(guān)注5G領(lǐng)域的研究機(jī)構(gòu)，都在探索5G在工業(yè)領(lǐng)域會(huì)有哪些具體的應(yīng)用場(chǎng)景，以及能帶來(lái)什么樣的商業(yè)價(jià)值。

愛(ài)立信為我們分享了2個(gè)具體的研究案例，給我們展示了5G技術(shù)的應(yīng)用，提高了工業(yè)效率，提升了商業(yè)價(jià)值和社會(huì)價(jià)值。

一、航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉盤制造

愛(ài)立信和德國(guó)弗勞恩霍夫生產(chǎn)技術(shù)研究院(Fraunhofer IPT)共同合作研究新的方法來(lái)改進(jìn)工業(yè)控制流程，實(shí)時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)制造過(guò)程中的缺陷。其中有一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域就是葉盤的生產(chǎn)制造領(lǐng)域，葉盤是噴氣式航空發(fā)動(dòng)機(jī)中渦輪的重要組成部分，由輪盤和圍繞輪盤邊緣的眾多葉片組成，葉盤制造是金屬加工典型的應(yīng)用。

確保葉盤的高質(zhì)量至關(guān)重要，高質(zhì)量的葉盤是航空發(fā)動(dòng)機(jī)安全性的保障。葉盤是通過(guò)銑床加工完成的，加工過(guò)程中面臨很多問(wèn)題，其中最關(guān)鍵的一個(gè)問(wèn)題是，加工的過(guò)程很難被監(jiān)控，這也是金屬加工領(lǐng)域普遍存在的問(wèn)題。

這就意味著銑削加工過(guò)程全部結(jié)束之前，操作人員無(wú)法知道結(jié)果，而一個(gè)銑削加工的過(guò)程可以持續(xù)1天甚至達(dá)到100小時(shí)，由于加工缺陷的存在，最終加工產(chǎn)品的返工率卻經(jīng)常高達(dá)25%，拖長(zhǎng)了整體的生產(chǎn)周期。

加工缺陷可能有很多原因產(chǎn)生，但其中主要的原因是銑刀或機(jī)床自身的震動(dòng)，影響了加工結(jié)果，而這個(gè)震動(dòng)則可以通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控加工過(guò)程來(lái)發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)數(shù)據(jù)反饋來(lái)實(shí)時(shí)優(yōu)化加工過(guò)程，最終減少返工率。不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程中產(chǎn)生的問(wèn)題，是整個(gè)制造業(yè)都存在的現(xiàn)象。

雖然葉盤加工只是一個(gè)具體的案例，但是加工過(guò)程中的震動(dòng)問(wèn)題，卻是機(jī)床加工領(lǐng)域普遍存在的。未來(lái)制造的葉盤會(huì)朝著更薄的方向發(fā)展，加工結(jié)果更容易受震動(dòng)的影響。

Fraunhofer IPT對(duì)這個(gè)問(wèn)題給出的解決方案分為2部分，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)控制——

實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

在葉片部分貼上傳感器，在輪盤部分加入通訊模組，這樣可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)葉盤加工的結(jié)果，一旦有加工缺陷產(chǎn)生，及時(shí)停止對(duì)有缺陷部件的進(jìn)一步加工，或者定位到缺陷就啟動(dòng)返工;

實(shí)時(shí)控制

對(duì)加工過(guò)程建立數(shù)據(jù)模型，根據(jù)加工結(jié)果的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)調(diào)整運(yùn)行中的加工過(guò)程，比如改變銑刀轉(zhuǎn)速等，以避免加工缺陷的產(chǎn)生。

來(lái)源：愛(ài)立信5G研究

最終的設(shè)想是建立完全的自動(dòng)化工廠，實(shí)現(xiàn)所有設(shè)備連接，并通過(guò)統(tǒng)一的系統(tǒng)集成并管理。

但當(dāng)前的通信技術(shù)還不能很好的支持這個(gè)解決方案，5G是這個(gè)解決方案的關(guān)鍵所在。這個(gè)案例中，5G最大的優(yōu)勢(shì)是可以提供極低的時(shí)延和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)控制，傳感器的信息需要在1毫秒內(nèi)響應(yīng)和處理，5G通過(guò)提供極低時(shí)延的能力確保了實(shí)時(shí)控制的實(shí)現(xiàn)，從而確保了可以應(yīng)用在葉盤生產(chǎn)的過(guò)程中。

Fraunhofer也測(cè)算了引入5G改進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)后產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，傳統(tǒng)葉盤加工返工率高達(dá)25%，意味著每加工4個(gè)葉盤中就有1個(gè)需要返工。這個(gè)成本是非常高的，降低返工率就可以產(chǎn)生很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

如果通過(guò)引入5G與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化后，返工率可以降低10%，就相當(dāng)于減少了單位產(chǎn)品的加工時(shí)間。換算成機(jī)器成本的話，單葉盤成本可以降低3600歐元，全球葉盤的產(chǎn)量大概一年10萬(wàn)片，這就意味著，通過(guò)5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，一年可以節(jié)省3.6億歐元的成本。

二、采礦行業(yè)

礦業(yè)是全球經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，市場(chǎng)規(guī)模巨大，全球前40家礦業(yè)公司年收入總和就超過(guò)了5000億美元。

提高采礦行業(yè)的盈利能力，要求在采掘效率、運(yùn)輸和金屬提取技術(shù)方面不懈的努力，來(lái)最優(yōu)化礦石的流動(dòng)效率。然而，在這些方面增加的投入?yún)s面臨著邊際效應(yīng)遞減的問(wèn)題。自動(dòng)化正在成為采礦行業(yè)新的機(jī)會(huì)和焦點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的一個(gè)前提條件是，礦區(qū)內(nèi)要有比較完善的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和連接能力，礦區(qū)內(nèi)環(huán)境惡劣，部署移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)比較好的解決方案。

瑞典的Boliden公司是世界頂級(jí)礦業(yè)公司之一，在全球有8個(gè)礦場(chǎng)，其中位于瑞典北部的Aitik礦場(chǎng)是歐洲最大的露天礦場(chǎng)。Boliden和愛(ài)立信聯(lián)合成立了一個(gè)研究小組，來(lái)探索5G技術(shù)如何幫助采礦行業(yè)提高效率和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

Aitik是一個(gè)快速擴(kuò)張的礦場(chǎng)，為了獲得銅礦石，必須轉(zhuǎn)移大量的巖石。每年在礦場(chǎng)內(nèi)來(lái)回運(yùn)輸?shù)氖^的量都在增長(zhǎng)，根據(jù)礦石所處位置，巖礦比不同，平均下來(lái)每獲得一噸銅礦石就要移額外移動(dòng)一噸的巖石。Aitik目前的年產(chǎn)量是3600萬(wàn)噸礦石，并且預(yù)計(jì)很快會(huì)增長(zhǎng)到4500萬(wàn)噸，這樣需要移動(dòng)的巖石的量也會(huì)相應(yīng)增長(zhǎng)。

礦場(chǎng)內(nèi)的復(fù)雜和繁忙程度非常高，為移走巖石而增加巨型設(shè)備，以及保持住這些新增設(shè)備的利用率都不是一件簡(jiǎn)單的事。

另外，礦石都是通過(guò)鉆孔爆破獲得，每次爆破都會(huì)產(chǎn)生有毒氣體，只有等這些有毒氣體被驅(qū)散后，人類才能進(jìn)入礦區(qū)進(jìn)行挖掘作業(yè)，這些都是影響采礦效率的因素。

針對(duì)這些問(wèn)題，比較好的解決方案是自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制設(shè)備。

自動(dòng)化鉆機(jī)可以按照預(yù)設(shè)的路徑自主從一個(gè)鉆孔自動(dòng)移動(dòng)到下一個(gè)目標(biāo)鉆孔，并且可以自動(dòng)重復(fù)任務(wù)。傳統(tǒng)上需要人工在現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備來(lái)移動(dòng)鉆機(jī)，如果某個(gè)任務(wù)或者移動(dòng)路徑并未被預(yù)先設(shè)定好，操作人員可以借助鉆機(jī)上裝備的攝像頭遠(yuǎn)程控制他們的移動(dòng)。

大多數(shù)情況下，自動(dòng)化已經(jīng)能完成大部分工作，然而少數(shù)只有人才能做出評(píng)估決策的情況下，比如對(duì)巖石狀況的評(píng)估，還是需要人工參與遠(yuǎn)程甚至現(xiàn)場(chǎng)的評(píng)估。

Aitik將5個(gè)傳統(tǒng)鉆機(jī)改造成了有自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制功能的鉆機(jī)，為這些傳統(tǒng)鉆機(jī)安裝了攝像頭，升級(jí)了控制系統(tǒng)，加裝了通信模組，但由于當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)帶寬只能支持中等質(zhì)量視頻的傳輸，這限制了遠(yuǎn)程控制的能力。

改造后的自動(dòng)化鉆機(jī)可以將年工作小時(shí)數(shù)從5000小時(shí)提高到了7000小時(shí)，相當(dāng)于Boliden用5臺(tái)改進(jìn)后的鉆機(jī)完成了之前需要7臺(tái)或者更多鉆機(jī)才能完成的工作量。

除此之外，自動(dòng)化同樣減少了對(duì)人員數(shù)量、服務(wù)站、停車區(qū)的需求，降低了礦區(qū)內(nèi)繁忙運(yùn)輸路線的壓力。因?yàn)槿藛T的減少，也降低了礦區(qū)內(nèi)人員安全的風(fēng)險(xiǎn)，Boliden可以在保持設(shè)備量和員工數(shù)量不變的情況下增加爆破工作量。經(jīng)過(guò)測(cè)算，用自動(dòng)化技術(shù)進(jìn)行鉆孔和爆破可以為Aitik礦場(chǎng)每年節(jié)省250萬(wàn)歐元。

而要實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)化，遠(yuǎn)程控制設(shè)備和高性能通信系統(tǒng)是必須的。目前采礦業(yè)中使用的通信技術(shù)還是WiFi，通過(guò)仔細(xì)優(yōu)化后覆蓋率和性能還可以被接受，但也只能處理自動(dòng)化中簡(jiǎn)單、重復(fù)性的任務(wù)，比如調(diào)整鉆孔的形式。

Boliden之前已經(jīng)在Aitik礦場(chǎng)部署了WiFi通信系統(tǒng)來(lái)滿足控制鉆機(jī)的需要，雖然這樣也提高了一定的生產(chǎn)力水平，但是WiFi的性能還是有很多不足。畢竟WiFi并不是為戶外大區(qū)域覆蓋設(shè)計(jì)的，而Aitik的露天礦場(chǎng)正是這樣的場(chǎng)景。WiFi連接能力有限，也限制了新增連接其他自動(dòng)化機(jī)器設(shè)備的可能。

大到整個(gè)采礦行業(yè)，小到Boliden這家公司，WiFi通信系統(tǒng)的性能嚴(yán)重限制了自動(dòng)化方面的進(jìn)一步發(fā)展，比如要實(shí)現(xiàn)復(fù)雜鉆孔、自動(dòng)駕駛礦車、自動(dòng)規(guī)劃和調(diào)度系統(tǒng)等，必須有高性能的通信系統(tǒng)才能滿足這些需求。而5G正是最合適的通信系統(tǒng)，可以處理3D高清視頻的傳輸，大幅提高遠(yuǎn)程操控的精度，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理高度復(fù)雜的任務(wù)。

來(lái)源：愛(ài)立信5G研究

為實(shí)現(xiàn)礦區(qū)自動(dòng)化的目標(biāo)，Boliden的通信系統(tǒng)需要滿足以下的需求：

首先，要確保實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，這就需要通信系統(tǒng)的大帶寬和低時(shí)延能力;

其次，礦區(qū)內(nèi)的系統(tǒng)要能適配其他的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制設(shè)備，包括不同品牌和不同的控制系統(tǒng);

另外，還要實(shí)現(xiàn)全覆蓋，能覆蓋到礦場(chǎng)的所有角落，確保所有的機(jī)器和人員能被連接和定位到;

最后，是在礦場(chǎng)這種復(fù)雜多變的環(huán)境下，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5G通信系統(tǒng)可以滿足Boliden最高的需求，包括帶寬、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、時(shí)延和定位。通過(guò)引入高性能的通信網(wǎng)絡(luò)，礦場(chǎng)變得更加安全和高效。雖然有一部分應(yīng)用需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量并不大，但像遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)操控機(jī)器這樣的應(yīng)用，只有5G通信系統(tǒng)才有實(shí)現(xiàn)的能力，有了5G的賦能之后，采礦業(yè)會(huì)成為創(chuàng)新領(lǐng)域之一，產(chǎn)生出新的應(yīng)用和商業(yè)模式。

5G賦能，任重而道遠(yuǎn)

解決了時(shí)延和穩(wěn)定性的問(wèn)題，工業(yè)領(lǐng)域大量設(shè)備聯(lián)網(wǎng)的制約因素就消除了。這個(gè)巨大的市場(chǎng)之前未曾被互聯(lián)網(wǎng)觸及，就好像4G和智能手機(jī)的出現(xiàn)，打開了移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的大門，5G面對(duì)的可能是一個(gè)比移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)更大的機(jī)會(huì)。

因?yàn)?G連接的數(shù)量、提供的價(jià)值、付費(fèi)的能力，都不是移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)可以比擬的。所以也有很多人認(rèn)為，5G最大的機(jī)會(huì)在于產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。

雖然5G技術(shù)目前還不成熟，大規(guī)模部署和應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走，但我們相信，5G賦能工業(yè)領(lǐng)域的方向是明確的，未來(lái)可期。