5G應用創新發展白皮書-5G重點應用分析-智慧工廠
智能工廠
隨著5G融合應用的不斷發展和演進，應用重點行業和領域逐步聚焦，尤其是在工廠、礦山、港 口、醫療、電網、交通、安防、教育、文旅以及智慧城市等10個領域，逐步獲得業界認可，并初步形 成了有望規模商用的應用場景。本文主要介紹5G在智能工廠中的典型應用分析，主要從5G典型場景及價值、未來發展空間以及面臨的挑戰。
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工業物聯網：5G工業路由應用
在工業場景中，存在一種特殊的重要“關口”。 工業現場往往存在不同的網絡環境，不同軟件、不同系統、不同工廠之間的網絡通信語言也都不盡相同，
而工業網關就是從一個網絡環境連接到另一個網絡環境的一種面向工業應用的裝置或設備。
隨著5G技術的發展，其高帶寬、低延時的特性也將助力工業網關向工業智能網關的升級轉型。
具體實現：以太網做LAN口組成內部局域網，把5G作為WAN口，通5G上網或者通過WiFi的AP實現組網功能。
FCU2303推薦理由：
? 內部集成高性能 64位四核ARM處理器LS1046A，主頻高達1.8GHz，CoreMark跑分45000；
? 8路網口：提供8路千兆網口，可接入多種網口設備，如攝像頭、云化機器人等；
? USB3.0：提供對外USB接口給客戶更高的靈活性，同時支持U盤更新系統，快捷方便；
? 8路 RS485（含4路RS485/RS232自適應接口）：可接入氣象監測、環境監測、煙感探測等多種監測設備；
? 12V供電：提供2路12V供電電源，免去電源緊缺的困擾；
? DI/DO：可對開關量進行遠程控制；
? WiFi：支持2.4GHz、5GHz雙頻WiFi；
? 搭載 華為5G工業模組MH5000/移遠RM500Q配合LS1046A的網絡加速引擎，可幫助用戶快速接入互聯網，實現安全可靠的數據傳輸；
? 提供 強勁數據采集、轉發、處理能力， 支持MODBUS、MQTT、IPSEC、OPENSSL、OP-TEE、DPDK、ovs-DPDK、Lighttpd、Samba等協議；
? 邊緣計算能力：提供單點、多點、模型等實時控制。
FCU2303經過-40℃~+85℃高低溫嚴格測試；鋁合金型材外殼，堅固耐用。在產品細節上更是精益求精，前后擋板螺絲導電處理、橡膠套對天線缺口進行密封、天線與外殼絕緣處理同時做了防滑扣設計，
這些都將增加產品的穩定性。除了滿足工業溫度的要求外，EMC電磁兼容也是工業產品最為重要的內容，FCU2303智能網關外圍接口全部增加靜電四級防護，
通訊端口增加隔離保護芯片。RS485、RS232接口3KV隔離保護，EFT3級防護；網口、USB、RS485、RS232，靜電四級防護。
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正文開始
1. 5G典型場景及價值
5G作為移動通信的最新一代技術，相比光纖固網，具備接入靈活的特點，更能適配新時代定制化 生產的柔性制造的需求，其低時延、高可靠等特性，對工業生產的穩定性需求能有更好的保障，5G+ 邊緣計算可以解決工業互聯網在異構網絡融合、業務融合、數據融合、數據安全、隱私保護等方面的 需求，使得無線技術應用于工業設備實時數據采集、控制、遠程維護及調度、圖像智能處理等領域成 為可能。目前，5G相對于有線和Wi-Fi的關系并不是替代，而是對特殊場景的補充和增益，如應用于 AGV、AR終端、機器人、無人車等移動性場景，以及光纖不易覆蓋的戶外場景。
5G在智慧工廠中的應用探索成效已經初步顯現。超高清視頻監控、移動無人巡檢等疊加賦能型 應用，在現有工廠網絡應用基礎上，疊加5G網絡應用，在非核心生產和管理業務方面有效補充、增強 工廠管理能力。三一重工將5G+高清視頻融入到園區的安防監控之中，實現采集監測視頻/圖像實時 回傳，結合統一監控平臺，實現人員違規、廠區的環境風險監控的實時分析和報警。5G+機器視覺、 AR/VR輔助裝配等業務融合型應用，通過部署5G MEC（邊緣計算基礎設施），將5G技術與人工智能 （AI）等新技術在邊緣側進行融合，解決原來AI技術受限于終端的處理能力及成本等問題，全面提升 工業企業裝備的智能化水平。5G+工業控制等產業升級型應用，涉及工業核心生產環節，將受限于5G 技術對于實時性和可靠性等指標的滿足程度及與工業體系融合深度，在工業設備廣泛支持5G聯網能力 之前，難以形成規模。寧波愛柯迪股份有限公司在生產線上，研發集成了5G模組的MES（制造執行系 統）工業網關，相比較CPE方式性能更優，與產線融合的更緊密，提升了整體的生產效率，隨著5G技 術及工業體系的不斷升級，5G工業終端將越來越多的在生產中使用。
在智慧工廠領域，5G+機器視覺正逐漸成為行業共性需求。對于制造企業而言，工業質檢一直面 臨人工檢測質量不穩定、招工難、留人難、培訓難、成本高等難以解決的痛點。5G機器視覺在智能工 廠領域有廣泛的需求，技術發展成熟，商業模式初步建立。第三屆“綻放杯”大賽獲獎項目中，南南 鋁使用5G機器視覺進行鋁板檢測，表面識別準確率從71%提升至99.98%，且良品率提高6個點；海爾在 家電制造中使用5G機器視覺替換傳統工控機，降低投資的同時提高算法檢測準確率至99%；寶鋼使用 機器視覺進行車間智能巡檢，自主導航監測車間內煙霧、積水等異常。5G機器視覺可廣泛推廣到流程 制造行業，工廠前期投資部署5G機器視覺系統，后期按照生產需求購買算法，商業模式初具雛形。未 來，這類應用將逐漸平臺化，與MEC等云計算能力結合。例如中國電信基于5G MEC的分布式通用機 器視覺平臺，充分利用5G網絡低時延和高帶寬特性，將原來的視覺檢測識別算法任務調整到MEC上執 行，通過邊緣云計算能力，簡化檢測識別現場的工控機方案和現場設備，加快視覺算法的優化，實現 工廠智能化。工業視覺依托5G網絡優勢，打造云化工業級機器視覺解決方案，部署便捷，升級簡單。 隨著基于5G+MEC分布式機器視覺平臺的大規模應用，將大幅降低工業生產和檢測成本，提高工業生 產效率，對全產業鏈產生巨大影響。同時高精度質檢算法代替人工質檢將改善車間工作環境、降低生 產風險，推動安全、綠色生產，具有良好的經濟和社會效益。
2. 未來的發展空間
數據融通、柔性化生產是智能工廠的發展趨勢。工業面臨數字化轉型升級，工業互聯網是其必經 之路。而工業互聯網的基礎，在于數據的有效采集和轉換融通，信息及數據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。
? 我國人口紅利優勢逐漸喪失，通過5G實現機器換人具有巨大市場價值。2014年全國勞動力成 本是十年前的2.7倍，優衣庫、耐克、富士康等世界知名企業紛紛選擇在東南亞和印度開設新廠，中國 大陸地區的機器人密度（每萬名工人的機器人擁有量）為187，遠低于全球前兩名新加坡和韓國（分別 為918和855），但中國增速領先全球，兩年時間翻了一倍，通過5G結合自動化設備實現機器換人，能 有效降低企業的人員成本，促進科技提質增量。
? 中國工業場景大量設備處于離線離網狀態，5G網絡實現新老設備數據聯網正當時。根據兩化 融合服務聯盟的數據，截止到2019年第二季度，調查的15萬家工業企業在生產設備數字化率、關鍵工 序數控化率分別為47%和49.2%，而工業企業智能制造就緒率僅為7.6%，這其中絕大多數為規模以上企 業。隨著5G的商用，有望成為工業互聯網數據互通互聯的底座，5G數據聯網發展空間巨大。
? 5G促進企業數字化網聯應用的蓬勃發展，市場空間極其可觀。數字化、聯網化率不足，也 局限了工業軟件普及率，使重點工業企業應用計算機輔助設計（CAD）、制造執行系統（MES）、 產品生命周期管理系統（PLM）等工業軟件配置率較低。2017年中國企業的94.4%的企業未能做好部 署智能制造的準備，生產設備數字化率只有44.8%，而數字化設備聯網率僅為39.0%。制造執行系統 （MES）普及率只有18.1%，數據采集與監控系統（SCADA）只有4.7%。中國亟需大幅提升工業設備 設施網絡化水平，突破企業數字化發展瓶頸，大力推動以5G為支撐的工業互聯網發展，在此之上構建 的應用附屬價值極其可觀。
5G低延時、高帶寬特點能夠保證海量工業數據的實時回傳，網絡切片技術能夠有效滿足不同工業 場景連接需求，賦能遠程控制、機器視覺、AR/VR等多個場景。據德勤咨詢估計，2020年至2035年， 5G在制造行業支持的產出將達到20萬億以上，位居所有行業之首。
大量5G工業視覺的落地場景，體現出市場對機器視覺的迫切需求，未來將是在智慧工廠中率先落地的應用之一。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機器視覺起步較晚，目前正作為智能工廠重點應用大力推進，處在行業迅 速上升期。據Markets and Markets預計，到2020年全球市場規模將達到125億美元；到2025年底，全 球市場規模將超過192億美元，機器視覺未來空間巨大。前瞻產業研究院2018年度企業調查結果顯示， 2018年中國機器視覺行業銷售總額為83.9億元，比上年同期增長21.6%；研發投入增長至11.7億元，同 比增長32.8%。隨著全球制造中心向中國轉移，中國機器視覺市場正在繼北美、歐洲和日本之后，成為 國際機器視覺廠商的重要目標市場，5G+MEC作為承載工業視覺的新型技術，有助于中國機器視覺廠 家的迅速崛起，甚至實現彎道超車。
2020-2025年全球機器視覺市場規模及預測（單位：億美元）
據前瞻產業研究院的預計，全球工業相機市場將在2020年達到7億美元，2025年增長到12億美元。 按照平均工業相機單價1萬美元估算，2025年工業相機規模能達到12萬臺。其中，按照中國占到全球工 業相機市場的20%，其中5G網絡滲透率50%估算，中國的5G工業相機需求可達1.2萬臺。
2020-2025年全球工業相機市場規模及預測（單位：億美元）
3. 面臨的挑戰
隨著5G在工業企業落地實踐的不斷深入，運營商、設備商、行業解決方案供應商正加速磨合，深 入理解工業企業的痛點和需求，不斷挖掘、摸索產生相應的解決方案，推動工業5G信息化升級，促進 5G網絡、終端、應用、商業走向成熟。與此同時，但也存在這一些非常實際的困難，具體包括以下幾 個方面：
? 產業融合難。在工業領域，自身的迭代和演進已經推進了幾十年，對于產業自身的痛點，已經 形成了一個較為封閉和自洽的生態。如何通過5G網絡突破工業體系內的自適應，從性能的提升轉化為 效益的提升，為工業企業帶來真實的價值，實現商業閉環和技術變現，道阻且長。
? 5G技術及產品有待發展和完善。對于工業比較關鍵的5G uRLLC標準于2020年7月剛剛凍結， 產品實現相對于標準還有一定滯后。目前企業網絡覆蓋主要沿襲2C覆蓋的邏輯，但工廠場景大多是確 定性的場景，在固定區域下固定終端應用作業，需要保障相對穩定且定制化的網絡帶寬需求。與2C 領域終端用戶共享帶寬，隨機競爭接入的原則不同，工業2B則要確定根據不同終端場景定制差異化網 絡，分配最優帶寬和服務，確保關鍵業務的連續性和穩定性。網絡切片、確定性時延、網絡設備主備 冗余等行業客戶期望的5G功能尚不能完全到位，有待進一步技術發展。
? 產業鏈的整體配合道阻且長。5G終端模組的行業化改造適配存在磨合問題，例如在某裝備制 造企業的AGV 5G改造項目中，需要將模組的通信控制單元放置在AGV的主體內，由于主體為金屬打 造，具有非常強的電磁屏蔽效果，需要將5G天線外置、可調，且移動過程中狀態不會碰撞變形；傳統 的工業路由使用的棒狀天線不能滿足需求，而目前市場上，能用的終端天線設備屈指可數。5G工業終 端和需求的適配是一個漫長而艱難的過程。
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