关于5G技术与边缘计算赋能现代离散制造现场探究

关于 5G技术与边缘计算赋能现代离散制造现场探究

夏晨灏

中国科学技术大学，安徽合肥 230026

摘要：5G技术是当前推动我国工业制造发展过程中的一个热点与关注焦点，5G产业中已经引入了一些边缘计算的技术。本文分析了基于5G的通信网络与工业边缘计算结合后为离散制造带来的新趋势和新的发展思路。

关键词：5G；边缘计算；离散制造

引言

5G广泛影响各个行业，其中就包括制造业。制造业在整个人类社会发展运行中扮演着至关重要的角色，随着未来的制造业向着数字化，智能化的方向发展更加需要5G带来的高带宽，低延时等特性。

第五代移动通信技术5G构建了一种集大成的技术体系，对之前的高速移动通信(如3G、4G)、工业实时网络(如工业以太网、各种技术体系的现场总线等)、低功耗广域物联网(如NB-IoT、LoRa、SigFox)在功能规格、性能指标和行业应用等方面、实现了极大提升乃至完全替代。其具备的超高带宽、超低时延、超高可靠性、超大规模节点的网络连接等特性在时间敏感网络(TSN)技术的普及解决了各类现场生产设备实时数据互联互通的基础上，结合边缘计算技术可以形成服务于离散制造的从数据源头到数据处理分析再到数据反馈等以数据为核心的整体数字化运营网络，做为离散制造的基础物理架构为制造业发展充分赋能。^[1]

1. 现代离散制造需求分析和解决方案

随着离散制造效率需求水平的不断提高，传统单一功能独立运行的生产设备已经无法满足现代制造业工艺与管理流程灵活多变的需要，无论对单一自动化生产设备还是对由多种自动化生产设备协同的产线都提出了智能化的要求，进一步到整个生产车间的少人甚至无人值守生产现场，这是离散制造向智能化、数字化发展的源动力。而离散制造业智能化数字化转型不是目的而是手段，行业的核心诉求是如何在生产管理过程中有效减少不必要的人为干预和灵活管理生产计划，最终可以提高整体运营效率降低运营成本，如何采用必要的技术手段和管理方法达到这一目标是我们分析的重点。

现代离散制造生产过程中产生了大量数据，包括工艺数据，流程数据和管理数据等，在传统制造业中这些数据大多是静态存储或者被丢弃，这些数据从特性的角度可以分为两类数据，实时数据与非实时数据。实时数据源于各类工业负载，如运动控制，设备间通讯等，其与生产工艺和生产流程息息相关。非实时数据主要与运营者管理流程相关，如订单系统，生产管理系统，库存系统等。^[2]传统制造业看待这两类数据是属于自动化和信息化各自截然不同的领域，二者处于割裂状态，而这二者的有效融合正是现代离散制造提高运营效率降低运营成本的关键。如何通过这些数据甚至是工业负载本身在不同的应用场景有效流转从而给整体生产运营带来效率的提升则需要依赖网络和高性能计算平台的共同参与，在引入5G网络和高性能边缘计算平台后，这一问题可以得到有效的解决。

离散制造生产现场设备层从控制模型上包括运动控制，M2M（设备到设备）和工业机器人等，数据传输方式主要是工业以太网和工业现场总线，这是出于工业自动化场景下数据传输的实时性保证和高可靠性的要求，这一类场景的互通互操作性可以透过TSN技术得到了很好的解决。但在需要进一步提高设备智能化的过程中例如引入人工智能技术后，基于人工智能的工业视觉技术产生了大量的图像或者视频数据，原有的有线网络无论在带宽和灵活部署方面都无法很好的满足新的现场要求。而其他的无线技术如 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee 等由于在早期设计时并非针对制造业应用场景,受应用和协议的限制，其在高可靠性、低延时性、传输速率、安全性等方面和5G技术存在较大差距，，难以成为面向离散制造业的基础核心网络。从前瞻性的角度来看，未来离散制造向智能化、数字化发展的过程中基于5G技术打造的生产运营核心网络将成为必不可少的基础网络。

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G网络与工业现场总线形成的完整工业网络架构使得各类实时或非实时数据包括工业负载和系统级的管理应用的流转具备了通道，为了支持工业负载和系统级应用的运行及其产生数据的处理，边缘计算技术是另一大助力。^[3]离散制造场景下的边缘计算可以分为工业边缘控制和工业边缘云，分别对应于处理不同特性的数据。工业边缘控制针对实时数据，与结合了TSN技术的工业现场总线形成设备层的基础架构，达到兼容或者完全取代传统的设备控制层架构的能力，工业边缘云针对系统级工业应用和各类管理流程应用及其产生的各类非实时数据的处理，通过采用高性能的计算平台可以使得各类应用的布署与管理更灵活。工业边缘控制，工业边缘云，TSN技术赋能后的工业现场总线与5G的高带宽网络这几项技术结合后形成的新一代数字化融合基础架构，摈弃了传统制造业固化的分层结构，涵盖离散制造从生产到运营的所有场景，其核心正是自动化与信息化的融合，其应用布署灵活性及面向未来的可扩展性可以持续提升离散制造的运营效率。下面是架构对比图:

二、5G技术结合边缘计算在离散制造中的优势

（一）工业负载，设备整合

通过工业边缘控制器与具备TSN技术的工业现场总线合理规划，可为离散制造工业负载从传统架构向数字化融合架构迁移创造便利条件，包括：针对满足工业性能和可靠性需求的工业边缘控制器平台的选择；针对客户所需的工业负载类型提供经优化后的软件堆栈；针对需要迁移的内容的梳理（如工业负载、设备和功能等）、何时整合、相关决策标准和定期重新评估迁移策略的流程。

如应用在疫苗制药行业，耗时的人工目视疫苗制剂检测带来了可靠性隐患与人力资源的浪费，及缺陷产品的召回风险。这些削减了公司的利润，公司的品牌声誉受到严重影响。对此，该工厂升级了传统架构到数字化融合架构，引入基于人工智能的工业视觉和人工智能解决方案，在配备了加速器的工业边缘云上运行，具有高度可扩展性，在发现新缺陷时可快速进行调整。在制造过程的早期发现缺陷为生产带来了巨大变化。

（二）向数字化架构融合的迁移优势

传统工业自动化设备并非为数字化架构而构建，因此通常的数字化改造需要增加大量的传感器或其他物联网设备，以帮助它们连接到信息化环境。虽然同样从传统架构迁移到数字化融合架构要经历从原始需求确认到布署实施的过程，但数字化融合架构的工业边缘控制层可针对性的对原有设备进行兼容，亦可同步扩展新型智能生产设备，减少当期不必要的投入，有效降低整体拥有成本。

在工业边缘云采用大量信息化成熟技术对原有运营管理层应用迁移改造同样带来便利，还可以充分利用信息化团队在保护和管理大量设备群资产方面的丰富成熟经验，再加上5G网络的可扩展性使得整体迁移可采取渐进的方式。借助合适的远程可管理性工具，团队可以跨各个工厂和场地大规模实施物联网设备和传感器，帮助弥合传统自动化设备与数字化融合架构之间的鸿沟。^[4]工业边缘云所采用标准的开放性对此也有帮助，同时硬件级的安全和加密有助于在整个网络以及工业边缘云与公有云或私有云之间的保护数据安全。

结语

对于一个制造业企业尤其是离散制造企业而言，要全面实现智能化是一个庞大的工程，数字化融合架构为离散制造业的智能制造转型带来了契机。本文根据目前离散制造现场的需求，提出了5G 加边缘计算在离散制造车间的必要性和优势。利用数字化融合架构促进离散制造车间的智能化与可扩展性，推动离散制造业从“制造”到“智造”的转型。数字化融合架构同时针对传统离散制造业落地数字化实施过程中面临的很多问题，例如不同规模企业发展不均衡、中小型企业智能化基础薄弱；企业的一次性投入和后期使用维护成本都很高，并且资金回收周期长等通过渐进式的投入可充分利用原有资产。随着技术的不断发展与突破，未来数字化融合架构将会驱动离散制造业的数字化转型，实现真正的数字化生产。

参考文献：

[1]智能制造总体架构探析[J].孟柳,延建林,董景辰,韦莎,李瑞琪,臧冀原,周源.中国工程科学.2018(04)

[2]离散行业智能制造应用现状和趋势[J].张田,刘贺贺.现代电信科技.2017(05)

[3]5G+MEC专网智能制造工厂[J].陈斌,陈武军,樊忠文,周玉杰.通信技术.2021(01)

[4]实现两化融合的5G数字化工厂[J].徐鸿彬.软件和集成电路.2020(12)