5G智能工厂的构建及应用

5G智能工厂的构建及应用

鄂智

机械工业第六设计研究院有限公司

摘要：科学技术的发展，我国的5G技术有了很大进展。在5G时代的背景下，智慧工厂通过融合物联网、大数据、人工智能等技术，实现了生产过程的自动化、智能化和数字化。其中，智能制造自动化模式是智慧工厂的核心特征之一，它通过自动化技术和智能算法的应用，提高了生产效率、降低了生产成本、优化了生产流程，进一步推动制造业的转型升级。本文就5G智能工厂的构建及应用进行研究，以供参考。

关键词：5G时代；智慧工厂；智能制造

引言

随着物联网、大数据、人工智能及5G无线网络等信息通信技术的不断发展，工业互联网与5G网络的深度融合持续加快，我国对工业互联网的推广应用与创新探索持续推进。5G的智慧行业应用采用无线通信技术实现工业领域“人、机、物、系统”的“5G全连接工厂”建设，加快了中国新型工业化、数字化、智能型转型发展进程。

1 5G概述

5G由国际电信联盟（International Telecommu-nication Union，ITU）和第三代合作伙伴计划（3rd Generation Partnership Project，3GPP）共同推动，其网络核心特性为增强型移动宽带（enhance Mobile Broad Band，eMBB）、超可靠低延迟通信（ultraReliableLow Latency Communication，uRLLC）和海量机器类通信（massive Machine Type Commu-nication，mMTC）这3个方面。eMBB支持高达10Gb·s-1的峰值下载速度和1Gb·s-1的上行速度，uRLLC则提供低至1ms的延迟，mMTC能够支持大规模设备连接。5G无线接入网（Radio Access Network，RAN）由新一代节点B（thenext Generation Node B，gNB）组成，可以同时提供eMBB、uRLLC和mMTC服务。核心网（Core Network，CN）采用服务基础架构（Service-BasedArchitecture，SBA）设计，会话管理功能（Sessio nManagement Function，SMF）、用户平面功能（User Plane Function，UPF）可作为独立微服务运行。5G覆盖从低频段（600MHz）到毫米波频段（28～39GHz）的宽频谱范围。5G中网络切片（Network Slicing）功能支持运营商在同一物理网络中创建多个虚拟网络，每个网络切片都可以根据特定应用或服务的需求进行优化。

2 5G智能工厂的构建及应用

2.1背景需求

5G技术的兴起掀起了企业智能化转型升级的热潮。在目前阶段，各行业需求多样、应用复杂，不同行业差异化场景要求网络能够灵活定制，传统部署的专网已无法满足行业数字化转型升级业务需求。随着物联网等技术的发展以及数据量的不断增加，基于云的解决方案渐渐无法满足大家日益增长的需求，人们逐渐将目光转向5G、边缘计算等技术，将其作为云的延伸扩展，以提高数据分析能力，便于企业快速做出有力决策。各行各业对数字化应用的功能及性能需求不同，企业在推进数字化转型时，除需要5G智慧云信息服务外，更需要基于信息化基础设施的数字化应用。

2.2基于物联网（IoT）技术构成

首先，5G技术可以提供更高速、更稳定的网络连接，使各种设备、传感器、产品等物理实体之间的连接更加稳定、可靠，实现更高效的信息共享和协同操作。其次，5G技术的大连接性特点可以支持更大规模的设备连接，使智慧工厂可以同时连接更多设备，从而实现对生产过程的全面监控和管理。此外，5G技术支持在网络边缘进行计算和数据处理，可以进一步提高数据处理效率，减少数据传输的时延和网络负担，从而更好地支持实时的生产监控和决策。

2.3网络性能调优

智能工厂中的5G网络可以在高需求时段将5G小区带宽从标准100MHz提升至200MHz，对重要通信流可以设置最高优先级，确保这些信息即使在网络拥挤时也能够被优先处理。最佳路由可以基于机器学习的动态路由选择机制，以保持延迟在10ms以下。为提高数据传输可靠性，可以在关键路径上部署双重或多重网络连接以提高网络容错能力。TSN网络可以设置每个数据包传输窗口为100μs，并按照精确的时间表发送，从而减少数据碰撞和重传。工厂生产自动化系统可以利用实时数据分析功能预测网络负载并相应调整网络配置，并在5GS网桥中部署先进缓存和快速转发机制。

2.4 5G无线网络部署

5G无线网络采用中国电信比邻共享模式的SA组网架构，在客户园区新建室分系统以实现5G信号无线接入，通过5G定制网实现数据转发、重大危险源监控及相关数据协同管理，形成全流程安全预警闭环跟踪。本项目新建2BUPF服务器向客户提供专网流量的本地分流，利用MEC边缘计算减少数据流量拥塞，确保智慧工厂重要数据不出园区。

2.5 5G+智能管理

基于数据中心的设备、视频、物流、能源等数据的集成，实现企业数据资产化管理，支撑生产智能化决策分析。设备状态透明化：实时、有效、真实的提供设备运行数据，实现设备的透明化管理，进而达到针对性的保养与预维护，降低设备平均故障率50%以上。生产过程可视化：生产过程产生的数据通过数据中台的指标体系、实时数据分析，以图表、曲线、视频等形式展现，达到生产过程可视化，实现数据准确率100%。企业数据标准化：建立统一的数据标准，提升数据产生的价值，通过决策分析达到辅助业务管理，制定公司发展方向，提升核心竞争能力的目标。主要工序数字化：完成了生产工序数字化改造，通过基础模型研究、运用APP终端管控，实现基础数据和信息共享助力企业实现智能化发展目标，“A+B”类槽占比提高65%以上。核心管理智能化：完成生产、设备、能源、物流、安全、成本智能管理系统，通过数据中台对企业核心数据进行（收集、存储、加工、治理等），反映企业业运行状况，辅助企业决策，促进企业实现规划目标，提高管理效率与质量。

2.6智能算法级自动化分析

通过5G技术的应用，可以实时分析和处理生产过程中的大量数据，从而实现智能算法的广泛应用。5G网络的高速度、低延迟和大连接特性为智慧工厂提供强大的数据传输和处理能力。这种能力的应用，使工厂可以更加精准地监控生产数据，实时掌握生产线的运行状态，及时发现异常情况，并对其进行快速处理。借助智能算法，智慧工厂可以对生产数据进行深度挖掘和分析，从而更好地预测市场需求、优化生产流程、调整资源配置以及制定更加科学合理的生产计划。这些智能算法的应用，不仅提高了生产效率，还增强了生产的灵活性和适应性。

结语

新型工业化是信息化与工业化深度融合发展。工业互联网是科技含量高、经济效益好、资源能耗低、环境污染少、人力资源优势得到充分发挥的工业化发展方向。5G技术的应用也使智慧工厂可以实时采集和传输生产数据，实现数据的实时分析和处理，进一步推动生产过程的智能化和自动化。在未来的发展中，随着5G技术的不断演进和应用，智慧工厂的智能制造自动化模式将会更加成熟和完善，为制造业的发展注入新的动力。

参考文献

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