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摘要：针对新时期我国工业化制造系统的飞速发展以及工业制造自动化规模发展需求，适逢国家十四五规划即将启动，围绕着国家新基建5G领域概念的提出、通信技术发展应用现状，基于工业生产领域数字化工厂变革及发展前景，浅谈一些理解，简要阐述归纳数字化工厂变革、工业自动化系统发展过程中的一些关键技术问题。
关键词：5G通信技术；数字化；自动化
引言
当前，新型基础设施建设（简称“新基建”）备受产业界关注，5G、工业互联网均属其重要板块领域。而加快5G建设及应用，有利于稳定国内投资，打造经济发展新动能。在当前疫情防控与复工复产“两手抓”的关键时期，5G技术不仅将激发新型消费和投资、促进就业创业、解放生产力，还将重构生产关系和社会关系、提高社会治理能力。值得注意的是，利用5G技术改造工业互联网内网，建设高质量园区网络，引领技术在垂直行业的融合创新，深入实施“5G﹢工业互联网”512工程，是未来一定时期主要发展方向。
1 5G标准
5G标准是全世界合作制定的第五代移动通信的“通用语言”，它规定了5G的整体建设标准。5G标准达到了前所未有的统一，全世界共同制定并使用同一套5G标准。中国也在1G落后、2G追随、3G突破、4G同步后，在5G时代成为引领力量。1G时代，各国就自发进行通信标准的制定，如北欧地区的NMT，美国和澳洲的AMPS，英国的TACS，西德、葡萄牙及南非的C-450等。这些通信标准引导各国的通信生态参与者在同一个标准中不断更新通信相关的产品和服务。但是，单国的标准使得设备和服务难以通用，也极大程度上阻碍了国际漫游等功能的实现。因此，为了实现跨行业、跨国别的通信交互，联合国建立了下属组织国际电信联盟（ITU）进行国际通信标准的制定和发布。ITU提出愿景并收集各大组织撰写的技术规范，形成最终的通信标准建议。因此之前各国孤岛般的“地方语言”逐渐整合成为了全球通信行业及相关垂直领域的“通用语言”。ITU于2012年提出了5G愿景，其旨在实现高达20Gbps的增强型移动宽带（eMBB）、每平方公里100万台机器的大规模机器类通信（mMTC）、1ms的超可靠低时延通信（uRLLC），其愿景中也具体定义了技术项目的拆分和各项目的量化目标。eMBB即传统的网络带宽，5G可以更高速地传输数据；后两者更多地服务于物联网，5G时代的到来为万物互联甚至万物智联提供了网络基础。根据紫光展锐数据显示，5G时代只有5%的终端使用高速率，而95%的终端和场景如车联网、穿戴设备、智能抄表、智慧城市、智慧工业等使用中低速率，但对连接性和时延性有更高的要求，所以5G时代需要满足更多万物连接的使用场景。3GPP是国际无线标准化机构，成员由世界各大通信企业及运营商等构成，负责制定移动通信协议标准，并向ITU汇报。通信标准的制定不是一蹴而就的，在5G大框架下，3GPP也会根据5G的建设进程不断地完善5G协议标准。3GPPRelease15规范奠定了5G基础，以eMBB为主要用途的版本正式完成，5G智能手机已正式落地。2020年7月初，3GPP完成5G标准第二版规范Release16，5G的第一个增强版本的标准正式确认完成。Rel-16将5G大幅扩展至全新服务、频谱和部署模式。Rel-16包含的规范为eMBB以外的uRLLC等具体应用场景提供了更好的支持，在工业互联网、车联网等领域的行业革新奠定了更深的技术基础。未来，ITU和3GPP将在mMTC、uRLLC 制定更多的规范，涉及更多的功能、场景，衍生出更多的技术目标，继续完善5G框架，不断地进行移动通信的演进。
25G推动数字化工厂变革
2.1 产品研发数字化、虚拟化集成控制
5G通信增强信息数据传输效能，工厂一般可以借助工具软件，围绕着本行业本公司的产品业务、技术结构，建立产品的逻辑、几何、功能、关联等评估分析模型，实时动态监测，适时优化调整。
通过虚拟数字空间构建，结合模拟产品制造、运营过程中暴露出来的一些问题、技术缺陷进行创新和强化改造。例如，在产品生产线的规划层面、生产线状态和质量跟踪方面、智能物流层面，恰恰可以利用PLM和ERP/MES等集成技术，实现工业产线柔性化生产、大幅提升生产节拍，优化产能。在此基础上，借助5G通信实现数字化指令等信息推送，控制端与生产现场联动起来，包括质量控制、生产采购、物流管理等。在5G网络环境下，采用DNN/QoS优先调度或核心网切片满足高带宽需求，实现各部门信息共享。5G网络还可以通过下沉组网的方式实现所有生产数据不出园区，利用边缘计算技术使数据分流、本地化，提高数据安全性，消除企业领导者对于5G技术下数据安全性的顾虑。
2.2 SmallCell覆盖方案
在5G时代，采用SmallCell解决室内网络覆盖数字化问题更具灵活性，而且成本低、效果好。SmallCell覆盖方案能够根据其室内5G网络运用景象可以划分为FemtoCell（家庭基站）和PicoCell（微基站）两种类型，前者FemtoCell主要用在大学宿舍楼、酒店、写字楼等封闭性的室内景象，对于解决室内网络覆盖和室外电台室内网络覆盖问题具有较好效果。与此同时，中国的5G网络具有高频段、穿透性强的特点，能够有效解决100～200m2的室内网络覆盖数字化问题；另外，FemtoCell还能够有效降低室外站的工作强度；而后者PicoCell则主要用在大型商场、体育馆等大型开放式公共场所的室内景象，其传输功率一般为125～500mW，传输直径为200m左右，相比于个人或者是家庭为主导的小型基站有所不同的是，PicoCell能够解决政府部门或者是企业客户运营级别的网络覆盖数字化问题。立足于技术角度而言，PicoCell还能够支持光端口、电源端口等多种返回方式，能够与无线网络相结合，解决“最后一公里”网络问题，且操作方便，运营维护成本较低，不会给通信运营商带来额外的成本负担。
2.35G应用场景
5G还可用于改善企业的质量管理。目前大多数生产车间，产品的工序质量检测如冲孔、板材折弯工序等仍采用人工现场检测的手段，检测效率低且受人为因素影响较大，缺少系统的记录、追溯手段。利用5G 网络，可将待检产品通过高清摄像头拍摄的照片信息上传至云端，人工智能的视觉识别系统会以百万量级的图像数据集进行训练，以确保其能够识别所有潜在的缺陷，使得企业能够迅速识别那些可能影响产品质量的问题。但是，这种方法需要依托5G才能访问大量实时、高质量的数据，以实现最高效率。利用QR码扫描和射频识别（RFID）追踪溯源方法，产品记录通常仅在到达时进行，并且仅记录位置和时间；如果产品不合格，则很难确定具体发生在数十道工序的哪个环节。通过在产品包装上安装5G传感器，供应链上下游各环节都可以无须手动检查，即可查询位置、温度、湿度和重量等包装信息，实时获得有关产品状态的反馈信息。5G带来的不仅是万物互联，还有所有信息数据的追踪溯源，使得未来企业的质量管理工作不仅仅局限在工厂内开展。工业互联网时代，工厂中每个物品物料都是一个有唯一标识的终端，使得生产环节所使用的原材料或零部件都具有信息属性，会根据信息自动进入下一道工序或环节。员工的工作不是搬运物品物料，也不是操作机器设备，而是与带有唯一标识的原材料、生产设备、产品进行信息数据的交互。同时，借助工业互联网，产品和原材料及零部件的全部数据都可通过5G网络直接传输到各类相关的知识和经验数据库中。一旦产品发生故障，即可通过查询数据库，利用海量的经验和专业知识进行快速诊断，提高故障问题定位精准度，快速开展售后维修服务，从而实现产品的全生命周期管理。
结语
5G正式商用刚走过了一年的时间，各行业也积极研发基于5G的应用创新。但5G融合应用的多个环节尚需进一步贯通，5G应用发展面临网络、产业、商业模式等方面的挑战。
参考文献：
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