朱 斌 呂昌金

中郵建技術(shù)有限公司

0 引言

自2005 年廣電總局頒發(fā)一批IPTV（交互式網(wǎng)絡(luò)電視）牌照進(jìn)行試點(diǎn)運(yùn)營以來，運(yùn)營商與中央電視臺(tái)、上海文廣等集成播控方合作開展IPTV 業(yè)務(wù)，逐步建立起了較為完整的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系和成熟的商業(yè)模式。經(jīng)過多年的摸索，并且隨著IPTV 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化的完善，整個(gè)IPTV 產(chǎn)業(yè)鏈蓬勃發(fā)展，用戶規(guī)模不斷提升，目前全國IPTV 用戶數(shù)已經(jīng)超過2 億戶。

人類此前經(jīng)歷的每一次工業(yè)革命都使生產(chǎn)生活方式發(fā)生了巨大變化，對(duì)社會(huì)帶來深遠(yuǎn)影響。第四次工業(yè)革命正在到來，這是一個(gè)智能化時(shí)代。

圖1 四次工業(yè)革命演進(jìn)

全球5G 市場勢(shì)頭強(qiáng)勁，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)部署關(guān)鍵期。全球多個(gè)地區(qū)目前正在部署5G 網(wǎng)絡(luò)，并且已經(jīng)開始進(jìn)行商業(yè)發(fā)布。2019 年6 月6 日，國家工業(yè)和信息化部正式向中國電信、中國移動(dòng)、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G 商用牌照，我國正式進(jìn)入5G 商用元年。值得注意的是，中國廣電成為除三大基礎(chǔ)電信運(yùn)營商外，又一個(gè)獲得5G 商用牌照的企業(yè)。

堅(jiān)持自主創(chuàng)新與開放合作相結(jié)合，我國5G 產(chǎn)業(yè)已建立競爭優(yōu)勢(shì)。目前我國5G 中頻段系統(tǒng)設(shè)備、終端芯片、智能手機(jī)處于全球產(chǎn)業(yè)第一梯隊(duì)，具備了商用部署的條件。

5G 支撐應(yīng)用場景由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)向移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)拓展，將構(gòu)建起高速、移動(dòng)、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施。與此同時(shí)，5G 將加速許多行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，并且將更多用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等，拓展大市場，帶來新機(jī)遇，有力支撐數(shù)字經(jīng)濟(jì)蓬勃發(fā)展。

1 工業(yè)4.0

人、機(jī)器人、工廠物流和產(chǎn)品之間的實(shí)時(shí)通信是工業(yè)4.0的基本先決條件。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將產(chǎn)生透明度和可操作的洞察力，而邊緣分析將有助于獲得最大的機(jī)器價(jià)值并優(yōu)化生產(chǎn)。所有上述概念顯然都需要標(biāo)準(zhǔn)化和數(shù)據(jù)安全性。憑借其標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)功能、內(nèi)置的安全性、有保證的服務(wù)等級(jí)，以及分布式云和網(wǎng)絡(luò)切片概念，5G 是希望利用數(shù)字化轉(zhuǎn)型的先進(jìn)行業(yè)的完美工具。

從本質(zhì)上講，第四次工業(yè)革命是應(yīng)用于制造業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)，物理系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程相互通信并與人工進(jìn)行通信。

“工業(yè)4.0”的本質(zhì)是產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化，“互聯(lián)網(wǎng)+制造”的融合，這是一場時(shí)代的革命，是顛覆和自我顛覆。過去的15 年，由自動(dòng)化到互聯(lián)網(wǎng)化，“互聯(lián)網(wǎng)+”是一個(gè)大概念，“工業(yè)4.0”也將成為“互聯(lián)網(wǎng)+”最先突破的一個(gè)領(lǐng)域。

“工業(yè)4.0”的核心理念是深度應(yīng)用信息通信技術(shù)，推動(dòng)實(shí)體物理世界和虛擬網(wǎng)絡(luò)世界的融合，在制造領(lǐng)域形成資源、信息、物品和人相互關(guān)聯(lián)的“信息物理系統(tǒng)”，推進(jìn)制造業(yè)向智能化轉(zhuǎn)型。主要應(yīng)用在6 個(gè)方面：自動(dòng)化的智能運(yùn)輸系統(tǒng)、數(shù)字化車間管理、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析、管理視圖系統(tǒng)、自動(dòng)化生產(chǎn)輔助系統(tǒng)、3D 打印等。

工業(yè)4.0 的優(yōu)勢(shì)在于，它一直是政府、大學(xué)和行業(yè)的共同努力方向。它們共同促進(jìn)增長，使用更少的資源，降低風(fēng)險(xiǎn)，提高生產(chǎn)力和靈活性。已經(jīng)提出許多突破性的概念，這些概念在人類、機(jī)器、機(jī)器人和產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化方面實(shí)現(xiàn)了巨大的飛躍。制造業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者正在將信息技術(shù)和運(yùn)營技術(shù)相結(jié)合，以全新的方式創(chuàng)造價(jià)值。

2 生產(chǎn)效率亟需提升

人工生產(chǎn)模式要始終保持高質(zhì)量水平的生產(chǎn)日趨困難，成本居高不下，這是由產(chǎn)品的復(fù)雜性和較短的上市時(shí)間等需求導(dǎo)致的。盡管面臨這些挑戰(zhàn)，但考慮到缺陷產(chǎn)品召回的高成本、客戶良好的產(chǎn)品體驗(yàn)以及客戶推動(dòng)品牌發(fā)展的重要性，企業(yè)仍須將質(zhì)量作為首要任務(wù)。提升產(chǎn)品質(zhì)量雖然給公司帶來了更多成本，但是通過使用基于機(jī)器學(xué)習(xí)開發(fā)的AI 算法，可以解決企業(yè)最初導(dǎo)致質(zhì)量下降的常見問題。

制造業(yè)正從大規(guī)模生產(chǎn)到大規(guī)模定制（通過數(shù)字化工廠運(yùn)營）轉(zhuǎn)變，18 世紀(jì)末的工業(yè)革命催化了機(jī)械化的出現(xiàn)，但此后工業(yè)生產(chǎn)仍主要處于手工水平直到20 世紀(jì)，真正的大規(guī)模生產(chǎn)始于汽車制造業(yè)，裝配線生產(chǎn)成為大規(guī)模生產(chǎn)的范例，對(duì)社會(huì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。事實(shí)上，社會(huì)科學(xué)中所謂的“福特主義”就是描述了一種基于工業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模生產(chǎn)和大眾消費(fèi)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)制度。

近幾十年來，人們對(duì)靈活定制的需求越來越高漲。以使商品能夠從眾多競爭對(duì)手中脫穎而出并擴(kuò)大其產(chǎn)品范圍為例，某種程度上，只要制造成本保持足夠低即可獲得可持續(xù)的利潤，豐富的產(chǎn)品種類就會(huì)刺激消費(fèi)者市場，這種趨勢(shì)的終極就是“個(gè)性化生產(chǎn)”。從供應(yīng)商到客戶的整個(gè)價(jià)值鏈中，利用新技術(shù)，可以顯著提高生產(chǎn)線的靈活性，縮短生產(chǎn)周期，促使更實(shí)惠和可擴(kuò)展的定制需求產(chǎn)生。

“個(gè)人”產(chǎn)品定制的趨勢(shì)正在增長，并且偏好在線購買。因此，需要調(diào)整當(dāng)前流程以使其更加靈活和可定制，同時(shí)仍保護(hù)生產(chǎn)線中的初始投資。諸如5G 網(wǎng)絡(luò)之類的高速無線基礎(chǔ)設(shè)施可以促進(jìn)OEM 機(jī)器的快速靈活修改，并且影響更小，效率得到提升。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶來的工廠運(yùn)營數(shù)字化，有望推動(dòng)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。數(shù)字工具將能夠監(jiān)視和控制所有生產(chǎn)工具，通過數(shù)千個(gè)傳感器收集數(shù)據(jù)，創(chuàng)建產(chǎn)品的數(shù)字圖像，這通常被稱為“數(shù)字影像”。一旦為物理產(chǎn)品創(chuàng)建了數(shù)字影像并且具有其特定的DNA，那就可以在數(shù)字化生產(chǎn)設(shè)施中更有效地制造該產(chǎn)品，并具有更高的質(zhì)量。通過這種方式，可以優(yōu)化制造過程，提前發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，以防止生產(chǎn)線末端的缺陷，并進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)，還可以進(jìn)行預(yù)測(cè)性和預(yù)防性維護(hù)。

無線傳感器和4G/5G 等高容量通信網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合在此背景下發(fā)揮著關(guān)鍵作用，通過從車間層面（生產(chǎn)線）收集數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆葡到y(tǒng)，進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，將控制、數(shù)據(jù)記錄和警報(bào)結(jié)合到云平臺(tái)中的虛擬控制器，有助于推動(dòng)數(shù)字化進(jìn)程，并節(jié)省成本。此外，云平臺(tái)可以控制各種生產(chǎn)工具，是可以獨(dú)立運(yùn)行的遠(yuǎn)程機(jī)器和便攜式系統(tǒng)的解決方案。

3 AI 在工業(yè)4.0 中的作用

自動(dòng)化和機(jī)器人技術(shù)為工業(yè)4.0 提供了“感官”，而數(shù)據(jù)和連接則是“中樞神經(jīng)系統(tǒng)”。但是，這場工業(yè)革命背后的真正大腦是AI（人工智能）。

在工業(yè)自動(dòng)化中使用人工智能的復(fù)雜性，要求制造商與專家合作以獲得定制解決方案，嘗試構(gòu)建所需技術(shù)的成本很高，而且大多數(shù)制造商沒有內(nèi)部必要的技能知識(shí)。機(jī)器學(xué)習(xí)使得能夠基于大量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，這種人工智能分支建立在模式識(shí)別的基礎(chǔ)上，能夠獨(dú)立地從經(jīng)驗(yàn)中吸取知識(shí)。

人工智能不再是未來的愿景，如今，大型數(shù)據(jù)中心和巨大的存儲(chǔ)容量使得多年來被認(rèn)為是遙遠(yuǎn)概念的事物成為可能。對(duì)于人工智能，機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)這兩個(gè)分支利用大數(shù)據(jù)的可能性來優(yōu)化流程，尋找新的解決方案并獲得新的思路。

算法構(gòu)成了基礎(chǔ)，從中小型公司到大型跨國公司，每個(gè)組織都會(huì)積累可以利用的數(shù)據(jù)。使用軟件，可以挖掘和評(píng)估數(shù)據(jù)以進(jìn)行預(yù)測(cè)。機(jī)器學(xué)習(xí)識(shí)別特征和關(guān)系，并使用算法從中推導(dǎo)出解決方案。

制造優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品對(duì)于制造商的成功至關(guān)重要，但僅僅盈利和維持業(yè)務(wù)是不夠的。生產(chǎn)成本必須足夠低，以獲得合適的利潤，這可以通過不斷提高制造系統(tǒng)的效率來實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化對(duì)此至關(guān)重要。制造系統(tǒng)需要大量投資，并且必須進(jìn)行設(shè)計(jì)，以便長期保持盈利。如果企業(yè)要在不斷變化的市場中保持競爭力，他們必須不斷改進(jìn)產(chǎn)品和生產(chǎn)系統(tǒng)。因此，必須進(jìn)行虛擬調(diào)試，以便通過合理的增量投資不斷升級(jí)生產(chǎn)系統(tǒng)，這需要一個(gè)可以模擬制造工廠的虛擬（基于計(jì)算機(jī)）環(huán)境。

模擬的工廠模型必須在傳感器和執(zhí)行器的水平上完全定義，這樣做的一個(gè)主要好處是它取代了對(duì)真實(shí)工廠和控制器進(jìn)行實(shí)際調(diào)試的需要，這非常昂貴且耗時(shí)。相反，虛擬調(diào)試允許在物理工廠基礎(chǔ)設(shè)施投資之前識(shí)別可能的設(shè)計(jì)缺陷和操作錯(cuò)誤。制造工廠的數(shù)字化使其設(shè)計(jì)人員能夠提高生產(chǎn)過程的效率，提高自動(dòng)化密度，并優(yōu)化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品所需材料的處理。

4 5G 驅(qū)動(dòng)虛擬工廠

虛擬工廠使得以比物理工廠成本低得多的成本執(zhí)行全局系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證和物理映射成為可能。然而，要做到這一點(diǎn)，虛擬工廠需要新型機(jī)器人，增加全球生產(chǎn)系統(tǒng)的靈活性。這些機(jī)器人需要具有智能，并需要一整套系統(tǒng)來全局管理，以實(shí)現(xiàn)彼此交互以及與人類進(jìn)行交互。

高質(zhì)量的無線連接對(duì)虛擬工廠的實(shí)現(xiàn)至關(guān)重要。由于電纜升級(jí)需要高昂的運(yùn)營支出，因此在這種不斷變化的環(huán)境中，有線連接及其復(fù)雜的布線將是不可行的。無線連接必須將生產(chǎn)工廠的所有物理元素與能夠收集和處理大量數(shù)據(jù)云連接起來，所有這些元素之間的通信必須在以電磁干擾為特征的具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中工作。雖然LTE 連接功能強(qiáng)大且足以應(yīng)對(duì)當(dāng)今的環(huán)境，但嚴(yán)格的延遲要求很快將需要5G 連接。一旦通過無線連接收集了大量數(shù)據(jù)，即可使用新方法來處理，將其轉(zhuǎn)換為可由人或機(jī)器或兩者同時(shí)使用的格式，并通過云平臺(tái)挖掘信息價(jià)值。

因此，大數(shù)據(jù)和分析系統(tǒng)在數(shù)字工廠中至關(guān)重要。最終，將需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)來處理復(fù)雜的生產(chǎn)過程，包括圍繞機(jī)器、存儲(chǔ)系統(tǒng)和構(gòu)建的IT 系統(tǒng)。所有這些通過允許預(yù)防性和預(yù)測(cè)性維護(hù)來減少工廠停止服務(wù)的時(shí)間，最小化生產(chǎn)延遲和避免故障，從而進(jìn)一步提高工廠的效率，效率提升的一個(gè)直接效果是降低能耗。

高速通信網(wǎng)絡(luò)、基礎(chǔ)設(shè)施和云計(jì)算技術(shù)可以通過新的相關(guān)功能豐富自動(dòng)化工廠，同時(shí)通過云技術(shù)降低成本。因此，可以在云中創(chuàng)建具有“大腦”（虛擬控制器）的更智能的機(jī)器人?！按竽X”由知識(shí)庫、程序路徑、模型、通信支持等組成，有效地將控制器的智能轉(zhuǎn)移到遠(yuǎn)程虛擬控制器中。

這種方法有許多好處：（1）云平臺(tái)功能可與傳統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)并存，兼容傳統(tǒng)服務(wù)演進(jìn)和新服務(wù)；（2）通過最大化虛擬平臺(tái)的性能和容量來降低運(yùn)營成本，從而提供高可靠性和高性能；（3）多個(gè)軟件和硬件故障的容錯(cuò)，盡可能地降低服務(wù)損失；（4）全面的故障管理、隔離和恢復(fù)；（5）高可擴(kuò)展性。

5 5G 對(duì)于工業(yè)4.0 的意義

利用高性能的無線網(wǎng)絡(luò)連接工廠內(nèi)的海量傳感器、機(jī)器人和信息系統(tǒng)，連接產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)、優(yōu)質(zhì)數(shù)據(jù)不斷“喂食”人工智能，并將分析、決策反饋至工廠。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋全球，連接廣泛分布或跨區(qū)域的商品、客戶和供應(yīng)商等，保持對(duì)整個(gè)產(chǎn)品生命周期的全連接，從而實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)外部的縱向、橫向集成和端到端集成。

圖2 工業(yè)4.0 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

總之，未來的工廠是數(shù)字虛擬和物理現(xiàn)實(shí)相融合，ICT 技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)相融合，以提高工業(yè)生產(chǎn)的靈活性、可追溯性、多功能性和生產(chǎn)效率，為制造業(yè)開辟新的商業(yè)模式。工廠內(nèi)部和外部之間的界限也越來越模糊，工廠不再是獨(dú)立的封閉實(shí)體，而是龐大的價(jià)值鏈和生態(tài)系統(tǒng)的一部分，這就是所謂的“虛擬工廠”。

6 結(jié)束語

人工智能將滲透到整個(gè)工業(yè)4.0 生態(tài)系統(tǒng)中，不限于生產(chǎn)車間。其中一個(gè)例子是使用AI 算法來優(yōu)化制造業(yè)務(wù)的供應(yīng)鏈，并幫助他們更好地響應(yīng)和預(yù)測(cè)市場的變化。利用這些信息來優(yōu)化庫存控制、人員配置、能源消耗，以及針對(duì)公司戰(zhàn)略做出更好的財(cái)務(wù)決策，這是具有開創(chuàng)性的。

人與智能機(jī)器的合作是一個(gè)新的方向，未來幾年對(duì)工業(yè)和社會(huì)將產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。人工智能、人工學(xué)習(xí)和思維的強(qiáng)大精細(xì)化能力，可以創(chuàng)造出能夠提供更高工業(yè)自動(dòng)化的解決方案。未來的智慧工廠，將通過制造過程的數(shù)字化來實(shí)現(xiàn)，這將依托5G 網(wǎng)絡(luò)及其所構(gòu)建的功能模塊來實(shí)現(xiàn)。

5G 基礎(chǔ)架構(gòu)包括云技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析和IT 功能等，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 的催化劑，可提升生產(chǎn)效率，改善工作環(huán)境，提高工作質(zhì)量。