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刚需还是噱头?揭秘国内首条5G智能生产线

2019-08-13 14:02 来源: 创事记  机器之心  

  5G将成为未来工厂的中枢神经,問題只是谁會是下一个快手和苹果。

  武汉市江夏区的藏龙岛,尽管距离人们熟悉的光谷很远,但与喧闹的核心商圈不同,这里四面环湖,绿树成荫,风景优美。

  中国信科虹信通信天馈生产基地正坐落在这里,它也是华中地区规模最大的无线产品制造基地。

  今年4月,中国第一条5G智能生产线正式在这里启动。

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  一个人、4分钟、一件5G天线

  八月,酷热难耐,不过一进入车间,二十多度的室温让人立感清凉。

  目前,工厂的一楼车间仍然负责4G天线生产。除了车间顶部悬挂着的5G信号的标识,这里和笔者参观过的其他制造工厂,并没有太大区别:

  几乎每道工序都需要数名身着工服的工人,除了最后的包装环节——在车间的另一边,一台安川电机的机械臂安静地站在铁笼子里,随时待命。

  虹信的工作人员告诉我们,4G天线生产过程的非标性比较高,也需要更多的人工。将这类生产线改造成5G智能生产线,也并非不可行,只是面对动辄数百万的改造投入,每个公司都会三思而行。

  二楼车间经改造后,成为中国第一条5G智能生产线所在地。目前,这条生产线主要用于5G天线的生产。5G天线,是5G设备的一个核心部件,本質上是一種能量轉換器,主要放在室内和室外基站当中。

  5G到底能给哪些行业带来什么样的利好,仍然不明确,但对5G基础设施的生产,比如天线、基站来说,这种利好几乎是明确的。据说,相关市场规模应该有万亿级别。

  一位在某运营商的员工曾告诉机器之心,4G时代,单幅天线的价格大概在2000元左右,5G天线的价格可能飙升到7000多,因為你沒辦法向過去一樣單買天線,

  “5G天线是有源天线,处理单元和天线被绑到一起了。”

  尽管运营商們的4G投入还没回本,5G的投入翻倍甚至更多,“你知道5G有多耗电?!光电费每年就要花去1个亿,”但是,“咬着牙也得继续投啊。”

  来到二楼,首先引入眼帘的便是牆上的一个巨大屏幕。屏幕上方赫然显示智慧工厂管理平台几个大字。

  我们不仅可以在屏幕上直观地看到诸如人员监控、天线生产质量、生产周期等情况,还可以看到被监控5G智慧车间设备的实时三维建模。

  在屏幕的右下角,一楼车间情况也处于实时监控中。虹信曾对比过4G和5G网络条件下的实时监控,结果显示 5G时延明显低于4G,大约在半秒左右。

  遗憾的是,拜訪的當天正逢5G智能生产线进行2.0升级,无法进入车间参观,但透过窗户,仍然可以看到一条长约三十米的生产线。

  这里的“冷清”与一楼车间形成鲜明对比,由此產生的冲击力,更容易让人印象深刻。

  我们从现场工作人员的介绍和网络相关直播视频中了解到,这条生产线主要包括以下几道工序:

  隔离条装配、自动焊接、振子自动上料、焊接、视觉检测与性能检测等。

  整个流程,仅需要一名工人,主要负责向传送带上料(比如电路板、配件),以及装配隔离条。

  工人将隔离条装配好后,系统会利用1分钟左右的时间升温到100度,进行预热。接着,两条平行摆放的爱普生四轴机器人以神同步姿态,焊接隔离条。

  生产线上,每条焊笔上都安装有天线,主要通过5G工业无线互联网进行数据采集和控制。为了保证焊接精确性,机器臂通常会带传感器,对焊接电流检测并与设定值比较,进行补偿和调整。

  传统上,这一环节大概需要4名工人,现在只需两条机械臂,每一条机械臂相当于一个工人。无论是焊接一致性还是精度上,机器人都更胜一筹,据说,机器人操作精度可达0.02。

  其实,AI在工业互联网领域寻求落地的过程中,一个很受欢迎的应用场景正是机器人自动焊接。

  机器人焊接也难免出现偏焊、气孔等不足情况,一些AI公司利用单点设备高频次7*24小时产生数据的形态建模,实时追踪设备焊接缝轨迹,发出警告甚至做出相应控制。而传统的做法通常是焊接完毕后,人工检查,难以做到亡羊补牢。

  虽然笔者并未从虹信相关工作人员了解到这一焊接环节是否用到AI,但是,5G的搭建至少意味着更加丰富的实时数据,这类工业数据更容易建模,或許AI应用會出現在正在升級的2.0版本中。

焊接完成后,接下来進入讓密集恐懼症患者很不舒服的環節:

  焊接完成后,接下来进入让密集恐惧症患者很不舒服的环节:

  四轴机器人自动上料,将振子一颗一颗地放到板子上並進行焊接。

  所謂振子,其實就是天线上的元器件,具有导向和放大电磁波的作用,使天线接收到的电磁信号更强。每个振子都是独立实现功能。

4G天线也有振子,但是数量和规模和5G天线已经不是一个量级。

  4G天线也有振子,但是数量和规模和5G天线已经不是一个量级。

  比如,现有的4G天线一般为10-40个天线振子(根据通道不等),而目前设备商测试64通道天线大都采用96个双极化天线振子,即192个天线振子。

  這也正是5G天线核心技术之一——MassiveMIMO(大规模多阵列技术)的物理體現。

  据介绍,机器人焊接零缺陷,人工会存在10%左右的不良率。振子焊接好后,会进入自動视觉检测環節。檢測完畢,系统就要對每个振子射频口进行天線的並收並發性能進行测试。一件5G天线的生产时间大概仅需4分钟。

大规模阵列天线板产品实例

  大规模阵列天线板产品实例  不過,目前生产线上的每台设备对5G信号的使用,都需要通过一个叫做CPE(CustomerPremiseEquipment,客户终端设备)的中介。

  车间5GCPE一方面與核心網絡連接,接收5G网络信号並以此建立Wi-Fi网络;

  另一方面,也与工业物联网相连,车间所有信号传递给CPE,再由CPE传递给核心网络。

  CPE只是5G尚未商用普及开来的過渡產品,也意味着当前方案还没有彻底发挥5G的威力。

  據介紹,这条5G智能生产线一天的天线产能可供给100个基站:

  如果按照5G信号覆盖一公里需要10到20个基站来算,这条生产线一天的产能可以让5G信号覆盖方圆10公里。

  “而同等产能的4G天线设备生产线,需要30名工人协同作业,生产效率提升30%以上。”这是官方报道中给出的数字。

  目前,工厂仅设有一条5G智能生产线。考虑到生產線从建成到真正投产,中间还有好几个关卡,也没有诸如良品率之类的数字,笔者以为,目前这条生产线的试验性质更浓一些。

  一位通信行业的从业者试着解释道,主要是因为5G标准还没有完整出来,還要等到明年三月。

  “标准出来后再等半年,商用才有可能起来。”

  屆時可以再根据实际需求加以复制、扩充,包括当前没有展示到的物流自动化方案。

  2

  5G,噱头还是刚需?

  每当看到类似5G工业落地的消息,心中总会升起一个问题:

  现有的4G和有线解决不了這些问题吗?

  事實上,不少人也表示看不出5G對工廠的變革意義。他們認為,有线网络比5G更快也更安全,控制部分加上无线模块,4G也能满足。

  这一逻辑貌似有道理。

  就拿这条5G智慧生产来说,无论是自动焊接还是上料,有线方案足以满足需求。即便加上AGV移动机器人,接入WiFi就可以。

  即便是二楼门口的工厂管理平台,严格说来,与5G关系不大,是一个大数据、云计算相关的IT问题。即使没有5G,工厂还是可以建造这样的系统。

  一位运营商5G部门负责人曾告诉机器之心,现有的工业场景,只要不是很极端的需求,4G和有线都可以做。即使是港口远程操作,也可以牽光缆,

  “可以一边卷,一边用。”在他心目中,无人驾驶才是5G的杀手级应用。

  然而,这并不是一个讨论问题的正确思路。

  正如R、G、B才能打出彩色画面,讨论5G的价值,單純的技术纬度,是不够的。落地的成本、与产业未来趋势能否兼容的灵活性等因素,均会影响技术对未来的变革能力。

  先来看有线方案的主要问题。

  不是每个企业都是土豪。某龙头化工企业的生产流程非常严格,企业拥有数以千计的数据采集点,一旦检测到数据异常,必须在规定时间内启动应急控制。因此,分布在广大园区不同地方的大量数据采集终端,采用了有线连接的方式,仅线缆部署工厂就花去了近百万,这还不考虑后期的维护成本。即便安装好后,一旦出现故障,事后排查也十分困难。

  某港口为了实现远程控制,不仅需要铺设有线,日常作业还要反复卷、放光缆,非常折损缆线。再土豪的企业恐怕也经不起长期类似的损耗。

  更何况,并非所有的工厂环境適合铺设有线,比如腐蚀性环境。

  另外,有线最为刚性的需求就是实现工业设备内的控制,这是当前4G根本无法满足的,无论是时延还是安全方面。

  但是,随着生产制造走向柔性,需要非常灵活地根据需求改变设备部署的形态,改变机房模具,如果设备都被绑在有线上,柔性从何谈起?5G可协同大小基地台工作,完全不受这个限制。

  WiFi的局限性,就更明顯了。

  除了满足不了工业设备的控制需求,即使面对需求很佛系的AGV,也有很多問題。

  比如,干扰非常多,信号不稳定,安全性不可靠等等。如果是基于视觉定位和视觉控制的移动机器人,由于其对画面精细度要求会非常高,会超过WiFi的能力范围。

  儘管在一些特殊场景下,比如矿厂开采、港口作业,优化后的WiFi还能用,但也限制了机器的“才艺展示”:

  比如,只能处理自动化中那些简单、重复性的任务;在一些远程控制作业中,由于只能支持中等质量视频的传输,限制了远程控制的能力。5G条件下,下载一部高画质电影只需一秒钟,做到现场及时监控完全没问题。

  另外,由于WiFi并不是为户外大区域覆盖设计的,连接能力有限,也限制了新增连接其他自动化机器设备的可能。

  讲到这里,或许大家会发现一个很有趣的现象:工业物联网其實包含著各種不同的網。

  除了我們剛才談到的有线、WiFi,其实还有用于采集传感器信号的短距无线(比如蓝牙);

  彼此难以兼容、非常窄的工业专网(如WIA-PA/FA);

  还有以2G/3G为主,用于大型设备或者远程监控。

  每个设备服务的目的不同,对网络的需求自然各异:工业设备控制对时延、安全要求高,但那些安防监控设备,可能更关心电池能用多久。

  没有一个网络可以满足所有这些需求,除了5G:

  這些诉求不同的无线网络,基本上可以被替代成一张5G的核心网。這也是5G最核心技術之一。

  5G就像一把瑞士军刀,其模块化设计可以帮助它实现功能上的因地制宜:

  比如工业自动化控制、机器人协作、远程控制对可靠性、时延要求很高,可以将这类设备接入控制网络(切片);

  物料和环境监控,对電池能耗、海量连接更敏感,可以接入物联网网络(切片);

  工业AR、人机交互对带宽要求高,可以通过多媒体切片来满足。

  这就是5G的切片功能,不同功能通道彼此独立,互不影响。

  在改造过程中,虹信架设了30个5G室内小基站(室分),每个可以覆盖半径30米的范围,进而实现对生产车间的全覆盖,所有对象统一接入。

  一间工厂要自动化,需要大量网络流量,如何解决大量设备吃流量的难题,答案就是这些小基站。

  不过,当下的5G切片,更多只是主观上的一种有意为之,毕竟現實场景中,还没有海量设备来吃流量。

“5G无线+5G边缘计算+移动云平台”组网模式。

  “5G无线+5G边缘计算+移动云平台”组网模式。  

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  真正的亮点

  除了架设了30个室内小基站,项目还在虹信机房部署移动边缘计算节点,实现了5G流量的本地卸载,保证了网络的低时延。

  同时,可以作为工厂内外网的统一管理节点,实现内外网流量的灵活分流,保证企业关键信息安全。

  這也是中信科自己的技術。在一些通信行業從業者心目中,无论是4分钟的生产时间,还是全程几乎无人,都不足以媲美边缘计算,

  “我覺得這才這個項目最大亮点。”

  5G有两个关键技术,网络切片是一个,另一个就是边缘计算。谈5G不谈边缘计算,是有问题的。

  5G时延最低可降至1ms,仅指终端设备与距离最近基站之间的通信。基站之间的传输效率就是另一回事了,数据传到核心网络再返回,其时延不可能控制在1ms。

  這意味著,只有在靠近数据产生的工厂附近,再建立一个小规模、或者便携式数据中心,进行一些计算和存储的工作(也就是所谓的核心网络功能的下沉),大量数据就地得到處理,才可能真正实现工业所需要的低时延。

  事實上,工廠產生的很多数据也没必要传到核心网络,挤压资源,耗費金錢。

  比如,工厂布了幾百個高清摄像头进行监控,摄像头产生的数据不仅特别多,也没必要出厂。类似这种需要高清摄像或者大流量业务的监控类业务,非常適合边缘计算。

  另外,对于絕大多數工業企業來說,边缘计算中心就设在厂区,大部分的数据就在自己厂区里面,意味著数据泄密和发生安全风险的概率大大降低。這也是他們喜聞樂見的。

  憑藉更实时、更快速的处理能力,成本更低,邊緣計算成為5G的當之無愧的殺手鐧。

  除了在工廠附近建立了邊緣計算,虹信還在湖北移动未来城IDC的云服务器上部署了云平台,与边缘计算和公网实现了互联。

  云上部署企业工业互联网平台,为产业链协同提供了网络条件,并且与企业内现有业务系统实现灵活互联。

  至此,形成“5G无线+5G边缘计算+移动云平台”组网模式,也是一套可複製模式。

  4

  我们是一个技术驱动的行业

  “我们这个行业和其他行业最大的不同就是,我们是技术驱动的。”一些通信行业从业者和我聊到道,“我们只管修路,把路修宽,至于这条路最适合什么样的车,那不是我们关心的。”

  他们反复强调5G标准还没有完全出来,现在去回答一些预测性问题不合适。不过,有趣的是,他们仍然乐于回答带有预言性质的问题。

  “5G场景最为硬核的行业应用会是什么?”我问道。

  所有人将选票投给了自动驾驶,大多人也将第二票投给了工业物联网。

  3G和4G实现了地球74亿人口之间的连接,但是,這和千亿规模工廠設備连接比起来,就不算什麼了。

  当初研发4G时,有人曾經疑惑過,这么大的带宽,研究出来给谁用?怎么用?誰也未曾预料到短视频出现。3G也是如此,谁知道会孕育出一个苹果帝国呢?

  “5G将成为未来工厂的中枢神经”,这是大多数人的回答。問題只是,谁會是下一个快手和苹果。

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