中国科学院沈自所曾鹏:5G+智能制造的场景、挑战及建议

“单纯建设5G是远远不够的,必须同步建设基于5G的智能化的管控软件和系统,才能真正能够帮助工业企业解决实际中的痛点。”中国科学院沈阳自动化研究所所长助理、研究室主任曾鹏说。

中国科学院沈阳自动化研究所所长助理、研究室主任曾鹏

中国科学院沈阳自动化研究所所长助理、研究室主任曾鹏

在中国工业互联网研究院组织的5G商用与深化工业互联网创新发展研讨会上,在谈及5G的成本与投资回报时曾鹏表示,工业生产中网络的价值并不体现在信息传输方面,而是体现在通过信息的传输实现设备的高效协同,从而提升产品的质量,提高产量,以及节能减排等等方面。

以5G为代表的ICT技术,将推动未来制造模式的变革。长期以来,制造业以大批量生产作为主要生产模式,基于工业自动化实现高效的自动化生产,一般生产线生产出来的产品都是一样的。而进入个性化定制时代后,希望生产线能够针对不同用户的需求,生产出来各种各样的产品,因此要求生产线更加灵活,能够根据不同用户的需求,按照不同的工艺来生产。这就要像搭积木一样能把生产线灵活地构建起来,因此需要利用5G这种高效的无线技术来替代传统的有线连接起来的生产线的模式。

不过,单纯建设5G网络,只能解决信息传输的需求,但这只是第一步——必须要解决在5G基础上的智能管控的应用模式,这也是当前以及未来要解决的重点以及难点问题。当天的发言中,曾鹏对5G与智能制造的融合、影响等问题,从场景、挑战及建议谈了自己的看法。

三大场景

第一大场景是面向工厂全覆盖的感知,也就是泛在化的感知。未来的智能制造实际就是希望基于大数据、人工智能,帮助工厂的管理者提升产品质量、降低成本、节能减排,实现优化决策。这个过程,需要获取工厂足够多的数据,包括机器视觉、能流、物流,以及生产实时运行的数据,还有实时的工况数据,要把这些信息获取上来。这就希望在未来的工厂安装大量的传感器,现在估算,未来工厂中的传感器的数量将比现在要增加2-3个数量级。这种情况下,需要通过5G把工厂覆盖起来,做到传感器的即插即用,从而能够大量的获取信息。

第二大场景是柔性化的生产。面向未来个性化定制的新型生产模式,要求生产线具有高度的灵活性,能针对不同产品的生产要求,通过模块化的生产单元实现自组织的生产,还包括AGV、灵活的物流等等。利用5G将能够替代原来有线的控制网络,实现更加灵活、互联、协同的生产。

第三大场景是复杂的人机协作。未来工业生产需要大量的人机协调,不仅要做指令的传输,还需要做复杂的视觉、触觉的同步信息传输,包括现在讲的触感网等等,这里面有大量的音频、视频,以及触觉、压力等等信息的同步传输,这些都是未来5G应用的典型场景。

5G应用的挑战

虽然应用场景很明确,但潜在的问题却不可忽视。曾鹏认为,5G在未来智能制造中面临着一些典型的难点和具有挑战性的问题。

首先是安全性。工业最关注的就是安全性的问题,如果出现故障,尤其信息没有传到的话,将会产生很严重的问题。当前,工业信息安全备受关注,通过网络入侵的安全事件频发,包括伊朗核电站遭受病毒供给、乌克兰电网僵尸病毒攻击等等,都对工业生产造成了重大的安全事故。传统的有线网络可以通过隔离的方法来解决信息安全,但无线尤其5G应用以后,这种开放的信道通过隔离的方法很难实施。因此,怎么解决5G应用的安全问题,是面临的典型挑战。

其次是商业模式。5G建设带来的一个重要的挑战就是商业模式的问题,是用公网还是专网,还是混合的方式来建设无线网络?都是企业要解决的问题。

再次就是成本和投资回报的问题。在5G推广初期,建网以及运维的成本都很高。现在工业企业的利润水平有限,因此企业面临的第一个问题就是能不能用得起的问题。

四个建议

针对5G在智能制造的发展,曾鹏提出以下几个方面的建议。

一是5G的发展应该是从易到难的方式。在几大应用场景中,泛在化的感知就是把传感器的信息接上来,这是相对比较简单的应用,应该从这样的应用来入手,还可以从一些控制系统的增量应用入手。从增量做了以后,未来再考虑对现有的成熟系统进行替代或改造。

二是5G的发展不能只关注建网,而必须把数据平台和典型的工业APP的应用同步发展,以解决工业生产中的关键的挑战性的问题为导向,找到一些杀手级的应用。在路径上,最好以一些龙头企业来做一些标杆性的测试床,把5G数据平台和工业APP集成起来,以解决工业中的某些痛点问题,从而形成解决方案,测试成功后把这种解决方案向全行业推广,带动5G的推广应用。

三是建议在5G建网过程中要关注与企业原有工业系统的融合。因为用户要保证原有的投资,原来的控制系统要运行几十年,长时间不能更换。因此一定要把5G和原有工业控制系统的接口和互操作的技术解决好,再实现原有自动化系统的功能扩展,保证5G与原有工业控制系统的共存共融。

四是建立5G安全防护和测试的标准体系。目前,工业信息安全是信息化建设中的重中之重,工业自动化领域和现在的工业互联网领域都在做信息安全的技术和标准体系。在这些过程中应该重点考虑5G未来应用的场景,怎么样做一些标准化的安全的操作,保证整个工业信息化的整体安全。(来源:中国工业新闻网)

责任编辑:leo

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建立健全两化深度融合标准体系,依托全国两化融合管理标委会(TC573)、科研院所、联盟团体等各类专业技术组织,开展两化融合度、两化融合管理体系、数字化转型、工业互联网、信息物理系统(CPS)、数字孪生、数字化供应链、设备上云、数据字典、制造业数字化仿真、工业信息安全等重点领域国家标准、行业标准和团体标准制修订工作。 ——《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》 突破工业现场多维智能感知、基于人机协作的生产过程优化、装备与生产过程数字孪生、质量在线精密检测、生产过程精益管控、装备故障诊断与预测性维护、复杂环境动态生产计划与调度、生产全流程智能决策、供应链协同优化等共性技术。 推动数字孪生、人工智能、5G、大数据、区块链、虚拟现实(VR)/增强现实(AR)/混合现实(MR)等新技术在制造环节的深度应用,探索形成一批“数字孪生+”“人工智能+”“虚拟/增强/混合现实(XR)+”等智能场景。 推动数字孪生、人工智能等新技术创新应用,研制一批国际先进的新型智能制造装备。研发融合数字孪生、大数据、人工智能、边缘计算、虚拟现实/增强现实(VR/AR)、5G、北斗、卫星互联网等新技术的智能工控系统、智能工作母机、协作机器人、自适应机器人等新型装备 推动数字孪生、数据字典、人机协作、智慧供应链、系统可靠性、信息安全与功能安全一体化等基础共性和关键技术标准制修订,满足技术演进和产业发展需求,加快开展行业应用标准研制。 ——《“十四五”智能制造发展规划》 提高生产智能水平。构建面向主要生产场景、工艺流程、关键核心设备的数字孪生模型。 ——《“十四五”原材料工业发展规划》 推动数字化智能化绿色化融合发展。深化产品研发设计、生产制造、应用服役、回收利用等环节的数字化应用,加快人工智能、物联网、云计算、数字孪生、区块链等信息技术在绿色制造领域的应用,提高绿色转型发展效率和效益。 ——《“十四五”工业绿色发展规划》 建筑工程领域 在建筑工程领域,《“十四五”建筑业发展规划》明确提出,要加快推进建筑信息模型(BIM)技术在设计、审查、生产、施工、管理、监理等工程环节的集成应用。规划还指出,要推进自主可控 BIM 软件研发、完善 BIM 标准体系、建立基于 BIM 的区域管理体系、建立基于 BIM 的区域管理体系以及开展 BIM 报建审批试点,到2025 年,要基本形成 BIM 技术框架和标准体系。 加快推进建筑信息模型(BIM)技术在工程全寿命期的集成应用,健全数据交互和安全标准,强化设计、生产、施工各环节数字化协同,推动工程建设全过程数字化成果交付和应用。 推进BIM技术、物联网、人工智能等现代信息技术在工程监理中的融合应用。在工程总承包项目中推进全过程 BIM 技术应用,促进技术与管理、设计与施工深度融合。强化施工图审查作用,全面推广数字化审查,探索推进 BIM 审查和人工智能审查。 2025 年,基本形成 BIM 技术框架和标准体系。 1、推进自主可控 BIM 软件研发。积极引导培育一批BIM 软件开发骨干企业和专业人才,保障信息安全。 2、完善 BIM 标准体系。加快编制数据接口、信息交换等标准,推进 BIM 与生产管理系统、工程管理信息系统、建筑产业互联网平台的一体化应用。 3、引导企业建立 BIM 云服务平台。推动信息传递云端化,实现设计、生产、施工环节数据共享。 4、建立基于 BIM 的区域管理体系。研究利用BIM 技术进行区域管理的标准、导则和平台建设要求,建立应用场景,在新建区域探索建立单个项目建设与区域管理融合的新模式,在既有建筑区域探索基于现状的快速建模技术 5、开展 BIM 报建审批试点。完善 BIM 报建审批标准,建立BIM辅助审查审批的信息系统,推进 BIM 与城市信息模型(CIM)平台融通联动,提高信息化监管能力。 ——《“十四五”建筑业发展规划》 水利应急领域 在水利应急领域,《“十四五”水安全保障规划》重点提出,要加快已建水利工程智能化改造,不断提升水利工程建设运行管理智能化水平,要推进数字流域、数字孪生流域建设,实现防洪调度、水资源管理与调配、水生态过程调节等功能,推动构建水安全模拟分析模型,要在重点防洪区域开展数字孪生流域试点建设。另外,《“十四五”国家应急体系规划》也提出了,要加强城乡防灾基础设施建设,推动基于城市信息模型的防洪排涝智能化管理平台建设。 推进智能水利建设。积极推进BIM 技术在水利工程全生命周期运用,新建骨干项目鼓励按照智能化要求同步进行规划建设管理,同步构建实体工程和数字孪生工程。加快建设覆盖重大水利工程,联通国家、流域、区域的水利工程控制网和业务网,实现水流、信息流和业务流的互联互通。 推进数字流域建设。以流域为单元、数字地形为基石、干支流水系为骨干、水利工程为重要节点,对物理流域的全要素进行数字化映射。加强自然地理、经济社会等信息数据采集与处理,深化遥感技术和地面监测技术的有机结合,推进建立空天地一体化的流域全覆盖监测。构建覆盖全国主要江河流域的数字化映像,开展长江、黄河、淮河、海河、珠江、松辽、太湖等大江大河大湖数字流域建设。 推动数字孪生流域建设。集成耦合水文、水力学、泥沙动力学、水资源、水工程等专业模型和可视化模型,推进集防洪调度、水资源管理与调配、水生态过程调节等功能为一体的数字孪生流域模拟仿真能力建设。推动构建水安全全要素预报、预警、预演、预案的模拟分析模型,强化洪水演进等可视化场景仿真能力。选择淮河、海河流域重点防洪区域,开展数字孪生流域试点建设。 建设流域防洪管理与调度体系。以数字流域为基础,加快流域水工程防灾联合调度系统建设,在国家防汛抗旱指挥系统的基础上,汇集气象、水情、雨情、工情、墒情、灾情等信息,优化水库、河道、蓄滞洪区等工程联合调度运用,加强对洪水资源的调度、管理与利用,制定动态优化的精细数字预案,开展人机互动的同步仿真预演,形成智慧防洪体系,实现及时准确预报、全面精准预警,提高流域防洪管理和调度运用水平。 按照大系统设计、分系统建设、模块化链接的建设思路,以数字化场景、智慧化模拟、精准化决策为路径,积极探索构建水利数字孪生应用场景,推动构建水利“2+N”智能业务应用体系,提升仿真、分析、预警、调度、决策和管理支撑能力。 ——《“十四五”水安全保障规划》 推动基于城市信息模型的防洪排涝智能化管理平台建设。 ——《“十四五”国家应急体系规划》 综合交通领域 在综合交通领域,《“十四五”铁路科技创新规划》提出,要推进数字孪生等前沿技术与铁路领域深度融合,加强智能铁路技术研发应用,开展铁路设备智能建造数字孪生平台研发应用。《公路“十四五”发展规划》则提出要建设智慧公路,推动建筑信息模型、路网感知网络与公路基础设施同步规划建设。《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》提出,构建设施运行状态感知系统,加强重要通道和枢纽数字化感知监测覆盖,增强关键路段和重要节点全天候、全周期运行状态监测和主动预警能力。 研究5G成套技术,推进毫米波通信、无线大数据、数字孪生、云网边端协同、感知-通信-计算一体化等技术在铁路通信信号领域的应用。 围绕全生命周期与全业务融合目标,持续加强智能铁路顶层规划研究,构建智能铁路技术体系架构2.0版本。深化智能建造、智能装备、智能运营技术创新,开展智能建造数字孪生平台研发应用。 ——《“十四五”铁路科技创新规划》 建设智慧公路。推动建筑信息模型、路网感知网络与公路基础设施同步规划建设,加快公路基础设施数字化改造,推进公路基础设施全要素、全周期数字化转型发展,加强重点基础设施关键信息的主动安全预警。 ——《公路“十四五”发展规划》 完善设施数字化感知系统。推动既有设施数字化改造升级,加强新建设施与感知网络同步规划建设。构建设施运行状态感知系统,加强重要通道和枢纽数字化感知监测覆盖,增强关键路段和重要节点全天候、全周期运行状态监测和主动预警能力。 ——《“十四五”现代综合交通运输体系发展规划》 标准构建领域 在标准构建领域,《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》提出,要围绕智慧城市建设内容,加强城市数字孪生、城市数据大脑、城市数字资源体系等方面的标准体系建设,规范引导智慧城市发展。 围绕智慧城市分级分类建设、基础设施智能化改造、城市数字资源利用、城市数据大脑、人工智能创新应用、城市数字孪生等方面完善标准体系建设,面向智慧应急、智慧养老、智慧社区和智慧商圈等典型领域加快标准研制。开展标准实验验证与应用实施,以标准化引领和支撑智慧城市建设。 ——《“十四五”推动高质量发展的国家标准体系建设规划》 能源安全领域 在能源领域,《“电力安全生产“十四五”行动计划》提出,要基于三维数字信息模型技术进行安全预警;依托互联网推动数字孪生、边缘计算等技术应用。 大力推进新能源智慧电站建设。运用基于三维数字信息模型技术,实现机组设备在线故障诊断和异常情况即时预警功能,提高新能源发电安全管理成效。 打造基于工业互联网的电力安全生产新型能力,组织开展“工业互联网+安全生产”应用试点,推动5G+安全生产、边缘计算、数字孪生、智慧屏、安全芯片等新技术新产品应用和展示。 ——《电力安全生产“十四五”行动计划》 城市发展领域 在城市发展领域,《“十四五”支持老工业城市和资源型城市产业转型升级示范区高质量发展实施方案》提出,要加速推进老工业城市和资源型城市的智慧城市建设,推进数字技术与经济社会发展和产业发展各领域广泛融合,完成城市绿色化改造。 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