5G+边缘计算在智能物流应用领域的探索——访南京音飞存储电控部总监尹慧

文 / 本刊记者 喜崇彬

在我国大力推动智能制造的大背景下，制造企业依托5G+工业互联网以及人工智能技术，对制造业进行“数字化改造”实践，提升数据赋能水平成为制造业升级发展的一个重要方向。在2020年，工信部推进了一个重要项目——面向典型行业的工业互联网“5G+边缘计算”服务平台，南京音飞储存设备（集团）股份有限公司（以下简称“音飞”）深度参与，主要承担了“工业级5G+智能搬运机器人”示范项目。本文将介绍音飞公司参与本项工作的进展和取得的成果等情况。

尹慧南京音飞存储电控部总监

通过边缘计算结合5G网络能力，为企业进一步简化网络复杂度，增加产线柔性和可持续升级能力，为企业各类应用提供网络和应用管理的综合性服务。

工信部推动“5G+边缘计算”在制造行业应用

在2020年，中华人民共和国工业和信息化部信息通信管理局推出一个关于5G技术应用的重要项目——面向典型行业的工业互联网“5G+边缘计算”服务平台。这个项目推出的背景是多样化的工业应用对工业互联网的网络和计算能力提出了新的需求和挑战，不仅包括网络带宽、连接实时性、可靠性、安全性等多方面要求，此外，网络还需根据应用特征提供随时按需调用的计算、存储等能力。此外，由于不同场景工业智能设备集成的传感器不同，计算能力需求不同，和流程系统交互协作要求不同，会造成工厂自动化系统及信息系统的集成困境，进而影响各类工业应用的正常运行。针对上述挑战，项目致力于实现面向多样化网络需求的工业应用，建设“5G+边缘计算”服务平台，通过边缘计算结合5G网络能力，为企业进一步简化网络复杂度，增加产线柔性和可持续升级能力，实现自主管理，网络划分，带宽动态分配，计算能力横向扩展，远程管控，应用部署和管理等功能，支持应用驱动控制工业设备能力及工业应用驱动的网络资源动态调整能力，为企业各类应用提供网络和应用管理的综合性服务。

项目具体建设内容是通过建设“5G+边缘计算”服务平台，实现由工业应用驱动的工厂内外资源网络化自动配置能力，形成新型工厂现场边缘计算应用架构和模型。针对目前中小企业在边缘计算和5G方面应用困境，通过典型行业的边缘网络应用创新示范，形成应用模板和解决方案，推动工业互联网在中小企业的应用落地。项目建设成果包括但不限于“5G+边缘计算”工业互联网技术架构和实施模型；行业标准草案或具有影响力的工业互联网产业联盟团体标准草案；示教平台和测试环境，能够为企业提供咨询培训服务；实现基于“5G+边缘计算”的“生产优化、质量检测、协同生产、柔性制造等”4种以上典型边缘网络应用创新；通过“5G+边缘计算”实现生产优化、质量检测、协同生产、柔性制造等4种以上典型边缘网络应用创新，带动技术发展和产业应用；支持接入主流设备和工业控制器，支持包括物流、仓储、机器人、机床等20种以上设备类型，支持编程语言进行实时控制编程。

项目实施的主要目的包括：1.在知识产权和标准化方面，通过共同研制标准引领行业发展方向，形成自主知识产权，推进项目涉及的各项创新技术在平台项目中的落地。同时大力推动平台的各项创新技术进入国家工业和产业标准以及国际标准化组织3GPP标准。2.开发出国产基于5G的物联网芯片，打破国外芯片垄断，并成功部署到工业互联网场景下的终端设备，如AGV、可移动工业机器人等。3.建设一套完整的5G网络系统，验证为“5G+边缘计算”服务平台相关工业互联网应用场景提供网络通信及计算能力，可以很好的支撑eMBB、uRLLC及mMTC等工业互联网场景，包括AR指导、云化AGV、柔性生产、机器视觉、替代有线等，在带宽、时延、连接数等方面均满足平台相关功能、性能、可靠性等技术要求。4.在工业生产环节，完成机械装备核心部件的协同制造、整机组装、质量验证、施工现场远程调优和作业调度控制方面的全过程精细管理。5.在工业应用环节，完成施工基建项目立体施工中多机种协同作业和设备远程智能运维管理的应用推广。6.形成“5G+边缘计算”解决方案及应用模板，为工业企业实现边缘计算与企业内网融合提供参考。7.通过多个企业多种应用，不同类型的“5G+边缘计算”应用创新的示范带动技术发展和产业应用。8.提供技术咨询、培训等公共服务。

改造中的穿梭小车，加装5G芯片模组

音飞参与项目情况及承担工作

据音飞公司电控部总监尹慧介绍：音飞公司主要参与的是这个大项目之中的一个子项目——“工业级5G+智能搬运机器人”示范平台项目。该项目是一个联合体项目，投标人联合体十家单位由南京理工大学牵头，参与单位包括中国联合网络通信有限公司江苏省分公司、浙江大学、中国科学院计算技术研究所、中国电子技术标准化研究院、北京中科晶上科技股份有限公司、北京计算机技术及应用研究所、中化岩土集团股份有限公司、天津新松机器人自动化有限公司、南京音飞储存设备（集团）股份有限公司。南京理工大学将与各单位共同开发基于全新技术的5G边缘计算服务平台，并在联合体内三家业内知名的制造型企业：中化岩土集团股份有限公司、天津新松机器人自动化有限公司、南京音飞储存设备（集团）股份有限公司进行部署推广。同时，联合中电标准化研究院建立健全行业标准体系，制定相关标准。十家单位通过产学研用联合，覆盖项目所涉及的5G网络部署、工业5G芯片应用、标准制定、集成、落地实施与培训推广。

工业级5G通讯技术应用在设备密集的车间，使仓库具有更优的抗干扰能力

关于音飞具体参与的工作，尹慧介绍到：在研发初期，音飞与中科晶上进行了充分的调研和详尽的分析，一起论证了各种车型与工业级5g的结合方案，设计了小步快跑、快速迭代的演进方案，第一代产品是将5G通信和智能搬运机器人的作业调度进了粗放式的融合，经过长时间的全面的测试去验证方案的可行性、可靠性和稳定性，再投入到实际产线。基于第一代产品研制过程中沉淀的经验，加上对产品的一些新的创新思路，目前在进行第二代产品的研制：包括优化智能搬运机器人内部的结构，提高通信与控制的集成度，削减了内部原有的一些板卡，进而实现在进一步提升产品品质的同时，还能很好控制产品的生产成本。

音飞接下来的工作就是通过把中国联通和中科晶上的5G终端（基站和芯片）布置到音飞生产的搬运装备和生产测设部门内部，然后在生产环节，质量的检测、移动设备搬运等环节进行测试工作，包括：测试晶上芯片运行的稳定性；进行数据分析，分析5G通讯方案对比普通WIFI通讯方式性能提升到底有多少；提出物流智能搬运装备在实际生产应用中可操作性和可执行的方案；参与制定相关的行业标准。尹慧认为，通过项目的推进和研究，最终能够实现物流智能搬运装备在5G+边缘计算技术赋能下为客户提供更丰富的设备功能和解决方案，给客户更多的选择。

音飞测试5G穿梭车的货架

音飞仓库设内设置的工业级5G基站

“工业级5G”和“边缘计算”带来的价值

工业级5G是新一代网络信息技术与制造业深度融合的产物，是实现产业数字化、网络化、智能化发展的重要基础设施。具体指通过人、机、物的全面互联，全要素、全产业链、全价值链的全面链接，推动形成全新的工业生产制造和服务体系，成为工业经济转型升级的关键依托、重要途径、全新生态。尹慧介绍到：在之前的工业制造或仓储物流生产现场，通讯数据连接的主流方案是WiFi，但由于其在抗干扰能力、安全能力等方面的不足，网络连接的确定性上的表现并不稳定，难以满足工业场景中对网络传输质量的需求，如可能造成物流搬运设备运行的卡顿。随着工业级5G信息通讯技术的成熟，考虑采用5G网络技术将设备端采集到的数据传输到部署在车间的边缘网关。基于工业级5G低延时、广覆盖、大连接、以及抗干扰特点，“智能搬运机器人”将会更直观、更及时、更精确地获取相关数据信息；进行智能识别、计算、分析；继而执行操作命令，迅速连接入库端、出库端、管理端。这意味着“智能搬运机器人”将更加智能化，能够处理更加复杂的数据信息，适应更加多样化的应用场景。

而边缘计算技术是在靠近物或数据源头的网络边缘侧，融合网络、计算、存储、应用核心能力的开放平台；其实作为新型的数据计算架构和组织形态，边缘计算扩展了网络计算的范畴，将计算从云中心扩展到了网络的边缘，为用户就近提供智能服务，在制造业数字化、网络化、智能化的转变过程当中，边缘计算可以满足用户在敏捷连接、实时计算、数据优化、应用智能、信息安全与隐私保护等方面的关键需求。边缘计算能有效解决连接性问题。工业行业涉及的领域众多，行业碎片化导致设备连接协议众多，造成设备互联困难。通过引入数据抽象层，使得不能直接互联互通的设备基于边缘计算平台实现互联互通，边缘计算平台的低延迟性能可以保证设备间的实时横向通信。边缘计算由于具有丰富的连接性和灵活的部署能力，可以提供多种轻量级的解决方案，在不对自动化装备进行大规模升级的情况下，通过增加边缘网关和必要的边缘数据采集终端等，可以有效提高工厂的数字化水平，加强数据在制造系统各个环节间的流动，实现各种基于数据的智能应用。边缘计算平台可以实现实时工业软件开发的软硬件解耦。智能工厂的运行依赖于智能装备和智能流程，需要大量的实时软件支持。目前很多装备实时应用软件过度依赖于具体的控制系统硬件，难以迁移到不同的系统。基于边缘计算平台的架构，可以将大量实时规划、优化排版、设备监控、故障诊断和分析、自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）调度等功能封装在边缘应用程序上，实现了软件与硬件平台的解耦，降低了开发难度，提高了软件质量，通过边缘计算平台可进行边缘应用程序的灵活部署。

尹慧介绍到：与国外相比，国内柔性制造仍处于初级阶段，目前许多制造企业可以采集到大量生产线的数据，但系统相对封闭，造成数据信息孤岛问题。5G通信技术可以降低网络时延，提高网络传输带宽的利用率，实现高效稳定的数据传输。边缘计算利用容器技术实现对不同设备异构数据的实时采集，提供弹性计算资源承载深度学习模型。同时边缘的计算资源配置可以满足小区域数据离线处理和分析，保障各类数据的安全传输和处理。边缘端可将处理完成的数据上传至云端进行数据分析与建模，为故障预测等场景提供数据基础。

“5G+边缘计算”给智能物流装备带来的改变

音飞已基于中科晶上的工业级5G终端基带芯片等技术打造自己的“智能搬运机器人”系列产品。据尹慧介绍：音飞目前是采用终端设备加装5G芯片模组的方式进行融合。由于5G模组芯片体积小，集成方便，几乎完全没有增加设备的生产难度和制造成本。因此，采购5G智能搬运设备与传统型号设备价格差异不大，但是建设5G基站和核心网的成本可能有些高。如果企业已经先行铺设了5G核心网和基站，那么再增加或替换使用搭载5G芯片的物流装备，这个替换成本非常低。5G智能搬运机器人与传统搬运机器人相比，可以赋予越来越多的功能，除了可以调度得更灵活外，可能还加装新的功能特性，比如在搬运过程中完成称重、外观检测等工作，让它更智能，更好地适应智能工厂的需要，因此，在用法上，大大延伸了搬运和智能的使用范围。在产品性能上，可以在车体本身实现进一步精益化得到提升外，在连接和通信层面将得到了更好的改善。由于融合的是工业级5G技术，它除了拥有超大带宽，良好的可靠性、稳定性，适应大连接场景的有点，还具有很好的抗干扰能力特点，很好地规避了因为采用Wi-Fi制式带来的延时抖动大、不稳定等问题，同时也可以满足车间、仓储数量高达数百辆AGV一起协同作业的需要。

谈到5G智能物流装备未来的发展，尹慧希望能让每个智能搬运机器人单体能更智能，具有自己更高智商的大脑。音飞和中科晶上也在进一步探讨，在芯片级的合作可行性，把算力、通信和业务控制融合在一个芯片里，降低成本的同时，却能让智能搬运机器人更加智慧、灵动。相信音飞基于5G+边缘计算技术在智慧物流领域应用的的先行探索，对物流装备智能化的发展具有指导性和示范作用，对未来打造全新物流体系建设，提升我国物流技术水平和运作效率都将将产生积极意义。