浅谈5G技术助力智慧仓储发展

蒲定波 刘 颖 臧天明

1 贵州茅台酒厂(集团)习酒有限责任公司 遵义 563000

2 中国联合网络通信有限公司贵州省分公司 贵阳 550000

3 清华大学 北京 100084

引言

近年来，大数据、云计算、人工智能以及移动互联网等技术的蓬勃发展为各行各业注入了鲜活动力，这些新一代数字技术正在改变传统的生产方式，同时也对企业的应变能力提出了挑战。随着网络技术的演进和网络能力的提升，互联网经济进入新的发展时期，工业互联网战略向国民经济重点行业广泛扩展。其中，仓储系统作为工业制造中重要一环，可有效支持供应链上的其他环节，高效完成各种业务操作，减少库存支出，进一步降低物流费用，提高仓储效率及价值。

1 背景

1.1 5G+工业互联网及产业数字化转型

随着《关于深化“互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见》[1]等一系列政策文件的发布，党和国家为当前工业互联网的未来发展明确了方向。

“5G+工业互联网”是指利用以5G为代表的新一代信息通信技术，构建与工业经济深度融合的新型基础设施、应用模式和工业生态[2]。当前，新一轮科技革命和产业变革正突飞猛进，信息技术的发展日新月异。5G与工业互联网的融合将加速数字中国、智慧社会建设，加速中国新型工业化进程，为中国经济发展注入新动能。根据最新发布的《5G+工业互联网发展报告(2021版)》显示，当前在建的“5G+工业互联网”项目多达1800余项，在各大国民经济的重点行业均有所应用，为其他行业和企业利用“5G+工业互联网”进行数字化转型提供了良好案例。

智能制造是新一轮工业革命的核心技术[3]，需要依托当前高速发展的大数据、云计算、人工智能以及移动互联网等技术进行，是数字化技术同传统制造业的融合与发展。传统的设备控制方法和信息处理方式已经无法满足智能制造的需要，高性能的计算机和更完备的网络基础设施成为实现产业数字化转型所必不可少的条件。在未来，随着物联网等数字化技术的迅速发展和5G技术的出现及应用，我们即将迈入万物互联的时代，实现人与物之间的互联。当前智能工厂发展呈现出信息化、智能化、自动化、数字化等特点，这是对传统工厂的全面优化的结果。智能工厂将应用新兴的数字化技术，对生产流程中的各要素进行灵活配置与优化。在智能工厂中重复性的工作将被机器取代，生产过程中的故障将被智能系统预测并处理，传统的生产流水线将不复存在，生产信息得以共享与传递，生产过程将更加智能、安全、高效、互联。智能工厂可以大大缩减生产成本，提高生产流程的安全性和可靠性，实现人与机器协同管理。

企业数字化转型是企业谋求自身发展与顺应时代浪潮的必然选择。企业在迎接这场数字化转型大潮之时，不仅要懂得应用数字化技术给企业生产带来技术迭代，更要重新思考企业的整体信息化架构，全盘布局数字化转型路径。数字化转型可以降低企业生产在低创新程度的重复劳作上的投入，通过数字化的手段，企业创新性的活动变得简单容易。以往需要投入大量人力物力进行实地测试的创新活动，如今只需要使用电脑程序进行模拟即可实现，大大提高了企业的运行效率，实现产业高质量发展。

1.2 5G技术赋能产业

5G技术以用户为中心，构建全方位的信息生态系统，而且从线上到线下、从消费到生产、从平台到生态，有效支撑垂直行业融合发展，全面使能工业互联网[4]。5G全称为第五代移动通信技术，其具有低时延、高速率、大容量和高移动性等特性，5G系统能够提供每平方千米超过百万个设备的连接支持，为万物互联提供通信基础[5]。当前，我国5G基础建设愈发完善，以5G技术为基础的智能制造项目已经实际落地到诸多行业当中。5G的应用场景丰富，在工业制造、物流、电力、交通等诸多领域都有应用实践。

物流与仓储行业的数字化转型是未来发展的必经路线，5G与人工智能技术相结合保障了智能机器人的可靠与高效，将工人们从繁琐的重复劳动中解放出来。基于5G的低时延性能，使得仓储环境中的无人机、机器人、分拣设备等始终保持高精度作业，减少安全隐患并提高生产效率，实现仓储到运输再到配送的作业一体化进程。

1.3 发展智慧仓储的必要性

智能物流与智慧仓储，是5G技术的重要应用场景。打造互联工厂，实现工业连接，助推国家工业4.0战略是仓储行业发展的应有之义。推动数字经济同实体经济的深度融合，是新时期国家经济高质量发展的重要课题，而智慧仓储物流就是践行实体经济数字化很好的切入点。实现仓储物流行业数字化转型，有助于提高企业管理运作效率，提高产品生产运输速率，有效提升仓储物流行业员工的劳动舒适度。

2 智慧仓储发展现状

2.1 智慧仓储国内外发展概述

随着数字经济的发展，企业纷纷开启数字化转型，智慧物流、智慧仓储是企业开始数字化转型的必经道路，也是未来发展的新趋势。智慧物流是以各种传感设备将产品信息分阶段进行采集、筛选、分析、跟踪、汇总为基础，通过网络实现互联，并实现物流自动化、智能化、网络化和实时化的一种新兴的物联网物流业形态[6]。

智慧仓储、智慧物流依托物联网技术实现，国内外企业积极参与物联网技术的开发与应用，为智慧仓储物流提供技术基础。英国Tesco、美国沃尔玛、德国麦德龙等大型企业均有自己的智慧仓储计划，而许多大型物流公司均对物流跟踪和监控技术有较大的技术研发投入，其中以联邦快递、顺丰快递为代表。

近年来，以5G技术为基础，实现智慧仓储系统在国内已有部分案例。2019年，三一重工基于5G的智能网联云化AGV项目将5G 、MEC和AI技术同AGV相结合，通过将AGV激光雷达导航向基于5G上行大带宽的视觉导航迁移，将深度学习算法向5G边缘计算MEC平台迁移，从而极大降低了AGV单机功能复杂度和成本，提高AGV车智能化和标准化水平，为三一重工节省人力成本的同时，以企业实现数字化、智能化转型的方式提升了生产效率。

2020年8月，以贵州轮胎创新产线为载体、中国联通提供云网边端全流程解决方案，作为智慧仓储的前置解决方案，以5G网络技术为基础，联合相关工业设备商共同打造贵州轮胎“5G全连接柔性生产线”项目。采用5G专网技术支撑一条完整生产线，实现数字化工厂生产“人、机、料、法、环、测” 要素全面互联管控，将生产每道工序生产数据化，可根据仓储及订单实时数据，调度全工序、全场景的无线工业互联及车间生产，实现生产线与智慧仓储的有机联动。

2.2 智慧仓储中的5G技术

智慧仓储技术层面上的应用主要体现在四个方面：一是传统仓储设备的智能化与网络化，二是仓储设备的自动化与标准化，三是系统平台对接的应用，四是物流大数据推动的仓储资源整合与共享[7]。在其中，5G技术的引入使得智慧仓储在具体应用层面均取得了不小的突破。

传统物流仓储行业中，应用的AGV与堆垛机等采用的无线通信协议主要以Wi-Fi为主，其存在传输效率不高、难以实现设备互联、Wi-Fi连接的安全性稳定性不理想等问题。而应用5G通信，可以极大降低通信时延，提高设备灵敏度，实现稳定快速的设备互联。通过低时延的通信，可以很好地协调多种设备之间的协同工作，提高仓储系统的自动化水平，提高作业的准确率和效率。

5G专网的可扩展性较强，解决了不同系统平台之间的对接困难，极快的传输速率也意味着大量的数据可以被很好地传输并储存利用，具有更好的时效性。通过5G实时将物流在线的大量业务数据传输至后台，及时处理分析数据，使得物流大数据理念变为现实。通过对物流大数据进行处理与分析，挖掘对企业运营管理有价值信息，从而科学合理地进行管理决策[8]，带来了数据驱动的商业模式推动产业智能化变革，大幅度提高生产效率。

3 5G赋能仓储数字化转型典型

作为全国首批5G试点城市之一的贵阳，目前已经在5G应用及大数据创新方面取得了诸多成果。下面将以贵州茅台酒厂习酒园区5G智慧仓储项目建设成果为例，介绍5G技术在智慧仓储中的应用。

3.1 智慧仓储5G专网方案

智慧仓储建设将结合现场仓储状况，通常采用5G专网的形式进行。5G专网的核心网用户面网元UPF为行业用户私有化部署，无线基站、核心网控制面网元根据客户需求灵活部署，为用户提供部分物理独享的5G专用网络。满足行业用户大带宽、低时延、数据不出园区的需求。该模式下行业用户网内业务数据本地卸载，可通过功能定制优化，减小公众网络故障对用户生产业务的影响，保障生产安全。

在大网与园区间由于传输网故障和大网失联时，会导致园区基站、用户面UPF和大网之间的N2/N4接口同时中断，而影响用户业务连续性。因此，基于习酒项目对网络可靠性有较高需求，采用核心网边缘高可靠方案，如图1所示，通过在原有硬件新增一块刀片，部署本地临时控制面，满足对中断敏感型如PLC设备、视觉质检等业务的可用性需求，进行差异化的业务保障，保障在与大网控制面失联时，具备本地数据业务应急接入能力，园区内基站和边缘UPF网元间的用户面传输仍可正常稳定运转一定时间。支持对连接态用户提供业务保活功能，在与大网失联后，提供移动性切换和重新接入功能，用户面可继续传输数据至故障恢复。本例使用5G专网，以5G赋能仓储数字化转型，赋能行业数字化应用场景创新及信息化业务演进[9]。

图1 边缘高可靠方案

3.2 基于5G的智能化物流搬运设备

3.2.1 5G赋能堆垛机

巷道堆垛机是立体库中的核心设备，具有作业高度高、停位精度高、速度快的特点，因此对堆垛机单机的结构强度、刚度、挠度、稳定性、安全性具有很高的要求。传统的通讯方式有有线通讯、红外通讯、Wi-Fi等。有线通讯对实际电缆和布线有较高要求，应用较为不便；红外通信的数据传输受到环境限制，在恶劣环境(如粉尘多、光照差)下数据传输的距离和可靠性较差；Wi-Fi技术本身存在连接不稳定、传输容量低以及易受干扰等缺点，尤其在仓储环境中，密集货物对于Wi-Fi信号的阻挡使得堆垛机难以稳定运行。

堆垛机可通过5G通讯，实现高速率、低时延的堆垛机控制、VR操作教学及维护，可以提升运维效率，降低成本。基于5G技术的高效传输，还可以在堆垛机中加入机器视觉检测，快速地进行自动检测货箱摆放姿态、实时盘点等，安全且高效。

通过5G专网技术，赋能堆垛机突破传统通讯方式的限制，在如下方面取得了良好进展。

1)低时延：MEC平台通过5G网络获得端到端通讯保障与及时通信，实现对堆垛机的控制和信息采集。

2)信息安全：5G通过核心网MEC下沉建立专网，企业数据不出园区，满足企业对数据安全的要求。

3)边缘计算：为每一台堆垛机配置单机GPU复杂度高和成本高，但是通过MEC平台集成GPU，并实现厂区多台堆垛机调度，可以无需对工厂环境做改造，实现柔性化生产。

3.2.2 5G赋能AGV

AGV无人叉车设备能够沿规定的导引路径行驶，与物料输送中常用的其他设备相比，AGV的活动区域无需铺设轨道等固定装置，也不受场地、道路和空间的限制，因此是仓储系统中不可或缺的自动化设备[10]。传统AGV实时控制传输的数据量并不大，但是进行数据传输的频率很高，对时延的要求较为苛刻。实现AGV协同运作，更是需要极为精确的时延控制，而传统的通讯方式在实现这一过程中存在困难。白酒行业物料自动搬运需求高可靠性、高稳定性都可以通过搭建5G专网实现。

通过5G专网技术，赋能AGV，使其拥有了如下应用价值。

1)连续移动性：5G替代有线，解决固网布线难、改造维护成本高等问题，为工业园区提供无处不在的无线覆盖，以满足移动连续性的需求。

2)上行大带宽：AGV集成多台高清摄像头。5G提供超高可靠通信和超级上行带宽，并通过SLA保障满足多种数据上行带宽诉求，以及支持高并发的海量终端通信，实现5G终端全接入。

3)低时延：5G通过MEC平台实现低时延的端到端通讯保障，使得时延大大降低，满足AGV进行实时图像处理要求的时延。

4)数据安全：5G通过核心网MEC下沉建立专网，企业数据不出园区，满足企业对数据安全的要求。

5)边缘计算：MEC平台集成GPU实现算力共享，降低AGV单机的复杂度和成本。MEC平台集成的AGV视觉感知算法可深度学习不断迭代，可满足厂区多台AGV协同调度，且无需对工厂现有环境进行改造，可实现柔性化生产。

6)降本增效：基于5G视觉SLAM的AGV成本仅为激光SLAM的1/9，大大降低了成本，具备规模推广价值。

4 总结与展望

4.1 总结

当前我国物流业正处于重要的战略机遇期，随着我国产业结构调整和发展方式转换，物流业在国民经济中的基础性、战略性地位日益显现，焕发出新的生机和活力[11]。

本文介绍的习酒与联通所合作共建的智慧仓储项目以5G通信技术为基础，实现对人员、物料、产品和设备的全流程追踪、定位、管理、信息采集及指令传达；通过5G+MEC的综合提升，实现WMS、WCS系统对底层AGV、堆垛机等设备工作状态的快速感知、快速响应、快速反馈、快速调度。在原有场地基础上加入AGV辅助搬运、仓储搬运流水线，并对原有设备整合，实现物流产线融合，整体升级，最终实现物流园区全物流、全设备、全过程的统一管理，提高物流效率，提升物流质量，节约生产成本并充分保证人员财产、园区数据、物流安全；VR设备、AR设备在5G的加持下，能够实时对作业基础流程进行必要的操作和控制，对故障状态进行全面的采集与预警，全面监控保障园区安全。

希望该项目能成为仓储行业数字化转型的排头兵，成为贵州智慧仓储的项目标杆，为后来企业进行仓储改革与数字化探索积累经验与教训。

4.2 5G智慧仓储展望

智慧仓储未来发展会倾向于降低执行工作成本，很大程度解放人工搬运，提高劳动力统计准确率和效率，提升智能物流、智能仓储能力。此外，智慧仓储未来的发展离不开5G技术，5G技术将全面覆盖习酒智慧仓储全场景，通过“一张5G网”承载智慧仓储全移动业务系统，从而实现物流仓储一体化管理，提高执行效率。使用现代的管理思想和管理方法，提高企业管理水平，最大限度地提高企业的管理水平和管理效率，使企业更快更好发展，加速向数字化企业转型。

以条码为信息载体可便捷和较准确地实现物料跟踪，这一功能也会得以广泛应用，动态监督物料存储情况预先进行监督和控制也会成为智慧仓储发展环节中必不可少的部分，进而实现智慧仓储可管控一体化。