5G技术对于智能制造物流系统的适应性

智能制造工厂与物流系统

智能制造工厂是一个大系统，需要低时延、大带宽、大容量， 以及无线蜂窝网络特有的高可靠、高安全、广覆盖能力等技术优势，将工厂车间、工业园区物流的人、机、料、点、线、场进行数字化、无线化改造。以便利用大数据、IoT、AR、AI 等新兴技术，在信息化、自动化基础上，打造数字化、智能化方案。提高物流系统分析决策和执行效率，整合物流资源，融入工艺与流程，确保生产节拍。同时，5G 无线通信方式实现工厂网络扁平化，进一步赋能柔性制造。

智能制造过程中，智能产品是主体，智能生产是主线，以智能物流服务为中心的产业模式变革是主题。智能制造云和工业互联网是支撑智能制造的基础。

智能制造云平台是基于泛在网络实现泛连接，即基于5G+IoT技术实现人和人、人和物、物和物之间的连接,万物互联，使得连接无所不在。从而构建以用户为中心，人机物深度融合，边缘运用互联化、服务化、个性化、柔性化、社会化、智能化等新模式、新手段和新业态的智能制造支撑系统。

工业互联网作为物理世界和数字世界的连接器，将数百亿的连接对象连接起来实现数据的量变和质变，是制造业从数字化向网络化、智能化发展的重要基石，是低延时、高可靠、广覆盖特点的关键网络基础设施，需要基于高质量的海量数据，通过人工智能、数据智能、机器智能等智能技术的加持提升物流生产效率，降低物流成本。

智能工厂内的物流系统，一般划分为三段物流，即“入厂物流”、“生产物流”、“成品物流”（很多时候还涉及逆向物流）。

（1）入厂物流

涉及的物流技术主要包括智能物流装卸技术及搬运技术。智能装卸货技术包括自动导航的AGV叉车（可能有人或者传统的叉车）、智能化起重吊装设备，这些设施需要通过配置相应5G和人工智能化技术达到信息采集、数据可视以及自主决策和调度的功能。

（2）生产物流

智能工厂内的“生产物流”环节为整个工厂的核心环节，生产的顺畅与安定有赖于通过物流以及5G通路进行数据-物理的拉通，物流系统的稳定与高效直接决定生产的有序与高效。该环节的主要物流技术为智能物流拣选及搬运技术、智能物流存储技术等，5G与AI使用比较广泛。

（3）成品物流

该环节的主要物流技术为智能物流打包技术、智能搬运技术、智能物流成品装柜技术等，过程中需要通过5G技术和视觉识别技术来驱动相关物流设施的自主作业。

智能工厂内的物流技术需要结合实际的场景进行合理的规划与运用，并且依据5G技术的传递要求进行参数化设定，其使用需要通过分析产品的种类、尺寸、重量、特性、包装要求、存储要求、输送要求、搬运要求等因素，以适应5G技术和AI的数据运营环境，再结合相应使用场景进行合理的、灵活的使用。

5G赋能下的智能工厂

通过5G技术的赋能，智能工厂物流与传统工厂物流相比，在人、机、料、法、环各项资源上面都将具备智能元素。物流人员需要从简单重复的搬运工作释放出来，去研究整个智能工厂的底层运作规则和各个场景的作业算法；物流设备要能够联动，实时响应生产的需求；物料需要能够通过5G作业环境平台“说话”，能够匹配柔性动态组合的生产单元；工厂的法则需要去中心化，需要根据环境的感知，物料、设备、人员的实际情况动态排布设定计划和规则；环境要具有高度的AI感知能力和实时传递能力，实时采集各个节点的数据和监控各个点的差异，通过设定的算法实现自反馈、自补偿。因此，5G赋能后的智能工厂在人力配置、设备采购、物料PFEP设计、运营方案等方面都具有非常高的专业性和系统性。

美的灯塔工厂——微波炉工厂通过使用5G技术，注塑零部件物料自动化下线、暂存、分拣、作业MO票齐套、物料智能化搬运配送到工位等无断点流程。在该无人仓内，可以看到各类智能设备的云调度，通过5G模组改造实现5G网络环境下不同功能的AGV（叉车）与物流存取系统调度、视觉导航、视频处理等，极大缩短物料搬运设备的部署周期，提高调度灵活性，提升物流对于制造作业的柔性联结，实现互联互通与降本增效。

对于智能制造体系而言，生产和物流已经高度融合为一体，因为生产本身就是整个物料流动体系中的一个部分。5G赋能主要涉及三个部分：

一是智能制造设备和智能物流设施的智能化应用的普及：智能产线、智能机器人、智能搬运、智能输送、智能存取等更多地采用5G技术，把人从低端劳动中释放出来；

二是人与“车、料、场”的互联互通互动：在智能工厂的规划中，通常强调“每一个物料、每一个平方米、每一个工位”的智能协同，5G技术、物联网和AI技术将让车、料、场拟人化并与人沟通联动，实现更高效的互动；

三是智能制造运营过程中的动态化、透明化和智能化：比如在智能物流过程中，由于各种变数的出现，使得执行过程中采集到的各类参数（或者图像、图表等）与设计标准参数、运营计划参数之间存在时间、数量、区位等的差异，这需要实时、快速、大流量的传递和实时决策，仅依靠传统4G技术存在断点和盲区，5G技术可对一些关键的工序、工位、品质控制点实时监控。

在智能工厂运营系统的多个维度中，物流天生具备端到端的属性，是工厂有效运营的主要载体和抓手，是智能工厂的“灵魂”所在，5G技术赋能智能工厂物流，意味着给智能工厂“打通任督两脉”。

5G技术赋能智能制造物流体系的本质

5G赋能的智能工厂“五条线”

智能工厂的本质是通过信息网络技术、智能装备、AI网络算法、精益运营体系等技术达到信息化和工业化“两化”融合，最终实现从数字化到智能化的过渡，因此，智能工厂的构建需要涉及多个专业的融合，建筑厂房规划、动力设施规划、信息网络规划、产品产能规划、生产设备规划、物料流动规划等。并在此基础上通过5G技术赋能，实现互联互通。5G赋能智能工厂的要素一般可以分为基建、产品、制造、物流、信息五条主线，物流是主线。

基建线：主要通过5G赋能智能建筑。通过参数化对于建筑业态的表达、配套和辅助设施的定义以及绿色动力能源的智能化应用等。

产品线：主要通过产品特征需求分析，利用5G技术对产品可制造性和可流动性，未来大规模个性化定制的需求等进行实时联通和虚拟决策。也是需要通过5G技术来赋能物料的标准化、模块化、智能化包装等要素。

制造线：主要通过5G技术赋能来保证生产的直通率，链接自动化、智能化要素，实现生产各环节联动的需求、制造设备自主化、各生产部门相关部门KPI指标的逻辑拉通等。

信息线：主要通过5G技术、物联网技术、大数据、区块链技术构建一体化智能制造供应链（含物流）信息平台，实现全方位信息实时化要求。智能工厂物流尤其需要强调两条主脉络：信息流和实物流。实物之间可以通讯互联，信息之间集成共享，最终实现“数字孪生”和CPS（物理信息系统）。

物流线：主要通过5G技术赋能物流的精益化、数字化、智能化，实现物流的快速响应，物流价值链的拉通等。物流线贯穿整个智能制造过程，需要与基建线、产品线、制造线、信息线紧密联动，最终目标是价值链的拉通，使得物料快速流转，提高企业的盈利效能。

“五条线”需相互关联、相互协作

智能制造的使命是满足快速的个性化产品交付，物流线保证价值链拉通，智能化的物料（智能单元smart unit）会在工厂各个环节流动。随着运营的深入，我们会发现五条主线之间存在着千丝万缕的联系。比如：某一类物料流转载体的选取，决定了“物流线”中流转环节的存储形式、空间面积、配送频次，是否需要立体库存储，自动化配送等；而这一系列的问题，需要“产品线”中标准化、模组化的研发，物料的包装是否可以采用自动化的方式存储和配送，如果不行，是否有改进的空间？需要“制造线”协同考虑物料上料的自动化对接，上料工位如何与载体进行对接，是否需要载体内部设置定位隔衬，方便自动化上料；需要“信息线”考虑载体的信息采集形式和5G应用场景设计，是用条形码、二维码还是RFID？哪些环节需要采集哪些信息？这些信息如何通过5G技术实现联动和集成，物流载体切换时，如何进行信息绑定和转移，如何实现产品全流程的对接？最后，如果这个载体需要在立体库存储，载体的长宽和存储类型（单深或者双深）决定了立体库巷道的宽度和智能堆垛设施的标准化应用，结合物流的存量、流量和建筑消防规范，决定了立体库的建筑主体长宽高、载荷、平整度等参数。

因此，物料载体的选取，看似是“物流线”的问题，但随着规划的深入，实际会牵引出其他四个模块的相关问题。在规划的时候，五条线是相互关联、相互协作的，不可组建五个单独的项目组去各自推进相关事务。而是要基于产品的快速交付，以拉通价值链的“物流线”为主线，成立5G赋能中心，以保证在构建的先期，就能统一思想，协调所有资源，系统规划各个环节的智能化方案。

比如，大多的企业主流程是：供应商到货→人员卸货→待检暂存→检验→检验待判暂存→仓储入库→仓储出库→分拣齐套→余料回库。但未来智能工厂物流运营，在5G的环境下是否可以做到从供应商卸货后直接实现齐套运输、配送满足生产？是否需要重新定义最优的价值流线，以便于将无法使产品增值的流程，尽可能进行优化与改善？

如上所述，5G赋能智能物流流程的实现，涉及采购、品质、财务、信息等多部门之间共同协同与推进。在构建阶段，采购物流部门需要按送货通知单上的任务订单号进行精准回货和送货车辆实时监控；品质部门需考虑物料检验前移以实现通过式验收；财务部门需考虑相对合理有效的结算方式等才具备最优的价值流线推进条件；信息部门需要充分了解及理解实际的业务运作场景与流程，将其未来进行变革的场景设计及流程参数转化为相应的5G可识别、传递的语言，并写入信息化平台系统中。如果企业现有的信息化系统无法支撑其业务或流程的变革，则需要通过开发新系统或在现有系统中增添新功能，以支撑5G技术的有效应用。

制造物流系统场景设计与5G技术应用

不同的产品在不同的企业有不同的生产工艺，其智能制造与智能物流的协同场景也就有所不同，对于5G技术的应用和赋能也需要根据场景的设计实现先期 “嵌入式”导入。

有别于商业物流和物流企业物流的是：制造业物流不仅需要考虑包装、搬运、库存、运输、装卸货等物流要素，更需要考虑交付、生产计划、物料齐套计划、工位配送计划、物流计划、预测和门店管理，智能工厂的物流不仅仅涉及日常生产的物流作业管理，更涉及企业经营管理中的库存设置和现金流管理。

原材料库存取决于采购批量和供应商到货周期（或者采购周期），同时与质量合格率、供应商送货的稳定性等变数相关。在此过程中，5G技术可以使得物流运输使用的车辆能够突破非视距感知、数据信息即时共享等技术的智慧化进程瓶颈，助力实现物流运输与供方到货全自动化管理。

在制品库存、成品库存的数量设定（min-max）和流转模式决定了智能工厂的制造节拍和频次频率，从而也就决定了智能工厂存在的效益。在需要按照订单生产和拣选的（货到人）仓库作业中，员工使用AR技术可以在视觉环境下进行拣选和复核工作，同时AR技术还能帮助工程师查看仓库三维布局完成仓储的作业。在配送过程中能够优化齐套上线物料的分拣、齐套和装载、配送顺序，实现高效、精确的自动化喂料（Feeding）流程，同时AR技术还能优化配送路径，显示路况状况，而这一切都能通过一副AR眼镜实现——5G作为AR的数据通信支撑技术，能够使得工作人员无时无刻地可以使用AR眼镜高效完成工作，使得物料从仓储、分拣到配送的作业真正完成一体化。

智能工厂中，智能立体库通常是一个重要的物流节点，也是新一代智能制造物流过程中人工智能技术应用最为广泛的场景之一，5G作为传输层技术为其提供了有力的通信环境，同时5G的海量接入特性使得仓储环节中很多智能终端设备在各模块中发挥着积极的作用。而巷道堆垛机、子母车、四向穿梭车、AGV、机器人、穿戴设备以及分拣设备等是整个自动化立体仓库系统的核心单机，通常采用Wi-Fi来传递数据，由于Wi-Fi技术本身的缺陷，存在易受干扰、易掉线等一系列问题，尤其是高架库中密集货品对Wi-Fi信号的阻挡，也无法使设备稳定运行，并且大大影响了立体仓库的运行效率。智能物流过程需要加入视觉、信息读取等功能，对通讯带宽和通讯质量的要求就更高了。高效率的智能仓储来源于5G的支撑，5G技术提供了高稳定性、抗干扰能力强、应用范围广的通讯需求保障。利用5G大连接特性，基于物联网实现仓储机器人、装备设施、货物联网、推动智能仓储。

堆垛机加入机器视觉，在出入库环节，对包装箱进行外观破损检测；在高架库放货环节，对货箱摆放姿态进行检测；在盘点、抽检环节，可以通过云视频实现在线实时盘点，安全高效。如果采用5G 网络，2 秒内可以将非压缩照片上传到边缘服务器，加上图片处理时间，可以满足3～4 秒完成一个货品外观检测的节奏。目前主要的视觉堆垛机厂家已经启动内置5G 通信模组的技术更新。

AGV 目前是智能制造物流过程中最具自动化、柔性化、智能化的设备，也是发展最迅猛的技术，可见的方向是自主移动机器人AMR。大规模定制的物料和齐套分拣和配送环节，可能存在几十台乃至上百台AGV同时运行。AGV 实时控制传输的数据量不大，但数据传输的频率很高，时延要求苛刻。工业制造和搬运对象大小不一，重的物件达到几百吨，不可能为每种规格的物件设计一款AGV。多AGV协同搬运一个超大超重物件就很有必要，既减少AGV定制成本，又可以灵活组合复用，节约投资。在多AGV协同搬运物件超重情况下，考虑到安全和惯性，需要多个AGV同步启停，否则会出现单一AGV独立超过负重，也就是对通信时延产生的命令到达时间差很苛刻。通信时延要控制在5～10微秒，以便留给机电伺服系统更充裕的时间。各AGV之间时钟同步也要求在1 微秒。5G的上行大带宽、低延时使得AGV的云化视觉导航成为可能。

对于离散装配型企业而言，装配之前需要讲究物料的齐套，否则不能顺利制造，于是需要智能工厂运营管理时，保证发运计划，稳定总装作业计划，监控好物料齐套计划（包含自制件制造计划），拉动供应商到货计划，过程嵌入智能化制造设施、检测设施和物流设施，以保证需求、计划和执行之间的标准数据、计划数据和实际执行的数据一致，从而做到实时管理、监控和反馈。如果条件成熟，可以在预生产的前期，进行订单仿真的虚拟制造，甄别瓶颈提出早期预警，之后再进行实际制造。5G技术能够为智能工厂提供全云化网络平台。精密传感技术作用于不计其数的传感器，在极短时间内进行信息状态上报，大量工业级数据通过5G网络收集起来，庞大的数据库开始形成，工业机器人结合云计算的超级计算能力进行自主学习和精确判断，给出最佳解决方案。

在一些特定场景下，借助5G下的D2D(Device-to-Device，设备到设备)技术，物体与物体之间直接通信，进一步降低了业务端到端的时延，在网络负荷实现分流的同时，反应更为敏捷。生产制造各环节的时间变得更短，解决方案更快更优，生产制造效率得以大幅度提高。

由于众多的供应商、物流商和承运商未必实现了数字化、智能化，甚至精益生产、精益物流的水平也参差不齐，那么人工介入和管理调度就在所难免，再加上质量、过程、参数等的不稳定性，智能工厂还是需要有应急物流和应急供应链的同步建设。

这就需要在智能工厂物流构建时需要以有效运营作为先决条件，以物流供应链的有效交付作为规划的主线，将智能制造设施（制造产线）“嵌入”交付体系中，并以此作为纽带，拉通全过程的价值链，设立相关环节的运作需求参数，同时构建智能信息平台时，作为基础数据输入。

大数据与云计算使得现代物流具有了高效的信息存储和分析能力，所以它们也将是新一代物流的关键技术，高效的数据存储和分析架构使得物流数据能够被及时存储和挖掘，强大的云计算架构使得物流应用得到高性能的计算服务。5G高带宽的特性使得基于大数据和云计算的“云物流”架构变得更加实用。在新一代物流中，物流节点的数据计算分为集中式计算和移动边缘计算，这两种计算方案相互结合解决了物流中数据难以准确计算的难题，同样对应的数据存储方案也具有集中式和分布式两种，它们相辅相成，相互促进。5G在新一代物流计算方案中能够提供边缘计算的高速通信，同样海量接入的特性也使得边缘计算和集中式计算可以无缝融合。5G核心技术之一就是为边缘计算提供高效的通信方案，分布式的移动云边缘计算也是新一代物流中边缘节点的计算模式。

在长虹“海德拉（Hydra）”多媒体制造的智能工厂，在5G 切片技术支撑下，各种物流-制造业务场景能够以切片形式融入一体化的智能制造体系；针对不同尺寸的彩电（55、75、86、98英寸不等），其物料流转、制造工艺设施、机器人作业模式都不相同，在智能物流系统构建中，采用5G技术，将RFID技术嵌入每个产品的装配工装板中，使得产品经过部装、总装、调试、老化、打包等过程中，实现“一个流、一个信息、一个订单”，WSN (Wireless Sensor Network) 技术、智能仓储技术、AGV技术、智能输送技术与互联网结合起来，实现工艺突破和平台化作业（每万人机器人拥有量超过800台），从而将制造物流信息平台的覆盖范围延展至工业互联网，从“人”扩大到“物”，再到“人-物-场”联通协同；被改造的每个物联设备都可以成为收集并产生数据的节点，而这一数字将是百亿甚至万亿的级别，从而加快长虹海德拉工厂迭代升级的进程。

智能工厂物理设计之后还需要根据销售渠道方式，通过5G技术保证工厂与工业互联网、产品物联网、服务物联网、电子商务、经销机制和门店管理（连锁）等实现互联机制，以实现产品全寿命周期的供应链数字化、智能化。依靠区块链技术能够真实可靠地记录和传递物流过程产生的资金信息和产品信息以及物流位置信息，5G技术可以保证信息传递过程的实时性和高效性，提升行业整体效率。

需要继续优化的空间

在实践过程中，5G技术与智能制造物流场景的结合应用，也出现了一些暂时的瓶颈。

5G成本高，应用场景少，急需产业互联网的市场支撑。

物流节点既有对5G基站数量不高的需要，且能有效控制运营成本，又有其智慧升级下对5G高带宽、海量物联和高可靠性超低时延的特征需要，由于4G提前占用了中低频段，5G只能采用更高频段载波，导致了5G传输距离更短，使得覆盖与4G同样目标的基站数量在理论上要比4G多出3倍左右。而考虑5G基站耗能要超过4G基站的3倍，则年耗电量、电费年总费用相应增长。

收益与成本之间巨大的差额，也必然导致三大运营商在没有寻找到新的收入增长点之前是难以支撑大规模5G 基础设施建设的。如此一来如何解决用户购买套餐中的优惠“闲时流量”成为了行业评价的新难题。

智能制造物流场景的多样性、碎片化、柔性化、快捷化、无断点、少延时对于信息传输提出更高要求。

随着制造领域数字化、网络化、智能化技术实现过程以及行业需求的蓬勃发展，智能制造企业的竞争力越来越依赖于供应网络、制造网络、物流节点的网络优化与供应链生态优化，这也必然在软硬件、运管维等各方面融入整个大系统中，在物流网络中，节点间的运输/转载能力更多受制于装卸能力及盛装容积比和载重比，路径优化等传统优化方式提升空间并不大。然而，对物流网络系统能力约束最大的在于转载/分拨节点的效率能力上，因此节点智慧化极其重要。作为节点的物流园区智慧化包括软硬件及运营模式的全面升级。与此对应的是，5G在不同区域、不同产业园、不同物流枢纽节点中因基站建设速度赶不上场景与业务需要，而约束了智能制造对于5G技术的应用。

5G与智能算法技术应用与场景需求协同不到位

从需求而言，首先是对物流节点作业环境的监控；然后是物流技术装备本身，以及相关网络集群协同作业系统等，需要根据不同特征和业务需求，形成有效的监控方式；最后是对物流节点中作业对象的货物进行监控……技术上有的倚重于高清晰视频，有的倚重于嵌入式芯片，也有的倚重于特殊的人工智能计算分析方法。5G支持的支撑技术同样也对制造物流相应提升至关重要。比如5G支持的虚拟现实/增强现实技术，可以将物流网络中不同物流节点的不同空间的物理位置打断并形成逻辑直连，其强远程“近在咫尺”的代入感可以形成不同节点间的协同作业，并比以往更易于实现整个物流网络的系统资源配置优化。很多情况下，不可避免的人工作业导致了各种人为的响应速度不及时，更导致物流信息不匹配问题明显存在。

结语

随着劳动力日趋短缺和成本上涨，5G技术赋能的柔性化制造模式和机器人越来越在汽车、家电、电子、乳品行业、食品饮料行业、机械制造等行业大规模使用；而作为实体的制造型企业，涉及产品研发和管理、供应商管理、采购、生产、库存、物流、运输和终端门店管理，这是一条漫长的供应链，是复杂、动态、多变的过程，影响因素繁多，5G技术赋能更显效益。

未来的制造型企业，从智能物流到供应链数字化、智能化升级，不再是“以制造为中心”，而是“以客户为中心”，能否快速、合格、有效、精准的制造并快速交付，是制造型企业供应链全球化竞争的决胜要素和表现。

对于5G的赋能，未来更加强调制造和流通的智能化增值过程，更加重视人机系统的协调性，实现人性化的技术和管理系统。这就需要企业通过供应链的全过程管理、信息平台化管理、系统动态化管理实现整个供应链的可持续发展，进而缩短制造业交付周期、提高价值链协同效率和盈利能力。

在5G的环境下，智能制造物流的集成和智能化管理，必然需要基于互联网和物联网构成的制造服务互联网和云平台，整合智能技术、生产设施、物流设施、信息交互技术和存储系统，实现软硬件制造资源和能力的全系统、全生命周期、全方位的感知、互联、决策、控制、执行和服务，实现人、机、料、法、环、测的相关信息的集成和共享，支持服务型制造供应链转型升级。未来制造全系统、全过程应用建模与仿真将成为企业不可或缺的工具与手段，将涵盖从产品设计、制造到服务完整的产品全生命周期业务，从虚拟的工程设计到现实的制造工厂直至产品的供应链流通。