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5G 专网为何秀色可餐?对智能制造有何意义?

本文作者:任苙萍       点击: 2020-10-13 10:52
前言:

今年 5G 商用开台后,强型移动宽带通信 (eMBB) 的大带宽高速网络传输使 8K 或增強现实/虚拟现实 (AR/VR) 眼镜之高分辨率影像得以商用,让人有身历其境之感,当下以娱乐为主,但工业应用也逐渐浮现;众所瞩目的超可靠低延迟通信 (uRLLC) 3GPP R16 版本刚于今年定案,预计一年后进入商用。至于大连结 (mMTC) R17 标准仍在制订中,目标是只要有通电的设备皆能上网,每平方公里容纳百万个连接设备。基于下列考虑,不少企业高度关注 5G 专网应用,预估 2030 年专网设备规模将达 180 亿美元。
 
首先,是为了确保关键服务传输可靠性与通信质量、节省维护成本、便于工厂产线动态配置。欲取代有线通信,"6 个 9"的低延迟、高可靠是必备条件。其次,5G 专网能跟随企业需求弹性调整网络架构——消费市场讲究"以人为本"、但企业是以"物"为设计目标,例如同是医院环境,4G 着眼的是方便候诊病患及亲友连网,会以门诊区为主场;对照 5G 锁定的是万物连网,充斥众多设备的加护病房或许才是首善之区,有应用场景的区别。最后,当然就是考虑到维护企业运营机密数据安全。
 
电信业者摩拳擦掌,积极抢进
电信业者又是怎么看待智能制造?台湾远传电信企业产品服务管理处协理张文津坦承他们以往跟工厂关系并不密切,但 5G 时代将全然不同!诺基亚 (Nokia) 去年预测,全球 5G 专网可能应用场域达 1,458 万个;其中,"工厂制造"将一跃成为最大宗的垂直应用场域,超越机场/车站等交通枢纽、仓储中心、医院和实验室等。智能制造的痛点在于传统 IP 网络采"Best Effort"模式传输,视网络负载状况尽量以"最佳"传输速率传送数据、无法确认传输稳定度,容易发生延迟或封包遗失,且工控设备不易频繁补丁 (patch),对安全性的要求更高。
 
照片人物:台湾远传电信企业产品服务管理处协理张文津
 
张文津分享,截至今年 8 月,全球已有 82 张 5G 商转网络,预计年底将大幅增加超过百张,今年底全球 5G 用户数可望达 1.9 亿、2024 年全球 5G 用户数将达 19 亿,专网是重中之重。未来 5G 发展需求依序为:传输速度、低时延、设备连接密度、流量密度、安全性。5G+ 智能制造架构由下至上分别为数据层、网络层、平台层、应用层,时间敏感网络 (TSN)、网络切片和边缘运算等 5G 网络基础设施正是"网络层"新成员。他剖析,现行工厂网络多以 Wi-Fi、实体线路混合布建,环境复杂;再者,Wi-Fi 连接行经多个节点,信号不稳且安全堪虑。
 
以无人搬运车 (AGV) 为例,需安装电磁感应、磁带导引、雷射制导、自然寻标、视觉导航等技术,场地布置时间长、精准度低、成本高;还无法主动绕行障碍物、运行自动化,工作效率较低。那么,一个有趣的反思是:5G 可取代 Wi-Fi 吗?远传认为,以往两者的确泾渭分明:局域网络 (LAN) 归 Wi-Fi、广域网 (WAN) 属蜂巢网络,但 5G 专网应用于特定场域,较 Wi-Fi 更安全、迅速、大连结、布署简单,将打破这个通则。例如,跨区域输入数据必须重新联机 Wi-Fi 才能继续作业,这对非定点的巡查人员来说十分不便,改用 5G 就没这个困扰。
 
张文津介绍远传 5G 智慧工厂专网的优势:让室内和园区同一张网,易于管理、移动性佳且兼顾安全和隐私。用它取代其他区域网通信技术用于厂内导航,可不受场地限制、节省部署成本;搭配"移动边缘运算"(MEC) 设施,让数据流不须经过多节点即可回传,达到超低时延。他补充,现行 R15 是非独立组网 (NSA) 架构,着重吞吐量,最新的 R17 版本拟于明年 9 月冻结。值得留意的是,有鉴于地面会受地理环境和电力供应影响,对于林木盗伐、山区监控力有未逮,R17 传输将不限定在地面站,加入"卫星"协同发功,让物联网 (IoT) 更具应用价值。
 
"MEC"移动边缘运算隐含"多接取"期望
特别一提,同样是"MEC",沛博科技 (Perobot) 对其有不同的定义:"多接取"(Multi- access) 边缘运算。企业及应用部门 Associate Manager 薛祖榕表示,智慧工厂让各厂房之间须实时处理的信息变得又多、又复杂,将运算从云端移到边缘,可有效解决各厂房/企业到云端的传输成本,并增加数据在端点之间的运算效率,包括:仓储、员工、车辆运输、AGV 等管理。问题是:不同系统可能有冗余或功能重复,造成成本浪费且无法有效扩充;不同技术迭代快,可能发生技术不兼容;不同产品或有冲突,稳定性、操作流程、保固条件和成本代价亦不同。
 
照片人物:沛博科技企业及应用部门 Associate Manager 薛祖榕
 
更重要的是,关于员工、物料、仓储数据的隐私保护。为此,鸿海集团携手沛博力推"5G MEC Intelligence",具备以下特性:1.低延迟;2.数据保护性;3.多接取、5G 整合不同端点;4.虚拟化将异质服务共构在单一平台,只须管理一套系统;5.高可用性 (High Availability, HA) 架构可为机器视觉数据备援;6.网关安全保护。薛祖榕说明,从底层通信协议到 4G/5G、以太网,都能在单一平台运作,辅以 AIOT 实体/虚拟加速技术管理各种服务的虚拟机 (VM) 和容器 (Container) 之虚拟交换,可在开放式边缘运算平台架构电脑视觉服务。
 
薛祖榕直指,加入 5G 分散/集中单元不仅可改进边缘运算效能,还能管理更多 AIoT 设备、在中央服务器加入更多安全机制,并与后端软件开发工具包 (SDK) 整合;以 MEC 智能服务为中心,在仪表板做"可视化"呈现。目前鸿海集团已用于管理员工差勤、物料管理和交通派车。如何将运营技术 (OT) 和信息科技 (IT) 无缝接轨,已是系统商共同课题。
 
"智能制造"是工业 4.0 精髓
主打软件即服务 (SaaS) 的新汉智能 (Nexcom),看到多轴机械手臂接传统可编程逻辑控制器 (PLC) 效能差强人意的需求缺口,改用 PC-based 的"多轴多任务智能型运动控制器"可支持多轴数运动——不须额外增加硬件配置,只要写一个控制器即可让效能大幅跳升并降低查线成本。IoT 自动化解决方案处长罗仕昀指出,由数据驱动的闭回路控制设计拥有"回授"至容器边缘网关和公有云的能力,可为边缘和云端运算的机器学习 (ML) 奠基;新汉开放式架构且符合标准工业通信协议的"iAT2000 云智化监控系统",可为工业 4.0 打造整厂解决方案。
 
照片人物:新汉智能 IoT 自动化解决方案处长罗仕昀
 
罗仕昀描绘工业 4.0 发展历程最早可追溯至 2008 年美国的先进制造技术计划 (AMP),2011 年于汉诺威工业博览会 (Hannover Messe) 首度出现工业 4.0 一词,复于 2015 年 4 月经德国电工电子与信息技术标准化委员会率先发布《工业4.0参考架构模型》(RAMI 4.0)。到了 2016 年开始倡导数字转型,随后在 2017 年诞生"数位双胞胎"(Digital Twins) 概念。从工业 3.0 的大量生产到自动化,工业 4.0 的精髓应聚焦于智能制造、数字工厂、智能机械和虚实整合系统 (CPS)。