2019-2020年5G智能制造行业研究报告.docx

2019-2020年 5G智能制造 行业研究报告目 录 第一章 智能制造发展概述 . 1 1.1 第四次工业革命的兴起 . 1 1.2 我国网络强国和制造强国战略 . 2 1.3 新一代信息技术赋能实体经济高质量发展 . 4 第二章 5G 赋能制造业转型升级 . 6 2.1 智能制造对新型网络的需求 . 6 2.2 5G+智能制造总体架构 . 7 2.3 5G+智能制造关键技术 . 10 2.4 5G+智能制造模式升级 . 15 第 三章 5G+智能制造十大典型应用场景 . 17 3.1 5G+协同设计 . 17 3.2 5G+自动控制 . 18 3.3 5G+柔性生产 . 20 3.4 5G+辅助装配 . 21 3.5 5G+质量控制 . 22 3.6 5G+远程运维 . 23 3.7 5G+透明工厂 . 25 3.8 5G+仓储管理 . 26 3.9 5G+物流供应 . 28 3.10 5G+培训指导 . 29 第四章 5G+智能制造典型行业应用案例 . 32 4.1 5G+航空航天 . 32 4.2 5G+船舶重工 . 35 4.3 5G+钢铁制造 . 39 4.4 5G+半导体装备 . 41 第五章 5G+智能制造发展建议 . 46 5.1 加快基础网络的建设部署 . 46 5.2 建立安全防护标准和规范 . 47 5.3 促进行业标准和制度建设 . 48 5.4 推动技术研究和创新示范 . 48 5.5 加强产业政策引导与鼓励 . 49 5.6 探索建立差异化计费模型 . 50 5.7 打造行业人才集聚的高地 . 51 总结与展望 . 52 第一章 智能制造发展概述 新一代信息通信技术和制造业融合的步伐不断加快，推动构建软 件定义、数据驱动、平台支撑、服务增值、智能主导的新型制造体系。 工业互联网是信息技术与工业技术融合发展的产物，正成为制造业数字化、网络化、智能化的关键支撑和重要基石。 5G 作为未来工业互 联网的重要技术支撑，是数字化战略的先导领域。全球各国的数字经 济战略均将 5G 作为优先发展的领域，力图超前研发和部署 5G 网络。 我国明确 5G 时代的引领战略，提出网络强国与制造强国理念，推动 5G 技术赋能实体经济高质量发展。 1.1 第四次工业革命的兴起 人类社会目前已历经了三次翻天覆地的工业革命。以蒸汽技术为代表的第一次工业革命始于 18 世纪 60 年代中期，蒸汽机的发明带来了机械化，开启了工业生产时代。以电力技术为代表的第二次工业革 命从 19 世纪下半叶到 20 世纪初，电力应用催生了大规模生产方式， 推动了钢铁、机械等工业的崛起。以信息技术为代表的第三次工业革 命始于 20 世纪 70 年代，计算机技术促进生产自动化，使生产力得到 了进一步提高。 第四次工业革命发展于 21 世纪以后，是由物联网、大数据、机器人及人工智能等技术所驱动的社会生产方式变革。它推动了工厂之间、工厂与消费者之间的 “ 智能连接 ” ，使生产方式从大规模制造向 大规模定制转变，工业增值领域从制造环节向服务环节拓展，程序化劳动被智能化设备所替代。 在第四次工业革命中，社会生产方式将发生深刻变化。一是产品 生产方式从大规模制造向大规模定制转变。以人工智能为基础的自动 化设备、连接企业内外自动化设 备和管理系统的物联网，能够使研发、 生产以及销售过程更加迅捷、灵活和高效。二是工业增值领域从制造 环节向服务环节拓展。在大数据、云计算等技术的推动下，数据解析、 软件、系统整合能力将成为工业企业竞争力的关键与利润的主要来 源。三是程序化劳动被智能化设备所取代。由于数字技术的飞速发展， 机器人在速度、力量、精度优势的基础上，识别、分析、判断能力也 大大提高。从生产服务过程来看，原来认为只是重复性、手工操作的 业务可以被自动化设备替代，但现在的设备已经可以识别多种业务模 式，能在相当广的范围担任非重复性、需要认知能力的工作。 总体来看，第四次工业革命将极大地提高生产力，进而改写人类发展进程。世界主要工业国家及我国已开始新一轮的产业结构转型升级，这将在制造过程、终端产品、生产设备、数据分析平台、价值链等方面带来全球竞争格局的变化。 1.2 我国网络强国和制造强国战略 我国经济正处在转变发展方式、优化经济结构、转换增长动力的攻关期，制造业是实体经济的主体，是关系到我国经济高质量发展的 重要战略领域。党和国家领导人对工业智能制造高度重视，并对制造 业与互联网等新型产业的融合做出多次指示。 2018 年 4 月 20 日，习近平总书记在全国网络安全和信息化工作会议上强调 ， “ 信息化为中华民族带来了千载难逢的机遇。 ” 在十九大报告中，习总书记也强调 了“ 加快建设制造强国，加快发展先进制造业，推动互联网、大数据、人工智能和实体经济深度融合 ” 的重要意义。 网络强国是技术强、基础强、内容强、人才强、话语强为核心的国家信息化发展战略。党的十八届五中全会通过的 “十三五 ”规划建议，明确提出实施网络强国战略以及与之密切相关的 “互联网 +”行 动计划。 国务院在 2016 年 12 月 19 日印发 “ 十三五 ” 国家战略性 新兴产业发展规划中，发展新一代信息产业成为五大领域之首，其 中大力推进第五代移动通信 （ 5G） 联合研发、试验和预商用试点成为构建网络强国的重要基础。 2018 年 4 月，在全国网络安全和信息 化工作会议上，习总书记深入阐述了网络强国战略思想，系统明确了 一系列方向性、全局性、根本性、战略性 问题，对当前和今后一个时 期网信工作做出重要战略部署。 制造强国战略是中国立足新工业革命趋势下，深化工业化进程、实现工业化梦想的必然要求。 2015 年 5 月 19 日，国务院正式发布中国制造 2025，意味着我国全面部署实施制造强国战略。 2017 年 10 月，关于深化 “ 互联网 +先进制造业 ” 发展工业互联网的指导意见发布，指出要形成实体经济与网络相互促进、同步提升的良好格局， 推动实体经济转型升级，打造制造强国、网络强国。系列文件的出台 为我国工业智能制造提出了要求和方向，未来产业链在互联网化过程 中有效把控和使用数字化资源的能力，关系到一国核心竞争实力，同时也是我国经济转型升级的助推器。 1.3 新一代信息技术赋能实体经济高质量发展 5G 标准决定技术规范和游戏规则，掌握 5G 标准就掌握了未来国际竞争的主导权和控制权。从总体历史回顾来看，我国移动通信的 发展历程是一个从无到有，从有到优的自强史。 “ 1G 空白、 2G 跟随、 3G 突破、 4G 同步 ” ，现阶段正努力实现 “ 5G 引领 ” 。每次通信技术的更迭，都会带动新一轮产业升级和市场格局的重新洗牌。 5G 的发展有力推动了信息消费爆发时增长和数字经济蓬勃发展。和传统的移动通信技术相比， 5G 将进一步提升用户体验：在容 量方面， 5G 通信技术将比 4G 实现单位面积移动数据流量增长 1000 倍；在传输速率方面，单用户典型数据速率提升 10 到 100 倍，峰值 传输速率可达 10Gbps(相当于 4G 网络速率的 100 倍 )；端到端时延缩 短 5 倍；在可接入性方面：可联网设备的数量增加 10 到 100 倍；在 可靠性和能耗方面，每比特能源消耗应降至千分之一，低功率电池续 航时间增加 10 倍。 5G 带来的不只是数据传输速度的提升，更重要的是为人工智能、物联网等技术的发展提供了条件。未来， 5G 与云计算、大数据、人 工智能、虚拟增强现实等技术的深度融合，将连接人和万物，成为各行各业数字化转型的关键基础设施。一方面， 5G 将为用户提供超高 清视频、下一代社交网络等更加身临其境的业务体验，促进人类交互 方式再次升级。另一方面， 5G 将支持海量的机器通信，以智慧城市、智能家居等为代表的典型应用场景与移动通信深度融合，预期千亿量 级的设备将接入 5G 网络。更重要的是， 5G 还将以其超高可 靠性、 超低时延的卓越性能，引爆如车联网、工业互联网等垂直行业应用。 中国工业历经起伏，但 5G 给我国智能制造带来了机遇与挑战， 将缩小与制造强国的差距，推动中国制造业高质量发展。总体上看， 5G 将实现真正的 “ 万物互联 ” ，其广泛应用将为大众创业、万众创新提供坚实支撑，缔造出规模空前的新兴产业，助推制造强国、网络强国建设。掌握 5G 话语权将给我国带来更大的产业发展机遇，具有重大的战略意义。 第二章 5G 赋能制造业转型升级 5G 将利用其高速、低延时、大容量等特质来满足新型工业化升级网络需求，赋能制造业转型升级。 5G 最大特征是推进人机物海量互联，满足端到端毫秒级的超低时延和接近 100%的高可靠性通信保障，将为工业互联网的实时控制和预警等提供技术保障。 5G 前所未有的传输速度与覆盖范围，将推动人机物的智能协同，带领制造业产生重大变革。 2.1 智能制造对新型网络的需求 新一代信息通信技术与制造业的融合逐渐从理念普及走向应用推广，制造业智能化、柔性化、服务化、高端化转型发展趋势愈发明显，对高性能、具有灵活组网能力的无线网络需求日益迫切。传统的工业网络存在时延不稳定、数据孤岛以及安全风险等问题。工业现场总线协议标准各异，不同厂家设备无法互通，设备状态无法得到有效监控，企业需要在计划排产、物料配送、生产协同、质量控制、设备检测等环节投入大量的人力物力。传统 IP 网络采用尽力而为的传输机制，时延不稳定且存在丢包，在一些时间敏感型场景无法使用。同时，网络安全问题层出不穷，工控设备普遍不打补丁，一旦设备联外网就容易遭到入侵攻击，为企业 带来极大损失。 5G 需解决的不仅是人与人的连接，更是人与物、物与物的连接问题。智能制造应用的网络通信以有线和无线的两种传输方式，有线 方式是工业 PON、以太网网络通信技术，无线通信方式是 4G、 5G、 Wifi、 NB-IoT、 RoLa、 Zigbee 等多项网络技术。综合工业互联网未来发展需求，对 5G 系统提出了以下技术需求： 1.传输速率需求，要求提高 10-100 倍， 同时用户体验速率、用户峰值速率分别达0.1-1Gb/s、 10Gb/s。 2.时延需求，要求时延降低 5-10 倍，达毫秒量级； 可以满足工业实时控制、云化机器人等的应用网络传输能力，保证系 统控制指令、数据能及时发送到设备，从而达到可靠的、安全的生产 操作过程。 3.设备连接密度需求，要求提高 10-100 倍，达 600 万个 /km2。 可以满足人机物三元协同、 AGV 多机协同等应用的网络连接能力 ,满 足设备柔性生产，提升生产效率。 4.流量密度需求，要求提高 100-1000 倍，达 20Tbps/km2；满足智能监测、数字双生等结合 AI 和远程通迅 技术实现工业协同操作指导、专家系统开发、大数据分析、运算等的目的。5.安全性需求，面对多种应用场景和业务需求需建立 5G 网络 安全架构，满足不同应用的不同安全级别的安全需求。 2.2 5G+智能制造总体架构 5G 网络从传统以人为中心的服务拓展至以物为中心的服务，在工业领域，其特有的大带宽、低时延，以及高可靠等特性，使得无线技术应用于现场设备实时控制、远程维护及操控、工业高清图像处理等工业应用新领域成为可能，同时也为未来柔性产线、柔性车间奠定了基础。媲美光纤的传输速率、万物互联的泛在连接特性和接近工业总线的实时能力， 5G 技术正逐步向智能制造渗透，开启工业领域无 线发展的未来。伴随中国加快实施制造强国战略，推进智能制造发展， 5G 技术将广泛深入应用于智能制造， 5G+智能制造的总体架构主要包括四个层面：数据层、网络层、平台层和应用层。 图 2-1： 5G+智能制造总体架构 （ 1） 数据层 数据层负责采集来自工厂内设备状态、车间工况、运营环境、生 产数据，以及管理人员、维修人员产生的各类运维服务和管理信息等。 其本质是利用传感技术对工厂内的多源设备、异构系统、运营环境、 人员等要素信息进行实时采集和云端汇集，从而构建一个实时、高效、 精准的数据采集体系。同时，通过协议转换和边缘计算技术，采集到 的数据有一部分在边缘侧进行分析处理，并直接将结果返回到设备， 指导设备运行；另一部分数据将传到云端进行综合分析处理，从而进一步优化形成决策。数据层实现了制造全流程隐性数据的显性化，为 制造资源的优化提供了海量数据源，是实时分析、科学决策的起点，