2018年工业无线电磁环境白皮书——汽车制造领域.pdf

工业互联网产业联盟（AII）2018年10月汽车制造领域（2018年）联系我们工业互联网产业联盟 秘书处地址：北京市海淀区花园北路52号，100191电话：010-62305887邮箱：aiicaict.ac网址：aii-alliance随着工业 4.0，中国制造 2025 等各个国家政策的推动，工业互联网已成为国家关键竞争力，智能制造正加速发展。进入二十一世纪，物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展及应用，使得社会发生巨大的改变，人类生产工业发生变革，智能制造被赋予了新的内涵，即新一代信息技术条件下的智能制造。智能制造不仅使生产模式变得高效灵活，促使产业链更加有效的协作与整合，而且催生了新型生产服务型制造，同时协同了开发和云制造的共同发展。一方面促进劳动效率、生产效率、产品质量的提升，另一方面推动了全行业的创新和改革。现阶段智能制造普遍采用的有线方案面临着布线工期长、易腐蚀、维护难、成本高等诸多问题，同时随着柔性制造的需求越来越强烈，未来的生产线需要适应客户个性化的定制需求，而无线技术的应用不仅可以实现生产线灵活的调整和重组，而且在部署维护等方面成本优势明显，更顺应未来智能制造产业的发展趋势。为更好地保障无线技术在工业领域的应用，研究分析典型工业场景复杂电磁环境是关键一环。充分了解工厂的干扰情况和信道特征，深入研究工业场景下电磁环境，从而进一步支撑无线网络的部署，推动无线技术与工业应用的深度融合。本报告简要介绍了无线化智能制造的背景以及关键应用场景，以工业典型场景汽车制造领域为例，重点分析了其焊接车间的电磁环境，包括噪声干扰和信道特征两部分内容，进而针对焊接车间电磁环境特点，给出无线通信解决方案思路和方向上的建议，以供进一步网络规划作为参考。白皮书旨在以汽车制造焊接车间的电磁环境分析为例，明确工业电磁环境对无线通信的影响以及对无线通信解决方案的指导意义，促进工业领域建网的规范化、标准化发展，保障无线网络可靠性，从而由点到面逐步快速推动无线智能制造覆盖全行业，为工业互联网的发展和创新做出重要贡献。工业互联网网络是不断演进发展的，联盟将根据国内外工业无线应用的发展情况，持续推进工业典型电磁环境的研究分析，广泛吸纳产业界的反馈意见，适时修订和发布报告新版。工业互联网产业联盟指导单位华为 Wireless X Labs编写单位华为技术有限公司：陈彦彤、郭洪涛、郭朝阳、黄冠琛北京邮电大学：张建华等北京交通大学：刘留等重庆邮电大学：严冬等吉利汽车研究院（宁波）有限公司：胡峥楠，丁华，辜自强，姚军中国信息通信研究院：杜加懂、王琦编写组成员编写说明04缩略语05参考文献目录CONATENTS01无线化智能制造背景及应用场景1.1 智能制造发展与市场前景1.2 无线化智能制造的优势和价值1.3 工业无线电磁环境分析必要性1.4 汽车制造焊装车间无线技术关键应用场景03工业无线通信解决方案建议3.1 汽车制造焊接车间无线解决方案建议3.2 工业无线常见问题解决方案建议3.3 小结3.1.1 增加链路预算，弥补路径损耗3.1.2 控制无线电传输方向，减少NLOS场景通信3.1.3 抵抗多径干扰，保障主径分量3.1.4 扩大信道带宽，弱化多普勒效应3.2.1 频谱规划与选择3.2.2 抗干扰机制3.2.3 确定性传输机制02汽车制造焊装车间电磁环境分析2.1 汽车制造焊装车间电磁噪声特性分析2.2 汽车制造焊装车间信道特征分类分析2.1.1 焊装车间电磁噪声干扰源2.1.2 焊装车间电磁噪声特性1.4.1 机器人与机器人协同控制1.4.2 焊装过程中的视频监控1.4.3 焊装车间工序间的物料传输AGV应用2.2.1 遮挡障碍2.2.2 金属屏蔽2.2.3 时变信道2.2.4 测试结论01212124302901030405091013无线化智能制造背景及应用场景01智能制造发展与市场前景1.1智能制造是伴随信息技术的不断普及而逐步发展起来的。1988 年，美国纽约大学的怀特教授(P.K.Wright) 和卡内基梅隆大学的布恩教授 (D.A.Bourne) 出版了智能制造一书，首次提出了智能制造的概念，并指出智能制造的目的是通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器控制对制造技工的技能和专家知识进行建模，以使智能机器人在没有人工干预的情况下进行小批量生产。21 世纪以来，随着物联网、大数据、云计算等新一代信息技术的快速发展及应用，智能制造被赋予了新的内涵，即新一代信息技术条件下的智能制造，从而使得社会发生巨大的改变，人类生产工业发生变革，使人类社会生活水平更上一个台阶1。从全球范围来看，除了美国、德国和日本走在全球智能制造前端，其余国家也在积极布局智能制造发展。例如，欧盟将发展先进制造业作为重要的战略，在 2010 年制定了第七框架计划 (FP7) 的制造云项目，并在 2014 年实施欧盟“2020 地平线”计划，将智能型先进制造系统作为创新研发的优先项目；德国为应对全球挑战提出了“工业 4.0”的发展计划；我国根据发展的实际情况，提出中国制造 2025的国家战略规划2。2017 年，具有连接和感知能力的机器人继续引领智能制造发展，随着 AI 技术的进步，工业机器人也变得更加智能，并能够感知，学习和自己做决策。结合当前全球智能制造的发展现状和发展趋势，预计到 2020 年，全球制造业的连接数将达 125 亿，保守估计未来几年全球智能制造行业将保持 15% 左右的年均复合增速（CAGR，Compound Annual Growth Rate），预计到 2023 年全球智能制造的产值将达到 23108亿美元左右（图 1-1）3。图 1-1 2018-2023 年全球智能制造产值规模预测(单位：亿美元)050002018 年 E 2023 年 E10000150002000025000CAGR=15%经过连续三年的试点和探索，我国智能制造行业发展取得了显著成就。数据显示，2010-2017年，我国智能制造行业保持着较为快速的增长速度，到 2017 年，我国智能制造行业的产值规模已达到 15000 亿元左右（图 1-2）3。产值规模（亿元） 同比增长 (%)160001400012000100008000600040002000034002010 年 2011 年 2012 年2013 年 2014 年 2015 年 2016 年2017 年420051006541810099631223315000 30%25%20%15%10%5%0%2010-2017年中国智能制造产值规模（亿元、%）图1-2 2010-2017年中国智能制造产值规模预计未来几年我国智能制造行业将保持 11%左右的年均复合增速，到 2023 年行业市场规模将达到 2.81 万亿元，行业增长空间巨大（图1-3）3。02018 年 E 2019 年 E 2020 年 E 2021年 E 2022 年 E 2023 年 E0.511.522.531.671.852.052.282.532.812018-2023 年我国智能制造行业规模预测（万亿元）图 1-3 2018-2023 年中国智能制造行业规模预测01 工业无线电磁环境白皮书 02工业无线电磁环境白皮书03 工业无线电磁环境白皮书 04工业无线电磁环境白皮书无线化智能制造的优势和价值1.2工业互联网作为智能工厂的基础，已成为国家关键竞争力，市场空间达 11.6 万亿美元。现阶段的传统模式下，工业互联网仍依靠有线技术来连接应用，面临着布线工期长、易腐蚀、维护难、成本高等诸多考验：（1）部署成本高、工期长。以 6km2厂区为例，退火、镀锌等采集点多（超过 1000 个），最远1400m 部署光纤需架线，工期达 30 天，影响工厂投产；（2）线缆更换成本高。硬件材料在连退、酸洗车等高温腐蚀环境，线缆易损坏，导致线缆更换频繁，每 12 个月须检测更换线缆；（3）检修困难。一条自动化装配线上可能有多达上百个开关可识别托盘，有线开关安装在输送机下方，电缆则铺设在装配线地板下的通道中，如果电缆失效，往往很难检修；（4）管理成本高。如果操作区域发生变化，有线需要完全重新布设以满足新定义操作区域的要求，管理成本将会更高；工业无线电磁环境分析必要性1.3与商用和民用无线通信的环境相比，工业无线通信电磁环境更加特殊和复杂，这对于无线通信的信号传播有很大的影响。从信息论的角度看，无线通信传输效率、质量及应用效果主要受两个因素制约：一是传输链路的信噪比：二是传输的信道特征。移动无线通信系统的传输速率和传输质量最终都要受到无线信道和噪声的制约。只有在充分研究和了解所设计系统的信道和噪声特性随着智能制造的逐步发展，柔性生产的愿望越来越强烈，未来的生产线不仅需要适应客户个性化的定制需求，同时还要满足小批量的生产需求。这些需求要求产线可以灵活地进行调整和重组，而有线连接的方案线受限于线体长度、缠绕等问题（图 1-4）不利于产线的移动，甚至存在安全隐患。然而，无线通信在工厂中的应用会带来多方面的优势，不仅可以适应产线的灵活调整和重组，充分满足高速移动、旋转等应用场景，而且可以使网络部署维护更加高效便捷，同时降低成本。具体如下：图1-4 有线方案线体缠绕无线技术可以提升效率。未来柔性制造的生产模式下，工厂可根据实际的定制化需求，灵活地调整产线结构，实时地进行不同产品的生产制造，有线技术的设备移动受限，产线结构固化，限制了产线设备的移动，而无线网络由于部署灵活性，能够满足灵活产线调整需求，同时无线还省去了线缆的部署和维护时间，提升了网络运行的效率，节省了大量的加工时间，进一步大大提升生产效率。无线技术可以保障安全。现阶段工业自动化程度较高，产线机器人数量庞大，无线技术可避免因为有线线缆的老化导致的机器人非正常运动，降低对设备或者人员造成损害或伤亡。同时，无线技术也可避免因有线线体缠绕导致的设备骤停（图 1-4），产线故障瘫痪，进而引发大面积机器行为混乱危害人身安全。无线技术可以降低成本。无线技术相比与有线可在硬件材料成本节省 30%-40%，安装部署成本节省 80%-90%，工程维护成本节省 45%-55%，管理成本节省 55%-70%，综合可节省 50%-70%4。综合来看，无线化智能制造可以提高生产组网的灵活性，更好的适应将来生产制造的需求，也可以降低成本和提升效率，并保障了生产环境的安全，促进智能制造行业生态的发展。近些年WIFI、ZigBee、FRID、WirelessHART 等无线解决方案已经在制造车间立足，WIFI、ZigBee、RFID 等各类无线通信技术具有使用成本低、易部署等优点，但存在网络覆盖低、容量受限等问题，ISA 100.11a、WirelessHART 等技术受限于传输距离或者传输速率 , 只适用于信息采集等少量工业互联网应用，可见这些无线解决方案在带宽、可靠性和安全性等方面都存在局限性。5G 作为新一代移动通信网络具有统一规划部署、广域覆盖、抗干扰能力强、小区切换可靠性高以及端到端网络 QoS 保障等优点，将会大大克服以上问题。同时，随着工业化与信息化的深度融合，企业内部互联互通的需求渐增，通过接入网络进而达到提高产品质量和运营效率的需求更为强烈，利用新一代移动通信网络可将生产设备无缝连接，使生产更加扁平化、定制化、智能化，从而构造一个面向未来的无线化智能工厂。后，才能采取与之相适应的各种物理层技术，如最佳的调制方式和编码交织方式、均衡器的设计，或者MIMO、OFDM系统中的天线配置选择和子载波分配等，从而充分挖掘该系统的容量，并进一步优化系统的性能。无线信道模型是人们对无线传播环境及其传播特性的一个抽象的描述，无线信道的传播特性是构建移动无线通信系统的基础部分，其在无线通信系统从设计评估到标准化以至到最终部署的各个环节中，都有重要的作用：（1）当新的无线传输技术和理论被提出时，往往使用信息论工具进行推导验证，从而为新技术提供理论依据、性能极限。（2）在无线传输技术研究、设计以及标05 工业无线电磁环境白皮书 06工业无线电磁环境白皮书汽车制造焊装车间无线技术关键应用场景1.4汽车制造业是国民经济重要的支柱产业，一直被当成工业发达国家的经济指标，在国家实力成长和社会发展中发挥着极为重要的作用。汽车制造业是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程，反映了一个国家的综合工业水平，不仅可以带动钢铁、冶金、橡胶、石化、塑料、玻璃、机械、电子等诸多相关产业，而且吸纳各种新材料、新工艺、新设备、新技术，持续增长的生产规模和市场规模，创造了巨大的产值、利润和税收。随着汽车行业之间竞争的日益激烈，各生产厂家都普遍面临着：提高生产效率、降低生产成本、提高生产管理水平等种种压力，汽车行业的智能制造正在飞速发展中。汽车制造是典型的多工种、多工艺、多物料的大规模生产过程，包括冲压工艺、焊装工艺、涂装工艺、总装工艺。其中焊装工艺水平直接关系着汽车产品的外观质量和使用性能，是汽车制造的最重要的环节，在焊装车间将冲压成型的车身各组件经过散件拼焊，整车拼焊，形成整车白车身。另外，焊装车间生产线众多、智能化程度高、焊接设备量大、拼焊工艺复杂，使得焊装环节电磁环境最为复杂，因此，我们以汽车制造焊装车间为例简单介绍其应用场景，并于第二章重点分析其电磁环境特征。1.4.1 机器人与机器人协同控制 焊装是自动化程度最高、机器人使用数量最多的车间。在焊装生产过程中，存在各种机器人与机器人协同工作的情况，如：两台机器人共用一把焊枪、两台机器人协同涂胶、两台机器人协同搬运、两台机器人协同焊接等。通过无线化，减少机器人间的线缆部署，使产线部署更灵活。机器人协同控制系统一般由4大部分组成（图1-5）：PLC、机器人控制器、无线网络、机器人，主要有两大类信号：（1）机械手臂任务信号：PLC通过无线网络下发任务命令（如抓举车身、焊接车身）给多个控制器，控制器按照下发的任务命令控制机械手臂进行作业；（2）互锁信号：控制器反馈机器人预定义作业信号至PLC，PLC实时同步互锁命令给多个控制器，保障机械手臂在运动过程中不会碰撞。在焊接过程中，一个机械手臂通过PLC下发的任务命令抓举车身，另一个机械臂举起焊枪进行焊接操作。同时，PLC实时下发互锁命令保障机器手臂间不会产生异常的碰撞。机器人协同控制对网络时延和实时性要求很高，环境中的干扰和信号传输问题都是影响其业务的运行的重要因素。准化阶段，都需要对各种候选方案进行性能评估。评估阶段所使用的信道模型的准确性与否直接决定了仿真结果的可靠性、准确性。因此在移动通信技术的评估过程中，各个标准化组织非常重视评估信道模型的标准化工作。（3）在实际的无线通信系统的部署中，需要根据实地无线传播环境进行网络规划，容量优化，盲区覆盖等工作。准确的信道模型（特别是路径损耗和阴影衰落模型）可以使网络部署、优化、规划的工作更加准确和有效，从而提升无线网络的覆盖能力。从传输链路信噪比来看，在常规无线通信中信噪比的定量使用中，通常使用加性高斯白噪声，即噪声的功率谱是一个常数。工厂在工作时，电焊机、变频器、点火系统、稳压器以及高压输电线等设备都会辐射出大量的电磁噪声，这时会出现突发的脉冲噪声，这些噪声可能在功率谱形状、生命周期等方面和传统的加性高斯白噪声有着较大的不同，会导致正常的通信信号受到干扰，数据包无法按时准确的传送到接收端5-6。从信道特征来看，不同的工业领域由于工艺和产品各不相同，车间内各类物理条件、设备等吸收和反射能力有很大差异，导致信道传播特征（包括路径损耗，多径分量等）均表现不同。工业环境中大型设备的密度、金属类器材与材料的密度以及各种传播阻碍物的数目，对于无线通信信号的传输至关重要。机床、机械臂等金属障碍物会对电波传输损耗造成影响；金属设备在电波传播中会形成较强的镜面反射和散射，从而产生更多强度较大的多径分量；工业自动化中的机械臂转动、机器人运输移动等运动因素会让无线信道同时具有时变特性，这些特殊的信道特征都将对信号传输、网络性能产生影响。因此，需要对典型工业场景的电磁环境进行分析研究，了解干扰源的噪声特性，并根据实际的工业环境、特点以及工业性质来提取无线信道的参数，从而进一步规划通信频段，指导工业建网，支撑无线技术的空口设计，性能评估和优化等，更好地保障工业无线通信应用在未来智能制造领域的可靠性，推动行业发展。图 1-5 机器人与机器人协同控制示意图5G AP5G5G UEcontrollerSlave 11Slave 2PLCcontroller5G UESwitchSwitch07 工业无线电磁环境白皮书 08工业无线电磁环境白皮书1.4.2 焊装过程中的视频监控 在车身制造过程中，存在各种作业机器人，包括点焊机器人、涂胶机器人、激光焊接机器人、螺柱焊机器人、搬运机器人、弧焊机器人、滚边机器人等，在整个生产区域及控制过程中，为了远程观察作业和维护，需在机器人附近安装高清摄像头，对作业过程录像，期间将产生大量的图片视频。视频监控系统包含三部分：摄像头、无线网络、视频监控平台（图1-6）。当视频监控平台通过无线网络下发启动监控命令到摄像头，摄像头通过无线网络实时采集并上传图片和视频到后端视频监控平台，所需带宽为1Mbps(720p及以上清晰度)。通过该系统可以解决限制区域人员难以进入，无法及时捕捉瞬间的问题，也可减少线缆的部署，灵活改变部署位置。大量的视频和高清图片需要无线网络提供足够的带宽，而机器人系统本身就包含很多电磁干扰源，同时大密度的设备对于信号传输也有阻碍削弱作用，这些电磁环境问题都会对视频和图片的准确可靠送达造成影响。1.4.3 焊装车间工序间的物料传输AGV应用 高柔性化制造已经成为汽车制造行业发展的趋势，AGV在物流柔性方面起到重要作用。AGV系统一般由三大部分组成（图1-7）：AGV中控室、无线网络、AGV小车。AGV中控室与AGV小车之间存在着大量的交互信息均通过无线网络，主要有两大类信号：（1）AGV小车本体控制信号：运动控制信号（AGV状态、异常信息、速度、电压、卡号、方向、管制、能派车、任务点、有无带滑撬、在等待点、吊点放行、前往站点等）、控制信号（举升装置升降等）；（2）与线体PLC对接信号：到位信号、允许进出工作站信号等。自动化线工作站根据站内生产情况，提前生成物料派送任务信息（物料名称，需求工位等），并将任务信息传递给AGV派送系统，AGV派送系统根据需求工位、工艺流程以及AGV小车位置、状态，生成派送任务，并通知适合的AGV小车到达需求工位，按照工艺流程将物料送到目标工位。由于整个过程均为自动化，AGV派送系统需要实时与需求工位、目标工位进行信息交互，包括请求开门、到位、RFID读写成功、允许出门等信息。AGV在工作过程中始终处于移动状态，电磁波传播具有时变特性，这对于接手信号是有影响的，需要分析车间时变信道的特点，从而保证AGV移动过程中路径可控，运行安全可靠，防止碰撞到设备及人员、发生事故。图 1-6 焊装过程的视频监控示意图视频监控平台无线网络高清摄像头机器人无线网络图 1-7 焊装车间工序间的物料传输示意图AGV 调度系统 仓储管理系统重型物料搬运 大型物料搬运 小火车头搬运 无人叉车搬运09 工业无线电磁环境白皮书 10工业无线电磁环境白皮书汽车制造焊装车间电磁环境分析02如前文所述，汽车制造分为四大工艺：冲压工艺、焊装工艺、涂装工艺、总装工艺。冲压工艺主要运用模具将钢板加工成独立的汽车部件，如顶盖、发动机盖外板等，其电磁干扰主要来自冲压机床。涂装工艺、总装工艺分别进行汽车的喷漆以及汽车配件的组装工作。相比于以上三种工艺，焊装工艺是汽车制造的最重要的环节，负责散件拼焊，整车拼焊，形成整车白车身。焊装过程中需要应用电焊机，焊机工作产生电火花的会辐射出大量的电磁干扰，同时，支持电焊机工作的变频器、稳压器、电子开关等设备同样会辐射出一定的电磁干扰。另一方面，焊装车间生产线众多，智能设备使用率高，大型设备的遮挡以及金属材质的反射、散射影响，导致其信道特征更为特殊。因此，汽车制造领域的电磁环境的研究工作主要针对焊装车间展开。汽车制造焊装车间电磁噪声特性分析2.1图 2-1 焊接机器人图 2-3 稳压器图 2-2 变频器以下将介绍焊装车间的主要噪声干扰源以及噪声频谱特性分析。了解了汽车制造车间典型的干扰源，从而更准确地把握汽车厂的电磁噪声情况。2.1.1 焊装车间电磁噪声干扰源汽车制造厂的电磁噪声干扰源主要有电焊机、变频器、稳压器、电子开关、伺服驱动器等设备。电焊机电焊机是一个将电能转换为热能的机器，利用焊机的正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料，完成焊接工作。汽车厂大量应用的焊接机器人如图2-1所示。焊接是汽车制造业最重要的一个环节，车身、车门等部件都需要依靠焊接完成组装。电焊机在工作时，焊头产生的高压电弧会辐射出大量的电磁噪声，这些噪声频率范围很宽，由于焊接产生的电磁噪声可以达到数百MHz7。变频器变频器通过调整输出电源的电压和频率，根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压，进而达到节能、调速的目的。另外，变频器还有很多的保护功能，如过流、过压、过载保护等。变频器的实物图如图2-2所示。在汽车厂中，控制生产线的升降、进退的传送设备以及其他机械设备都需要应用变频器。变频器产生的电磁噪声主要来自整流桥模块、逆变器模块。整流桥在工作时其内部巨大的电流变化会产生谐波辐射，逆变器工作时会产生大量的耦合性噪声8。稳压器稳压器是使输出电压稳定的设备。稳压器由调压电路、控制电路、伺服电机等组成。当输入电压或负载变化时，控制电路进行取样、比较、放大，然后驱动伺服电机转动，使调压器碳刷的位置改变，通过自动调整线圈匝数比，保持输出电压的稳定。稳压器的实物图如图2-3所示。表 2-1 通信信号频谱占用情况图 2-4 天线方向图图 2-5 焊接车间频谱测量结果在汽车厂中，大型的机械设备如电焊机、起重机等设备都需要应用稳压器。稳压器需要用到大量的电磁线圈，这些电磁线圈在工作时会辐射出大量的电磁噪声。电子开关电子开关是指利用电子电路以及电力电子器件实现电路通断的运行单元，在实际使用过程中，电子开关主要是指触摸开关、感应开关、声控开关、无线开关等墙壁开关。汽车厂中的用电设备都需要用到电子开关，但电子开关在工作中会辐射出许多电磁噪声。在开关接通的一瞬间会产生电火花，这是电子开关电磁噪声的主要来源。伺服驱动器伺服驱动器是用来控制伺服电机的一种控制器，通过位置、速度和力矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。汽车厂焊接车间中大量应用的焊接机器人就需要通过伺服驱动器进行控制，保证机器人能够准确的定位焊接位置，进行精确的焊接工作。但由于伺服驱动器需要脉冲信号进行驱动，因此其工作时会辐射出一定的电磁干扰9。2.1.2 焊装车间电磁噪声特性测试分析方法：针对接收端位置的不同进行噪声干扰测试分析，充分对比其干扰情况，分析噪声干扰对于无线通信的影响。电磁噪声测量运用频谱仪和对数周期天线，在汽车厂焊接车间的手工点焊机和焊接机器人（这两种设备是焊接车间最为常见的电磁噪声源，且支持电焊机工作的变频器、稳压器、电子开关等电磁干扰源，共同与电焊机组成电焊系统）各选取一个测量位置进行了300MHz3GHz频段的测量工作，测量采用对数周期天线天线（定向天线）进行垂直、水平两种天线极化方式。天线方向图如图2-4，测量结果如图2-5所示。通过对汽车制造车间不同位置的噪声干扰情况测试后，可看出车间内不仅包括机械设备产生的电磁干扰，同时也包含很多手机通信信号和WIFI通信信号的影响。通过与各地区公开的通信信号频谱占用情况进行对照，可以将车间内各个频段的干扰源以及干扰特征进行梳理和分析。对照后整理出汽车厂的通信信号的频谱占用情况（表2-1）。从测量结果中可得出以下结论：（1）图2-5中包含工厂中的噪声信号和通信信号，在800MHz以下的频率范围存在广播电视信号。通过与公开的通信信号频谱占用情况进行对照可知，图2-5中信号功率较大的900MHz、1.8GHz附近频段存在运营商发射的手机通信信号，在2.4GHz附近频段存在WIFI信号。通信信号强度大体分布在-65-50dBm之间。（2）工厂中辐射出的电磁噪声信号主要集中在300MHz1GHz频段，功率大体分布在-120dB-m-110dBm之间，也就说明汽车制造车间的电磁干扰源主要对低频段的无线信号有影响，那么在车间建网部署的时候就要考虑对该频段的频谱的针对性选择和规避。0.-10.-20.-30.-180. -90. 0. 90. 180.H面 E面11 工业无线电磁环境白皮书 12工业无线电磁环境白皮书频段（MHz） 信号类型 频段（MHz） 信号类型478-486518-526526-534614-622654-662662-670670-678702-710718-726758-766766-774790-798825-835870-880890-915935-9601710-17551755-17851805-18401840-18751885-19152130-21452401-24812575-2595CDMA 上行CDMA 下行GSM800 上行GSM800 下行GSM1800 上行FDD-LTE 上行GSM1800 下行FDD-LTE 下行TD-LTEWCDMA 下行WIFI 信号TD-LTE电视广播信号通信信号背景噪声电磁噪声13 工业无线电磁环境白皮书 14工业无线电磁环境白皮书（3）随着频率的升高，工厂中辐射出的电磁噪声信号的功率呈明显的下降趋势，在1GHz以上，电磁噪声信号功率趋于平缓，功率不再随频率的升高出现明显的降低。在1GHz以上的高频段的干扰主要为通信信号。因此，未来车间的网络部署可以更好地面向1G以上频段，合理的分配频谱，实现与LTE、WIFI等通信信号的频谱复用，从而实现大带宽的网络特性，为汽车制造车间有该需求的应用场景奠定基础。（4）焊接车间的两种焊接设备（手工点焊机、焊接机器人）电磁噪声情况，即频点、功率情况大体上相同。因此，在对这两种设备进行网络部署时，可以选取相同频点。汽车制造焊装车间信道特征分类分析2.2焊装车间生产线众多，智能设备使用率高，大型设备的遮挡、金属外壳的反射、散射、移动设备的影响，导致其信道特征更为特殊。如下对焊装车间的信道特征进行测试分析，主要提取了路劲损耗、K因子、信号包络、时变特性等信道参数。路径损耗是无线系统一个重要的考虑因素，常用公式（1）的路损模型（通用的路损模型）对无线链路传输的路径损耗进行拟合：式中n表示的是路损指数，d为收发两端的距离（单位m），A为拟合截距，X为阴影项，符合高斯分布。在这里主要研究路损指数n，其反映了无线链路功率损耗情况，一般可认为厂房内的大型设备以及其他传播阻碍物密度越大，路径损耗指数越大，对无线链路传播损耗越大，因此需实际测量建立路损模型。K因子参数，K因子是描绘主径信号与多径分量强度比的重要参数，见公式（2）：其中PLOS和PNLOS分别表示LOS径和其他多径分量的功率。K因子越大表示直射分量相比散射径分量就越大，而工厂环境中遮挡障碍削弱主径传播能量，从而会使K因子变小。同时环境中各类设备以及其他传播阻碍物会成为电磁波传播时的散射体，厂房内的大型设备以及其他传播阻碍物密度越大，散射体就会越丰富，电波传播时就会有更多的多径分量，使RMS（均方根时延扩展）值增加，体现在各个接收端信号叠加从而产生码间干扰影响通信。信号包络是信道的小尺度信息，表现出接收信号的分布情况，包络方差的大小可以反映同一路径中接收端信号幅值波动情况，方差越大、波动越大、多径影响越大，因此在链路设计时应考虑环境中多径的影响，从而采取相应措施。时变特性是指当设备以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成电磁波相位和频率的变化，通常将这种变化称为多普勒频移。多普勒频移会导致无线通信中发射和接收的频率不一致，从而使得加载在频率上的信号无法正确接收，甚至无法接收到。焊装车间有大量的AGV小车在移动执行物料搬运的任务，运动速度越快其产生的多普勒效应越严重，对通信所产生的影响也就越大，需要根据业务实际运行情况进行考察。综合来看，信道受到影响有以下几种情况：2.2.1 遮挡障碍不同工业环境中的遮挡障碍，如建筑物、机床、机械臂等对电波传输损耗造成影响不同，同时大量的设备在电波传播中会形成反射和散射，从而产生更多的多径分量，致使信道参数不同10-11。如图2-6所示为实际焊装车间的环境特征，由图可以看出实际环境中存在着大量的物理建筑、设备机床、焊接机械臂等对信号传播有遮挡阻碍作用的因素。图 2-6 实际的工业环境(1)(2)( )( )( )( )( )222| , | , |LOSLNLOSlP m h m lK mP mh m l= =( ) ( )10 log10PL d A n d X= + +金属反射物各种传播阻碍物