多場景突破，華菱湘鋼譜寫5G智慧工廠進化論
隨著5G時代的車輪滾滾駛來，對于許多傳統(tǒng)制造企業(yè)而言，如何找到5G與自身業(yè)務結合的場景，最終推動商用落地——這個過程往往充滿挑戰(zhàn)。
談起5G，大部分人腦海中的第一印象可能是“飛快的網(wǎng)速”，然而5G的意義遠不止于此。作為支撐經(jīng)濟社會數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化轉型的關鍵基礎設施，5G被認為是“新基建”的重中之重。它不僅是萬物廣泛互聯(lián)、人機深度交互的基礎，在近期助力疫情防控、復工復產(chǎn)等方面也表現(xiàn)出突出作用。
通過“5G+云”，數(shù)以千萬計的網(wǎng)民在線對火神山、雷神山醫(yī)院進行了“云監(jiān)工”；借助“5G+大數(shù)據(jù)”，我們可以快速的實現(xiàn)全球疫情通報、物資匹配；憑借“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”，制造企業(yè)打破了疫情帶來的地理隔離，實現(xiàn)了對產(chǎn)線的遠程控制，將自身打造成“黑燈工廠”。在3月6日工業(yè)和信息化部召開的加快5G發(fā)展專題會上，工信部副部長陳肇雄明確提出要深化5G融合應用，豐富5G技術應用場景。
隨著5G時代的車輪滾滾駛來，對于許多傳統(tǒng)制造企業(yè)而言，如何找到5G與自身業(yè)務結合的場景，最終推動商用落地——這個過程往往充滿挑戰(zhàn)。特別是5G在消費端市場爆發(fā)出巨大潛能，并不斷向制造端滲透后，傳統(tǒng)企業(yè)或多或少都有著跟不上節(jié)奏，怕被時代所拋棄的擔憂。
在這方面，湖南華菱湘潭鋼鐵集團有限公司（下文簡稱華菱湘鋼）攜手湖南移動、華為實現(xiàn)了5G在天車無人駕駛、天車遠程控制、機械臂遠程控制等諸多場景應用落地，特別是日前三方強強合作打造了國內(nèi)鋼鐵行業(yè)首個橫跨亞歐大陸的“5G＋AR”遠程裝配協(xié)作解決方案，為制造企業(yè)應用5G技術推進智能化發(fā)展、實現(xiàn)數(shù)字化轉型帶來了新的思考與借鑒。
圖1 華菱湘鋼全景圖（圖片來自于網(wǎng)絡）
疫情突發(fā)，地理隔絕導致精密產(chǎn)線裝配難題
華菱湘鋼始建于1958年，是國內(nèi)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)和寬厚板、線材、棒材重要生產(chǎn)企業(yè)，已形成年產(chǎn)鋼1300萬噸的綜合生產(chǎn)能力。成立至今60余年來，華菱湘鋼產(chǎn)品結構經(jīng)歷多次調整，從“江南一枝花”線材產(chǎn)品到擁有線、棒、板三大類400多個品種，在造船、橋梁、工程機械、海工、高建、壓力容器、清潔能源、汽車用鋼等領域獨具優(yōu)勢，已成為多個鋼材細分領域的“隱形冠軍”。
近年來，華菱湘鋼認真貫徹落實“中國制造2025”戰(zhàn)略部署和湖南省制造強省五年規(guī)劃，緊跟鋼鐵產(chǎn)業(yè)智能制造發(fā)展方向，瞄準“讓設備開口說話、讓機器自主運行、讓職工尊嚴工作，讓企業(yè)高效發(fā)展”目標，圍繞“建設具有國際競爭力、受人尊敬的現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)”的企業(yè)愿景，推進5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術與生產(chǎn)現(xiàn)場深度融合。特別是在華菱湘鋼棒材制造加工方面，相較于寬厚板等產(chǎn)品，線棒材的產(chǎn)能和品質距離行業(yè)頂尖水平仍存在一定差距。在華菱湘鋼推進“黑燈工廠”、“5G智慧工廠”示范項目過程中，湘鋼棒材廠加速技術升級，從德國和奧地利引進精密設備，實現(xiàn)對精品中小棒特鋼生產(chǎn)線的提質改造，并計劃2020年5月份完成提質改造工作。
然而，一場突如其來的疫情打亂了華菱湘鋼的發(fā)展節(jié)奏。由于國外疫情的持續(xù)發(fā)酵帶來的差旅限制，德國和奧地利技術人員無法趕赴湘潭現(xiàn)場配合設備安裝，這無疑給精品中小棒特鋼生產(chǎn)線設備的安裝調試帶來了影響，雖然華菱湘鋼技術人員嘗試了電話、微信視頻等諸多方式，卻始終無法實時解決裝配調試過程中遇到的技術難題。
在這種情況下，華菱湘鋼最終決定借助5G技術高速率、低延時、大帶寬的特性，和AR應用相結合，解決裝配調試過程中遇到的高速穩(wěn)定數(shù)據(jù)傳輸和裝配指導實時體驗這兩大難題。
5G+AR，助力國外工程師“身臨其境”
早在2019年，華菱湘鋼就已開始瞄準5G技術，部署5G基站。此次在全力復工復產(chǎn)和加速提質改造的使命要求下，華菱湘鋼又與湖南移動、華為強強聯(lián)手，利用前期已經(jīng)部署好的5G網(wǎng)絡，快速開通一條跨國專線，搭建了湘鋼現(xiàn)場工程師和國外技術人員之間的高速率、低時延通信網(wǎng)絡，通過AR技術和高清全景攝像頭實現(xiàn)遠程協(xié)作裝配。
圖2 華菱湘鋼棒材廠5G+AR跨國遠程裝配
由于產(chǎn)線裝配精密度要求較高，細到需要確定每一顆螺絲的松緊程度，進而確保生產(chǎn)線裝配運轉精準無誤。因此，在遠程協(xié)助裝配的過程中，基于視頻及AR的應用都需要實時傳輸高清畫面，并且要求畫面清晰、實時、穩(wěn)定，達到“身臨其境”的指導和診斷效果。
對此，華為在本次遠程協(xié)作裝配中首次使用了集成5G工業(yè)模組的華為5G球形攝像機，這也是該攝像機在全球范圍內(nèi)的首次試商用。通過5G網(wǎng)絡與5G攝像機的協(xié)同，以及多項創(chuàng)新技術，有效解決視頻傳送峰值速率要求高，無線網(wǎng)絡上行通道受限的問題，同時保障了視頻的畫質與流暢度。
利用這套“5G+AR”的遠程協(xié)作裝配解決方案，位于湘潭的工程師將現(xiàn)場環(huán)境視頻和第一視角畫面通過5G網(wǎng)絡實時推送給位于德國和奧地利的工程師，國外工程師依托實時標注、凍屏標注、音視頻通信、桌面共享等AR技術，遠程協(xié)助現(xiàn)場工程師實現(xiàn)了產(chǎn)線裝配。
如今，湘鋼棒材廠精品中小棒特鋼生產(chǎn)線正在有條不紊的裝配調試中，且已完成了90%以上的設備安裝任務，計劃于2020年5月底投產(chǎn)使用。值得一提的是，本次在工業(yè)建設現(xiàn)場創(chuàng)新使用的5G+AR解決方案，也具有廣泛的借鑒作用，這種非接觸協(xié)作方式不僅可應用于遠程協(xié)同裝配，還可應用于遠程協(xié)同設計、遠程設備維護、遠程醫(yī)療診斷等多種場景，讓更多受到疫情影響的企業(yè)快速復工復產(chǎn)。
提前布局，多場景落地打造5G應用最佳實踐
對于華菱湘鋼而言，5G不僅僅是解決本次遠程協(xié)作裝配調試的應急方案，更是智慧工廠建設的核心引擎。面對“新基建”帶來的戰(zhàn)略發(fā)展機遇，華菱湘鋼正著力利用5G、AI、大數(shù)據(jù)、云計算等ICT技術進行全業(yè)務、全流程的數(shù)字化升級，打造鋼鐵行業(yè)的智能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。
特別是在5G應用場景落地方面，華菱湘鋼早已開始布局，這也是本次基于5G+AR的遠程裝備調試能夠得以快速部署的原因之一。從2019年開始，華菱湘鋼就攜手湖南移動、華為三方戰(zhàn)略合作，在5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域先行試水，實現(xiàn)了天車遠程控制、天車無人駕駛和機械臂遠程控制等諸多應用場景：
天車遠程控制
在推進智能制造、實現(xiàn)精益生產(chǎn)的過程中，“以人為本”一直是華菱湘鋼的核心價值觀之一。而作為鋼鐵行業(yè)的重要裝備，部分天車崗位存在高溫、噪聲等環(huán)境影響，還易因連續(xù)作業(yè)，引發(fā)人為操作失誤，有可能導致安全或生產(chǎn)事故。此外，天車崗位分散且難以維護，也對組織管理帶來不小的挑戰(zhàn)。
為應對上述挑戰(zhàn)，華菱湘鋼聯(lián)合湖南移動、華為打造了基于5G的天車遠程控制解決方案。整個系統(tǒng)由遠程操控系統(tǒng)（含視頻監(jiān)控、控制搖桿等）+5G網(wǎng)絡+天車（含5G CPE、PLC、高清攝像頭等）三部分組成。通過在天車端進行機電技術升級改造、部署5G CPE等設備，華菱湘鋼利用5G網(wǎng)絡打通了天車和遠程操控系統(tǒng)之間的通信鏈路，讓操作人員在舒適的辦公室內(nèi)就能完成對天車的各項操控，實現(xiàn)從“藍領”工人到“白領”工人的轉變。而天車上配備的多個高清攝像頭為操作員提供了全方位視角，保障了遠程操控的精準性和實時性。
在整個解決方案中，穩(wěn)定的性能是天車遠程操控系統(tǒng)實施成敗的關鍵，通信網(wǎng)絡必須具備大帶寬、低時延、高可靠的特性。華菱湘鋼在天車端和遠程操控端通過5G網(wǎng)絡搭建通訊系統(tǒng)，上行速率達到200Mbps，下行速率達到1.2Gbps，通信時延達到20毫秒，完全滿足PLC控制指令實時下發(fā)、高清視頻實時回傳和視頻實時監(jiān)控的訴求。遠程操控系統(tǒng)滿足人機協(xié)同下的實時操控和定位操作的需要，同時充分考慮操作人員的視覺舒適性和操作舒適性。天車遠程控制的成功應用不僅改善了員工的工作環(huán)境，還可以提高天車作業(yè)效率。
天車無人駕駛
為了進一步提升天車的工作效率，解放員工的生產(chǎn)力，華菱湘鋼在天車遠程控制的基礎上，結合自身多年的實踐經(jīng)驗，總結出天車操控的一般性規(guī)律，探索操作相對固定的天車無人駕駛模式。
與遠程操控天車不同，天車無人駕駛系統(tǒng)需要不斷實時采集天車水平方向、垂直方向的距離信息，同時獲取周邊物料、坑料、車輛、車斗高度及裝卸位置信息和畫面，以此構成無人駕駛系統(tǒng)自主決策的基礎。因此，華菱湘鋼使用了采集器（3D掃描儀、激光測距儀、高清攝像頭）+5G網(wǎng)絡+PLC控制器的模式，實現(xiàn)天車端數(shù)據(jù)和周邊環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集。通過5G網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸至服務器端進行處理分析，建立現(xiàn)場三維數(shù)據(jù)模型，結合AI智能算法輸出動作指令集，下發(fā)給天車執(zhí)行，從而實現(xiàn)天車無人化自主生產(chǎn)，如自動上料、自動吊裝、自動卸料等。
對于華菱湘鋼而言，天車無人駕駛除了將員工徹底從天車操控室中解脫出來外，無人天車還與華菱湘鋼MES系統(tǒng)集成起來，天車依據(jù)訂單需求自主實現(xiàn)鋼板調運、按需出庫，效率及出庫準確率明顯提升。無人天車真正實現(xiàn)了“讓設備自主運行”的目標，在減人增效方面也帶來了新進展，為“5G智慧工廠”建設奠定了扎實的技術基礎。
機械臂遠程控制
隨著連鑄技術的迅速發(fā)展，加渣環(huán)節(jié)在鋼鐵生產(chǎn)過程中越來越受到重視。然而加渣作業(yè)是一項相對枯燥而又繁重的工作，且伴有高溫及熱輻射，對員工及連貫性作業(yè)有著一定影響。
對此，華菱湘鋼在運用機械臂加渣的基礎上，通過5G網(wǎng)絡實現(xiàn)加渣機械臂和控制系統(tǒng)的互聯(lián)互通。通過5G手機，操作人員可隨時隨地一鍵啟動加渣程序，控制高溫轉爐旁邊的機械臂實現(xiàn)加渣、吹渣動作的自動運行，高溫轉爐現(xiàn)場不再需要工人，降低工人車間高危作業(yè)的風險。此外，減少人為干預后，加渣機械臂能更均勻的噴灑到煉鋼轉爐，大幅提升鋼鐵生產(chǎn)質量。
目前，華菱湘鋼廠內(nèi)已部署了76個5G基站，這些新的應用場景徹底改變了鋼鐵行業(yè)過去“傻大黑粗”的刻板印象，在提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質量、改善員工工作環(huán)境、防范安全事故等方面發(fā)揮了積極作用。值得一提的是，“5G+智慧天車”應用場景的成功實踐，被GSMA和信通院聯(lián)合發(fā)布的《中國5G垂直行業(yè)應用案例2020》選入，作為深化5G融合應用的典型場景之一。在5G等數(shù)字化手段賦能下，2019年湘鋼的鋼、材產(chǎn)量分別提高了1.92%、3.58%，勞動生產(chǎn)率提高了8.79%，資產(chǎn)負債率降低了3.14%，噸鋼綜合能耗降低了3.61%，產(chǎn)品質量損失降低了16.07%。
持續(xù)創(chuàng)新，譜寫5G智能工廠進化論
作為“十三五”規(guī)劃的收官之年，2020年初的疫情給鋼鐵行業(yè)帶來了不小的影響，主要體現(xiàn)在建筑、汽車等下游行業(yè)對鋼材的需求延遲。然而在華菱湘鋼看來，以推進智能制造為主線，提高鋼鐵行業(yè)綠色化、智能化水平，提質增效，推動鋼鐵行業(yè)高質量發(fā)展的基調不會改變。
在具體推進5G智能工廠的建設過程中，人員、機器、物料、工藝、環(huán)境（人、機、料、法、環(huán)）的實時數(shù)據(jù)采集是企業(yè)智能化發(fā)展的基礎。在構建數(shù)據(jù)驅動的企業(yè)過程中，從數(shù)據(jù)中分析、挖掘價值，建立廣泛的數(shù)據(jù)連接成為了華菱湘鋼轉型升級的關鍵，而5G成為了滿足數(shù)據(jù)互聯(lián)需求的重要手段。
因此，除了現(xiàn)有基于5G的高清視頻采集、AR遠程維護和設備遠程控制之外，華菱湘鋼將繼續(xù)攜手湖南移動和華為搭建一套專有網(wǎng)絡、建設三個管理中心、覆蓋十大應用場景，實現(xiàn)從設計、生產(chǎn)到銷售各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)互聯(lián)互通和資源整合優(yōu)化。在目前已經(jīng)取得的成果和經(jīng)驗基礎上，2020年華菱湘鋼將與湖南移動、華為三方一起擴大天車遠程控制、天車無人駕駛、高清視頻監(jiān)控的應用范圍，加速工廠數(shù)字化、智慧化進程，實現(xiàn)無人庫房、空車識別、電子圍欄、鋼材表面質量檢測、鐵水運輸車無人駕駛等重要應用場景。
當這一個個應用場景落地后，還需要由點及面，實現(xiàn)5G智慧工廠的全局智能優(yōu)化。這時候，僅僅依靠5G技術是不夠的，作為使能技術而言，5G還需要與相關的技術實現(xiàn)深度融合，包括云計算、邊緣計算、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等，通過“5G+云”、“5G+AI”等才能帶來裂變式發(fā)展。
對此，華菱湘鋼將和湖南移動、華為合作利用云端的超強計算能力和人工智能技術對海量數(shù)據(jù)進行分析和學習，打造云端的工業(yè)大腦。工業(yè)大腦掌握整個企業(yè)的歷史運行狀況、實時生產(chǎn)狀態(tài)、設備健康狀況、原材料狀況、產(chǎn)品狀況和人員狀況，據(jù)此進行生產(chǎn)排程、工藝優(yōu)化、預測性設備維護和智能決策等，使得各種各樣的設備和產(chǎn)品變得更加智能，帶來華菱湘鋼整體智能化水平的躍遷。
小結
隨著國家“新基建”政策以及各種扶持政策的出臺，一定會為當前經(jīng)濟增長和制造業(yè)發(fā)展提供新的動力。同時，本次疫情也會倒逼制造企業(yè)轉型升級，利用5G、人工智能、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等新技術進行更深入的數(shù)字化轉型而獲得未來競爭優(yōu)勢。面對“新基建”帶來的戰(zhàn)略發(fā)展機遇，華菱湘鋼也將在湖南移動、華為等合作伙伴的支持下，一步一個腳印，在推進智能化轉型升級的道路上堅定不移的走下去。
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