工业互联网产业联盟2018年工业无线电磁环境白皮书汽车制造领域20181119页

工业互联网产业联盟（AII）2018年10月——汽车制造领域（2018年）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WirelessXLabs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，CompoundAnnualGrowthRate），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1-12018-2023年全球智能制造产值规模预测(单位：亿美元)050002018年E2023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42005100654181009963122331500030%25%20%15%10%5%0%2010-2017年中国智能制造产值规模（亿元、%）图1-22010-2017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E2019年E2020年E2021年E2022年E2023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1-32018-2023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，ISA100.11a、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