工业互联网产业联盟2018年无线应用场景白皮书汽车制造领域20181020页

无线应用场景白皮书工业互联网产业联盟（AII）2018年10月——汽车制造领域（2018年）编写说明网络是工业互联网的基础，具有重要的地位。无线网络作为工业互联网网络的重要组成部分，在移动性、建设及运维成本、提高生产效率等方面有着明显的优势。随着无线技术的发展，无线网络在工业互联网中将发挥越来越重要的作用。当前无线技术在工业领域的应用正处于发展初期，存在着工业领域对无线应用需求不明确、各类无线技术能力差异大、与工业应用深度融合不足、无线电频谱资源稀缺等问题。为促进无线技术在工业互联网的应用，工业互联网产业联盟启动了工业无线应用场景及需求研究。拟针对几个重点领域，结合具体应用场景进行深入研究，重点分析无线通信业务需求，为进一步提升无线技术能力、推进无线技术与工业应用深度融合、做好工业无线频率资源保障做好前瞻性研究。本报告重点关注汽车制造领域的无线应用场景及无线技术需求分析。在介绍现有无线通信技术的基础上，对无线技术在汽车制造领域的应用场景进行了分析，并归纳总结汽车制造领域的网络能力需求。报告根据汽车制造的主要环节和流程，提出了17个无线应用场景，对每个场景下无线通信需求、当前存在的问题、各无线技术与场景的适用性等内容进行了分析和总结。最后，对汽车制造领域无线联网的未来愿景做了展望。本报告旨在为业界提供汽车制造领域无线应用的场景案例和无线技术应用需求分析，为汽车制造企业、无线技术方案提供商、系统解决方案提供商、频率管理机构等提供参考，为工业互联网网络发展提供基础支撑。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，持续推进工业无线应用场景和需求研究，广泛吸纳产业界的反馈意见，适时修订和发布报告新版。指导单位：工业互联网产业联盟牵头编写单位：华为WirelessXLabs编写组成员：华为技术有限公司：黄冠琛、郭洪涛、郭朝阳、吴环宇吉利汽车研究院（宁波）有限公司：胡峥楠、丁华、辜自强、姚军郑州宇通客车股份有限公司：蒋林森、于朝阳、韩振兴、潘新庆中国联合网络通信有限公司：韩卫平、李文杰、程军峰、李强国家无线电监测中心：许颖、杨渊中国移动通信集团有限公司：刘鹏中国信息通信研究院：刘琪、李晓帆、杜加懂、王琦中兴通讯股份有限公司：孟溪、周栋FLIR:陆成普奥云信息科技（北京）有限公司：肖洋、冯改玲北京新能源汽车股份有限公司：丁海晶、杨军伟陕汽：邵国强，李守卿目录Content01无线技术在汽车制造领域的应用概述1.1工业无线通信概述1.2无线技术在汽车制造的应用现状及前景1.3无线技术在汽车制造领域的价值0102070909091011121314151517182002汽车制造无线应用场景2.1汽车制造无线应用场景分析2.1.1焊装2.1.1.1机器人与机器人协同控制2.1.1.2远程维护机器人2.1.1.3焊装过程中的视频监控2.1.1.4焊装群控站数据回传2.1.1.5焊装车间工序间的物料传输2.1.1.6焊装远程调测可视化2.2.2涂装2.2.2.1基于RFID的设备可追踪2.2.2.2工艺信息交互无线化2.2.2.3智能仪表及质检仪器无线化2.2.2.4汽车生产工厂能耗监控应用010821212223242426262829303203汽车制造无线联网未来展望2.2.3总装2.2.3.1总装车间拧紧器无线化2.2.3.2车辆装配过程中的无线扫码2.2.3.3车辆质检中的无线机器视觉应用2.2.4其他2.2.4.1零部件智能化加工2.2.4.2工业设计阶段的无线化手持式3D扫描仪应用2.2.4.3生产故障排查中的无线AR应用2.2.4.4汽车生产车间在线环境监测2.2汽车制造无线应用场景分类2.3网络能力需求总结无线技术在汽车制造领域的应用概述011.1工业无线通信概述在迈向工业4.0的进程中，工业通信是确保整个价值链所需数据流的基础，是现实世界与数字世界融合的关键，帮助企业在实际投入生产之前能在虚拟环境中优化、仿真和测试，在生产过程中同步优化整个企业流程，最终实现高效的柔性生产和产品的快速创新上市，锻造企业持久竞争力。无线通信技术作为工业通信中的关键技术，对加速推动工业4.0进程，减少生产时间，提高生产灵活性，提升企业的生产效率起到重要作用。目前，国际上工业自动化领域的研究机构和企业都正在进行工业无线通信的研发，涉及的无线通信技术包括2G、3G、4G、4.5G（NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT）、5G蜂窝通信技术，也包括WiFi、ZigBee、ISA100.11a、WirelessHART、WIA、LoRa、RFID、UWB等。一方面，蜂窝通信技术已在考虑逐步满足工业相关领域的特定需求。蜂窝通信技术经历了近30年的发展，产生了巨大变革，已经跨过2G、3G、4G时代，处于4.5G时代，即将走进5G时代。作为4G的延伸，4.5G为全球用户带来了稳定服务，并通过NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT等技术满足工业互联网低功率、大连接应用的初步需求，随着工业互联网超低时延（1ms及以下）实时控制及超高带宽AR/VR等应用的兴起，蜂窝通信亟需进行针对性的优化提升，进一步满足工业领域各类应用的特定需求。工业互联网已成为5G研发的一个重要目标，全球多个国家和组织已经开展了5G面向工业互联网技术研究及标准化工作。另一方面，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。其它无线通信技术因协议本身的限制（如发射功率、安全等级、抗干扰性能）只适用于信息采集等少量工业互联网应用。为了进一步满足低时延、高可靠、大连接、高带宽及其他应用需求更复杂的工业环境，承载更多控制类及采集类工业互联网应用，并保证设备之间互联互通，工业无线领域有必要规范技术标准。鉴于大规模工业应用对无线通信技术提出的新要求，频谱资源的合理规划成为各类无线通信技术的重要保障。目前全球没有为工业应用规划专用频率，在用的工业无线通信技术多以免许可方式经过几十年的技术引进、合作交流和自主创新，中国主流乘用车企业在产品制造、生产管理等方面已经接近或达到国际先进水平，主要生产制造环节的工艺装备水平有了较大的提高。汽车制造包括市场调研、概念设计、工程设计、样车试制以及量产等几个主要环节。（1）市场调研阶段，确定新车型的市场定位及初步工艺、成本等信息。（2）概念设计阶段，主要任务包括总体布置草图设计和造型设计。总体布置草图主要包括：车厢及驾驶室、发动机、离合器、变速器、传动轴、车架和承载式车身底板、前后悬架、制动系统、油箱、备胎、行李箱、空调装置等部件的布置。造型设计，包括外形和内饰设计，是汽车设计的重要环节之一。（3）工程设计，是不同部门对整车进行细化设计的过程。包括总布置设计、车身造型数据生成和发动机、白车身、底盘、内外饰、电器的工程设计等。1.2无线技术在汽车制造的应用现状及前景0102与多种业务共享频率。根据ITU-RM.2083建议书《5G系统愿景》，工业互联网将是5G系统应用的主要领域之一，因此，在对5G进行频率规划时，充分考虑工业互联网无线技术对于高可靠、低时延以及海量连接等需求,规划5G频率时考虑了高、中、低频段的搭配。此外，国家无线电管理机构也在积极完善短距离（微功率）等免频率许可技术的频率规划，推动相关频段的全球协调一致。钢板模具冲压件夹具白车身油漆车身整车入库车身附件、电器件焊接总成\分总成冲压焊装涂装总装（4）样车试制阶段和试验阶段包括性能试验和可靠性试验。性能试验是为了验证设计阶段中各个总成以及零部件经过装配后的整体性能能否达到设计要求，并根据发现的问题及时做出设计修改。可靠性试验是为了验证汽车的强度及耐久性，试验形式主要有风洞试验、试验场测试、道路测试、碰撞试验等。（5）量产阶段，生产流程链、各种生产设备及生产线铺设等均已准备完毕。汽车在量产制造过程中主要分为四大工艺：冲压工艺、焊装工艺、涂装工艺、总装工艺。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，各环节都面临着挑战。目前，汽车制造领域所应用的无线技术包含传统的无线通信技术及新兴无线通信技术两类。传统无线通信技术包括2G/3G/4G等移动通信技术及WiFi、RFID、ZigBee、UWB等技术；新兴无线通信技术主要包括5G移动通信技术、NB-IoT、eMTC、eLTE-U、eLTE-IoT、LoRa、WirelessHART、ISA100.11a、WIA等。图1-1汽车量产阶段四大工艺表1-1汽车量产阶段四大工艺介绍工艺描述冲压焊装涂装总装表1-2传统无线技术应用现状传统无线技术应用现状WiFiRFIDZigbeeUWB是一种使金属板料在冲模中承受压力而被切离或成形的加工方法；冲压好的车身板件局部加热或同时加热、加压而接合在一起形成车身总成。为解决生产车间设备移动作业难、有线部署复杂、有线线路难以部署等问题，目前主要应用于工厂车间无线扫码系统、MES应用、ERP系统、手持应用等，解决无线仓储及扫描枪、PLC等生产控制设备的数据采集及网络接入。主要用于汽车焊接、涂装、总装生产线，实现对生产过程中各类现场数据的统计、状态监控及质量检测信息的实时采集、零部件与固定资产跟踪管理、车体识别与跟踪管理、整车物流管理等功能，解决生产线中零部件众多、工序繁多、人工易出错等问题。目前主要的应用如：超高频RFIDTAG，主要用于整车制造；高频RFIDTAG，主要用于发动机/变速器装配；螺钉RFIDTAG，主要用于发动机/变速器机加。通过使用覆盖距离不同、功能不同的ZigBee网络节点，以及其它非ZigBee系统的低成本的无线收发模块，建立ZigBee局部自动化控制网，通过互联网或移动网与远端计算机相连，实现低成本，高效率的工业自动化遥测遥控。在汽车制造过程中，采用ZigBee搭建生产信息化管理网络，实现生产数据的采集及管理。一种使用1GHz以上带宽且无需载波的无线通信技术。通信速度可以达到几百Mbit/s以上。具有保密性强、功耗低、多径分辨力强、穿透能力强等特点。无需中频设备，系统发射的功率谱密度非常低，在雷达跟踪、精确定位方面有广阔应用场景。在汽车制造领域，目前主要应用于物资运输工具信息管理、重点危险区域管理、无线传输系统、装配工具自动控制、质量检测流程优化等场景。负责把冲压好的工件焊接到一起，在汽车车身焊装中应用最广的是点焊，焊接的好坏直接影响了车身的强度。涂装有两个重要作用，防腐蚀和增加美观度，主要分为漆前预处理和底漆、喷漆工艺、烘干工艺等，整个过程需要大量的化学试剂处理和精细的工艺参数控制，对油漆材料以及各项加工设备的要求都很高。按照一定的要求，通过联接零件（螺栓、螺母、销或卡扣等）把各种零件相互联接组合成部件，再把各种部件组合成整车。经过各模块装配和各零部件的安装后再经过车轮定位、车灯视野检测等检验调整后，整车可以下线。0304连接数：百万级别应用场景：资产跟踪、智慧农业、公用事业监控等网络时延：1ms应用场景：自动驾驶、工业控制、信息采集、人机交互、工厂自动化等海量机器通信mMTC超高可靠低时延通信uRLLC增强移动带宽eMBB5G万物互联时代提高传输效率提高传输速率：100Mbps-20Gbps应用场景：增强现实和虚拟现实，增强型室内无线宽带覆盖，远程视频监控、视频会议等高带宽的应用场景表1-3新兴无线技术应用前景新兴无线技术应用前景eLTE-IoTeLTE-UNB-IoTeMTCLoRaWirelessHARTeLTE-IoT具有低功耗、广覆盖、海量连接特点，工作在免授权频谱，可以为工厂建设物联专用网络，具有更好的数据安全性，可以用于车间能耗管理，车间温度、震动等传感信息采集等功能。eLTE-U基于LTETDD的宽带接入技术，工作在免授权频谱，具有高速率、广覆盖、高可靠、高安全性，支持高速移动性。该技术可以解决车间生产安全监控、无线仓储AGV及扫码枪、生产设备的数据采集及办公网络的接入。在车间能耗管理方面，为了提高车间智能排产调度能力、加强异常报警和节能减排水平，已有企业