基于5G毫米波通信的工业机器人创新应用白皮书

基于5G毫米波通信的工业机器人创新应用白皮书 （2025年3月） 作者： 卫义仁1，周明1，张文珽2，周进峰3，冉龙强3，陈思仁3，曾红李3，娄渊志3，赵骞理3，韦影娆(Candy)3，王爱喜3，林丽莉3，朱晟伟3，瞿好聪3 公司： 1智慧尘埃（成都）科技有限公司2上海仙工智能科技有限公司3英特尔（中国）有限公司 缩略词............................................................................................................................2 一、基于毫米波通信的工业5G应用背景.........................................................4 1.1行业专频专网.................................................................................................................51.2通感算一体化.................................................................................................................6 二、基于5G毫米波的工业应用...........................................................................7 2.1基于5G毫米波的AMR在工业行业的应用...........................................................72.2基于毫米波通信的工业5G方案的技术实现.........................................................92.3应用案例：英特尔成都工厂.......................................................................................10 总结与展望...................................................................................................................13 前言 近年来，5G在工业领域的应用日益广泛，在5G工业网络的支撑下，工业企业获得了高可靠、广连接、低功耗、低成本的无线专网数据传输服务，助力远程设备操控、无人智能巡检、现场辅助装配、生产现场检测等场景的落地。然而，基于公网的工业5G方案在时延、可靠性和覆盖能力等方面仍存在瓶颈，导致其在部分特定应用场景中可能会出现网络时延较高、稳定性不足等问题。 智慧尘埃、仙工智能、英特尔携手推出基于毫米波(mmWave)通信的工业5G方案，该方案充分利用了5G毫米波独立于公网的频段、专频专用、频率资源有保障等优势，能够更好地保障网络的专用性、安全性、可靠性、时延确定性以及抗干扰能力。方案采用英特尔® FlexRAN参考架构，使用基于英特尔®至强®处理器的边缘服务器作为基站网络计算核心，能够在边缘端对网络数据进行高效处理，满足工业场景中自主移动机器人(AMR)等设备管理与调度的严苛要求，加速智能制造转型。 目前，基于毫米波通信的工业5G方案已经在AMR领域得到成功应用，并在英特尔成都工厂成功验证。该方案为AMR提供了高安全、高确定、高可靠的5G网络环境，成功降低了AMR应用中由于网络问题频繁导致的AMR碰撞与意外暂停等现象，显著提升了AMR的运行稳定性与物料搬运成功率。 缩略词 一、基于毫米波通信的工业5G应用背景 5G与工业互联网的深度融合应用已成为驱动经济社会数字化转型的重要力量，为推进新型工业化、建设现代化产业体系提供了坚强支撑。在行业应用层面，5G毫米波专网在智慧工厂、智慧港口、智慧能源等领域，能够支撑大带宽连接和毫秒级时延的通信服务；在低空经济领域，能够提供高精度无人机探测和感知服务。同时，人工智能(AI)技术为毫米波在工业领域创新应用提供了智能化引擎，使网络资源按需配置更加精准，有效满足各行业对于专网架构的特定需求。 与5G中低频段相比，5G毫米波频段具备超大带宽、超低时延、易与波束赋形技术结合、高度集成、能够实现高精度定位与感知等技术优势，这些优势使得5G毫米波技术能够较好地应用于越来越多的工业智能化场景需求，为各行业转型升级提供有力支撑。 1.1行业专频专网 随着行业智能化程度不断提升，出现了许多工业领域的行业创新应用，对网络也提出了新的要求。例如工厂的多机器人作业协同、卡车大规模调度等新应用场景，都需要结合行业的场景需求差异与特点提供解决方案。基于公网的5G网络在工业互联网应用中的瓶颈主要包括以下几点： •网络稳定性不足—公网5G可能受到其他用户流量的影响，导致时延波动和可靠性降低，难以满足工业级应用的严格要求。 •时延较高—尽管5G具备低时延特性，但公网5G受基站负载和核心网架构影响，难以实现超低时延（如ms级别），对高精度工业控制不利。 •带宽资源受限—公网5G频谱资源共享，工业应用可能因流量竞争而无法获得稳定的高带宽支持，影响高清视频监控、AI检测等应用。 •数据安全性风险—通过公网传输的工业数据容易受到网络攻击、窃听和泄露风险，企业难以完全掌控数据安全。 •虚拟专网难以定制—虽然5G支持虚拟专网技术，但基于公网的虚拟专网资源需与其他行业共享，难以实现工厂级别的专属优化。 •成本与投资回报(ROI)不确定性—长期使用公网5G需支付较高的流量费用，同时无法确保稳定性和长期ROI，影响企业部署决策。 这就需要一种全集成、按需加载、能够实现整体交付的一站式专网解决方案，以实现更好的行业自主性，更高的资源分配灵活性，更强的网络传输确定性以及更高的网络安全性。 更好的行业自主性 更高的资源使用灵活性 是指企业可基于5G毫米波专网构建独立、专用的通感算一体化网络。各行业基于业务需求的不同，在同区域内对网络需求动态调整。专网可提供对网络资源的可配置可编程能力，允许企业根据自身需求灵活配置和优化网络参数，从而避免与公网共享资源可能导致的服务质量(QoS)和安全问题。 是指企业可以根据业务负载变化，基于5G毫米波专网进行灵活的资源分配，确保关键业务在需要时能得到充足且稳定的带宽保障。5G毫米波专网可以设定严格的服务等级，确保诸如远程控制、实时监控等重要应用获得确定性网络资源，降低网络拥塞对关键业务的影响。 更高的网络安全性 更强的网络传输确定性 是指5G毫米波通信采用窄波束技术，在复杂多变的工业环境中也能保持高传输质量，提高了通信的可靠性和稳定性。5G毫米波专网可根据行业特点设立多重备份和容错机制，提供高于5G公网的传输可靠性。 是指5G毫米波可在指定区域内构建高度定向、抗干扰性强的无线网络，实现数据的高速、低时延传输。在工业环境中，5G毫米波专网可以限定通信范围，避免非法侵入和监听的风险，提高数据传输的保密性和完整性。 1.2通感算一体化 5G毫米波组网架构创新聚焦于集成通信(Communication)、感知(Sensing)和计算(Computing)功能于一体的通感算一体化网络架构，这种架构能够实现一网多用的统一网络，满足工业在安全生产、资产追踪、设备运维等典型工业场景的需求。 感知功能集成是指5G毫米波专网可以用于雷达和成像等感知应用，通过精细的波束赋形技术，实现精确的空间定位、物体识别和运动检测等功能，为智慧仓储、无人机导航等场景提供强大的感知能力。 统一网络计算架构是指通过5G毫米波通感算一体化，使得5G毫米波无线组网能够构建一个AI内生的可编程、可扩展、高度灵活的统一网络架构，各类应用无需再单独建设和维护独立的通信和感知网络，从而降低运维成本，提高网络的整体智能水平与应用能力。 通感算一体化网络通过灵活的频谱资源管理和智能调度，可以实现通信、感知和计算功能在同一网络中共享频谱资源，依据业务需求动态分配，达到资源的最大化利用，实现一网多用的效果，为用户降低建网成本，避免重复建设。 二、基于5G毫米波的工业应用 2.1基于5G毫米波的AMR在工业行业的应用 自动移动机器人(AMR)是物流机器人的一种，常见于工厂、工地等场景，是一种用于物料搬运的运输设备，其通常具备较大的尺寸与较高的续航，能够满足工厂内/外的运输需求。随着业务对于物料运输效率要求的不断提升，以及人力搬运成本的升高，越来越多的企业加大了对于AMR的部署力度。AMR支持采用自动或人工方式装载货物，按设定的路线自动行驶至指定地点，再通过自动或人工方式装卸货物。 AMR依赖于AMR自身的自动识别、控制、行进等能力，以及统一的路径规划与协同管理系统。路径规划与协同管理系统能够通过动态全局协同规划，进行多AMR路径搜索和交通管制，可令AMR有效躲避拥堵，提升效率，同时提供优化的任务分配方案，尽可能提升AMR运输资源的利用率。系统还能够实现对整个厂区机器人及智能设备运作情况的实时监控，促进智能化与数字化转型进程。 英特尔针对AMR推出了三款边缘平台，英特尔®工业边缘控制平台、英特尔®工业边缘洞见平台和英特尔® AMR开发平台，实现在边缘端对AMR机器人运动控制和智能化应用。 ●英特尔®工业边缘控制平台 融合了信息技术(IT)和运营技术(OT)，公司可以远程部署和控制，降低成本并缩短部署时间，同时预先验证的系统硬件允许将新的工作负载添加到现有的计算资源中，使新的同类最佳产品可以快速、大规模地部署。另一方面，通过在系统升级和故障期间自动执行工作负载迁移，英特尔®工业边缘控制平台能有效减少设备停机时间，高效复工。 ●英特尔®工业边缘洞见平台 基于微服务、容器化、灵活总线、支持自行开发的特征，提供完整的开发工具，可以满足用户个性化快速开发的需求。平台还支持英特尔全系列硬件，增强了软硬件之间的耦合度，实现了系统性优化。 ●英特尔® AMR开发平台 该平台架构如图1所示，平台基于开源系统ROS 2和DDS消息总线，提供集成和优化的驱动、中间件、算法及开发工具，让不同场景、不同需求下开发和部署AMR解决方案变得快速和便捷。其基于模块化的软件和微服务架构，使开发者可以使用AMR开发平台作为整个容器或独立的模块来开发产品的特定功能。这一平台还支持跨英特尔平台完全复用代码，包括CPU和GPU等。同时，基于边缘端和云端的支持，该平台可以使跨AMR、边缘和云软件的工作负载编排更加容易。 在AMR开发过程中，网络对于保证路径规划与协同管理系统的稳定、顺畅运行，确保系统与AMR之间流畅互通至关重要。同时，要实现不同分支机构AMR的统一管理，也需要云边端的网络支持。由于AMR需要承担部分工厂外部的运输任务，而工厂外部通常缺乏Wi-Fi网络覆盖。此外，在多个Wi-Fi无线接入点(AP)之间切换时，可能会出现网络响应延迟，从而影响AMR的路径规划与协同管理。此类网络不稳定性可能导致AMR发生碰撞或意外暂停，影响运行效率和安全性。 基于5G专频专网技术的AMR将有助于解决上述问题，其实现了远超Wi-Fi网络的覆盖范围，避免了Wi-Fi AP切换带来的卡顿等问题。而与4G网络相比，5G网络在时延、带宽等方面具备更高的优势，可制成实现高效的AMR管理。 2.2基于毫米波通信的工业5G方案的技术实现 智慧尘埃、仙工智能、英特尔面向AMR场景，联合开发了基于毫米波通信的工业5G方案。该方案参考了英特尔® FlexRAN架构，结合智慧尘埃的5G毫米波专网技术，设计了一套高效的5G毫米波专网方案。方案能够利用轻量化的独立核心网，结合用户面功能(UPF)及