三大面向剖析應用需求　網路設計為工業4.0成敗拍板(1)

2024-01-02

Dan Holme

自從德國政府提出工業4.0倡議，工業流程數位化一直是業界關注議題。為了實現移動虛擬/實體系統的互操作性，首先需要釐清不同應用對於網路的需求，才能對症下藥，選擇性能足以滿足要求的無線通訊技術。

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網際網路上到處都是關於工業4.0的文章。自從德國政府為維持自身工業實力而提出工業4.0倡議以來，工業流程數位化的速度加快，包括數位分身和模組化靈活系統。工業4.0的主要特點之一，是移動虛擬/實體系統的互操作性，例如移動機器人、無人搬運車(AGV)和製造基礎設施。若要讓這些數位化工業流程運行在無線基礎設施之上，通訊技術必須滿足性能和可靠性方面的嚴格應用要求。

關於工業4.0，網路上已有許多文章資料，然而，這些文章往往遺漏了一些關鍵細節，比如工業4.0對於網路的要求究竟是什麼？有哪些不同的方案可以滿足這些應用需求？本文分為三大部分，分別討論移動機器人和無人搬運車、生產物流、流程自動化監控，說明不同應用對於網路的要求有何差異。

移動機器人和無人搬運車

第一部分首先將從機器人和AGV的角度，剖析其應用流程，並詳細介紹無線網路必須以特定方式為兩項應用提供支援的原因。這些機器設計用來執行多項任務，並預先確定結果(Predefined Outcomes)，例如處理某些設備或材料。現代人工智慧技術可以實現動態行為，如避免碰撞和臨時決定行走路線。筆者也見過它們為了實現特定結果而與其他機器合作互動的情況。

採用邊緣運算

上述機器裝置的通訊流(Communication Flow)取決於系統中邊緣運算的採用程度，一些裝置將具備智慧和決策能力，而另一些裝置則利用中央控制系統。由於邊緣架構中的功能建構區塊位置各不相同，因此存在多種可能性。此處將考慮移動機器人系統進行外部互動的網路流量。

物件互動

移動機器人之間可以藉由通訊來傳遞即時遠距監測資訊，獲取尋路和避障演算法所需的主要資料。此外，也存在其他通訊流來實現移動機器人與第三方設備的互動，例如其他移動中的物件(起重機、堆高機、卡車)或是可互動的靜態物件(閘門、門、坡道、軌道、製造機器)。上述互動皆為即時及確定性通訊，代表必須在特定時間範圍內接收到控制和遠距監測訊息，以便進行即時處理。AGV的操作可能是整個設施中廣泛工業流程的一部分。

基於在動態環境中成功實現即時實體操作的重要性，移動機器人和AGV對網路服務的要求極為嚴格敏感，要求如下所列：

．可用性：5個9以上。

．確定性：根據無線(OTA)應用的自主性/獨立性，傳輸時間範圍(Transmission Window)將有所變化，在要求最嚴苛的情況下可能達到微秒等級。

．可靠性：就算節點和/或路徑發生故障，都能持續運行。

．同步性：時鐘系統必須精確同步達次微秒(Sub-microsecond)等級。

．流量類型：為關鍵流量、非關鍵遠距監測和高解析度影像的混合。

生產物流

第二部分將從生產物流(Manufacturing Logistics)的角度，剖析其應用流程，並詳細介紹無線網路必須以特定方式提供支援的原因。筆者最近了解到，製造業供應鏈是利用代數求解器技術建模，並利用統計數據進行評估。這些模型的重點是透過優化資產使用，達成最大產出、最少浪費。若將供應鏈看作是可以分解為多個小環節的系統，每個環節都形成一個功能，例如，從甲地到乙地的運輸、倉儲的優化使用、庫存控制和產品製造生命週期，則這些領域中的每一個都至少包括一個可以利用無線技術進行優化的部分。

此類用例包括某種形式的進貨運輸，如重型貨車、貨櫃船或貨運列車，以貨板為單位運送貨物。接著，貨板將自動被納入工廠庫存系統，並可能使用自動流程進行打開、分發或儲存等作業。由於這些原本皆為人工作業，在過程中也可能需要部分人工干預。出貨運輸時，也可能出現類似流程，即最終產品被揀選或製造，包裝完成後向客戶發貨。

首先需要考慮的是如何在工廠設施外部，對於運輸中的貨板進行追蹤。常見作法是在每個貨板上安裝低成本的追蹤裝置，這種方式通常採用公用網路；然而，當移動中的貨板需要進行交遞(Hand Off)時，問題就變得複雜起來，需要考慮如何交換資料，以及在工廠設施內外使用哪種無線技術。待貨板內容物被拆分，可以透過無線技術對分散物件進行掃描、定位和識別，通常還可以與從高級監控和安全到高精度品質檢查級別的攝影機資料進行協調。

物流通訊方式

因此，為了實現端到端的工業流程管理和自動化，必須在多個地方建立通訊流。來自貨板的遠距監測資料經由公用網路傳送，接著輸入製造執行系統(MES)中的系統準備指標。入庫後，遠距監測數據可在專用網路上進一步追蹤，進而用於對個別產品進行識別。當這些入庫材料或庫存被送入製造流程時，必須以極高的速率對品質和性能進行檢查，這時便需要一個高度可靠且無抖動(Jitter-free)的網路。零件身上的資訊可能將輸入至流程中，以便丟棄或再利用，也可能以某種形式反饋到控制系統中，例如在彈性製造流程將過程進行拆分。這些資訊可以在控制器之間傳遞，也可以根據需要上下傳遞至MES。

因此，貨板必須與多個網路進行通訊。這可能會進一步提高其通訊系統的複雜性，貨板在供應鏈中流動時，需要確保關鍵資訊具有優先權(Pre-emption)、選擇最佳傳輸路徑，同時可能也需要保證傳輸可靠性。