未来制造业中的5G

未来制造业中的5G 新的无线标准将如何加速自动化进程？ 概要 第四次工业革命（4IR）所依赖的技术大多已经完备——至少从理论角度而言。先进的机器人技术和3D打印、人工智能（AI）和机器学习、高级传感器和物联网（IoT）、云计算、虚拟和增强现实、先进数据分析——这些技术无论是应用于供应链、生产过程还是提供给客户的产品和服务，大多数制造企业都认同这些技术的价值，但目前却很少有企业在整个运营过程中押下重注来部署这些技术。 普华永道与美国制造业协会在2019年的研究表明，超过半数的制造商仅处于尝试新兴技术的起步阶段，有的甚至远未启动。如今，超高速、超灵活的5G无线通信技术已经在全球各地开始应用。5G技术将会带来高度可靠、几乎瞬时的数据连接——这是支持智能工厂、互联供应链和物联网赋能产品等愿景的关键组成。 5G也许无法立即提升4IR的内在生产力，但无论哪个制造商都无法忽视它的潜力，在不久的将来，5G将助力工厂实现许多新技术和新流程的应用。 3PwC5Ginmanufacturing 畅想智能制造 现代工厂已然是一个高度复杂的环境。即便不是现实情况，4IR有望推动各种组织在制造业实现全方位的数字化。先进的机器和机器人装载了大量传感器，这些传感器与云端的高性能分析引擎相连接，完成对设备性能的评估，管理生产计划，保证供给并安排工厂内的各项活动。 想象一下5G网络是如何改造工厂的：5G的网速高达10Gbps，远超wi-fi，而且其接近于零的延迟将会减少人们先前对于无线协议的速度和可靠性方面的担忧。摆脱了有线网络，5G将带来更高的灵活性，支持高速的制造环境。与有线网络或以前的无线设备相比，部署了5G网络的工厂可以将更多传感器纳入网络连接，最终实现万物互联（详见表1）。 表1.5G的技术规格远远超过其他无线协议 实时、大容量、低延时的应用 指标 延迟 描述Wi-Fi6 数据发送方和接收方之间的延迟—20毫秒 —延迟越低，体验就越“实时”（ms） 4G 30–50 毫秒 5G 1–10 毫秒 可靠性/可用性 在不丢包的情况下，网络在信息源 和目的地之间传输数据的效率如何 99.99% 99.99% 99.99% 吞吐量 在给定时期内，数据从一处传输 至另一处的理论最大数据量 每个用户或设备的预期实际速度 9.6Gbps 速率（项目驱动） 1Gbps 连接密度 单位区域内连接的设备数 能耗 耗电量水平比较 每单位8台 中等 300Mbps– 1Gbps 20–50 Mbps 每单位12台高 10Gbps 高达1Gbps 每单位100台中等 来源：普华永道 5G如何提高生产力？以下方面最有潜力实现优化： •生产优化。实时获取设备、库存和生产的数据，使企业可以详细地分析生产模式。根据这些信息，企业就可以确定工厂生产活动的正确顺序，使流程最优化，同时有助于提高生产周期的流畅性，减少浪费。 •模块化工厂。5G的大密度、高速度、高带宽和低延时将带来相当大的灵活性。制造工具和机器人得以迅速反复利用，提高了效率，从而创造一个能够实现大规模定制和按需生产的环境。 •企业连通性。5G有助于工厂的基础设施、运营技术和资源与企业IT系统的整合，优化工厂生产流程并实现远程控制。 •人机界面。5G的高速度和大密度可以为员工提供移动数据和可视化解决方案的手段，例如平板电脑和增强现实装备，让员工能与机器和产品进行可视化交互，从而将他们从固定的计算机终端解放出来。 •供应链整合。随着供应链透明度的提高，5G网络集成到工厂生产工具中可以保证快速、自动地补充零部件和供应物资，从而最大限度地减少生产延迟，提高效率。 •预防性维护。密集的传感器阵列能帮助企业即时监控生产设备的状态，反过来也使企业可以根据需要对设备进行定期维护，在问题出现前预测非定期维护的需求，也有助于综合设备供应商实施远程诊断。 •安全。各种传感器的应用和5G接近瞬时的响应时间，将营造十分安全的制造环境，现场所需的员工更少，紧急关闭信号响应更灵敏。 以一家生产喷气发动机金属叶盘的德国制造商的经验为例。制造叶盘的过程漫长而复杂，导致次品率高达25%，而且在产品完工之前无法识别出有问题的叶盘。安装能够实时检测潜在故障的传感器，并利用5G网络将它们连接起来后，制造商就能够在故障发生之前停止机器。结果是：次品率显着下降，叶盘的单个平均生产成本节省了数千欧元。 与有线网络或以前的无线设备相比，部署了5G网络的工厂可以将更多传感器纳入网络连接，最终实现万物互联。 面临的挑战 评估 关于未来工厂的畅想固然十分迷人，但想要实现并非易事。5G赋能自动化生产所面临的挑战主要有两个方面：即技术挑战和财务挑战。 技术挑战 自动化生产技术的复杂性是一个主要限制因素。普华永道最近对制造商开展的一项调查显示，大多数工业企业尚未部署与4IR相关的技术（详见下页，表2）。 此外，即使是已经在新技术部署方面走在前面的企业，对于将其工厂完全转变为无线的生产环境仍然心存担忧。长期以来，制造商一直依赖于封闭、硬连接的工厂系统，因为这样的系统不存在可靠性和安全性的重大担忧。但是，在一个完全无线的生产环境中，这两点就成了迫在眉睫的问题。尽管5G承诺其可靠性，但对于任何无线系统而言，因为工厂车间是非常困难和嘈杂的环境。依赖于开放式云连接的无线系统不可能做到100%安全。虽然将5G网络作为一个完全封闭的系统来部署可以确保安全，但这意味着将失去云计算带来的速度和灵活性。 最后，5G技术（和组成4IR的整套技术一样）又一次给制造商带来了一个长期性的问题：要如何确保这些新技术在未来几年不会被更好的技术所取代？当然，没有任何技术是亘古长青的，但数字化工厂的一个非凡优点在于，工厂所依赖的关键基础软件可以定期更新，这就减轻了对整个系统很快就会过时的担忧。的确，目前的趋势也是由完全集成、基于软件的平台来管理工厂，并且这些平台可以随着需求的变化快速启动和修改。 表2.产业供应链企业正通过人工智能、机器学习或深度学习等技术提升核心能力 43% 41% 41% 33% 27% 23% 24% 24% 17% 13% 15% 15% 12% 3% 0% 供应链透明度服务成本优化供应链分割端到端供应链规划智慧物流 问：您将人工智能、机器学习或深度学习等技术应用于企业的哪些方面？ 受访对象：1,601家企业。 来源：普华永道思略特2020年全球数字化运营调研 无数字化经验的企业所有企业 拥有丰富数字化经验的企业 6未来制造业中的5G 财务挑战 决定是否部署5G或任何与4IR相关新技术的最关键因素往往是成本，这一点毋庸置疑。坦白地说，就是企业对5G网络的投资能否为其创造足够的价值，助其继续发展？ 决定工厂是否部署5G取决于三个相关因素。 •成本。部署5G的绝对成本取决于工厂的规模和业务范围。这不仅包括5G网络本身的能力，还包括需要联网的传感器阵列的范围，以及将5G技术集成到工厂基础架构过程中所要解决的复杂问题。 •效率。5G技术很大一部分财务效益来自预期的效率提升。普华永道最近对多个行业的高管进行了调研，了解他们对4IR影响企业运营效率的预期。（虽然这项调查是在2018年进行，但其结果在今天同样适用。）受访的高管们认为，4IR对其运营效率的总体影响将是显着的（详见表3）。 •生产力。我们的研究表明，许多制造业部门的生产率仍远低于平均水平。4IR的主要目标是提高工厂产出，而5G将是实现这一目标的关键。如果将5G集成到智能工厂解决方案中，理论上5G更快的速度、更低的延时和更高的带宽可以最大程度地减少维护保养所需的停机时间，更快速地调整生产线，从而提高工厂的产出。与供应链的进一步整合还将减少零部件库存补充导致的生产延误。 问题在于，生产力和效率的提高能否大幅抵消部署和维护5G工厂的成本。我们相信，这个答案很大程度上取决于企业如何进行权衡，以及最终在部署新技术后，他们所期待的可获取的商业价值。 表3.通过第四次工业革命预计每年降低的成本 航空航天、国防和安全 3.7% 汽车 3.9% 化学 3.9% 电子 3.7% 工程建筑 3.4% 森林资源、纸业和包装 4.2% 工业制造 3.6% 金属 3.2% 运输与物流 3.2% 来源：普华永道思略特2018年全球数字化运营调研 价值主张 5G 与4IR其他更为成熟的技术一样，5G也给制造商带来了挑战。企业了解5G与4G、wi-fi和其他无线协议相比具有技术优势，也认同应用5G能够实现业务转型，提高效率和生产力，从而比竞争对手更有优势。 但问题总是会出现：部署5G对于企业已经投入数百万美元的IT系统意味着什么？部署5G的困难和颠覆性有多大，企业应该如何着手？最重要的问题是：部署5G是否能带来足够的商业价值，从而证明这项投资是合理的？ 按照标准的方法，逐个案例计算投资回报，很难回答前述的最后一个问题。如果企业领导者单纯考虑5G对个别设备或者工厂的影响，那么企业很少会部署5G。换言之，5G能够解决什么问题、整体生产力可以提高多少，企业需要用更长远、更具有战略性的眼光来分析。持有这种想法的企业领导者，不是以设备为单位计算5G的价值，而是从整体战略的角度 来考虑：这种新技术对我们的生产力或增长战略有什么意义，亦或对我们工厂的规划布局有什么影响？ 一些有远见的企业已经开始将5G技术与其他4IR技术结合起来。这些企业并非已经解决了5G的价值问题，而是因为他们的企业文化和战略中含有悠久的创新因子，并且坚信创新最终会带来增长，即使现在他们尚无法计算出具体的数值。 当然，这样的企业并不会盲目地部署新技术。这些企业有着相当严格的规则来应对创新挑战——典型的做法是牢牢掌控新技术测试和扩大应用规模的进度，提升每一步选择为企业创造价值的机率。 电信服务供应商的角色 无论企业文化如何倾向新技术测试和扩大应用规模，大多数企业都会发现，部署5G过程中遭遇的复杂问题必须通过与电信服务供应商的合作才能解决。这些供应商拥有丰富的经验和视野，能够提供数字化工厂所需的完整网络生态系统。这是电信公司在4IR市场上最有利可图的地方。 在此过程中，电信服务供应商不能满足于仅仅成为一个渠道，只局限于将5G网络中产生和接收的数据传输给客户，这意味着电信公司要为他们的制造业客户提供最大的商业价值，并确保其工作与制造商的发展战略相一致。因此，电信公司不能只是简单地向制造商提供所需的5G网络容量和连接硬件。 后新冠疫情时代的5G和4IR 5G将在工业制造业发挥重要作用，加速4IR相关技术的部署并扩大其影响，新冠肺炎疫情则很可能会进一步突显企业通过更自动、更智能、更有弹性的供应链所获得的价值。5G赋能的4IR具有的独特优势在推动工厂车间自动化以及将新服务整合到各种产品的过程中得以展现，使其成为企业在后新冠疫情时代的必需工具。 新冠肺炎流行病虽然主要是一个公共卫生事件，但对企业以及经济、财政和货币政策将造成巨大且直接影响。对健康方面的威胁可能在几个月内消失——也可能持续数年。新冠肺炎不仅在加速现行的发展趋势（如自动化和不平等），同时也遏制了前不久还声势浩大的发展势头（如全球化进程）。认识到全球面临的挑战，主动吸取疫情大流行带来的教训，利用现有的工具和技术，我们可以开辟一条与之相适应的新路线。普华永道将企业面临的最具颠覆性的挑战总结成一个ADAPT框架。构成该框架的五种力量分别是：不对称(Asymmetry)–贫富差距扩大；颠覆(Disruption)–技术带来的变革；年龄 （Age)–人口变化；两极分化（Polarisation)–倾向民族主义和民粹主义，以及信任 (Trust)–对制度的信心下降。 不过，在一个充满挑战的经济环境中部署这些新技术，需要企业持有一种不同的心态——充分考虑到新技术在释放价值过程中的重要作用，企业可以专注于以下关键优势，最大限度地利用5G投资和4IR相关技术。 •更大程度的自动化。5G的出现为希望实现自动化操作、提高生产力和增加灵活性的企业带来了