5G و انقلاب صنعتی چهارم

فهرست:

نگاهی فنی به استفاده از 5G برای تحقق کارخانجات آینده

این روزها روایت غالب برای 5G در محافل علمی و مباحث فنی، روایت این مصرع است که: آنچه خوبان همه دارند، تو یکجا داری!

با مراجعه به آمار و ارقام و پیش‌بینی‌ها برای توسعه 5G نیز به پتانسیل فراوان این فناوری برای نفوذ در بخش‌های مختلف اقتصاد اعم از ICT و بخش‌های دیگر (یعنی صنایع عمودی) پی می‌بریم. یکی از بخش‌های مهم در اقتصاد، تولید صنعتی و اصطلاحاً «کارخانجات آینده[1]” است که انقلاب صنعتی چهارم[2] (4IR) را پی‌ریزی می‌نماید. بررسی تأثیرات اقتصادی 5G در حوزه تولید صنعتی، در مقالات آتی پوشش داده خواهد شد و در این نوشتار، از منظر فنی به بررسی جایگاه 5G در عرصه تولید صنعتی و کارخانجات آینده می‌پردازیم.

اگر بخواهیم از تعریف 5G شروع کنیم، به دیدگاه‌های مختلف و تعابیر متنوعی برمی‌خوریم. بنا به تعریفی که نهاد NGMN برای 5G ارائه کرده ‎[1]:

«5G یک زیست‌بوم فراگیر انتها-به-انتها برای تشکیل یک جامعه کاملاً متصل و سیار است. این فناوری از طریق موارد کاربرد فعلی و جدید -که در قالب یک تجربه یکنواخت به مشتریان ارائه شده و از طریق مدل‌های پایدار کسب‌وکار محقق می‌شوند- برای مصرف‌کنندگان و شرکا، خلق ارزش می‌نماید.»

از سوی دیگر، در تعریفی فنی‌تر، اتحادیه اروپا (نهاد 5GPPP، ‎[2]) نیز 5G را این‌گونه توصیف می‌نماید:

«شبکه 5G یک زیرساخت ارتباطی و رایانشی انتها-به-انتها، بسیار انعطاف‌پذیر و با قابلیت بالایی از برنامه‌پذیری متناسب با سرویس، زمان و مکان است.»

با توجه به تعاریف فوق می‌توان دریافت که در گذار از نسل‌های قبلی موبایل به 4G، بهبود سرویس‌ها در اولویت بوده است اما در گذار از 4G به 5G، علاوه بر بهبود سرویس‌ها، تنوع بیشتری نیز در سرویس‌های قابل ارائه به کاربران (اعم از کاربران نهایی و صنایع عمودی) وجود دارد.

روشن است که قابلیت مذکور برای ارائه سرویس‌های متنوع‌تر به کاربران 5G، نشأت‌گرفته از تغییراتی است که در حوزه فنی و معماری شبکه 5G به وقوع می‌پیوندد. مواردی از قبیل متمرکز شدن شبکه دسترسی رادیویی، غیرمتمرکزشدن شبکه هسته موبایل، چگال شدن سایت‌ها و بکارگیری امواج میلیمتری، مجازی‌سازی و بکارگیری رایانش ابری، از جمله روندهایی هستند که در کنار مفهومی بنام بُرش شبکه[3]، ارائه سرویس‌های بهتر و متنوع‌تر به کاربران 5G را ممکن می‌سازند.

به منظور بررسی نقش 5G در حوزه تولید صنعتی، به عنوان یکی از صنایع عمودی مهم، ابتدا نگاهی به تعریف انقلاب صنعتی چهارم (4IR) بیندازیم. به واقع، 4IR:

نامی برای روند موجود در زمینه اتوماسیون و تبادل داده بین فناوری‌های تولید صنعتی شامل سیستم‌های سایبرفیزیکی، اینترنت اشیا، رایانش آگاه، و ایجاد کارخانه هوشمند است. به تعبیر دیگر، 4IR به معنای انتقال (بخشی از) خودمختاری و تصمیمات خودکار به سیستم‌های سایبرفیزیکی و ماشین‌ها با استفاده از سیستم‌های اطلاعاتی و ارتباطی است. یعنی ایجاد شبکه‌ای هوشمند بین ماشین‌ها و فرایندها در صنعت به کمک فناوری اطلاعات و ارتباطات ‎[3].

از تعاریف فوق این‌گونه برمی‌آید که سیستم‌های سایبرفیزیکی، بنیان انقلاب صنعتی چهارم هستند و می‌توان این سیستم‌ها را این‌گونه تعریف نمود ‎[4]:

«شبکه‌های مهندسی‌شده و مرتبط به هم بین تجهیزات فیزیکی و رایانشی که برنامه‌های کنترلی برای کنترل فرایندهای فیزیکی در آنها استفاده می‌شود.»

اهداف اصلی 4IR عبارت‌اند از ‎[4]: بهبود انعطاف‌پذیری، سازگاری، بهره‌وری منابع، کارایی هزینه، پشتیبانی از نیروی کار و بهبود کیفیت تولیدات و تدارکات.

از دیدگاه فنی، تا پیش از 5G، فناوری‌هایی برای ارتباط بین سیستم‌های سایبرفیزیکی و تجهیزات صنعتی در محیط کارخانجات صنعتی وجود داشته‌اند که برخی از آنها در شکل 2 نشان داده شده‌اند. در بین فناوری‌های سیمی می‌توان دو گروه مهم شامل فناوری‌های فیلدباس[4] (از قبیل Profibus، CAN، ODVA و CC-Link) و فناوری‌های اترنت صنعتی[5] (همچون Profinet، EtherCAT، Sercos III، و غیره) را برشمرد. در بین فناوری‌های بی‌سیم نیز مواردی مانند Sigfox، LoRa، NB-IoT و غیره وجود داشته‌اند.

در این نوشتار، تمرکز بر کاربرد 5G برای 4IR است، لذا بررسی تطبیقی 5G با دیگر فناوری‌های رقیب و مقایسه مزایا و معایب هرکدام، به فرصت دیگری موکول می‌شود. شایان توضیح است که مطابق پیش‌بینی ‎[5]، در دهه منتهی به سال 2030، روند رشد جهانی تعداد اتصالات به شبکه از طریق فناوری‌های بی‌سیم در کارخانجات آینده، بصورت نمایی افزایش پیدا خواهد کرد در حالی که رشد تعداد اتصالات به شبکه از طریق فناوری های سیمی، رشد خطی را تجربه خواهد نمود (شکل 3).

یکی از توانمندسازهای مهم برای تأمین نیازمندی‌های ارتباطی سیستم‌های سایبرفیزیکی و حرکت به سمت 4IR، شبکه 5G برای اتصال افراد، ماشین‌ها، فرایندها و محصولات به همدیگر است (شکل 4).

نهاد 3GPP به‌عنوان مهم‌ترین نهاد استانداردگذاری حوزه ارتباطات سیار، در روند توسعه استانداردهای 5G، توجه ویژه‌ای به کاربرد این فناوری در حوزه تولید و کارخانجات آینده داشته است. به عنوان مثال، برخی از حوزه‌هایی که در استانداردهای فعلی و آتی 3GPP مورد توجه بوده و می‌توانند مسیر بهره‌برداری از 5G برای 4IR را تسهیل نمایند، عبارتند از ‎[7]:

  • طراحی شبکه با مأموریت حیاتی
  • مدل‌های جدید پیاده‌سازی مثلاً برای IIoT[6]
  • ارتباطات خودرویی
  • تعیین بسیار دقیق موقعیت با دقت cm
  • بحث NR-Light برای پوشیدنی‌ها، حسگرهای صنعتی و IoT انبوه
  • واقعیت افزوده/مجازی

پتانسیل 5G برای تأمین گستره وسیعی از الزامات نسبت به آنچه توسط نسل‌های پیشین ارائه می‌شد، ناشی از این است که 5G انعطاف‌پذیری بیشتری را به ارمغان می‌آورد. اپراتورهای شبکه قادر خواهند بود که شبکه‌ها را به روش‌های مختلف پیکربندی کرده و سرویس‌های مختلف و مجزایی را بصورت همزمان برای صنایع عمودی مختلف فراهم آورند. در خصوص اثرگذاری و ارزش‌آفرینی 5G در کسب‌وکار صنایع عمودی و قابلیت‌هایی که بواسطه پیشرفت‌های فناورانه توسط 5G برای صنایع عمودی فراهم می‌شود، مطابق مطالعه‌ای که توسط شرکت اریکسون به انجام رسیده، ‎[8]، ‎200 مورد کاربرد 5G در 10 صنعت عمودی مورد بررسی قرار گرفته و مجموعاً 9 قابلیت‌ 5G برای کسب‌وکارهای عمودی در نظر گرفته شده‌اند. این 9 قابلیت حدود 90 درصد فرصت‌های کسب‌وکاری 5G را پوشش می‌دهند. در این میان، هفت قابلیت 5G، تأثیرگذاری مستقیم بر 4IR دارند (شکل 5).

نهاد 3GPP در گزارش فنی TR22.804 ‎[9]، چالش‌هایی را برشمرده است که در به‌کارگیری 5G برای تولید صنعتی و کارخانجات آینده، پیش روی اپراتورهای مخابراتی و فراهم‌کنندگان خدمات ارتباطی است. این چالش‌ها بطور خلاصه در شکل 6 توصیف شده‌اند.

برای غلبه بر چالش‌های مذکور، تمهیدات فنی مختلفی از سوی دست‌اندرکاران فناوری 5G مدنظر قرار گرفته است. برخی از این موارد عبارت‌اند از ‎[6]: به‌کارگیری اسلات زمانی کوچک‌تر و سرعت بیشتر برای ارسال-دریافت دیتا برای تأمین تأخیر کم، سیگنالینگ کارآمدتر برای پشتیبانی از تعداد زیاد دستگاه‌ها، به‌کارگیری روش‌های مقاوم برای کدینگ، درنظر گرفتن افزونگی[7] و چندگانگی[8] برای تأمین قابلیت اطمینان، قابلیت تعامل و تجمیع با فناوری‌های اترنت صنعتی و غیره.

نهادهای مختلفی در زمینه شناسایی و توصیف سرویس‌های 4IR که توسط 5G قابل ارائه هستند، فعالیت داشته‌اند. از جمله می‌توان به نهاد GSMA و 5GACIA اشاره نمود که دسته‌بندی‌هایی برای سرویس‌های 4IR ارائه کرده‌اند. اما در این نوشتار، توجه خود را به استانداردهای 3GPP معطوف می‌نماییم. استاندارد TS22.261، ‎[10]، به توصیف سرویس‌های 5G می‌پردازد و در آن، ذیل سرویس‌های با تأخیر کم و قابلیت اطمینان بالا، اشاراتی به سرویس‌های حوزه تولید صنعتی و کارخانجات آینده داشته است. بطور مشخص‌تر، استاندارد TS22.104، ‎[4]، به سرویس‌های مرتبط با سیستم‌های سایبرفیزیکی در صنایع عمودی پرداخته و حوزه‌های مختلف 4IR را مطابق شکل 7 در قالب پنج آیتم تفکیک نموده است.

در هریک از حوزه‌های مذکور، یک یا چند سرویس 4IR قابل تعریف است. سرویس‌های 4IR از سوی 3GPP بصورت شکل 8 در نظر گرفته شده‌اند.

همچنین، نهاد 3GPP، ارتباط بین سرویس‌های 4IR (شکل 8) و حوزه‌های مختلف 4IR (شکل 7) را بصورت جدول 1 درنظر گرفته است.

در ادامه، به توصیف مختصری از سرویس‌های 4IR مطابق استانداردهای 3GPP می‌پردازیم.

این سرویس به منظور کنترل حرکت و/یا چرخش قطعات مشخص در یک ماشین صنعتی با یک الگوی مشخص ارائه می‌شود. مثال‌هایی همچون دستگاه‌های بسته‌بندی، تراش و جوش صنعتی را می‌توان در نظر گرفت که سطوح بالایی از هم‌زمانی بین کنترلر، حسگر و اکچویتور توسط شبکه ارتباطی تأمین می‌شود.

نهاد 3GPP در گزارش فنی TR22.804 الزامات سرویس‌های مختلف 4IR و کارخانجات آینده را توصیف نموده و در TS22.104 نیز به مقادیر شاخص‌ها و محدوده الزامات برای این سرویس‌ها پرداخته است. به عنوان نمونه، الزامات فنی سرویس کنترل حرکت (در سه حالت مختلف، بسته به سناریوی سرویس) در جدول 2 آورده شده است. الزامات فنی مربوط به سرویس‌های دیگر 4IR، در TS22.104 ارائه شده است.

این سرویس به معنای ارتباط بین چند کنترلر صنعتی مختلف است. مثلاً در ماشین‌های عظیم که چندین کنترلر باید عملکرد بخش‌های مختلف را کنترل نمایند یا در ماشین‌های جداگانه‌ای که برای تکمیل عملکرد همدیگر استفاده می‌شوند (مثلاً در خط تولید) و باید برای جابجایی محصول بین ماشین‌های مختلف با همدیگر همکاری کنند. در این سرویس، گره‌های کنترلی ماشین‌ها می‌توانند بسته به وضعیت ماشین‌ها و وضعیت کارخانه تغییر یابند.

در این سرویس، ربات‌ها به عنوان ماشین‌هایی قابل برنامه‌ریزی با قابلیت انجام کارهای مختلف (مثل جابجایی کالاها و مواد و اشیا) و دنبال‌نمودن مسیرهای معلوم بکار گرفته می‌شوند. این ربات‌ها (مثل AGVها[9]) کاربردهای متنوعی در محیط‌های صنعتی داخل و خارج ساختمانی و نیز تدارکات مربوطه داشته و سطوح مختلفی از انعطاف‌پذیری حرکتی، حسگری (دوربین، اسکنر لیزری، …) و تعامل با محیط اطراف و قابلیت تصمیم‌گیری را دارند.

این سرویس، شبیه سرویس کنترل حرکت است اما لزوماً حرکتی در کار نیست و ناحیه جغرافیایی ارائه سرویس، معمولاً بزرگتر از سرویس کنترل حرکت است. در این حالت، دستکاری فرایند (توسط کنترلر) با توجه به مشاهده مشخصات خروجی فرایند صورت می‌پذیرد (در حالتی که خروجی فرایند تحت تأثیر عوامل محیطی مثل کهنگی قطعات و غیره دچار تغییر شده باشد).

در این سرویس، تعداد زیادی از حسگرهای بی‌سیم در محیط کارخانه برای پایش وضعیت فرایندها و شرایط محیطی، وضعیت منابع و اقلام مختلف بکار گرفته می‌شوند و نمایش اطلاعات بر روی صفحات نمایشگر و/یا ذخیره‌سازی در دیتابیس‌ها و تحلیل داده‌‌ها امکان‌پذیر است. مثال‌هایی از این سرویس عبارتند از حسگرهای لرزش برای وضعیت موتورها، دوربین‌های حرارتی برای تشخیص نشتی، حسگرهای دبی مایعات و غیره. شایان توجه است که ناحیه این سرویس می‌تواند گسترده بوده و با شبکه عمومی ارتباطات سیار نیز در تعامل باشد.

با توجه به ضرورت نگهداری صحیح دارایی‌ها اعم از پمپ‌ها، هیترها و غیره برای عملکرد صحیح کارخانه، سرویس مدیریت دارایی‌های کارخانه ارائه می‌گردد. در این سرویس، خود دارایی‌ها و تجهیزات به شبکه 5G وصل هستند (برخلاف سرویس قبلی که اتصال به شبکه از طریق حسگرها بود). یکی از کارهایی که در این سرویس قابل انجام است، به‌روزرسانی‌های نرم‌افزاری تجهیزات از راه دور جهت سازگارنمودن آنها با تغییرات فناوری و شرایط جدید کاری است.

پنل‌های کنترلی به منظور تعامل بین افراد و ماشین‌آلات ثابت و متحرک بکار گرفته می‌شوند و انواع متحرک آنها دارای انعطاف‌پذیری بالاتر و قابلیت استفاده مجدد برای ماشین‌های مختلف هستند و نیازی به یک پنل خاص به ازای هر ماشین صنعتی وجود نخواهد داشت. این پنل‌ها برای پیکربندی، مانیتورینگ، کنترل ماشین‌ها، ربات‌ها، نقاله‌ها و غیره بکار می‌روند و پنل‌های کنترلی (ایمنی) عموماً مجهز به دکمه توقف اضطراری برای جلوگیری از آسیب یا خسارت در مواقع تعمیر و تست هستند.

در کارخانجات آینده، نیروهای کار باید بطور کارآمد و به سرعت، آماده کارهای جدید شوند. برای این کار، می‌توان با استفاده از سرویس واقعیت افزوده/مجازی، دستورالعمل‌های گام به گام برای کارهای خاص مثلاً در خطوط مونتاژ یا پشتیبانی فنی توسط متخصصان از راه دور (مثلاً در مواقع تعمیر و تست و غیره) را ارائه نموده و بازدهی کلی کارخانه را ارتقا داد. برای این کار، تجهیزات AR/VR باید از انعطاف‌پذیری و تحرک‌پذیری زیادی برخوردار بوده و سبک، انرژی-کارا و بدون گرم‌شدن بیش از حد باشند. یکی از راه‌حل‌های این موضوع، انجام پردازش‌های سنگین (مثل پردازش ویدیو) در شبکه (رایانش لبه[10]) است.

این سرویس، مشابهت‌هایی با سرویس مدیریت دارایی‌های کارخانه دارد با این تفاوت که در اینجا، تجهیزات و ماشین‌آلات می‌توانند در نواحی جغرافیایی مختلف قرار داشته باشند و این تجهیزات و ماشین‌آلات می‌توانند ایستا یا متحرک باشند.

تاکنون نمونه‌های فراوانی از بکارگیری 5G برای ارائه سرویس‌های 4IR در نقاط مختلف دنیا گزارش شده است. در این بخش، به ذکر چند مورد از سرویس‌های 4IR که توسط 5G در حوزه تولید صنعتی و کارخانجات هوشمند پیاده‌سازی شده‌اند، اکتفا می‌گردد.

الف) در همکاری مشترکی که بین شرکت MTU Aero Engines (یک تولیدکننده آلمانی برای توربین، موتور جت و قطعات آن) با موسسه فرانهوفر[11] و شرکت اریکسون صورت گرفته، از شبکه 5G برای پایش و کنترل فرایند تولید و تشخیص خطا بصورت بلادرنگ در خط تولید پره‌های توربین[12] استفاده شده است (شکل 18). با استفاده از اتوماسیون صورت‌گرفته، زمان لازم برای انجام فرایند به میزان 75 درصد کاهش یافته است ‎[11].

ب) شرکت ABB به عنوان یک شرکت مهم بین‌المللی در حوزه صنایع دیجیتال، در یکی از همکاری‌های خود با اریکسون در حوزه کارخانجات هوشمند، درصدد ادغام راه‌حل‌های ارتباطی با اتوماسیون در صنعت تولید صنعتی بوده و از شبکه 5G برای تأمین فیدبک لمسی جهت کنترل ربات‌های صنعتی از راه دور و نیز تهویه هوشمند در معادن زیرزمینی استفاده نموده است، ‎[12].

ج) در همکاری شرکت خودروسازی آئودی با شرکت SICK (تولیدکننده حسگرهای دیجیتال) و شرکت اریکسون، از شبکه 5G برای هوشمندسازی کارخانه آئودی، تردد امن AGVها، ارتباط بی‌سیم آنها با همدیگر و ایجاد هماهنگی بین آنها با افراد استفاده شده است. این کار به ارتقای کارایی و افزایش انعطاف‌پذیری در کارخانه آئودی می‌انجامد، ‎[13].

د) شرکت اریکسون، سرویس‌های 4IR در راستای هوشمندسازی تولید صنعتی را در محیط واقعی کارخانه 5G خود در کشور سوئد پیاده‌سازی نموده است. برای این کار، مانیتورینگ دقیق محل دارایی‌ها و تجهیزات و نگهداری سوابق و دیتای مربوطه در محیط ابری به منظور ارتقای قابلیت رهگیری و افزایش بهره‌وری تولید، صورت می‌گیرد، ‎[14].

انقلاب صنعتی چهارم (4IR) به عنوان یکی از حوزه‌های نوین علمی، توجهات زیادی را در بخش فاوا به خود معطوف داشته است. از سوی دیگر، فناوری 5G نیز به عنوان جدیدترین فناوری ارتباطی، نقش مهمی در ارتقای توانایی اپراتورهای مخابراتی برای تأمین الزامات صنایع عمودی ایفا می‌نماید. قابلیت‌های فنی 5G این امکان را فراهم می‌آورند که الزامات اکید حوزه تولید صنعتی (از قبیل قابلیت اطمینان بالا، تأخیر کم و غیره) برآورده شده و اپراتورهای مخابراتی بتوانند راه‌حل‌های ارتباطی مورد انتظار برای کارخانجات آینده و تولید هوشمند صنعتی را تأمین نمایند و نقش موثری برای تحقق انقلاب صنعتی چهارم ایفا کنند. در این نوشتار، با ارائه تعاریفی از 5G و 4IR، مروری بر چالش‌های 4IR برای 5G و قابلیت‌های 5G برای کمک به تحقق کارخانجات آینده در حوزه تولید صنعتی صورت پذیرفت. همچنین، سرویس‌های 4IR که توسط 5G قابل ارائه هستند و نیز الزامات فنی آنها، منطبق بر استانداردهای 3GPP توصیف گردید. در نهایت، نمونه‌هایی از بکارگیری 5G برای ارائه سرویس در حوزه تولید صنعتی و کارخانجات آینده مورد بررسی قرار گرفت.

منابع


پی‌نوشت

[1] Future Factories

[2] Forth Industrial Revolution (4IR)

[3] Network slicing

[4] Fieldbus

[5] Industrial Ethernet

[6] Industrial IoT

[7] Redundancy

[8] Diversity

[9] Automated Guided Vehicles

[10] Edge computing

[11] Fraunhofer

[12] Blisk

[13] Milling

مقالات مشابه

ابزار

ماژول‌های سخت‌افزاری ProMake

ProMake یک مجموعه ماژولار از بردهای توسعه و ماژولهای سخت افزاری است که توسط شرکت Easylor طراحی و تولید شده اند. در شکل معماری کیت آموزشی اینترنت اشیاء نمایش داده

پیمایش به بالا