基于5G的工业边缘计算催生自适应生产，看ICNAP如何赋能工业4.0？
欧洲5G工业园区于2020年5月12日启动了5G网络，通过将近1平方公里的面积，19根5G天线和每秒10G比特的带宽，德国亚琛园区运行着欧洲最大的5G研究网络。
亚琛5G网络覆盖亚琛研究园区一平方公里的区域。此外，在参与项目合作的机房中，室内近7000平方米，代表了生产技术激光制造、机加工、3D打印等等所有领域。这些设施配备了最先进的IT和生产系统，因此提供了独特的基础架构，在这里研究合作伙伴一起共同测试单个5G应用程序。
无疑，如果说物流小机器人+MES系统，这并非需要5G的支持就可以实现。5G意味者高通量高密度的数据无线传输，并意味着边缘云计算解决方案对制造过程实现实时干预。
那么5G为制造业带来的革新价值究竟是什么？说到底是Networked, Adaptive Production-网络化自适应生产。
从自适应生产的目标出发，我们就不难理解欧洲5G工业园的核心技术，这其中包括：用于监视和控制高度复杂制造过程的5G无线传感器，制造自适应：分布式制造控制与干预，区块链，边缘云计算，数字孪生体技术等
自进化生产的
正确开启方式
正如特斯拉可以通过新软件神奇的改变汽车的驾驶性能，续驰里程或者加速能力，这些功能通过云端，神奇的潜入驾驶者的车中，不仅使得车辆的性能实现了某种意义上的自进化，也将驾驶的体验不断的注入了新奇感。
或许未来已来，不仅仅是汽车驾驶本身，而更是从汽车、飞机、能源等工业领域的制造源头，将搭载5G带来的神奇翅膀，完成一次崭新的升级，通过云端发出指令，进行加工过程中的自适应调整，实现真正意义上的自适应制造模式的工业4.0。
不过尽管人们对5G在生产中打开各种可能性充满了热情，但并非是所有的工厂都适合马上切换成5G工厂，这其中需要评估现有数据是否有必要通过5G传输，以及通过5G进行自适应生产带来的效益提升是否明显，是否值得投资。在这方面，欧洲5G工业园对生产技术有着深入的了解。
为了使生产复杂和个性化产品的价值链比以前更加灵活和高效，欧洲5G工业园成立了ICNAP（网络化自适应生产国际中心），以亚琛弗劳恩霍夫生产技术研究所IPT，亚琛弗劳恩霍夫激光技术研究所ILT以及分子生物学和应用生态学IME的三个研究所为中心，通过与其他专家合作，以找出信息技术中哪些新解决方案可以真正过渡到工业4.0自适应生产的真实应用场景。
目前ICNAP（网络化自适应生产国际中心）的合作单位包括如下等：
▲ICNAP网络化自适应生产国际中心的合作单位
来源：Fraunhofer IPT
基于ICNAP自适应生产国际中心，三家弗劳恩霍夫研究所（Fraunhofer IPT、ILT、IME)与知名的工业合作伙伴共同开发了工业4.0方面的生产系统和价值链评价体系，并根据特定的制造任务在欧洲5G工业园进行开发与验证工作。
目前，ICNAP自适应生产国际中心开发了部分基于5G的工业4.0应用案例研究。
1
数字孪生
l 产品生命周期中的数字孪生
每个产品的所有生产和传感器数据都分别保存在数字孪生体中，因此包含了完整的生产历史，这里的挑战是为每个记录的数据记录添加明确的位置和时间参考，以便可以正确分配各种传感器数据，例如车间温度，机器振动或设置的过程参数。在发生损坏的情况下，可以追溯加工过程中错误发生的具体信息。目前在如下两个具体应用案例应用5G环境：
- 涡轮零件的批量生产
通过使用实时制造数据，在涡轮机零件的批量生产中应实现更经济的过程链，数据通过标准化接口收集，并且在整个过程链中都可用，以进行仿真和记录。
- 燃气轮机叶片的制造和维修
对于燃气轮机叶片的制造和维修，使用特定应用检查了虚拟计划工具，例如用于增材和减法制造和维修过程（例如铣削和激光金属沉积金属3D打印技术（LMD））的过程仿真和过程链重新配置。通过在过程中详细记录实际数据，可以通过优化的计划工具使数据一致性并确保计划的透明性。
由于燃气轮机的叶轮是使用高温合金精密铸造而成的，叶轮的制造周期长达数月之久，并且花费不菲，从而导致燃气轮机产品的测试周期过长。为了改善这一状况，西门子与德国Fraunhofer激光技术研究所合作，通过选择性激光熔化（SLM） 3D打印技术优化燃气轮机叶片的制造工艺，实现快速制造。
SLM 3D打印技术虽然相比传统工艺更适合承担复杂零部件的制造，但是进行3D打印时需要添加内部的支撑结构。支撑结构的存在为打印之后的后续处理工作增加了难度。为了尽量在3D打印时减少支撑构，Fraunhofer ILT激光技术研究所 采用了模块化的叶片设计思路，将叶片的两个部分分别进行3D打印，完成之后再进行焊接。
经Fraunhofer ILT激光技术研究所改进后的工艺链完成了带复杂冷却结构的叶片制造任务，并且提高了表面质量。西门子公司在导向叶片完成3D打印之后进行了精密测量、精加工以及高温焊接工作。在双方合作下制造的功能性叶片经过了大量的测试，设计工程师在测试中获得了大量数据。
涡轮机叶片模块化设计和制造思路为其他复杂零部件的制造提供了可借鉴的经验，也为连接精密铸造的零部件与SLM 3D打印的零部件提供了可能性。同时，对于目前金属3D打印设备无法完成的大型复杂零部件，也可以从模块化设计和制造的思路中得到一定启示。
2
自适应
l 自适应过程链的可预测性
基于模型的仿真可以为制造的决策过程和产品优化提供重要信息。软件可以识别并考虑到制造过程中的紧急情况，基于5G，即使在实际制造第一个组件之前，过程计划者也可以实现高度的优化。真实数据与相关模拟的不断比较有助于不断改进模型，从而最终改善产品的质量和性能。
▲来源：Fraunhofer IPT
目前基于5G，进行的两大具典型性的研究如下：
- 模具制造中的预测过程链设计
模具制造的不同过程链构成了评估过程持续时间、组件质量和制造成本的基础。通过在此基础上使流程链计划适应不同的制造条件，可以更好地预测制造结果。
- 电池模块的灵活设计和生产
在电池模块的自适应生产中，考虑了给定的限制，例如安装空间、重量和电气特性（例如能量和功率）。激光束焊接被用作连接器元件的制造u过程中，在过程中获得的信息和数据在早期就被纳入电池模块的设计中。集成的技术和配置应用程序为用户提供系统和生产设计-所有这些都可以基于5G的数字方式来实现。
3
大数据
l 复杂生产环境中的大数据分析
对产品质量有很高要求的复杂制造过程将从对所有出现的数据的精确了解中特别受益，因为这可以得出有关影响因素的结论。通过分析大量数据，可以将信息转换为可预测的模型，通过该模型可以将过程设置在最佳范围内。以使其安全地处于规格限制之内，并同时保证高产量。
▲来源：Fraunhofer IPT
生物制药生产过程特别适合测试大数据分析的技术可能性。ICNAP开发的高度灵活且适应性强的分析工具和模型可以轻松地转移到变化的生产条件的许多其他应用领域，例如在制药、化妆品或农业等行业的加工业中。但是，在经典的离散制造中，其中会生成大量的数据（通常是非常异构的数据），可以使用智能分析方法在早期阶段识别错误的来源，甚至可以通过预测模型方法避免错误。
4
边缘云
l 边缘云-网络化自适应生产
▲来源：Fraunhofer IPT
ICNAP的核心是“智能制造网络”，在该网络中，机器、生产系统、数据库和模拟系统是相互通信的，并在云中提供其数据和服务。除了常见的可商购的云体系结构之外，Fraunhofer为生产应用开发的独立安全的云系统“ Virtual Fort Knox”。通过移动设备连接到流程，并且可以直接与所有子系统交互，控制它们或查询数据。
▲来源：Fraunhofer IPT
利用这样的分散和模块化系统，可以快速、经济高效地计划、执行、监视和配置制造过程和过程链。这种网络创建了适用于个性化生产的适应性系统-从设计到回收。
亚琛Fraunhofer的三个研究所（Fraunhofer IPT、ILT、IME)对试点生产线中各个流程和流程链的技术有全面的了解，从而可以几乎完整地虚拟表示整个生产链中各个流程和流程的状态。此数字孪生会为智能制造网络中的每个组件单独保存，因此可用于所有系统。
5
数据结构
l 数据传输与合规
ICNAP的目的是使用适当的数据体系结构，大数据工具和云服务将所有过程和处理步骤详细而全面转换为适当的技术应用程序。基于ICNAP自适应生产的开发目标，为此欧洲5G工业园在如下领域开展了针对性的研究工作：
- 智能传感器硬件，用于通过5G进行数据预处理和无线电传输
- 用于传感器控制和评估记录数据的软件
- 基于移动的跟踪功能，用于识别组件并自动分配适当的加工过程和物流数据
- 统一的通信协议，用于数据传输以及传感器和其他组件的耦合，从而快速，简单地扩展整个系统
- 可视化界面，用于智能设备和其他终端设备
- 智能传感器云作为数据处理，分析和传输到其他系统的基础架构
总体来说，欧洲5G工业园与ICNAP所开展的工作将自适应生产与5G海量高密度数据的传输能力实现了有力结合，其核心关键词包括：智能无线感应器、数据传输与合规、边缘云计算、加工过程干涉、数字孪生体技术。
通过边缘云技术将数据实现双向传输，一个方向传输到实际加工场景中进行加工过程干涉，另外一个方面传输到数字孪生体系统中，使得数字孪生体实现更为精准的过程预测。
此外，欧洲5G工业园的Augmented 5G项目旨在将远程支持、数字组装和基于工作流的流程支持与5G功能连接起来。这些操作端口可以在增强现实中创建，目的是使任务指令更好地沉浸在真实制造环境中，并允许用户在过程中进行交互。通过5G进行通信的可实现性和高带宽，可以实现实现更好的AR内容质量以及与机器的交互性。
6
增材与减材结合
l ACAM为增材制造导航
在3D打印方面，通过位于欧洲5G园区的亚琛增材制造中心(ACAM)，连接增材制造研发领域的中坚力量，通过正向创新赋能价值创造，在全球范围内为制造企业提供欧洲领先科研机构多年来积累的增材制造专业技术，并通过社区、联合研发、以及专业教育服务，帮助企业应对增材制造技术在应用中的挑战。
在基于选区熔化的金属3D打印方面，ACAM的研发成员Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门的“ IDEA-数字工程和增材制造的工业化”研究项目的是使基于粉末床的激光熔化工艺适合批量生产。为了解决用于增材制造的部件的制造过程仍然非常耗时且昂贵的痛点，针对当前各个加工过程步骤在很大程度上彼此隔离并且涉及大量的人工干预。因此，将增材制造中的工艺步骤联系起来，具有节省时间和降低制造成本的巨大潜力。Fraunhofer IPT的“高性能加工”部门通过整个生产线的数字双胞胎，通过过程仿真，目的将制造过程的产品成本以及开发和生产时间将减少约50％。最重要的是，通过有效地耦合硬件和软件激发过程巨大的潜力。
▲ACAM亚琛增材制造中心由来自Fraunhofer ILT与Fraunhofer IPT的双领导所领导
随着欧洲最大5G工业园区网络启动，Fraunhofer IPT势必将增材制造与5G深度结合，从而将增减材结合的生产线的发展向自适应的方向推动。更多进展，3D科学谷将保持持续关注！
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