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洪泰智造工場：在機器換人時代提升人類的競爭力，智能工廠之AR應用

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洪泰智造工場：在機器換人時代提升人類的競爭力，智能工廠之AR應用

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導語

增強現實（AugmentedReality） ， 簡稱AR ， 是一種將虛擬世界的東西疊加到現實世界里的技術 。 相比于完全沉浸于虛擬世界的VR ， AR與現實世界的物體交互性更強 ， 因此更適用于工業場景 。

全文字數：3500

閱讀時間：11分鐘

根據ABIResearch調研數據顯示 ， 有42%的美國工業企業在工作流程中使用AR輔助工作 。 如：波音公司使用AR眼鏡來降低30%的飛機布線時間 ， 每架飛機可以節省數百萬美元費用；通用電氣使用AR眼鏡進行檢修 ， 效率提高了12% 。

即使是智能工廠中的自動化生產車間 ， 也仍然離不開人的干預 ， 主要集中在設備安裝、故障排查、關鍵環節操作 。 傳統的人為參與環節 ， 都通過書面材料、人眼觀察、經驗判斷 ， 大量依賴于工作人員個人能力素質 ， 與操作對象的交互程度也較淺 ， 當存在多人作業時 ， 溝通協作也不夠順暢 。 AR作為重要的新型交互技術進入到智能工廠中 ， 能夠加強人機交互 ， 提升人員間協作能力 ， 從而提升智能工廠運作效率 。

01

5G的到來將使智能工廠中的AR遠程操作更加的順暢

實現智能工廠遠程操作需要建立操作人員與操作對象（如機械設備） ， 以及工廠智能中樞制造執行管控系統間的連接 ， 才能使得制造作業數據、圖像與人形成深度交互 。 由于AR、高清視頻等媒體交互中 ， 傳輸數據量很大 ， 需要高帶寬 ， 上下行速率需達到50Mbps以上 。 此外 ， 為防止AR眼鏡的語音識別、視線跟蹤、手勢感應等功能出現卡頓 ， 對時延和可靠性要求較高 ， 因此需要5G通信網絡支持 。

超高速率：峰值速率下行20Gbps、上行10Gbps、用戶感覺速率可達10-100Mbps ， 比4G速率快100倍 。 在線看AR、4K無障礙；

超低時延：時延1-10ms ， 能夠滿足大部分工業控制對時延的需求；

海量終端連接數：每平方公里可接入一百萬終端 ， 滿足容納大規模工廠中連接數量；

可靠性：99.999% ， 可達到大部分工業企業要求 。

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在遠程操作場景中 ， 通過在機器設備上安裝5G通信模塊 ， 將機器人控制部署在云端 ， 使得機器設備運行數據能夠實時通過5G網絡傳輸給遠程操作人員 ， 操作人員再將操作指令通過網絡實時發送至機器設備 ， 實現遠程操控 。

在設備安裝或故障排查場景中 ， 操作人員通過攝像頭掃描機器設備 ， 圖像信息通過5G網絡傳輸至云端圖像處理 ， 識別作業設備對象 ， 從設備商及相關第三方工業內容商調取設備安裝、維修信息、發送至現場操作人員 ， 再通過AR眼鏡或平板電腦 ， 結合呈現虛擬內容與真實場景 ， 輔助人員操作 。

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遠程操作場景符合工業控制切片網絡能力 ， 將機器人控制部署在距離作業場景較近的邊緣云 ， 降低時延提高可靠性；多媒體交互場景中符合工業多媒體切片能力 ， 將AR應用、圖形處理部署在距離作業場景較近的邊緣云 ， 提高網絡速率 ， 降低時延 。

02

工業AR設備需求：更輕便的無繩化AR設備

AR設備正在朝著小型化、輕便化、更高清晰度及更大視場角發展 ， 目前可預見的成熟形態是與近視眼鏡一樣大小的AR眼鏡 ， 方便佩戴人員在工廠里自由移動 ， 并且雙手無需手持AR設備 。 從各大科技巨頭于近期申請的AR眼鏡專利可看出對未來AR設備形態的展望 。

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以下幾種技術將有效的輕便化AR眼鏡：

1.云AR

云AR終端通過云端渲染技術使得AR應用能夠在云端渲染 ， 降低了本地渲染和計算造成的延遲和設備功耗 ， 減少本地存儲對內容清晰度的限制 ， 以及對設備性能的要求 。

傳統的AR頭戴終端受限于CPU/GPU等芯片技術 ， 在性能、功耗、體積、散熱等方面還存在較大的不足 ， 且價格昂貴 ， 對普通家庭/消費者用戶而言還存在一定的消費門檻 。 雖然智能手機對AR的支持力度提升 ， 但是需要用手握持 ， 大幅度降低了工作中的使用體驗 。

云AR本質上是一個異構計算體系架構 ， 分別在服務器端和終端完成不同的計算 。 云AR終端主要進行視頻解碼、簡單的末端渲染、圖像呈現控制和交互信號的接收和上傳等操作 。 因此采用云AR技術的增強現實終端將減少設備內部的硬件 ， 在終端尺寸和重量具有優勢 ， 同時降低設備成本、延長運行時間、增加產品生命周期 ， 以提升用戶體驗 。

但是云AR終端對傳輸時延高度敏感 ， 不但需要網絡支持高吞吐量 ， 而且對端到端時延要求也必須很低 。 需要5G網絡承載云AR的傳輸要求 ， 因此網絡是當前制約云AR發展的最關鍵因素 。

根據中國移動發布的信息 ， 預計2020年5G基站將覆蓋所有地級市 ， 因此至少需要2020年才能滿足云AR的網絡需求 。

2.LCOS微顯示技術

LCOS（液晶覆硅技術）是小型化AR設備的關鍵顯示技術 。 是一種基于反射模式 ， 尺寸非常小的矩陣液晶顯示裝置 ， 特點是在IC芯片上集成超高精細度的像素點 ， 單芯片LCOS架構不僅適用于小巧輕便的系統 ， 而且還能夠通過降低功耗來降低熱量并延長電池壽命 ， 這些都是AR眼鏡的關鍵要求 。

當前微型顯示屏主要包括Micro-OLED、Micro-LED等自發光顯示器 ， 以及搭載外部光源照明的LCOS微顯示器 。 LCOS技術以其體積小 ， 功耗低 ， 分辨率高等優點被廣泛應用于AR產品當中 ， 包括GoogleGlass,HoloLens在內的產品都采用了LCOS顯示技術 。 國內AR光學模組供應商例如靈犀微光和瓏璟光電也同樣采用了LCOS顯示技術 。

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3.光波導技術

光波導是實現圖像穩定和清晰傳輸的關鍵光學部件 。 在AR眼鏡中 ， 要想光在傳輸的過程中損失無泄漏 ， 光的全反射是關鍵 。 光機生成圖像光影后 ， 光波導可將光耦合進自身的玻璃基底中 ， 并通過全反射的原理 ， 使光傳輸到人眼正前方實現成像 。

光波導的特性 ， 對于優化AR眼鏡的設計和美化外觀有很大的優勢 。 因為有了波導這個傳輸渠道 ， 可以將顯示屏和成像系統遠離眼鏡移到側面 ， 這很大程度上降低了光學系統對外界視線的阻擋 ， 并且使得重量分布更符合人體工程學 ， 從而改善了設備的佩戴體驗 。

光波導總體上可以分為陣列光波導和衍射光波導兩種 。 陣列光波導通過陣列反射鏡堆疊實現圖像的輸出和動眼眶的擴大 ， 代表光學公司是以色列的Lumus ， 目前市面上還沒有出現大規模的量產眼鏡產品 。 衍射光波導主要有利用光刻技術制造的表面浮雕光柵波導和基于全息干涉技術制造的全息體光柵波導 ， HoloLens1 ， MagicLeapOne均屬于前者 ， 蘋果公司收購的Akonin屬于后者 。

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國內AR光學模組供應商例如靈犀微光和瓏璟光電已有光波導技術布局 ， 預計2020年能量產 ， 逐漸實現國產替代 。

據高盛估計 ， 在微軟HoloLens中 ， 光學顯示占到了成本的50%左右 。 因此光學顯示模組是AR眼鏡產業價值鏈中價值最高的器件 ， 同時也是未來降低AR眼鏡售價的關鍵器件 。

03

AR技術已經在工業領域中應用

1.復雜的設備安裝

在當下 ， AR技術已經在工業領域中應用 。 盡管產業鏈上游的網絡、頭戴式終端顯示等環節還未成熟 ， 但是AR輔助復雜的設備安裝已經是一個經過試驗和測試的技術 ， 有著超過20年的歷史 。 現代制造需要以盡可能快的速度將成百上千的部件精確的組裝在一起 ， 無論是汽車或者是飛機 ， 每一款新產品都需要一套新的組裝說明 。 通過AR眼鏡可以將組裝說明文件分解至不同的操作流程 ， 并以圖像的方式反映給操作人員 。 相比于傳統的靜態說明文件 ， AR眼鏡能與設備形成互動 ， 包括使用語音進行操控 。

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圖：沃爾沃使用微軟HoloLens的AR功能輔助設備安裝

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圖：波音使用Skylight的AR功能輔助設備安裝

2.維修

維修人員通過佩戴AR眼鏡 ， 掃描機器后就可以得知設備的產品型號、維修記錄等 ， 可以直接下載設備的維修手冊 ， 顯示解決設備故障的具體操作步驟 ， 甚至細到如何拆卸零部件 ， 這樣可以減少維修人員培訓費用和培訓周期 。

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3.專家遠程協助

通過AR眼鏡可以進行遠程協作及工作指導 ， 讓后臺專家看到前臺維修人員的第一視角畫面 ， 實時提高效率的工作指示與指導 ， 降低人為錯誤、因為現場人員經驗不足而產生的效率低下、等待專家的時間耗費等情況 ， 同時提高工作安全性 。

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IDC通過調研中國AR市場后表示：“隨著AR技術在中國市場的快速發展 ， 以及與AR相關的應用場景不斷涌現 ， 各行各業正在認識到AR技術在商用領域的價值 。 制造業、公用事業、建筑工業、教育等行業正在提高采用AR技術的比例 ， 并將其應用在工業維修、裝配安全、實驗室等應用場景中 。 ”

在中國AR/VR市場中 ， IDC預測至2023年 ， 商用領域的應用場景中 ， 支出規模最大的依次為培訓（27.5億美元）、零售展示（21.4億美元）和工業維修（16.2億美元） ， 工業領域的應用位居第三 。

智能工廠機器換人的原因在于提升生產效率 ， 并且在部分工業領域中 ， 先進制造對加工精度和硬度有著更高的要求 ， 以至于最熟練的技術工人都無法滿足 。 因此在智能工廠中 ， 人的職能將轉移至設備安裝、故障排查、關鍵環節操作等 。 通過AR設備的輔助 ， 一方面是輔助人工操作 ， 提升人的競爭力；另一方面是通過AR設備實現大數據的收集、分析 ， 從而進行經驗的沉淀及流程的優化 ， 通過精準數據構建“專家數據模型”和相關智能算法 ， 擴大工廠應用AR的價值 ， 提升整個智能工廠的競爭力 。

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