“5G+”在智能制造行業建設和商用形態分析

摘 ?要：隨著5G網絡發展，作為主要應用領域的制造業如何針對5G特性滿足自身業務需求，以及不斷豐富網絡服務形態，對企業生產設備之間互聯互通、終端智能管理、人員行為分析、智能監控平臺建設、智慧化生產園區等方面如何落地應用進行了闡述。文章提出了一種5G企業內部數據流轉的規劃設計方案，重點如何利用MEC功能特點從而確保數據內外部安全高效、完整引流等方面進行了說明。

關鍵詞：5G;MEC;網絡切片;新基建;智能制造;物聯網

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0050-03

Abstract：With the development of 5G network，the manufacturing industry，as the main application field，how to meet its own business needs according to the characteristics of 5G，and constantly enrich the network service form，and how to implement the application of interconnection and interworking between enterprise production equipment，intelligent terminal management，personnel behavior analysis，intelligent monitoring platform construction，and intelligent production park are described. This paper puts forward a kind of planning and design scheme of internal data flow in 5G enterprises，focusing on how to use MEC features to ensure the internal and external data security and efficiency，complete drainage，etc.

Keywords：5G;MEC（Multi-access Edge Computing）;network slicing;new infrastructure;intelligent manufacturing;internet of things

0 ?引 ?言

在傳統網絡模式架構下，網絡通信協議種類眾多、各有不足且相對封閉，工業設備互聯互通難，嚴重制約了工業企業生產設備進行智能化改造，亟須構建能夠兼容多種協議的新一代網絡技術體系。本文主要論述內容為：在5G應用中，如何利用5G高帶寬、多并發、低延遲等特點在現代化中藥智能制造領域高效、穩定、安全商用，從而通過與新一代信息技術和互聯網技術的結合，集成信息物理測控系統，研制具有自主知識產權的創新制藥技術;最終實現引領傳統中藥產業技術數字化轉型，開創中藥智能化先進制造時代，率先實現中藥先進制造，進而達成“中國制造2025”的最終目標。

1 ?5G應用背景

1.1 ?5G特征

2018年，中國華為推出5G技術，并被定義為中國5G商用元年。第五代移動通信技術，簡稱5G。其性能目標是高數據速率、減少延遲、節省能源、降低成本、提高系統容量和大規模物聯網設備連接。

1.2 ?實際場景

隨著筆者所在企業的現代中藥智能制造的高速發展，越來越多的設備接入到智能制造領域中。建立智能自適應、柔性可擴充、服務彈性化的中藥生產過程知識管理系統（PKS），對中藥制造過程海量的工藝、質量和精確自動化控制等生產數據進行處理、利用，前饋-反饋控制系統覆蓋全生產過程，是實現數字化、智能化制造的可靠途徑。連續覆蓋、安全性及可靠性是工業企業最關心的問題。

企業需要更高性能和更高效率的網絡連接，邁向網絡化、數字化、智能化發展，要實現以上需求，更高效的通信連接是基礎。

1.3 ?物聯網現狀分析與需求

傳統工業Wi-Fi已不適應現代制藥生產中的高可靠、低時延的要求，不能滿足毫秒級時延的實時性控制及可靠性的應用場景，無法實現大規模、高速率的數據傳輸，不能同時滿足局部區域內海量高并發、中高數據速率的物聯網連接。

當前工業制造領域使用的無線通信協議眾多、各有不足且相對封閉，工業設備互聯互通難，嚴重制約了設備上云，亟須構建能夠兼容多種協議的新一代無線技術體系。

5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業務體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點，有望成為未來工業互聯網的網絡基石。

預計未來五年，生產通信網絡的容量需求會在當前的網絡容量基礎上以幾何倍數進行增長。高帶寬、多接入、低延遲的網絡高要求將給公司內部網絡帶來嚴峻的挑戰。首先，如果按傳統架構網絡基礎建設發展，網絡容量難以支持目前容量需求的高速增長，并且網絡能耗成本和建設周期難以承受;其次，要提升網絡容量，必須智能高效利用網絡資源，確保數據高效、完整、安全的傳輸并且針對業務和用戶的個性化需求進行智能優化明細，傳統網絡架構在這方面的能力明顯不足以支撐;最后，未來網絡必然是一個多網并存的異構移動網絡，要提升網絡容量，增加網絡移動性，必須解決高效管理各個網絡，簡化互操作，增強用戶體驗的問題。為了解決上述挑戰，滿足日益增長的高帶寬、高容量、低延時的物聯網需求，亟須發展新一代5G內部通信網絡。

1.4 ?確立“新基建”方向方向

5G“新基建”只是基礎和平臺，如何利用好5G網絡平臺能力，目標明確的為企業信息建設提供更好的承載和延展還需要更深入的探討和摸索。筆者所在單位在上述背景下，積極拓寬思路，對企業如何進行數字化轉型做了深入的研究，通過大量的數據測試和技術論證，最終確定5G通信技術可以為以后企業發展的“新基建”方向。

2 ?目前商業應用場景

2.1 ?整體建設

2020年上半年，公司內部5G建設初步建設完成，目前實現整個廠區的5G信號覆蓋，同時也對園區內部進行了優化和改造，為未來5G商用奠定新基礎。

2.2 ?MEC數據分流

MEC是實現5G低延遲和提升帶寬速率等的關鍵技術之一，同時MEC為應用程序和服務打開了網絡邊緣，包括來自第三方的應用程序和服務，使得通信網絡可以轉變成為其他行業和特定客戶群的多功能服務平臺。

MEC主機由虛擬化基礎設施VI、MEC平臺（MEP）、MEC應用組成，其中MEC平臺為MEC應用發現和使用提供內部或外部服務的環境，并通過對第三方MEC應用的開放，進而加強網絡與業務的深度融合。

如圖1所示，MEP/UPF部署在企業園區匯聚機房，通過本地交換機接入SPN匯聚節點。MEP/UPF與核心DC中的5G控制面和網管網對接，SPN為MEP/UPF提供IP承載網/網管網接入服務。企業應用通過5G工業數據終端/CPE接入5G網絡，使用企業專用DNN數據卡，接入下沉至園區的MEC進行分流;由于將MEC部署在企業園區匯聚機房，實現UPF下沉。針對企業信息化不斷發展的高標準需求，搭建基于5G網絡的邊緣計算專網，充分發揮5G低時延、高帶寬、高并發特的性。同時確保數據不出廠，最大限度地保證了企業內部數據安全。投入使用后，將很大程度上提高了企業生產、辦公效率。圖1所示接入環，匯聚環，匯聚核心機房為傳輸SPN節點的分部;CMNET為internet公網;5GC為5G核心網;EMS為中興集中管理網元的網管;MANO為編排和生命周期管理網元。

2.3 ?網絡切片技術應用

如圖2所示，同時引入5G網絡的全新概念——網絡切片，提供基礎網絡服務新架構;5G網絡切片類似傳統網絡架構的邏輯網絡隔離技術，針對數據帶寬、并發量、時延不同需求的場景，通過5G網絡切片技術實現多個虛擬網片的邏輯隔離，合理分配資源，從而提高“新基建”模式下5G網絡的利用率、穩定性和安全性。

2.4 ?具體實施應用

（1）網絡建設方面：一階段：采用NSA組網，MEC使用TOF方案，MEC采用三層組網方式接入，旁掛SPN匯聚或接入設備。完成園區內部主干萬兆網絡改造;園區工業PON環網改造，建設MEC邊緣計算;二階段：待SA商用網絡成熟后，可平滑升級支持SA組網，支持低時延高可靠通信（URLLC）特性。

（2）MEC部署在企業內部核心機房，部署兩臺R5300服務器作為負荷分擔。MEC與防火墻、運營商網絡的網絡對接使用2臺ZXR10 5960型交換機，占用2×10 GE光口連接至IP RAN、2×10 GE連接至防火墻兩個端口，其他端口用于內部組網。防火墻對接內部服務器，按康緣藥業內部網絡接口情況提供相應對接接口。兩套MEC服務器本身具備保護，同時2臺交換機作為1+1鏈路備份保護。

（3）平臺建設方面：園區建設AGV平臺、智能儀表、園區智能監控，園區數據中心監控平臺。

（4）設備改造：5G園區目前規劃1 000個5G接入設備改造，包括智能設備接入，園區5G安防改造，智能監控設備新增等。主要涉及5G數據終端、CPE設備、5G邊緣網關、園區周界、道閘、智能門禁等設備。

2.5 ?建設場景和目標

排產調度：基于5G“新基建”，實現固體制劑車間全智能化數據采集和管理，建設數字沙盤系統，結合MES和APS系統等實現對生產的過程管理，生產智能化、自動化水平可提升30.0%以上。

安防監控：針對園區現有的安防監控系統進行升級，通過5G專用網絡進行承載，實現園區智能化安防系統全覆蓋。

生產控制：生產線PLC、工業機器人等設備通過5G網絡進行數據采集終端改造，并結合SCADA實現生產數據的實時采集、管理和故障預警。總體實現故障預警且處理效率提升30.0%以上。

生產邊緣計算：通過建立以5G為網絡基礎的生產邊緣計算網關，整合SRM、PLM、ERP、MES、APS等生產控制管理系統的數據，實現節省人工成本30.0%以上，產品一次性通過率提升到99.5%以上，年產能提升2倍以上;實現生產節拍的自適應平衡調整，自動識別和測試產品，生產作業自動化率達85.0%以上，實現生產過程100.0%可追溯。

倉儲物流：針對藥品的倉儲物流場景，在新建WMS智慧物流倉儲基礎上，進一步進行智能化改造，通過5G物聯網的強大承載、接入能力實現高度智能化的物流倉庫，降低人工成本、提升生產效率。

3 ?結 ?論

無論是5G商用落地，還是“新基建”的發展，最終都是企業的智能制造價值體現;本著利益最大化、充分利用5G新特點，發揮“新基建”優勢，利用5G+MEC技術實現生產網、辦公網、監控網三網邏輯隔離;助力打造現代化、高效率、數據安全的自動化制藥生產數據采集、智慧倉儲物流管理、AGV智能調度、5G-VR車間參觀導覽等。后期將繼續加強智慧園區建設（5G+智能電表、儀表監控、人員勞效、無人安檢、人臉識別考勤、智慧食堂、道閘、門禁、體溫監測）做到切切實實的落地應用;相信在未來利用5G網絡能力優勢會有更多的場景通過5G+場景來進行實現，實現降低企業成本，提升生產效率的目標，實現優質、保量、低耗、高效能智慧制藥，是中藥智慧制藥的必然趨勢。

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作者簡介：江明（1977.05—），男，漢族，江蘇連云港人，信息中心副經理，電子信息工程師，本科，研究方向：5G、智能制造、新基建等。