5G+工業互聯網應用實踐

陳億根/CHEN Yigen，尹曉峰/YIN Xiaofeng，邵黎勛/SHAO Lixun

（浙江藍卓工業互聯網信息技術有限公司，中國 寧波 315000）

物聯網、云計算、大數據等新一代信息通信技術的發展，正深刻改變著傳統制造業的模式，也將會引發其生產方式、商業模式乃至產業形態的變革。5G技術加速智能制造轉型，通過生產設備網絡化，實現工廠車間“物聯網”；通過生產數據可視化，利用大數據分析進行生產決策；通過生產文檔無紙化，實現高效、綠色制造；通過生產過程透明化，實現智能工廠的“神經”系統；通過生產現場無人化，真正實現“無人”工廠[1]。

工業企業內部目前存在工控網絡、生產物聯網、視頻監控網、移動辦公網等復雜的多元化網絡。現有的工業總線存在產業封閉、發展緩慢、技術落后等問題，嚴重制約了企業的發展。隨著人工成本的快速增加，企業自動化、智能化轉型迫在眉睫?，F有網絡以有線和Wi-Fi的方式傳輸，有線網絡布線成本高、周期長、走線難，嚴重限制了設備的移動范圍，影響了產線柔性化，難以解決工業互聯網發展進程中大量的新增物聯網設備的靈活接入、大范圍移動的需求；采用Wi-Fi也是無奈之選，因其移動范圍有限，抗干擾差，切換性能差，容量受限。5G可憑借高帶寬、高可靠、低時延等一些特點助力企業向無線化、自動化、智能化、柔性制造方向演進。

1 工業場景下的5G技術

1.1 工廠5G服務平臺整體架構

不同于非工業場景，工業場景中工廠5G服務平臺的整體架構也有所變化。5G無線技術可以使工廠內的各種控制、質量、管理、可視和安全領域的行業應用場景向柔性化、自動化和無線化的方向演進；5G云網一體化的屬性，可以解決現場應用云端實時控制問題；5G企業專網方案，可以提供安全可靠的網絡支撐；網絡切入、公有云、私有云、邊緣云的融合戰略[2]為企業提供高性價比的5G解決方案選擇。圖1為工廠5G服務平臺整體架構圖。

1.2 5G網絡部署模式

5G網絡部署共有3種模式[3]：

（1）純5G網絡邏輯切片模式。

該模式依托于電信運營商5G公網，適用于對數據安全性不是特別敏感的用戶。企業不需要本地化部署相應的硬件設備，可以根據企業的需求，配置不同的網絡切片。

（2）公網、私網公用基站設施模式。

該模式仍依托于電信運營商的5G基站與5G核心網，但企業會自建核心網。企業和電信運營商共享5G空口，控制面數據上傳至電信運營商核心網，而用戶面數據分流至企業內核心網。在該模式下，用戶面數據不經過公網，安全性大大增加。與此同時，企業內核心網的建設成本會大大增加。

（3）所有網絡本地獨立部署模式。

該模式下，企業5G端到端設備全部需要新建，因此該模式適用于對數據安全極為苛刻的企業。雖然所有數據都在企業內流傳，整體安全性大大提高，但與此同時帶來的是建設維護成本的急劇增加，與公網的數據交互能力為零。

1.3 5G通信系統設計方案

為了滿足工業制造的需求，5G通信系統做了如下的設計方案：

（1）5G無線網絡支持有源天線處理單元（AAU）、集中單元（CU）、分布單元（DU）的靈活切分和部署，滿足不同場景下的切片組網需求。CU可實現云化部署，便于無線資源集中管理，也可以下沉到邊緣部署，從而降低傳輸時延，滿足工業低時延需求。

（2）為了滿足工業制造對無線通信網絡在端到端延時、吞吐量、連接數密度、可靠性、能源效率等性能指標的要求，5G通信系統采用了高頻段傳輸、多天線傳輸、同時同頻全雙工、對等節點間通信（D2D）、密集網絡以及新型網絡架構等關鍵技術。

（3）5G傳輸網切片運用虛擬化技術，實現網絡拓撲資源虛擬化，構建虛擬網絡。支持多層次的切片隔離技術，如：靈活以太網（FlexE）、標簽分發協議（LDP）、標簽交換路徑（LSP）等技術，滿足不同隔離要求下的切片需求，實現工業高隔離要求下的底層快速轉發。

▲圖1 工廠5G服務平臺整體架構圖

（4）5G網絡采用軟件定義網絡（SDN）架構的層次化控制器，實現物理網絡和切片網絡的端到端統一控制和管理，滿足不同類型工業業務對傳輸的不同要求。

（5）5G網絡基于多層次的切片技術和移動邊緣計算（MEC）技術，從接入安全、網絡安全、外網訪問安全3個方面，為工業領域的不同業務提供差異化的隔離服務和安全保障。

（6）5G網絡通過統一的智能化系統，實現切片的端到端編排管理。電信級持續交付（DevOps）平臺跨越切片的設計域和運行域，實現了從設計、測試、部署到運行監控，以及動態優化的切片全生命周期管理自動化閉環，并通過全流程模型化來驅動。該平臺具備較為完備的網絡管理能力和北向接口能力，可以實現業務需求和網絡資源的靈活匹配，滿足工業場景下快速定制和部署需求。

2 5G+工業互聯網平臺

MEC改變了4G中網絡和業務分離的狀態，通過給傳統無線網絡增加MEC平臺網元，將業務平臺（包含內容、服務、應用）下沉至移動網絡邊緣，為移動用戶提供計算和數據存儲服務。將工業互聯網平臺部署在MEC上，可在無線接入網絡與現有應用服務器之間的回程線路上節省大量帶寬使用[4]。

根據工業制造對無線通信的嚴格需求，基于5G網絡+ MEC的全新服務化架構，以及增強移動寬帶（eMBB）、超可靠低時延通信（URLLC）、海量機器類通信（mMTC）和網絡切片等關鍵技術，可以實現制造企業內網無線接入網絡和傳輸網絡。解耦5G網絡功能為服務化組件，調用輕量級組件開放接口，能夠滿足工業企業實現按需、動態、彈縮和高可靠的網絡分配、運維和管理的需求，可以構建滿足工業制造需求的5G通信系統。5G+工業互聯網的總體技術架構如圖2所示。

為了建設5G網絡化推廣平臺，滿足工業企業快速開發行業應用的需求，浙江藍卓工業互聯網信息技術有限公司提供了搭建賦能工業制造的工業互聯網測試平臺。該平臺可以利用5G低時延的特性，控制工業設備；利用5G網絡的高帶寬特性，采集工業的實時運行數據和視頻類數據；利用5G的海量連接特性，連接眾多的工業互聯網設備，實現設備“上網”。5G+工業互聯網平臺網絡拓撲如圖3所示。

▲圖2 5G+工業互聯網技術架構圖

5G+工業互聯網平臺的工業數據采集使用基于5G的無線網絡，對不同類型的設備和系統進行數據采集，支持3 000余種工業設備通信協議的轉換和數據接入，可自由連接業界主流的遠程終端單元（RTU）、可編程邏輯控制器（PLC）、集散控制系統（DCS）等系統，實現數據的遠程采集和通信，在數據傳輸過程中通過數據加密進行數據安全防護。數據采集軟件支持熱備冗余、自動重連和斷線回補機制，保證數據傳輸的可靠性和完整性。

工業實時數據庫軟件能夠保證采集的多元數據進行分析、處理、存儲和應用，具體包括采集接口組件、權限管理組件、組態服務組件、實時數據處理組件、磁盤歷史數據庫等。

微服務和容器技術的采用，使得5G+工業互聯網平臺在MEC的部署上非常方便。對于中小企業應用程序的部署，5G+工業互聯網平臺采用了一鍵式的應用商店下載和部署方法，提供了統一的應用程序管理界面管理應用，給用戶帶來了極大的便利。

5G+工業互聯網平臺幫助企業實現了工廠區域的信息全集成，并在此基礎上搭建集工業智能APP組態開發平臺、工業大數據分析平臺、工業人工智能引擎服務、工業智能APP多位一體的工業操作系統平臺，實現云（云互聯網平臺）、企（工廠互聯網平臺）、端（邊緣計算節點）3層架構的有機統一，從而實現管控一體化交互，并賦能用戶，以集成化、數字化和智能化手段解決生產控制、生產管理和企業經營的綜合問題。

3 5G+工業互聯網平臺落地方案

我們以紅獅集團桐廬公司為例，來介紹5G+工業互聯網平臺的落地方案。紅獅集團正處于高速發展期，分廠多、分布廣。為了及時掌握分廠的產、供、銷、管、控數據，從而實現不同分廠在產量、質量和單耗方面的集中管控和優化，紅獅集團采取了5G+工業互聯網的技術路線，實施了本項目。本項目利用supOS工業操作系統，在集團和分廠兩層構建大數據中臺。單個廠區可借助5G實現各類終端高速接入，通過MEC承載supOS平臺實現業務本地化和邊緣計算，確保業務數據的低時延和高可靠。云上supOS總部平臺還可通過高速專網，對各個廠區的平臺應用進行支撐和管理。該項目將工廠運維過程中的生產數據、視頻監控數據、操作數據和管理數據進行有效融合，為工業大數據的分析和挖掘奠定基礎，構建水泥行業互聯智能工廠，實現面向水泥行業的工業大數據平臺和工業智能APP生態圈。

supOS工業操作系統提供“平臺+工業智能APPs”的應用模式，用統一工廠模型、數據平臺和APP應用平臺的方法來解決傳統的煙囪式垂直應用帶來的信息孤島和數據融合困難問題?；趕upOS工業互聯網平臺和5G網絡，可解決工廠/基地/集團三層的大數據互動和業務聯動，在實現工廠精細化管理的同時，更好地進行集團化管控，實現異地多數據中心數據容災、同步、雙活、信息技術（IT）資源虛擬化管理、動態擴展設廠遷移。

▲圖3 5G+工業互聯網平臺拓撲示意圖

中控、藍卓與中國電信、中興通訊正在開展5G+工業互聯網實踐。當前紅獅水泥廠已實現室外5G宏站全覆蓋，廠區南部利舊一個現網站點，廠區中部新建一個站點。這樣的部署可滿足上行100 M帶寬和下行600 M帶寬的要求。借助5G網絡低時延、高帶寬、移動邊緣計算等特性，融合基于supOS工業操作系統的工業智能應用APP、大數據分析和人工智能優勢，深入開展基于5G的場景化智能制造應用：工業設備物聯、遠程數據可視化、工業現場巡檢、廠內物流跟蹤追溯等。

（1）數字化決策分析：基于統一的supOS數據平臺和數據分析應用，集團和分廠可分級管控，即不同層級、不同業務、不同區域的管理者通過5G網絡可看到不同的可視化大數據分析，穿透不同的數據深度，實現多維度個性化駕駛艙畫面。

（2）大數據分析應用：supOS大數據分析平臺借助5G網絡，利用多條水泥生產線兩年的歷史生產數據，建立水泥抗壓強度預測模型，實現水泥抗壓強度的提前精準預測，平均相對誤差可以控制在2.1%以內。

（3）機器視覺分析應用：通過機器視覺技術和5G網絡，可以實現水泥包計數檢測、進料秤斷料檢測、物料顆粒大小檢測、鏈條齒輪磨損檢測、鏈條機輪子停轉檢測、禁入區檢測、裝車時對準檢測等智能化應用，從而實現替代人工現場巡檢。

（4）工業設備遠程運維：采用動設備監測診斷APP，可通過5G網絡對輥壓機、生料磨等水泥設備進行在線診斷與遠程運維，實現設備狀態監測、動態風險、智能預警、智能診斷、預測維修等服務。

（5）智能點檢與視頻輪巡：整合設備近場通信（NFC）位置識別、視頻監控、移動巡檢、隱患登記、震動預測等應用，實現智能化多元信息感知巡檢應用?，F場維護人員攜帶高清單兵終端或增強現實（AR）眼鏡，通過5G網絡，利用高清或AR圖像與平臺專家實時交互，遠程指導快速定位解決問題。

（6）視頻分析與分散控制系統（DCS）聯動：通過對來自5G網絡生產過程視頻數據的實時分析，產生預警提醒，并與DCS生產過程控制系統進行聯動，實現聯動響應，提升生產工藝自動化控制水平。

（7）大數據與先進控制系統（APC）聯動：基于5G網絡并利用平臺集成的大數據分析，可以預測關鍵指標數據及最佳參數匹配，指導APC進行優化自動調控，打破APC獨立進行參數穩定調節這樣的常規功能模式，通過平臺整合不同系統，進行綜合管控。如與DCS程序的啟停順控和聯鎖保護實現同步，可以實現對工序、設備的一鍵啟停、自動控制。利用平臺集成的大數據分析算法，對獲取的綜合數據進行大數據分析，預測關鍵指標數據及最佳參數匹配，以指導APC進行優化自動調控。

（8）智能物流應用：實現智能倉儲物流一體化管理，從手機APP預約、自助制卡終端的射頻識別系統（RFID）到地磅無人值守系統的地磅/人體秤、視頻/紅外限位、車輛顯示大屏及語音叫號、出入門禁管理、車輛地理信息系統（GIS）、裝卸車和罐區測量，基于數據平臺實現基于5G網絡的自動信息流轉和互動，減少作業人員，提高了物流效率。

（9）遠程駕駛：偏遠、有毒有害物質較多的特殊場景的工廠，面臨著工作環境惡劣、投入成本高、危險性高等諸多問題。5G遠程巡檢系統可以實現人車分離遠程作業。工程機械車部署在園區現場，操作人員在本地控制艙中進行遠程操控，車載的多路高清圖像通過5G的大帶寬回傳至本地服務器，操作人員發送的控制指令通過5G網絡發送至現場，從而實現5G遠程駕駛巡檢，解決園區作業難題。

4 結束語

5G在工業中的應用目前仍處于起步階段，有很多內容需要探索，如運動控制、機器間控制、移動面板、移動機器人、大規模連接和工業AR及監控等場景。未來我們將努力使5G技術和工業互聯網技術深度融合，讓制造業變得更加智能，使70%以上工控場景受益。我們須要充分發揮5G+平臺+APP的聯合優勢，賦能工業企業，共同探索5G工業標準！