5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在煙草行業(yè)的應用實踐

【摘要】" " 5G大帶寬、低時延、廣連接的特性，為煙草行業(yè)提供穩(wěn)定、安全、可靠的基礎底座，實現(xiàn)設備連接智能化，生產(chǎn)運營智慧化，催生各種應用場景。本文根據(jù)煙草行業(yè)智能制造的實際需求，介紹了5G定制網(wǎng)的具體建設方案，同時通過一種應用實現(xiàn)架構，總結了7類基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧生產(chǎn)、智慧安防、智慧物流和智慧運維應用。

【關鍵字】" " 5G" " 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)" " 定制網(wǎng)

一、5G賦能煙草行業(yè)智能制造

近年來，以智能制造為核心的工業(yè)革命正在引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，政府工作報告中正式提出“中國制造2025”的國家戰(zhàn)略，要求推動包括云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術與現(xiàn)代制造業(yè)相結合。2020年，國家煙草專賣局在《關于全面推進創(chuàng)新型行業(yè)建設的意見》中指出，要聚焦結構提升、降本增效、智能制造，推動新一代信息技術與煙草產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，培育發(fā)展新動力。當前，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正式被國家列入“新基建”主要內(nèi)容之一，成為推動煙草工業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化方向深入演進的重要抓手。5G大帶寬、低時延、廣連接的特性，為煙草行業(yè)提供穩(wěn)定、安全、可靠的基礎底座，實現(xiàn)設備連接智能化，生產(chǎn)運營智慧化，催生各種應用場景，比如5G+AI智慧生產(chǎn)、5G+IOT智慧安防、5G+AGV智慧物流，5G+AR智慧運維等等，賦能全流程生產(chǎn)管控，實現(xiàn)煙草企業(yè)從精益生產(chǎn)邁向智能制造，驅(qū)動行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

某煙草公司是國內(nèi)重要的國有企業(yè)之一，為實現(xiàn)制絲、卷制、包裝、物流各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能感知、智慧生產(chǎn)和安全防護，滿足生產(chǎn)過程可視化、智能控制無線化、安全管理智能化的需求，結合煙草行業(yè)智能制造的發(fā)展趨勢，依托運營商，設計了基于5G定制網(wǎng)+應用賦能的整體方案，促進5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術與煙草行業(yè)深度融合和創(chuàng)新發(fā)展，實現(xiàn)煙草企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

二、煙草行業(yè)5G定制網(wǎng)建設方案

2.1 煙草行業(yè)對5G網(wǎng)絡的需求

煙草制造具有生產(chǎn)工藝復雜、設備類型多、機械化程度高的特點，生產(chǎn)過程中光纖網(wǎng)絡布線復雜、維護困難、移動性能差，而采用傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡，如WiFi或ZigBee，存在網(wǎng)絡不穩(wěn)定，抗干擾性差，設備連接數(shù)量受限的問題。通過5G網(wǎng)絡，可完美解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸信息延時大、丟包多、成本高的缺陷，讓企業(yè)生產(chǎn)的流量堵料控制、AI質(zhì)檢、穿梭車安防、AGV物流實現(xiàn)真正的實時視頻傳輸，助力企業(yè)打造數(shù)字化、智能化、高速化的生產(chǎn)運維管理平臺，全面支撐企業(yè)生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)應用和高質(zhì)量服務。

2.2 煙草行業(yè)5G專網(wǎng)方案

2.2.1整體方案

煙草5G定制專網(wǎng)架構如圖1所示，整體采用UPF下沉到用戶園區(qū)近端，提供獨享型數(shù)據(jù)通道，保障數(shù)據(jù)安全。通過UPF分流功能，實現(xiàn)AI質(zhì)檢、AGV物流、區(qū)域安防等本地流量分流至MEC，在MEC上部署邊緣計算，進行應用數(shù)據(jù)建模和分析，實現(xiàn)算力下沉，縮短處理時延。園區(qū)產(chǎn)線的數(shù)采設備，傳感器，工業(yè)攝像頭等設備通過5G工業(yè)網(wǎng)關或CPE接入5G基站，通過5G雙發(fā)選收提高可靠性并降低切換時延，同時通過超級上行和QoS調(diào)度等技術提升上行容量和覆蓋深度。在控制面上，由大網(wǎng)5GC負責管理和監(jiān)控服務，提供 4/5G互訪、私網(wǎng)/公網(wǎng)協(xié)同和語音呼叫能力，構建企業(yè)專網(wǎng)。在客戶機房部署防火墻實現(xiàn)平臺與內(nèi)網(wǎng)的隔離，通過ACL區(qū)別可信資源和非可信資源，加載IPS、DDOS和防病毒軟件，提升網(wǎng)絡與信息安全。

2.2.2無線網(wǎng)方案

客戶所在區(qū)域為單園區(qū)，由于廠區(qū)內(nèi)基站站址條件受限，現(xiàn)有基站高度不足，廠區(qū)內(nèi)建筑較為密集，無線信號遮擋嚴重。經(jīng)現(xiàn)場測試，部分室外路段信號較弱，RSRP在-95～-105dBm之間，另二區(qū)制絲、卷包車間墻體較厚，測試RSRP在-100dBm以內(nèi)，需要進行區(qū)域補點。根據(jù)用戶5G智慧園區(qū)的整體要求，考慮實際場景應用，本次方案規(guī)劃建設4個5G宏站，實現(xiàn)周界范圍內(nèi)園區(qū)5G全覆蓋，同時在二區(qū)制絲車間、卷包車間、輔料庫、生產(chǎn)庫產(chǎn)品入庫2F建設建設5G室分一套，實現(xiàn)工業(yè)智能化控制，滿足5G+AGV，5G+AI視覺（流量斷料判斷、雜質(zhì)檢測、區(qū)域安防等），5G+AR運維等各種場景化應用的高帶寬、低時延要求。

2.2.3承載網(wǎng)方案

客戶工業(yè)BBU收斂至電信局方某機房，直線距離600米，該機房目前已部署有1臺STN-A設備，該設備采取50GE組環(huán)方式接入STN-B設備。目前該A設備仍有存量空閑10G端口，本期無需新增BBU可直接利舊現(xiàn)有資源接入。由于項目新增4個拉遠站及一套室分，均為新增物理站點，沒有存量光纜，均需新建光纜至廠區(qū)光纜交接箱，再通過光交連至局方機房。規(guī)劃新建12芯光纜0.5公里、24芯光纜2.81公里，共新增光纜3.31皮長公里，合計73.44芯公里。

2.2.4核心網(wǎng)方案

根據(jù)應用需求，項目采用SA組網(wǎng)模式打造5G定制網(wǎng)，新建一套獨享型UPF部署在用戶側近端的局方機房，通過就近的STN-B設備進行直連，與運營商大網(wǎng)進行互通，企業(yè)用戶服務器與UPF通過專線直連，通過安全防火墻進行內(nèi)網(wǎng)與平臺進行隔離。用戶5G終端接入園區(qū)5G基站，5G基站優(yōu)先接入A設備，通過IP RAN網(wǎng)絡到達5G核心網(wǎng)，5G核心網(wǎng)根據(jù)終端注冊攜帶的信息，為用戶選定UPF。如果UPF識別到用戶流量是去往用戶內(nèi)網(wǎng)的，就轉(zhuǎn)發(fā)回到用戶內(nèi)部網(wǎng)絡，通過MEC上部署的應用進行處理；如果UPF識別到用戶流量是去往公網(wǎng)的，就將流量經(jīng)由N9接口轉(zhuǎn)發(fā)至大網(wǎng)UPF進行轉(zhuǎn)發(fā)。核心網(wǎng)組網(wǎng)方案示意圖如圖2所示。

2.2.5安全方案

本次項目采用獨享型UPF進行數(shù)據(jù)承載，新增2臺防火墻。2臺防火墻互為熱備份，防火墻與UPF物理上位于同一機房，部署在UPF與用戶內(nèi)網(wǎng)之間。防護策略主要包括域間隔離策略、ACL、狀態(tài)保護、ASPF等，UPF與SMF、省級UPF采用白名單的方式進行訪問控制，僅允許指定 IP 和 MAC 地址的共享 UPF 與 SMF 和省級 UPF 互訪。同時UPF上設置發(fā)給 SMF 以及從 SMF 接收的信令數(shù)據(jù)的大小，防止信令流的過載，并在UPF設備上配置用戶帶寬上限，避免通道被單一用戶、MEC 應用流量擠占。

三、基于5G的煙草智能制造應用實例

本文針對煙草企業(yè)實際落地的應用場景，基于5G網(wǎng)絡大帶寬、低延時、廣連接的特性，打造規(guī)范、可復用的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用平臺。平臺采用基礎能力、綜合分析和業(yè)務應用三層架構，實現(xiàn)OICT融通，通過統(tǒng)一平臺，統(tǒng)一標準，一體管控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動和應用創(chuàng)新。在建設上引入智能視頻云，采用分級部署方案，視覺應用算法在云端學習，學習完成后向邊緣算力分發(fā)，為煙草工業(yè)提供“云、網(wǎng)、邊、端”一體化服務。通過前端全量數(shù)采和深度學習算法，完成煙絲堵料識別、雜質(zhì)檢測，行為識別、AGV自由路徑導航等算法，幫助煙草企業(yè)完成生產(chǎn)輔助和安全管理，賦能煙草工業(yè)智能制造。

3.1煙絲、煙葉流量控制應用

在煙草行業(yè)生產(chǎn)過程中，煙絲、煙葉加工工藝是非常重要的流程，對生產(chǎn)質(zhì)量和效率有著非常重要的意義。目前生產(chǎn)線上貯柜的出料速度，采用人工設定頻率的方式進行控制，出料穩(wěn)定性差，效率低，如果設置不當，會出現(xiàn)堵料、斷料的情況，導致設備必須頻繁進行人工啟停。通過5G+視覺算法，實時判別傳送帶上的煙絲煙葉流量，實現(xiàn)毫秒級檢測，及時進行流量數(shù)據(jù)分析，同時將判別結果推送給上位機工控PLC，動態(tài)控制流量速度，實現(xiàn)煙絲、煙葉流量自動化調(diào)節(jié)，促進流量穩(wěn)定，避免出現(xiàn)物料銜接的問題。經(jīng)實際測試，系統(tǒng)上線前皮帶啟停次數(shù)約17次，加入流量控制后，皮帶啟停次數(shù)減少到3次以內(nèi)，流量表現(xiàn)更平穩(wěn)；

3.2儲葉柜、混絲柜堵料監(jiān)控

生產(chǎn)線上儲葉柜、混絲柜可能出現(xiàn)堵料和斷料的情況，一旦架空未及時發(fā)現(xiàn)，將影響到生產(chǎn)的銜接。由于堵料需要大量時間進行人工疏通，可能導致產(chǎn)線停產(chǎn)，最長可達兩小時以上，嚴重影響生產(chǎn)效率。通過5G實時傳輸工業(yè)相機采集數(shù)據(jù)，在云端統(tǒng)一進行機器學習，分析喂料機進料和出料情況，構建堵料斷料檢出率基線，用增強學習算法進行修正。同時通過MEC邊緣計算統(tǒng)一部署視覺應用，省去獨立工位安裝多個視覺控制器，實現(xiàn)多工位數(shù)據(jù)共享，提升檢測準確率。在預判可能發(fā)生堵料的情況，及時進行預警并降低進料速度，引導問題得到快速處理，保障生產(chǎn)的銜接。

3.3雜質(zhì)剔除機雜質(zhì)檢測

煙絲的在生產(chǎn)過程中可能包含紙片、木屑等雜質(zhì)，雜質(zhì)的外形、顏色、大小跟煙絲接近，采用當前人工檢測的方法檢測難度大，檢測人員的技能、經(jīng)驗直接影響檢測速度和穩(wěn)定性。另雜質(zhì)剔除機頻繁抖動，檢測人員長時間高強度工作，極容易出現(xiàn)視覺疲勞，精力分散的等問題，檢測效率低下。通過視覺算法判斷煙絲的物理和化學特性，建立圖像特征矩陣，通過5G網(wǎng)絡解決工業(yè)圖片大帶寬需求和質(zhì)檢光纖布線繁瑣的問題，實現(xiàn)質(zhì)檢數(shù)據(jù)穩(wěn)定回傳，在發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)的情況下，及時通過上位機停止皮帶運行，可以輕松進行剔除操作。

3.4 5G安全監(jiān)控

廠區(qū)車間中香精、香料酒精房、配電房、鍋爐房等高溫高危區(qū)域安全性要求較高，現(xiàn)場工作環(huán)境需要實時高清攝像頭監(jiān)控，對廠內(nèi)火情、周界嫌疑人員也要及時識別，確保事件處理及時性，保障生產(chǎn)安全。高清監(jiān)控5G大上行業(yè)務對上行帶寬有極高要求，800W像素高清攝像頭視頻帶寬可達高達到40Mbps。5G專網(wǎng)滿足廠區(qū)內(nèi)部及周界上行大帶寬需求，保障視頻傳輸實時高效。同時24小時連續(xù)監(jiān)控和預警機制，比人工進行屏幕巡邏更加高效持久，節(jié)約人力成本。在生產(chǎn)上，通過視覺算法判別切絲后檢雜崗是否有員工在崗和卸料板是否打開，結合智能人臉識別技術，對員工在崗情況以及對應崗位的檢驗操作進行識別，結合行為識別確認卷煙生產(chǎn)檢驗過程中是否有出現(xiàn)漏檢誤檢等相關行為。

3.5區(qū)域防護

廠區(qū)堆垛機、穿梭車及濾棒庫容易受到人員入侵、箱體脫落干擾，形成軌道障礙物，造成人員和生產(chǎn)上的安全隱患。目前廠區(qū)普遍安全防護采用的是3對長距離對射的光電管，存在非常大的盲區(qū)。通過建設5G區(qū)域防護AI應用對包括濾棒高架庫中的運行軌道異物識別、堆垛機軌道的區(qū)域異物識別，有效避免因為軌道中的雜物滯留導致車輛運行異常，同時對關鍵區(qū)域進行人員闖入智能識別，保障人員工作過程中的生產(chǎn)安全。監(jiān)控穿梭車的軌道是否有跌落的貨物和闖入的人員，識別軌道區(qū)域內(nèi)的障礙物，在有障礙物的情況下，發(fā)出實時告警，起到安全防護的目的。

3.6 5G +AGV 智慧物流

目前廠區(qū)內(nèi)AGV車輛存在線路固定，無法智能避障，運行中通過WiFi進行數(shù)據(jù)傳輸，存在信號不穩(wěn)定，切換丟包的問題。通過5G+自由路徑導航，在MEC部署障礙物識別，多車協(xié)同，智能決策功能，實時通過AGV調(diào)度系統(tǒng)精準控制，實現(xiàn)更高柔性、更高精度、更強適應性的AGV導航，增強了AGV 小車的避障能力。同時通工業(yè)攝像頭對車間內(nèi)貨物及條形碼或者二維碼識別應用賦能，可以幫助物流車間AGV小車進行貨物校驗提升整體物流效率，提供高負載、遠距離、高頻次的物料搬運，提高揀選效率、點料效率及揀選準確率，實現(xiàn)智慧物流。

3.7 5G+AR智能可視化移動巡檢

卷煙生產(chǎn)設備大都為大型國外進口專用設備，設備維護人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗決定設備維護工作的開展效果，目前設備損壞時存在檢修困難問題，專家遠程指導無法準確掌握現(xiàn)場情況，同時人工難以第一時間發(fā)現(xiàn)設備隱患，存在作業(yè)風險。通過建設設備點巡檢AI應用，移動AR設備直接使用5G專網(wǎng)接入，自動識別設備異常、人員行為異常、流程錯誤、質(zhì)量不穩(wěn)定問題，實現(xiàn)卷包車間員工清洗機臺操作培訓、車間站臺設備運行情況巡檢、遠程專家系統(tǒng)接入等應用功能，有效的提高了卷包車間的工作人員的工作效率和準確性，在能源管控、作業(yè)流程優(yōu)化、降低故障率、員工能力提升等方面降低公司成本，增加產(chǎn)能。

三、結束語

智能制造轉(zhuǎn)型是煙草行業(yè)的迫切需求，以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能煙草企業(yè)，實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺泛在連接，通過邊緣計算推動大數(shù)據(jù)、人工智能、VR/AR等技術與企業(yè)生產(chǎn)流程深度融合，在生產(chǎn)輔助、AI質(zhì)檢、智能控制、智能物流和安全管理方面持續(xù)創(chuàng)新，給煙草企業(yè)深化改革注入新的動力。未來，隨著煙草企業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化的進一步探索和實踐，必將衍生出更多的行業(yè)應用，形成上下游全產(chǎn)鏈的合作生態(tài)，豐富場景化應用，真正發(fā)揮5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的巨大價值。

參" 考" 文" 獻

[1]網(wǎng)宿科技股份有限公司 . 基于邊緣計算的AI表面無人質(zhì)檢系統(tǒng)解決方案[J]. 自動化博覽，2020（10）：58-61.

[2]趙維鐸，蔣伯章 . 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思考與實踐[J]. 中興通訊技術，2020，26（5）：57-60.