5G+工業互聯網在煙草行業的應用實踐

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

【關鍵字】" " 5G" " 工業互聯網" " 定制網

一、5G賦能煙草行業智能制造

近年來，以智能制造為核心的工業革命正在引發新一輪產業變革，政府工作報告中正式提出“中國制造2025”的國家戰略，要求推動包括云計算、大數據、物聯網等技術與現代制造業相結合。2020年，國家煙草專賣局在《關于全面推進創新型行業建設的意見》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業的融合發展，培育發展新動力。當前，5G+工業互聯網正式被國家列入“新基建”主要內容之一，成為推動煙草工業向數字化、網絡化、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，為煙草行業提供穩定、安全、可靠的基礎底座，實現設備連接智能化，生產運營智慧化，催生各種應用場景，比如5G+AI智慧生產、5G+IOT智慧安防、5G+AGV智慧物流，5G+AR智慧運維等等，賦能全流程生產管控，實現煙草企業從精益生產邁向智能制造，驅動行業高質量發展。

某煙草公司是國內重要的國有企業之一，為實現制絲、卷制、包裝、物流各生產環節的智能感知、智慧生產和安全防護，滿足生產過程可視化、智能控制無線化、安全管理智能化的需求，結合煙草行業智能制造的發展趨勢，依托運營商，設計了基于5G定制網+應用賦能的整體方案，促進5G、大數據、人工智能等新興技術與煙草行業深度融合和創新發展，實現煙草企業智能化轉型。

二、煙草行業5G定制網建設方案

2.1 煙草行業對5G網絡的需求

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

2.2 煙草行業5G專網方案

2.2.1整體方案

煙草5G定制專網架構如圖1所示，整體采用UPF下沉到用戶園區近端，提供獨享型數據通道，保障數據安全。通過UPF分流功能，實現AI質檢、AGV物流、區域安防等本地流量分流至MEC，在MEC上部署邊緣計算，進行應用數據建模和分析，實現算力下沉，縮短處理時延。園區產線的數采設備，傳感器，工業攝像頭等設備通過5G工業網關或CPE接入5G基站，通過5G雙發選收提高可靠性并降低切換時延，同時通過超級上行和QoS調度等技術提升上行容量和覆蓋深度。在控制面上，由大網5GC負責管理和監控服務，提供 4/5G互訪、私網/公網協同和語音呼叫能力，構建企業專網。在客戶機房部署防火墻實現平臺與內網的隔離，通過ACL區別可信資源和非可信資源，加載IPS、DDOS和防病毒軟件，提升網絡與信息安全。

2.2.2無線網方案

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

2.2.3承載網方案

客戶工業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光纜交接箱，再通過光交連至局方機房。規劃新建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核心網方案

根據應用需求，項目采用SA組網模式打造5G定制網，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，與運營商大網進行互通，企業用戶服務器與UPF通過專線直連，通過安全防火墻進行內網與平臺進行隔離。用戶5G終端接入園區5G基站，5G基站優先接入A設備，通過IP RAN網絡到達5G核心網，5G核心網根據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網的，就轉發回到用戶內部網絡，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的，就將流量經由N9接口轉發至大網UPF進行轉發。核心網組網方案示意圖如圖2所示。

2.2.5安全方案

本次項目采用獨享型UPF進行數據承載，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與用戶內網之間。防護策略主要包括域間隔離策略、ACL、狀態保護、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上設置發給 SMF 以及從 SMF 接收的信令數據的大小，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

本文針對煙草企業實際落地的應用場景，基于5G網絡大帶寬、低延時、廣連接的特性，打造規范、可復用的5G+工業互聯網創新應用平臺。平臺采用基礎能力、綜合分析和業務應用三層架構，實現OICT融通，通過統一平臺，統一標準，一體管控，實現數據驅動和應用創新。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，為煙草工業提供“云、網、邊、端”一體化服務。通過前端全量數采和深度學習算法，完成煙絲堵料識別、雜質檢測，行為識別、AGV自由路徑導航等算法，幫助煙草企業完成生產輔助和安全管理，賦能煙草工業智能制造。

3.1煙絲、煙葉流量控制應用

在煙草行業生產過程中，煙絲、煙葉加工工藝是非常重要的流程，對生產質量和效率有著非常重要的意義。目前生產線上貯柜的出料速度，采用人工設定頻率的方式進行控制，出料穩定性差，效率低，如果設置不當，會出現堵料、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，實現毫秒級檢測，及時進行流量數據分析，同時將判別結果推送給上位機工控PLC，動態控制流量速度，實現煙絲、煙葉流量自動化調節，促進流量穩定，避免出現物料銜接的問題。經實際測試，系統上線前皮帶啟停次數約17次，加入流量控制后，皮帶啟停次數減少到3次以內，流量表現更平穩；

3.2儲葉柜、混絲柜堵料監控

生產線上儲葉柜、混絲柜可能出現堵料和斷料的情況，一旦架空未及時發現，將影響到生產的銜接。由于堵料需要大量時間進行人工疏通，可能導致產線停產，最長可達兩小時以上，嚴重影響生產效率。通過5G實時傳輸工業相機采集數據，在云端統一進行機器學習，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邊緣計算統一部署視覺應用，省去獨立工位安裝多個視覺控制器，實現多工位數據共享，提升檢測準確率。在預判可能發生堵料的情況，及時進行預警并降低進料速度，引導問題得到快速處理，保障生產的銜接。

3.3雜質剔除機雜質檢測

煙絲的在生產過程中可能包含紙片、木屑等雜質，雜質的外形、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、經驗直接影響檢測速度和穩定性。另雜質剔除機頻繁抖動，檢測人員長時間高強度工作，極容易出現視覺疲勞，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網絡解決工業圖片大帶寬需求和質檢光纖布線繁瑣的問題，實現質檢數據穩定回傳，在發現雜質的情況下，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安全監控

廠區車間中香精、香料酒精房、配電房、鍋爐房等高溫高危區域安全性要求較高，現場工作環境需要實時高清攝像頭監控，對廠內火情、周界嫌疑人員也要及時識別，確保事件處理及時性，保障生產安全。高清監控5G大上行業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專網滿足廠區內部及周界上行大帶寬需求，保障視頻傳輸實時高效。同時24小時連續監控和預警機制，比人工進行屏幕巡邏更加高效持久，節約人力成本。在生產上，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檢驗過程中是否有出現漏檢誤檢等相關行為。

3.5區域防護

廠區堆垛機、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，造成人員和生產上的安全隱患。目前廠區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。通過建設5G區域防護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，同時對關鍵區域進行人員闖入智能識別，保障人員工作過程中的生產安全。監控穿梭車的軌道是否有跌落的貨物和闖入的人員，識別軌道區域內的障礙物，在有障礙物的情況下，發出實時告警，起到安全防護的目的。

3.6 5G +AGV 智慧物流

目前廠區內AGV車輛存在線路固定，無法智能避障，運行中通過WiFi進行數據傳輸，存在信號不穩定，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，多車協同，智能決策功能，實時通過AGV調度系統精準控制，實現更高柔性、更高精度、更強適應性的AGV導航，增強了AGV 小車的避障能力。同時通工業攝像頭對車間內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，實現智慧物流。

3.7 5G+AR智能可視化移動巡檢

卷煙生產設備大都為大型國外進口專用設備，設備維護人員的專業技能和經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場情況，同時人工難以第一時間發現設備隱患，存在作業風險。通過建設設備點巡檢AI應用，移動AR設備直接使用5G專網接入，自動識別設備異常、人員行為異常、流程錯誤、質量不穩定問題，實現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、作業流程優化、降低故障率、員工能力提升等方面降低公司成本，增加產能。

三、結束語

智能制造轉型是煙草行業的迫切需求，以5G+工業互聯網賦能煙草企業，實現工業互聯網平臺泛在連接，通過邊緣計算推動大數據、人工智能、VR/AR等技術與企業生產流程深度融合，在生產輔助、AI質檢、智能控制、智能物流和安全管理方面持續創新，給煙草企業深化改革注入新的動力。未來，隨著煙草企業數字化、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應用，形成上下游全產鏈的合作生態，豐富場景化應用，真正發揮5G+工業互聯網的巨大價值。

參" 考" 文" 獻

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