基于5GSA的智慧鋼廠解決方案

蘇艷濤 甄仲強 區林波

（廣東省電信規劃設計院有限公司，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著5G的商用和規模化部署，5G逐漸走向每個人和社會的每個角落[1]。5G具有高速率、低時延、大鏈接三大特點，同時采用NFV（網絡功能虛擬化）/SDN（軟件定義網絡）的服務架構，除了滿足傳統的數據語音通信外，還可以很好地應用于社會垂直行業[2]。隨著5G網絡的逐步普及，5G將重塑行業應用場景，推動社會數字化轉型。

鋼鐵工業是我國的戰略性基礎行業，技術難度大，安全要求高。目前我國鋼鐵工業遭遇產能過剩、安全隱患、環境污染等問題，同時面臨數據采集、遠程操控、實時數據交互等行業共性問題[3]。5G SA網絡具有速率高、鏈接大、時延低的特點，同時可以實現虛擬化的網元定義和靈活的切片應用，因此5GSA網絡可以很好地解決上述問題。

本文以A鋼廠為例，通過建設5G核心專網，進行5G+工業互聯網領域的創新應用研究，打造基于5G SA的智慧鋼廠，可有效促進A鋼廠智能制造，實現互聯網數字化應用轉型。同時對全國鋼鐵行業產生龍頭和示范效應，推動行業數字化轉型，鋼鐵行業將會更加綠色、環保、節能。

2 基于SA的網絡解決方案

在5G時代，向工業互聯網轉型已成為必然趨勢[4]。通過建設5G核心專網，可有效促進A鋼廠5G數字化應用場景的實現。

2.1 總體網絡結構

A鋼廠5G SA網絡既要滿足工業互聯網需求，又要滿足公眾用戶需求。同時工業互聯網需要安全隔離、資源保障，公眾用戶需滿足語音、數據通信等服務需求。總體網絡架構如圖1所示。

圖1 總體網絡架構示意圖

A鋼廠專網具有以下兩個特點：（1）可完全兼顧公眾網用戶需求及企業網的安全性和自主控制性；（2）企業專網可以充分利用5GSA網絡架構演進優勢，如網絡切片。

2.2 核心網方案

基于5GSA部署的A鋼廠核心專網，可以使工業應用全部接入專網，普通用戶繼續接入聯通大網，實現人/物兩張網絡物理隔離，專網內部支持網絡切片服務，核心網方案示意圖如圖2所示。

圖2 核心網方案示意圖

A鋼廠5G核心網采用支持SA組網的5G Common Core融合版本，基于云化架構實現，具有高度安全性、靈活性、可控性和可靠性。

本方案建設1套5G核心網，包含AMF、SMF、UPF、UDM、PCF、NRF、EMS、NSSF等遵循3GPP5G協議標準的網元設備，并支持相關網元功能要求。A鋼廠核心機房新建1個電信云資源池，其中管理域網元設備各部署1套；控制面網元設備各部署1套，用戶面UPF部署1套。采用8臺服務器配置，2臺匯聚交換機，2臺防火墻，部署2個機柜。

2.3 傳輸網方案

為了實現A鋼廠核心專網的能力要求，在A鋼廠園區升級部署IPRAN2.0網絡，共部署6臺6180H傳輸分組設備，安裝完畢后具備業務接入能力。現有二層分組網升級為三層分組網，該傳輸環專門為A鋼廠5G網絡而搭建，具有大容量、三層分組交換能力，為后期A鋼廠5G業務接入提供有力保障。傳輸網方案示意圖如圖3所示。

圖3 傳輸網方案示意圖

2.4 無線網方案

A鋼廠規劃建設5G站點73個，其中宏站68個，室分系統5個，如圖4所示。

圖4 無線網方案示意圖

目前A鋼廠已建成5G站點49個，其中宏站44個，室分系統5個，覆蓋面積12.5平方公里，平均上行速率：108Mbps，平均下行速率：824 Mbps，日均流量：1575 GB，總體感知行業領先。

3 5G賦能智能制造

A鋼廠是國內首例采用獨立5G核心網的工業專網，實現了真正的物理隔離，信息安全，自主獨立運營，全權管控，具有高度的智能化、網絡化、集成化等特點。

3.1 基于SA的5G應用創新

集成基于SA網絡開展智能制造應用創新，截至目前已通過5G技術論證應用32個，主要覆蓋智慧設備、智慧安保、智慧能環、智慧物流和智慧生產五大板塊，如表1所示。

表1 基于SA的5G創新應用

基于SA的已上線智慧應用包括數據采集類、監控管理類、生產控制類三大類別。截至目前已連續穩定運行一年多，實現機器故障預警、安全事故預警、產品故障排除等多項功能，極大提高了A鋼廠的生產效率和產品質量。部分已上線應用案例如表2所示。

表2 基于5GSA的已上線應用案例

3.2 效益前景

A鋼廠5G專網以SA為目標架構建設，新建核心專網、傳輸路由、無線基站，保障園區網絡的良好覆蓋和切片的靈活應用。通過建設5G核心專網，A鋼廠形成特大企業網絡專供模式。網絡方面，獨立專享，私有定制的高質量專供網絡；安全方面，數據不出園區，大網硬隔離安全保障；應用方面，覆蓋智慧設備、智慧安保、智慧能環、智慧物流和智慧生產五大板塊；終端方面，提供標準化高溫高粉塵等場景化終端。部署5G專網后，A鋼廠可實現優化人員500人次，降低殘次率5%，節省人力成本大于1億元，降低故障損失6100萬元。

2020年，我國鋼鐵產量突破10億噸“天量”大關，遠超世界其他國家，位居世界第一。全國有鋼鐵企業四千多家，由于生產場景契合度高，因此可快速復制，形成規模推廣。如果推廣本解決方案，基于5G SA打造數字化智慧鋼廠，將在全國范圍內大大降低安全事故的發生，極大節省人工成本，大幅度減少故障造成的損失，從而實現我國鋼鐵行業綠色可持續發展。

4 結語

我國鋼鐵工業遭遇產能過剩、安全隱患、環境污染等問題，急需數字化轉型升級。本文基于5GSA給出智慧鋼廠解決方案，可有效促進鋼鐵行業向互聯網數字化應用轉型，實現智慧鋼鐵制造。此外，本文方案將推動5G產業發展、5G應用突破、5G終端發展等工業互聯網產業化成熟，拉動5G全產業鏈快速增長，加速構建全行業發展新動能。由于項目模式生產場景契合度高，因此可快速復制，實現鋼鐵行業規模推廣。基于5G SA智慧鋼廠解決方案的打造與技術突破將大力驅動中國制造水平，助力中國制造高質量發展。