5G專網(wǎng)在汽車柔性制造場景下的實踐研究

王靈峰　陳文梁　于興林　楊貴林

摘 要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，滿足客戶個性化的需求儼然已成為各車企關(guān)注的焦點，如何實現(xiàn)柔性化智能制造已成為全球化課題，而工業(yè)互聯(lián)作為智能制造升級中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，利用5G在傳輸時延、網(wǎng)絡安全、數(shù)據(jù)安全等方面具備獨特優(yōu)勢，實現(xiàn)全廠快速、靈活組網(wǎng)將是未來智慧工廠網(wǎng)絡典型應用。

關(guān)鍵詞：5G專網(wǎng) 工廠網(wǎng)絡 柔性制造

1 引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)帶來的制造體系的變革，柔性化生產(chǎn)、智慧物流、智能質(zhì)檢、一站式遠程運維、透明化管理的核心都是數(shù)字化驅(qū)動的閉環(huán)，需要滿足海量數(shù)據(jù)傳輸、信息流和控制流共用一張網(wǎng)、快速適配產(chǎn)線重構(gòu)、遠程接入等需求，因此，信息通信系統(tǒng)升級、建立適配工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下新的網(wǎng)絡體系顯得尤為重要。

前期基于有線、WiFi、4G等技術(shù)的通信網(wǎng)絡架構(gòu)已不能滿足車企研發(fā)、生產(chǎn)需要，存在以下痛點：一是安全生產(chǎn)，工廠部分生產(chǎn)環(huán)境、工況惡劣，設(shè)備不適宜現(xiàn)場調(diào)試運維，當前網(wǎng)絡無法滿足遠程操控需求；二是移動性能差，汽車柔性制造與個性化定制要求生產(chǎn)區(qū)域智能設(shè)備靈活重構(gòu)，現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)不能實現(xiàn)快速組網(wǎng)與靈活調(diào)整的需求；三是網(wǎng)絡性能差：無法滿足數(shù)字驅(qū)動的優(yōu)化閉環(huán)對通信的超高可靠、低時延、廣連接的需求；四是Qos保障差：信息流與控制流共用一張網(wǎng)，現(xiàn)有網(wǎng)絡不能針對不同的業(yè)務、不同的服務，實現(xiàn)不同的服務質(zhì)量；五是網(wǎng)絡與計算融合能力差：汽車研發(fā)、制造海量數(shù)據(jù)的傳輸、異構(gòu)數(shù)據(jù)的分析和存儲對傳統(tǒng)網(wǎng)絡提出了巨大挑戰(zhàn)。

2 建設(shè)方案

當前，5G專網(wǎng)進入垂直行業(yè)理論上有兩大分支，一個是運營商通過網(wǎng)絡切片技術(shù)，使用UPF分流，將用戶的數(shù)據(jù)直接傳送到用戶的內(nèi)網(wǎng);另一個是國家提供專用的5G頻段，用于行業(yè)用戶自建5G專網(wǎng)。但目前國內(nèi)出現(xiàn)的5G專網(wǎng)基本上采用的都是前者，如廣東聯(lián)通與格力、華為構(gòu)建的基于MEC邊緣云+智能制造領(lǐng)域的5G SA切片專網(wǎng);山東移動與青島港、華為打造的基于5G SA專網(wǎng)的智慧港口等，同時在醫(yī)療、煤礦、智能制造等垂直行業(yè)都有案例應用。

在不同的應用場景有對網(wǎng)絡功能、系統(tǒng)性能、安全性、用戶體驗、服務質(zhì)量（QoS）、時延等不同的要求。假如利用同一網(wǎng)絡基礎(chǔ)傳輸平臺提供服務，網(wǎng)絡控制系統(tǒng)勢必變得非常復雜和難以控制，而且還會造成高額的網(wǎng)絡維護費用和復雜的控制流程，從而加大網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和維護的難度[1]。

2.1 5G專網(wǎng)建設(shè)方案

根據(jù)汽車工廠需求，運營商對廠區(qū)進行了5G企業(yè)專網(wǎng)網(wǎng)絡信號基礎(chǔ)覆蓋。整體5G網(wǎng)絡信號覆蓋方案按照能夠滿足室外和室內(nèi)兩方面進行建設(shè)。室外建設(shè)主要為露天場所和無人駕駛路段的5G覆蓋，室內(nèi)建設(shè)主要是對沖壓車間、焊裝車間、涂裝車間、總裝車間、物流中心、辦公區(qū)域等的信號覆蓋。

數(shù)據(jù)經(jīng)由部署在園區(qū)的MEC設(shè)備進行交換，不出園區(qū)，保障數(shù)據(jù)安全。組網(wǎng)上，在5G通用的應用方案上根據(jù)設(shè)備通信的特性，增加L2TP隧道3GPP R16應用后，通過5G LAN特性完成二層交互。將MEC設(shè)備設(shè)置在園區(qū)的邊緣機房中，統(tǒng)一接入運營商的5GC SA網(wǎng)絡中進行管理和信令接續(xù)。同時滿足4/5G協(xié)同，既支持5G網(wǎng)絡，又兼顧4G LTE設(shè)備的解決方案，實現(xiàn)將4G和5G（NSA/SA）同時進行分流的能力。

2.2 5G LAN技術(shù)方案

特殊情況下，企業(yè)希望獲得對5G網(wǎng)絡的所有控制權(quán)、高度的可靠性、安全性、隱私性等，此時，公網(wǎng)無法完全滿足這些特定需求。

通過5G LAN的應用，提供了企業(yè)定制化網(wǎng)絡的自由度，根據(jù)使用場所、工作類型提供不同的配置，在隱私和安全方面都有明顯的優(yōu)勢。二層網(wǎng)絡的出現(xiàn)，讓IP內(nèi)部允許私有化分配，維護更簡單，對接耦合更方便，應用面也更為廣闊。

5G LAN應用場景貫穿了汽車制造的全過程，包括倉儲物流、AGV、柔性制造、生產(chǎn)過程控制、機器人協(xié)作等各個環(huán)節(jié)，為構(gòu)建汽車未來工廠體系建設(shè)提供技術(shù)保障。

3 應用場景

3.1 5G焊接群控系統(tǒng)

群控電腦IPC與焊接控制器需要實時采集數(shù)據(jù)，前期通過有線聯(lián)網(wǎng)，部署耗時耗力，且無法靈活調(diào)整，無法快速響應柔性制造系統(tǒng)的頻繁重構(gòu)的需求。本項目利用5G即插即用的組網(wǎng)技術(shù)特點，實現(xiàn)點焊控制器的靈活部署和焊接數(shù)據(jù)的低時延回傳，技術(shù)人員遠程接入，提高工作效率。

通過5G技術(shù)實現(xiàn)焊槍群控系統(tǒng)無線化，實現(xiàn)智能設(shè)備遠程、批量一站式管理：1）遠程設(shè)定焊接控制器的各焊點的焊接參數(shù)；2）實時上傳焊接參數(shù)和報警信息；3）遠程訪問、備份焊接過程參數(shù)，統(tǒng)計分析車輛焊接質(zhì)量。

3.2 5G Vcats車載軟件遠程刷寫

整車下線檢測普遍采用VCATS電檢設(shè)備實現(xiàn)車輛軟件刷寫，傳統(tǒng)的刷寫方式為一對一的在線刷寫，即一臺設(shè)備同時只能刷寫一臺車，設(shè)備利用率低。現(xiàn)階段車輛ECU數(shù)量多、軟件層級多、軟件版本更新迭代快，單臺車每分鐘可達近萬次的通訊，對數(shù)據(jù)通訊時延、并發(fā)要求高。單臺車刷寫時長超一小時，嚴重影響產(chǎn)線節(jié)拍。

5G應用場景的出現(xiàn)極大解決了現(xiàn)階段軟件刷寫速度慢、無法遠程化的難題，將5G場景應用到車輛軟件刷寫上，服務于生產(chǎn)，方便生產(chǎn)測試人員使用，降低設(shè)備成本。

通過5G網(wǎng)絡的廣連接、多并發(fā)技術(shù)可實現(xiàn)車間無人值守、多車同步、在途和遠程刷寫，極大的提升了工作效率。

3.3 5G堆垛機/穿梭車

隨著生產(chǎn)模式的變遷，物流配送的時效性要求越來越高，堆疊機、四向穿梭車作為自動化立體庫執(zhí)行設(shè)備，每次取放、料都要實時與WCS倉儲控制系統(tǒng)多次通信，其通信的可靠性對倉庫運行的穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用。

前期使用光通信和工業(yè)WiFi進行立體庫設(shè)備通信連接，存在通信不穩(wěn)定、通信效率低等痛點。受直線傳播和接收容差范圍限制、堆垛機運行振動、安裝誤差等因素影響，堆垛機經(jīng)常通信中斷；光通信設(shè)備只支持0.5Mbit/s，無法傳輸視頻監(jiān)信號。

通過5G技術(shù)取代光通信和工業(yè)WiFi，實現(xiàn)立體庫執(zhí)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，解決物料入庫、出庫、盤點過程中通信問題。

3.4 5G AGV系統(tǒng)

AGV作為柔性化生產(chǎn)線（16個獨立工作站組成）的一部分，負責工作站間物料轉(zhuǎn)運工作，每次任務需與具體工作站控制系統(tǒng)實時信息交互頻繁；焊裝車間鋼結(jié)構(gòu)復雜，存在點焊、螺柱焊、激光焊、FDS、Arplas等各種大功率設(shè)備，存在各種電磁干擾，工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，采用WiFi通訊經(jīng)常發(fā)生AGV小車掉線和AGV調(diào)度系統(tǒng)崩潰。

5G網(wǎng)絡與現(xiàn)有工廠WIFI對比優(yōu)勢主要集中在四個方面：5G是獨立的授權(quán)頻道，所以抗干擾性更強；承載數(shù)據(jù)量更多，最大承載量上萬，而WIFI單個AP只有30；5G具有低延時性（1-10ms），而WIFI同時連接終端數(shù)量受設(shè)備性能限制，通信受WIFI5隊列通信技術(shù)限制[2]。

通過5G的應用，解決了WiFi帶寬、時延等問題，全面提升AGV運行穩(wěn)定性，提高AGV運行速率，從而提高生產(chǎn)運營效率。

3.5 5G EMS空中輸送線

改造前存在兩大問題：一是設(shè)備狀態(tài)信息獲取難，設(shè)備異常狀態(tài)需維護人員攀到小車維護平臺使用筆記本電腦和數(shù)據(jù)線在線監(jiān)控程序；二是設(shè)備控制成本高：通過硬接線采集并控制小車，需要在PLC主控柜和小車軌道間鋪設(shè)大量電纜和滑觸線。

部署5G網(wǎng)關(guān)后，打通了小車控制器和服務器之間的數(shù)據(jù)鏈路，利用信息平臺遠程采集小車狀態(tài)數(shù)據(jù)；滑觸線只保留動力線，取消原有的控制電纜；利用5G網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)了原有的功能，同時擴展了數(shù)據(jù)采集功能。

EMS線通過串口線將EMS小車控制器連接5G DTU，實現(xiàn)西門子PPI工業(yè)協(xié)議的透傳：1）取消控制電纜，采用Profinet Over 5G &VXLAN大二層技術(shù)；2）技術(shù)人員可以遠程登錄控制器，實現(xiàn)控制程序的遠程更新、調(diào)試，減少進入復雜環(huán)境的現(xiàn)場作業(yè)；另外，通過5G聯(lián)網(wǎng)，結(jié)合數(shù)據(jù)采集技術(shù)，可實時顯示小車的運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)、排查故障。

3.6 5G IOT數(shù)采&數(shù)字孿生

數(shù)字孿生是映射現(xiàn)實物理世界的數(shù)字副本。通過集成人工智能、機器學習和傳感器數(shù)據(jù)，建立一個可以實時更新的“真實”模型，用來支撐物理產(chǎn)品生命周期各項活動的決策。

生產(chǎn)車間孿生過程需要通過物聯(lián)感知、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算等技術(shù)采集海量的在制車輛信息、產(chǎn)線運行狀態(tài)、生產(chǎn)報工、異常報警等生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

構(gòu)建實體時，IOT數(shù)據(jù)采集平臺要面對復雜的設(shè)備和接口類型，同時支持各種工業(yè)協(xié)議，如Profinet、Ethercat、OPC UA等，因此需要一個足夠健壯的5G網(wǎng)絡來保證數(shù)采中的各個通信任務的高效性、穩(wěn)定性、實時性。

IOT數(shù)采實現(xiàn)由實入虛的連接與映射，利用數(shù)字孿生和先進的三維可視化技術(shù)，將車間、產(chǎn)線、設(shè)備等資產(chǎn)以3D模型加數(shù)據(jù)的形式展現(xiàn)，實現(xiàn)資產(chǎn)與生產(chǎn)信息的可視化展示。利用5G低時延、廣連接的特性，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時接入平臺，提升信息交互效率，實現(xiàn)工廠實時管理和監(jiān)控，虛擬與現(xiàn)實的同步運作，為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營提供科學的決策依據(jù)。

目前已完成焊裝生產(chǎn)線、透明化工廠報表、機器人功能包實驗室等多個場景，結(jié)合VR技術(shù)，實現(xiàn)手勢引導交互、沉浸式漫游、遠程操控機械臂運動等功能。并可切換多地工廠進行操作實踐，真正實現(xiàn)中心化統(tǒng)一管理。

4 結(jié)束語

5G+MEC+邊緣計算的部署方案可為工業(yè)網(wǎng)絡的提質(zhì)升級提供強有力的技術(shù)支撐，利用5G低時延、大帶寬、高可靠性、高安全性的特性，我們在汽車制造場景中驗證了今后廣泛使用的可能性。

相信隨著5G核心網(wǎng)絡和接入網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，在三年內(nèi)5G網(wǎng)絡將會逐步平替?zhèn)鹘y(tǒng)有線網(wǎng)絡，同時5G產(chǎn)品制造成本的降低，也讓越來越多的企業(yè)愿意在其制造環(huán)節(jié)中使用5G網(wǎng)絡支撐工廠網(wǎng)絡架構(gòu)。

基金項目：信息物理系統(tǒng)（CPS）綜合集成管理系統(tǒng)

項目編號：GL/20-009X。

參考文獻：

[1]蔣樹國，王小臣，王成.5G網(wǎng)絡切片技術(shù)在車聯(lián)網(wǎng)中的應用[J].汽車文摘，2021（1）：28-31.

[2]王冠男，劉健，何敏. 汽車行業(yè)智慧物流在5G網(wǎng)絡下的應用及展望.汽車工業(yè)研究[J]. 汽車工業(yè)研究. 2022年第1期.