5 G+UW B 在客車行業MES 中的建設實踐

文/劉勇 溫振華（安徽安凱汽車股份有限公司）

企業資源計劃（ERP）的應用初步解決了企業產銷協同的問題，但對于生產制造過程的監控往往是缺失的。相較于乘用車企業，客車企業產品定制化程度高、生產自動化程度低，產品節拍化生產能力弱，進而導致生產現場管理的“黑箱”問題較為嚴重，這是不少“多品種、小批量”制造企業要解決的共性難題。

對于智慧工廠而言，信息化車間則是基礎，因此制造執行系統（MES）是車間智能化過程中不可或缺的重要一步，本方案通過5G 專網與超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）技術的結合，解決車輛生產制造過程工位流轉數據溯源，并在MES 中予以應用，使傳統業務開展從物理世界向數字化空間的轉型升級，實現了生產管理業務的模式創新，同時也回避了生產自動化程度低造成的數據獲取問題，5G 專網的建設也將網絡用戶面網元（UPF）下沉企業園區以確保數據安全。

一、5G 專網加速數字化轉型

1.5G 專網建設

5G 可以實現“人對萬物”以及“萬物對萬物”的連接。5G 的三項核心能力：eMBB（增強移動寬帶）、mMTC（海量大連接）、uRLLC（高可靠低時延），對于企業后期的網絡拓展都有強烈的吸引作用。另一方面，對于企業來說，有線網絡改造通常需要在生產車間施工，甚至涉及停產停工，擴展局限性大；Wi-Fi 大面積覆蓋常涉及諸多無線接入點（AP），不具備5G 的高移動性和安全性。

為滿足企業5G 專網需求，項目方案采用SA 技術架構，業務由SA 核心網進行承載，通過DNN 技術實現企業業務在5G 網絡的專用隔離：通過在園區內部署用戶面UPF 設備，實現數據分流不出園區的安全保障，并進一步降低數據轉發時延；同時采用5G 網絡切片技術，滿足隔離性、按需定制和端到端網絡保障，提供超低時延保障服務。5G 網絡總體邏輯拓撲圖如圖1所示。

圖1 5G 網絡總體邏輯拓撲圖

2.網絡隔離

采用5G DNN 網絡隔離方案，即5G SIM簽約獨立的DNN；終端接入網絡設置專用APN。網絡接入流程如下：

（1）終端設置正確的APN 并啟用，接入網絡時上報APN/DNN 信息，5G 核心網進行用戶鑒權認證；通過后允許終端接入網絡，合法終端允許接入企業內部網絡。

（2）終端設置正確的APN 并啟用，若5G SIM未簽約對應的DNN，5G 核心網在終端請求網絡接入時，不予通過，即終端無法接入DNN 網絡，實現接入隔離。

（3）個人終端(APN：CMNET)中請求網絡接入，若5G SIM 簽約信息合法，通過鑒權認證后，允許終端接入CMNET 公網訪問互聯網，但不允許訪問企業內部網絡。

通過與運營商合作，采取5G SIM卡授權的方式，有效地將專網與公網隔離，保證了企業信息安全。

3.MEC（邊緣計算）

邊緣計算是一種分散式運算的架構。在這種架構下，將應用程序、數據資料與服務的運算，由網絡的中心節點移往網絡邏輯上的邊緣節點來處理。邊緣運算將原本完全由中心節點處理的大型服務加以分解，切割成更小與更容易管理的部分，分散到邊緣節點去處理。

企業內部署一套邊緣MEC 設備在機房內，采用先進的硬件平臺，單站點通過1 對EOR 交換機對外進行連接。綜合考慮企業模型及設備處理能力，MEC按5Gbps 忙時吞吐能力（0.1 萬PDU 會話，5Gbps 吞吐量）部署，提供計算資源、存儲資源、網絡資源和安全基礎設施，滿足企業5G 智能工廠邊緣計算需求。

MEC 網絡采用兩層（接入、核心）組網、三平面（業務、管理、存儲）物理隔離，出口層復用現有各承載網絡設備。

表1 邊緣MEC 對外接口及承載方案

企業承載場景和流向示意如圖2 所示。

圖2 企業承載場景和流向示意

二、UWB 重構生產數字空間

1.超寬帶（UWB）技術

除了5G 技術的應用，方案還采用了高精度UWB定位技術來確保應用落地。UWB 技術是一種利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數據的無線通信方式。該技術采用高帶寬、快速脈沖的方式，具有優秀的穿透性和抗干擾性，可以解決基于一維、二維場景下的在制品及物料的定位需求。

企業最終采用到達時間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）算法，基于時間差定位技術，在實驗室環境下，定位精度達到10 cm 以內，信號覆蓋在可視環境下大于100 m。其工作頻率為3.9 GHz，具有抗干擾能力強、不影響其他信號，以及難破解、低功耗、高可用的特點。

UWB 定位系統分為三層：現場設備層、網絡服務層、管理應用層。系統層次自下而上，層次劃分明確，架構清晰，如圖3 所示。其中現場設備層主要由定位基站/Anchor、定位標簽/Tag 組成。

圖3 5G+UWB 系統架構

2.基于位置信息的應用

基于UWB 定位的位置應用的效果突出，主要體現在下列幾個方面：

（1）UWB 定位技術，定位精度高、抗干擾性強，結合高效的計算能力采用濾波、優選、限幅、平滑等多種優化算法，支持零維單點、一維線性、二維區域多種定位方式，適用于工廠復雜環境下的人員和車輛定位。

（2）支持圖形可視化展示及管理，界面友好、操作便捷、高效運行、擴展性好；支持PC 端、移動端多端、分發訪問。

（3）系統采用實時告警觸發機制，多達七類告警，告警支持短信、微信等多種聯動方式，告警信息傳遞更及時，便于管理及跟蹤。

（4）基于位置信息數據的采集和積累，形成海量數據，根據需求可進行不同維度的數據分析，生成可視圖形化數據報表，作為客觀數據支持智慧工廠管理決策。

（5）定位系統作為企業信息系統的重要應用之一，整個系統采用分層架構設計，與MES 通過標準API 接口方式集成，可以進一步應用擴展。

三、MES 打造企業新型生產能力

1.集成與應用

企業MES 圍繞車間“透明生產”，重點完成生產計劃、生產物料清單、生產執行、異常管理、質量管理、設備管理等功能模塊對于車間層級業務的覆蓋。依托5G 網絡大帶寬、低延時、高速率特點，實現產線設備連接“剪辮子”；基于UWB 定位標簽，實現在制品的車間虛擬映射，最終通過數據的無線采集及MEC 邊緣計算為MES 提供數據加工清洗等支持，使車間實現生產過程透明化、異常流程規范化、質量信息可溯化、業務系統集成化。

MES 生產計劃模塊中涉及的個性化訂單需求，來源于企業資源管理（ERP）；生產物料清單需要以PLM（產品生命周期管理）中的EBOM（Engineering BOM）為基礎繼續編制；生產執行模塊與UWB 定位信息的聯動，使得工位機PC 自動識別當前工位產品詳細信息，實現產前學習內容、產中執行操作的一鍵查詢，以及異常問題的一鍵反饋。生產模塊業務涉及多個信息系統，采用了面向服務的架構（Service-Oriented Architecture,SOA）中間件，對這些系統的集成接口進行統一的解耦與管理。

設備管理模塊負責管理企業生產、檢測、測量等設備。生產方面集成了總裝、涂裝部分設備，實現實時數據采集；對檢測線相關的尾氣排放及OBD 檢測等設備進行集成，獲取檢測報告。

為了便于系統使用，配備了支持5G 專網的PAD、PC 等多種終端。現場工人應用5G-PAD 進行生產執行和質量管理，生產經理在應用生產計劃和生產BOM的功能時，可通過PC 端進行。

2.MES 打造新型生產能力的數字化核心舉措

安凱客車通過5G+UWB+MES 三位一體的形式，打造的新型生產能力包含了業務數據化、5G 專網、UWB 定位、互聯互通、移動在線、異常快速處理、決策看板等數字化舉措。業務系統實現生產計劃、生產物料清單、生產執行、異常管理、質量管理、設備管理等過程業務數據化，串聯起上下游系統以及設備，實現系統與設備互聯互通，形成數字化平臺的基礎。通過數據業務化，為計劃員、設計工程師、檢驗員、操作工等不同的崗位角色開發移動App，使其響應數字空間指令開展工作，設備、車體位置等物理世界信息也實時反饋至數字空間，基于數字空間打造的智慧工廠看板。

為了搭建數字空間以實現新型生產能力，主要實施了以下7 個方面的舉措：

（1）業務數據化：企業生產計劃、生產準備、生產執行、質量檢測全過程業務數據化。

（2）5G 專網：搭建覆蓋公司全域的5G-SA 專網，實現公司網絡結構優化。

（3）UWB 定位：實現車體位置監控，構建虛擬數字空間。

（4）互聯互通：集成各信息系統數據，打通設備數據和BOM、計劃等業務數據的通道，聯動企業微信平臺。

（5）移動在線：為現場操作工、計劃員、設計工程師、檢驗員等提供實時移動服務。

（6）異常快速處理：生產異常在線協同、設計異常推送審批。

（7）決策看板：多維度集成信息系統數據并清洗后產生決策看板。

MES 項目實施之前，公司質量管理、異常管理等模塊無有效的數字化支撐手段與工具，專職質量檔案管理人員工作量大，溯源難度大；異常管理人員無法有效地將組織記憶力轉化為全員改進的方法。項目完成后質量管理實現了電子檔案和全程數字化管控，極大減少了工作量，有效地將生產質量管理與DMS（經銷商管理系統）結合，車輛質量可隨時溯源且方式簡化。異常管理模塊能夠通過Andon 方式記錄異常發起時間、類型、響應時間等重要管理參數，有利于形成可復制、可學習、可改進的有效管理措施，提高異常響應效率并提高產品質量。據統計，質量門數據分析效率、問題追溯效率至少提高100%，整車一次交檢合格率提升4 個百分點；質量門記錄本等相關文印費減少80%。

通過建設5G 專網、UWB 高精度定位，實現了生產設備“剪辮子”連接，可自動統計車間各工位裝配時間，解決了工位時間統計困難、無法還原生產時間狀態的問題，且有效支撐車間異常時間分析，解決了企業長期以來存在的在產車輛無法定位溯源、產線設備有線連接限制，在企業降本增效、節能減排、安全生產方面都發揮了重要作用。5G 專網擴展了公司網絡結構，專網5G 設備下行速度可達1 Gbps，較公司有線網絡提升數倍，且網絡拓展性極強。據統計，項目上線后，生產計劃達成率同比提升5%；且經過負壓測試，在產量峰值時，產能提高8%。

四、結語

安凱客車在企業數字化轉型過程中，基于5G+UWB+MES 三位一體的應用，實現傳統生產業務開展從物理空間向數字化空間的轉型升級，在客車企業數字化轉型、定制化生產等領域取到了較為明顯的成效，特別是5G 與UWB 技術，在現場實施與總結改進等方面起到示范、引領作用。