“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”引領(lǐng)企業(yè)變革的應(yīng)用研究

張巍

摘要：在政策引導(dǎo)和ICT技術(shù)快速發(fā)展的雙重推動(dòng)下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”步入了快速發(fā)展的軌道。嘉峪關(guān)移動(dòng)通過(guò)西溝礦5G+智能裝備建設(shè)探索研究，提升了西溝礦礦山企業(yè)的生產(chǎn)和管理模式，實(shí)現(xiàn)了穿孔、采掘、運(yùn)輸及溜井口大塊處理的遠(yuǎn)程控制及自動(dòng)駕駛，同時(shí)解決安全生產(chǎn)問(wèn)題并提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。通過(guò)5G+工業(yè)數(shù)據(jù)中臺(tái)決策分析后的數(shù)據(jù)，企業(yè)得以進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化演進(jìn)和綠色化發(fā)展。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在數(shù)據(jù)采集類(lèi)、控制類(lèi)及圖像信息傳輸類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景還有很大的探索空間，將與合作伙伴一起為本地龍頭企業(yè)酒鋼集團(tuán)的數(shù)字化和智能化發(fā)展提供更大支持。

關(guān)鍵詞：5G；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；露天礦；智能化；智能裝備；數(shù)據(jù)中臺(tái)

近年來(lái)，我國(guó)高度重視“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合創(chuàng)新發(fā)展。2019年11月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》，在政策引導(dǎo)和ICT技術(shù)快速發(fā)展的雙重加持下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”進(jìn)入了大力推進(jìn)模式。為了滿(mǎn)足智能制造發(fā)展的需要，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迫切需要具有高速率、低時(shí)延、高可靠、廣覆蓋的基礎(chǔ)信息網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)正當(dāng)其時(shí)。5G是助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵使能技術(shù)，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是加快5G商用規(guī)模部署的關(guān)鍵因素。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動(dòng)，將成為驅(qū)動(dòng)企業(yè)變革的強(qiáng)力引擎和助燃劑。酒鋼集團(tuán)作為我國(guó)西北地區(qū)最大的碳鋼與不銹鋼生產(chǎn)基地，瞄準(zhǔn)“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”戰(zhàn)略目標(biāo)，經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的發(fā)展，已經(jīng)形成了多元化產(chǎn)業(yè)格局（見(jiàn)圖1），主體技術(shù)裝備水平居國(guó)內(nèi)領(lǐng)先行列。在商業(yè)及技術(shù)雙重驅(qū)動(dòng)下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”正在逐漸影響酒鋼企業(yè)的發(fā)展。

一、5G+智能裝備

2019年起，嘉峪關(guān)移動(dòng)率先與酒鋼集團(tuán)西溝礦業(yè)公司積極開(kāi)展5G+智能裝備建設(shè)的探索和研究。利用5G+遠(yuǎn)程控制，提升西溝礦業(yè)公司的生產(chǎn)和管理模式，實(shí)現(xiàn)穿孔、采掘、運(yùn)輸及溜井口大塊處理的遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)駕駛，有效地解放了職工，使他們從勞動(dòng)強(qiáng)度大、安全風(fēng)險(xiǎn)高的惡劣環(huán)境中解脫出來(lái)。人機(jī)分離實(shí)現(xiàn)了本質(zhì)安全，打破了傳統(tǒng)采礦“勞動(dòng)密集、資本密集”的模式，達(dá)成了降本增效目標(biāo)。

（一）5G專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)

為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化、生產(chǎn)可視化、管理智能化的5G+智能裝備建設(shè)目標(biāo)，支撐礦山業(yè)務(wù)需求，嘉峪關(guān)移動(dòng)通過(guò)5G專(zhuān)網(wǎng)保障了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，滿(mǎn)足大上行、低時(shí)延、高可靠和安全隔離四個(gè)方面的要求。

1.大上行帶寬方案

礦用裝備升級(jí)后，5G網(wǎng)絡(luò)需要支撐多類(lèi)流量的通信，如實(shí)時(shí)視頻、控制指令、運(yùn)行狀態(tài)、高精定位、心跳檢測(cè)、任務(wù)下發(fā)、位置廣播等。其中，遠(yuǎn)程操控需要給操控人員提供多方位的實(shí)時(shí)高清視頻支持。通過(guò)以車(chē)載設(shè)備為單位的畫(huà)像建模，滿(mǎn)足上行要求。

2.低時(shí)延方案

大型生產(chǎn)裝備和控制系統(tǒng)的遠(yuǎn)程操控對(duì)時(shí)延要求高（最佳＜30ms），且要求高可靠和低丟包。智能裝備端到端低時(shí)延需要從架構(gòu)、空口、設(shè)備、業(yè)務(wù)四方面考慮，架構(gòu)和空口的優(yōu)化是關(guān)鍵。另外，礦山應(yīng)用部署位置離現(xiàn)場(chǎng)越遠(yuǎn)，傳輸距離越長(zhǎng)，通過(guò)MEC下沉在滿(mǎn)足多業(yè)務(wù)時(shí)延要求的同時(shí)，保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

3.高可靠方案

自動(dòng)駕駛和遠(yuǎn)程操控等關(guān)鍵業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)高可靠需求從業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)層面考慮。在業(yè)務(wù)層面，為保障裝備運(yùn)行的安全可靠，各類(lèi)數(shù)據(jù)流需要不同的可靠性保障等級(jí)，如操控指令、視頻流數(shù)據(jù)、裝備和系統(tǒng)側(cè)的心跳消息以及機(jī)器之間的廣播消息等。在網(wǎng)絡(luò)層面，裝備側(cè)、無(wú)線(xiàn)網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各環(huán)節(jié)設(shè)備和鏈路均存在故障可能，需明確設(shè)備選型和雙節(jié)點(diǎn)主備。

4.安全隔離方案

通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)用戶(hù)數(shù)據(jù)隔離，包括無(wú)線(xiàn)網(wǎng)切片、承載網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片，三部分分別采用不同的切片技術(shù)方案，同時(shí)進(jìn)行前后銜接，形成端到端切片通道。

（二）智能裝備改造

1.電鏟遠(yuǎn)程控制

通過(guò)對(duì)電鏟的電氣化改造，實(shí)現(xiàn)了電鏟的遠(yuǎn)程操控，操作人員可以在遠(yuǎn)程操控室通過(guò)手柄操控單元控制電鏟的各種動(dòng)作，完成鏟裝作業(yè)。

2.礦卡自動(dòng)駕駛

礦卡可以通過(guò)自動(dòng)模式、手動(dòng)模式、遠(yuǎn)程模式駕駛。在自動(dòng)駕駛模式下，礦卡可以按照靜態(tài)錄制+動(dòng)態(tài)規(guī)劃的方式實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛；在遠(yuǎn)程操作模式下，礦卡可在遙控操作臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛的控制和狀態(tài)監(jiān)控。

3.牙輪鉆遠(yuǎn)程控制

通過(guò)電氣系統(tǒng)改造，完成對(duì)牙輪鉆機(jī)的基本控制，操作人員可以在遠(yuǎn)程控制室實(shí)現(xiàn)加壓打孔、行車(chē)、取桿、夾桿等鉆孔動(dòng)作。

二、5G+數(shù)據(jù)中臺(tái)

企業(yè)智能化發(fā)展不斷迭代更新，數(shù)據(jù)在發(fā)展中起到了無(wú)法替代的作用。工業(yè)數(shù)據(jù)在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)流程中也成為智能化改造至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用的發(fā)展演進(jìn)，工業(yè)數(shù)據(jù)已被賦予新的使命，成為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化發(fā)展中不可缺少的基礎(chǔ)動(dòng)力。酒鋼集團(tuán)非常重視“數(shù)據(jù)”在企業(yè)發(fā)展中的作用。自企業(yè)發(fā)展信息化建設(shè)以來(lái)推倒并重建了很多套信息化系統(tǒng)相伴，也產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析平臺(tái)在經(jīng)營(yíng)管理數(shù)據(jù)分析方面做了一些探索和實(shí)踐。目前，嘉峪關(guān)移動(dòng)正聯(lián)合華為進(jìn)行5G+數(shù)據(jù)中臺(tái)可研分析，以使數(shù)據(jù)資產(chǎn)的業(yè)務(wù)價(jià)值最大化，使能業(yè)務(wù)模式升級(jí)。

（一）5G支撐數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，主要以批量、實(shí)時(shí)、流式等方式進(jìn)行采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后入到數(shù)據(jù)湖。5G轉(zhuǎn)網(wǎng)模式可以滿(mǎn)足工業(yè)設(shè)備的大量數(shù)據(jù)、低延時(shí)、高可靠的抓取需求。

數(shù)據(jù)采集過(guò)程涉及多種類(lèi)型的工業(yè)設(shè)備，以酒鋼西溝礦業(yè)公司為例，包括鉆、鏟、車(chē)、破碎機(jī)、皮帶機(jī)等。存在大量設(shè)備數(shù)據(jù)采集后難以與生產(chǎn)系統(tǒng)對(duì)接，以及跨廠(chǎng)商數(shù)據(jù)對(duì)接效率低下等問(wèn)題。

通過(guò)構(gòu)建5G云網(wǎng)關(guān)，承上啟下，實(shí)現(xiàn)了OT與IT域間數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)，以及不同的數(shù)據(jù)源（視頻、圖片、接口、協(xié)議等數(shù)據(jù)）的協(xié)議轉(zhuǎn)換（見(jiàn)圖2）。

（二）數(shù)據(jù)中臺(tái)建設(shè)

數(shù)據(jù)中臺(tái)包含從數(shù)據(jù)采集到存儲(chǔ)的端到端服務(wù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)治理形成分類(lèi)主題，治理后的數(shù)據(jù)可用于各類(lèi)數(shù)據(jù)服務(wù)，包括數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視、數(shù)據(jù)共享等。通過(guò)建設(shè)基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新平臺(tái)，統(tǒng)籌集團(tuán)下屬二三級(jí)廠(chǎng)區(qū)，構(gòu)建數(shù)據(jù)資源庫(kù)、先進(jìn)數(shù)字化工具、虛擬仿真環(huán)境等一體化的協(xié)同創(chuàng)新體系。以酒鋼西溝礦業(yè)公司為例，打通了礦山地質(zhì)、測(cè)量、采礦、選礦等數(shù)據(jù)通道、助力基于數(shù)據(jù)分析的生產(chǎn)智能控制、運(yùn)行優(yōu)化、決策優(yōu)化和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)能力優(yōu)化。

1.規(guī)范數(shù)據(jù)治理

對(duì)礦山地質(zhì)、測(cè)量、采礦、選礦等全流程各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)抓取、分析、清洗，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一存儲(chǔ)管理，為開(kāi)展大數(shù)據(jù)的全面分析、深度挖掘、情報(bào)檢索，可視化展示提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.數(shù)據(jù)應(yīng)用創(chuàng)新

針對(duì)生產(chǎn)到運(yùn)營(yíng)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了場(chǎng)景細(xì)化模擬分析，以迭代創(chuàng)新的管理應(yīng)用服務(wù)于生產(chǎn)全流程各環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)指標(biāo)趨勢(shì)分析、成本細(xì)化和趨勢(shì)分析、設(shè)備管理分析、采購(gòu)分析、品位變化趨勢(shì)、工藝數(shù)據(jù)分析等，提供靈活的指標(biāo)監(jiān)控、報(bào)表查詢(xún)、多維圖形展示和綜合分析，為企業(yè)提供實(shí)時(shí)狀態(tài)分析并賦能企業(yè)發(fā)展決策支持。

三、“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應(yīng)用場(chǎng)景

作為新一代信息通信技術(shù)與制造技術(shù)融合的創(chuàng)新應(yīng)用技術(shù)，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”將賦能酒鋼集團(tuán)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化制造、綠色化發(fā)展，為酒鋼集團(tuán)提供生產(chǎn)優(yōu)化、節(jié)能減排、降本增效、運(yùn)營(yíng)管理等創(chuàng)新應(yīng)用，打造綠色化安全化的酒鋼5G全鏈接工廠(chǎng)。通過(guò)5G技術(shù)改造企業(yè)原有生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)，形成IT、CT和OT融合的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)部署方案，綜合運(yùn)用大數(shù)據(jù)、MEC邊緣計(jì)算等新興技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)能力，后續(xù)將聚焦數(shù)據(jù)采集類(lèi)、控制類(lèi)及圖像信息傳輸類(lèi)等應(yīng)用場(chǎng)景，持續(xù)為酒鋼集團(tuán)發(fā)展賦能（見(jiàn)表1）。

（一）能源與環(huán)保管理

利用5G網(wǎng)絡(luò)在廠(chǎng)區(qū)廣泛收集能源消耗和污染排放等儀表數(shù)據(jù)，減少有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)布置成本，同時(shí)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)范圍（覆蓋原有線(xiàn)盲區(qū)），促進(jìn)生產(chǎn)工藝優(yōu)化與設(shè)備改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)降低能耗成本的同時(shí)做到綠色環(huán)保，打造綠色低碳的生產(chǎn)模式。

（二）生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)監(jiān)控

5G無(wú)線(xiàn)技術(shù)增強(qiáng)了監(jiān)控點(diǎn)可移動(dòng)性和監(jiān)控人員的可移動(dòng)性，實(shí)時(shí)傳輸生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)高清圖像視頻，能直觀(guān)高效地展示人員、設(shè)備的作業(yè)情況，提升生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)全局化和精細(xì)化管控水平。

（三）質(zhì)量管理

通過(guò)部署工業(yè)相機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行高清拍攝，將數(shù)據(jù)回傳致邊緣云服務(wù)器進(jìn)行智能分析處理，通過(guò)對(duì)比合格產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，對(duì)產(chǎn)品合格率提供有力的參考決策。

（四）安全管理

傳統(tǒng)安全監(jiān)控管理基于固定的支架攝像頭，而通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)，攝像頭可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)場(chǎng)景無(wú)延遲的抓拍監(jiān)控。同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)多路多視野的超高視清視頻實(shí)時(shí)傳送到服務(wù)器端。另外，通過(guò)5G網(wǎng)關(guān)使用先進(jìn)的巡檢機(jī)器人也能對(duì)園區(qū)進(jìn)行實(shí)時(shí)巡檢。

四、結(jié)語(yǔ)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過(guò)近幾年發(fā)展得到了成熟的信息技術(shù)支持。而5G通信技術(shù)作為基礎(chǔ)能力來(lái)輔助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，為其注入靈魂，使“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”具備更靈活的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用更是得到了質(zhì)的提升。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用因網(wǎng)絡(luò)限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)全流程全場(chǎng)景賦能，而5G的應(yīng)用恰好幫助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決了這一難題，也證明了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展的廣闊前景。“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在酒鋼集團(tuán)的探索已經(jīng)進(jìn)入深水區(qū)，后續(xù)將繼續(xù)認(rèn)真貫徹落實(shí)集團(tuán)關(guān)于5G新基建的部署要求，大力推動(dòng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，服務(wù)好本地企業(yè)，以“網(wǎng)絡(luò)+服務(wù)”為基礎(chǔ)，以“平臺(tái)+生態(tài)”為關(guān)鍵，攜手華為等伙伴抓緊5G機(jī)遇，共同譜寫(xiě)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”新篇章。

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