5G与工业互联网助力企业数字化转型

5G与工业互联网助力企业数字化转型

5th-Generation Mobile Networks&Industrial Internet help driving enterprise digital transformation
作者1/CHEN Yigen
作者2/Yin Xiaofeng
作者3/SHAO Lixun
(浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司，浙江 宁波 315000)
(Bluetron Industry Internet Information technology Co.,Ltd, Ningbo 315000, China)

摘要

随着工业互联网在工业企业数字化、智能化转型中扮演越来越重要的角色，5G的eMBB、URLLC、mMTC和网络切片等关键技术和工业互联网的融合赋能企业用户不断推动制造业的转型升级。其中5G的无线传输技术协助工业互联网平台将分散在企业内的生产实时数据及时上传至平台进行进一步分析处理；5G的网络切片和工业互联网平台提供的边缘计算能力可以做到更低时延，提供更好的灵活性和安全性；另外5G的大宽带可以将工业视频实时回传，利用人工智能技术对现场视频进行分析极大提高了企业的现场管控能力；而5G的定位技术给制造业智能巡检带来了新的技术选择。

关键词

5G；eMBB；URLLC；mMTC；工业互联网平台；

Abstract

With the industrial internet playing an increasingly important role in the digital and intelligent transformation of industrial enterprises, the integration of key technologies such as 5G's eMBB, URLLC, mMTC and network slicing enables enterprise users to continuously promote the transformation and upgrading of manufacturing industry. Among them, 5G wireless transmission technology helps the industrial internet platform to timely upload the real-time production data scattered within the enterprise to the platform for further analysis and processing; 5G network slicing and edge computing capability provided by the industrial internet platform can achieve lower latency and provide better flexibility and security; in addition, 5G wide broadband can help transmit industrial video back in real time, and with the help of AI technology enterprises have greatly improved the on-site management and control ability; and 5G positioning technology has brought a new technology choice for intelligent inspection of manufacturing industry.

Key words

5G(5th generation mobile networks);eMBB(Enhanced Mobile Broadband);URLLC(Ultra-reliable and Low Latency Communications);mMTC(Massive Machnice Type Communication);Industrial Internet platform

文章内容

物联网、云计算、大数据、人工智能、5G移动通信等新一代ICT技术的发展，正深刻改变着传统制造业的发展模式，将引发生产方式、商业模式乃至产业形态的变革。5G技术加速智能制造转型，通过生产设备网络化，实现工厂车间“物联网”；通过生产数据可视化，利用大数据分析进行生产决策；通过生产文档无纸化，实现高效、绿色制造；通过生产过程透明化，实现智能工厂的“神经”系统；通过生产现场无人化，真正做到“无人”工厂。

新的5G技术，重构了企业内5G网络化改造及推广服务平台的总体架构。工厂内的各种控制，质量，管理，可视和安全领域行业应用场景，通过5G优质的无线技术凭借高带宽，高可靠，低时延，移动性实现工厂向柔性制造、自动化，无线化方向演进；5G的云网一体化属性助力企业边缘计算应用，边缘云解决现场应用云端实时控制；5G企业专网方案可为企业提供安全可靠的网络支撑；网络切入、公有云，私有云、边缘云的融合战略为企业提供高性价比的5G解决方案选择。

5G网络部署共有三种模式可供选择

• 纯5G网络逻辑切片
  该模式依托电信5G公网网络，适用于对数据安全性不是特别敏感用户。在企业不需要本地化部署相应的硬件设备同时，也可以根据企业的需求，配置不同的网络切片。

• 公网、私网公用基站设施
  该模式仍依托于电信的5G基站与5G核心网，但企业会自建核心网。企业同运营商共享5G空口，控制面数据上传至运营商核心网，而用户面数据分流至企业内核心网。该模式下用户面数据不经过公网，安全性大大增加，与此同时企业内核心网会大大增加企业成本。

• 所有网络本地独立部署
  该模式下，企业5G端到端设备全部新建，适用于对数据安全极为苛刻的企业。由于所有数据都在企业内流传，整体安全性大大提高。但与此带来的是建设维护成本急剧上升，与公网的数据交互能力为零。

为了满足工业制造的需求，5G通信系统设计方案如下：

• 5G无线网络支持 AAU/CU/DU 的灵活切分和部署，满足不同场景下的切片组网需求。CU可云化部署，便于无线资源集中管理，或CU下沉到边缘部署，降低传输时延，满足工业低时延需求。

• 为了满足工业制造对无线通信网络在端到端延时、吞吐量、连接数密度、可靠性、能源效率等性能指标，5G通信系统采用了高频段传输、多天线传输、同时同频全双工、D2D、密集网络以及新型网络架构等关键技术。

• 5G传输网切片运用虚拟化技术，实现网络拓扑资源虚拟化，构建虚拟网络。支持多层次的切片隔离技术，如： FlexE、LDP、LSP等技术，满足不同隔离要求下的切片需求，实现工业高隔离要求下的底层快速转发。

• 5G网络采用SDN架构的层次化控制器，实现物理网络和切片网络的端到端统一控制和管理，满足不同类型工业业务对传输的不同要求。

• 5G网络基于多层次的切片技术和MEC边缘计算技术，从接入安全、网络安全，外网访问安全三个方面，为工业领域的不同业务提供差异化的隔离服务和安全保障。

• 5G网络通过统一的智能化系统，实现切片的端到端编排管理。电信级 DevOps 平台跨越切片的设计域和运行域，实现从设计、测试、部署到运行监控，以及动态优化的切片全生命周期管理自动化闭环，通过全流程模型化驱动，具备较为完备的网络管理能力和北向接口能力，实现业务需求和网络资源的灵活匹配，满足工业场景下快速定制和部署需求。

工业企业内部目前存在工控网络、生产物联网、视频监控网、移动办公网等复杂的多元化网络。现有的工业总线存在产业封闭、发展缓慢、技术落后等问题，严重制约企业的发展。随着人工成本的快速上升，企业自动化、智能化转型迫在眉睫。现有网络以有线和WIFI的方式传输，有线网络布线成本高、周期长、走线难，严重限制了设备的移动范围，影响产线柔性化，难以解决工业互联网进程中不断新增大量物联网设备的灵活接入、大范围移动的需求；采用WIFI也是无奈之选，移动范围有限、抗干扰差、切换性能差、容量受限。5G作为最优的无线技术，可凭借高带宽、高可靠、低时延、移动性助力企业向无线化、自动化、智能化、柔性制造方向演进，5G的网络切片和边缘计算能力可以做到更低时延，提供更好的灵活性和安全性。

MEC改变了4G中网络和业务分离的状态，通过对传统无线网络增加MEC平台网元，将业务平台（包含内容、服务、应用）下沉到移动网络边缘，为移动用户提供计算和数据存储服务。将工业互联网平台部署在MEC上，可在无线接入网络与现有应用服务器之间的回程线路上节省大量带宽使用。

根据工业制造对无线通信的严格需求，基于5G网络+ MEC的全新服务化架构，以及eMBB、URLLC、mMTC和网络切片等关键技术，实现制造企业内网无线接入网络和传输网络。同时，解耦5G网络功能为服务化组件，调用轻量级组件开放接口，满足工业企业实现按需、动态、弹缩和高可靠的网络分配、运维和管理的需求，全方位构建满足工业制造需求的5G通信系统。总体技术架构图如下：

为了建设5G网络化推广平台和满足工业企业快速开发行业应用，蓝卓提供了搭建赋能工业制造工业互联网测试平台。利用5G低时延的特性去控制工业设备；利用5G网络的高带宽特性，5G+工业互联网平台可以采集工业的实时运行数据和视频类数据；利用5G的海量连接特性，5G+工业互联网平台可以连接众多的工业互联网设备，实现设备“上网”。网络建设的总体拓扑图如下：

5G+工业互联网平台工业数据采集使用基于了5G的无线网络，主要负责对不同类型的设备和系统进行数据采集，支持3000余种工业设备通讯协议的转换和数据接入，可自由连接业界主流的RTU、PLC、DCS等系统，实现数据的远程采集和通讯，在数据传输过程中通过数据加密进行数据安全防护。支持热备冗余、自动重连和断线回补机制，保证数据传输的可靠性和完整性。

工业实时数据库软件保证采集的多元数据进行分析、处理、存储和应用。包括采集接口组件、权限管理组件、组态服务组件、实时数据处理组件、磁盘历史数据库、网络服务组件和日志服务组件等。

由于采用微服务和容器技术，使得5G+工业互联网平台在MEC的部署上非常方便。对于中小企业的应用程序的部署上，5G+工业互联网平台采用了一键式的应用商店下载和部署方法，并提供统一的应用程序管理界面管理应用，并能无缝集成在MEC上提供的其他增值微服务，给用户带来了极大的便利。

5G+工业互联网平台以帮助企业实现工厂区域的信息全集成为突破口，搭建集工业大数据全集成平台、工业智能APP组态开发平台、工业大数据分析平台、工业人工智能引擎服务、工业智能APP多位一体的工业操作系统平台，实现云（云互联网平台）、企（工厂互联网平台）、端（边缘计算节点）三层架构的有机统一，从而实现管控一体化交互。赋能用户，以集成化、数字化和智能化手段解决生产控制、生产管理和企业经营的综合问题。

下面以红狮集团桐庐公司为例介绍5G+工业互联网平台落地方案

红狮集团正处于高速发展期，分厂多、分布广，为了让集团及时掌握分厂的产、供、销、管、控数据，从而实现不同分厂在产量、质量和单耗方面的集中管控和优化。本项目采用supOS工业操作系统在集团和分厂两层构建大数据中台，单个厂区可借助5G实现各类终端高速接入，通过MEC承载supOS平台实现业务本地化和边缘计算，确保业务数据的低时延和高可靠。云上supOS总部平台还可通过高速专网，对各个厂区的平台应用进行支撑和管理。将工厂运维过程中的生产数据、视频监控数据、操作数据和管理数据进行有效融合，为工业大数据的分析和挖掘奠定基础，构建水泥行业互联智能工厂，实现面向水泥行业的工业大数据平台和工业智能APP生态圈。

supOS工业操作系统提供“平台+工业智能APPs”的应用模式，用统一工厂模型、数据平台和APP应用平台的方法来解决传统的烟囱式垂直应用带来的信息孤岛和数据融合困难问题。基于supOS工业互联网平台和5G网络可解决工厂/基地/集团三层的大数据互动和业务联动，在实现工厂精细化管理的同时，更好地进行集团化管控，实现异地多数据中心数据容灾/同步/双活/IT资源虚拟化管理/动态扩展设厂迁移。

中控、蓝卓与中国电信、中兴正在开展5G+工业互联网实践，当前红狮水泥已实现室外5G宏站全覆盖，厂区南部利旧一个现网站点，厂区中部新建一个站点。可满足上行100M带宽和下行600M带宽的要求。借助5G网络低时延、高带宽、移动边缘计算等特性，融合基于supOS工业操作系统的工业智能应用APP、大数据分析和人工智能优势，深入开展基于5G的场景化智能制造应用：工业设备物联、远程数据可视化、工业现场巡检、厂内物流跟踪追溯、机器视觉算法训练和图像识别、边缘计算等。

数字化决策分析：基于统一的supOS数据平台和数据分析应用，集团和分厂可分级管控，不同层级、不同业务、不同区域的管理者通过5G网络可看到不同的可视化大数据分析，可穿透不同的数据深度，实现多维度个性化驾驶舱画面。

大数据分析应用：supOS大数据分析平台借助5G网络，利用多条水泥生产线2年的历史生产数据，建立水泥抗压强度预测模型，实现水泥抗压强度的提前精准预测，平均相对误差可以控制在2.1%以内。

机器视觉分析应用：通过机器视觉技术和5G网络，实现水泥包计数检测、进料秤断料检测、物料颗粒大小检测、链条齿轮磨损检测、链条机轮子停转检测、禁入区检测、装车时对准检测等智能化应用，从而实现替代人工现场巡检。

工业设备远程运维：采用动设备监测诊断APP，可通过5G网络针对辊压机、生料磨等水泥设备进行在线诊断与远程运维，实现设备状态监测、动态风险、智能预警、智能诊断、预测维修等服务。

智能点检与视频轮巡：整合设备NFC位置识别、视频监控、移动巡检、隐患登记、震动预测等应用，实现智能化多元信息感知巡检应用。现场维护人员携带高清单兵终端或AR眼镜，通过5G网络，利用高清或AR图像与平台专家实时交互，远程指导快速定位解决问题。

视频分析与DCS联动：通过对来自5G网络生产过程视频数据的实时分析，产生预警提醒，与DCS生产过程控制系统进行联动，实现联动响应，提升生产工艺自动化控制水平。

大数据与APC联动：基于5G网络利用平台集成的大数据分析，预测关键指标数据及最佳参数匹配，指导APC进行优化自动调控。打破常规APC独立进行参数稳定调节这样单一功能模式，通过平台整合不同系统，进行综合管控。如与DCS程序启停顺控和联锁保护实现同步，实现对工序、设备的一键启停、自动控制。利用平台集成的大数据分析算法，对获取的综合数据进行大数据分析，预测关键指标数据及最佳参数匹配，指导APC进行优化自动调控。

智能物流应用：实现智能仓储物流一体化管理，从手机APP预约、自助制卡终端的RFID、到地磅无人值守系统的地磅/人体秤、视频/红外限位、车辆显示大屏及语音叫号、出入门禁管理、车辆GIS系统、装卸车和罐区测量基于数据平台实现基于5G网络的自动信息流转和互动，减少作业人员，提高了物流效率。

远程驾驶：对于偏远、有毒有害物质较多等特殊场景的工厂，面临着工作环境恶劣、投入成本高、危险性高等诸多问题。而5G远程巡检系统，可以实现人车分离远程作业。工程机械车部署在园区现场，操作人员在本地控制舱中进行远程操控，车载的多路高清图像通过5G的大带宽回传至本地服务器，操作人员发送的控制指令通过5G网络发送至现场，从而实现5G远程驾驶巡检、解决园区作业难题。

当前5G在工业中的应用仍然处于起步阶段，有很多内容需要探索，如运动控制、机器间控制、移动面板、移动机器人、大规模连接和工业AR及监控等场景。未来我们将努力使5G技术和工业互联网技术深度融合，让制造业更智能，使70%以上工控场景受益。充分发挥5G+平台+APP的联合优势，赋能工业企业，共同探索5G工业标准！

参考文献

[1] Wireless Industry Leaders Promote Next-Generation Wi-Fi Technology to Accelerate IEEE Standards Development[EB/OL].[2006-01-16]. http://www.enhancedwirelessconsortium.org/news
[2] EWC, HT PHY Specification[S]
[3] EWC, HT MAC Specification[S]

作者简介

[陈亿根] 浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司解决方案专家，从事5G与工业互联网融合解决方案规划设计。
[尹晓峰] 浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司解决方案技术经理，主要负责油气，建材水泥行业解决方案的规划设计。
[邵黎勋] 浙江蓝卓工业互联网信息技术有限公司解决方案总监，总体负责公司整体产品与解决方案的规划。