“5G+工業互聯網”技術在機械制造行業中的應用研究
http://www.debgrams.com 2023-03-14 13:58 來源：工聯網iitime
按照“網絡先行、應用牽引、市場主導、政策推動”的思路，我國深入推進“5G+工業互聯網”全面發展，持續打造支持“寬窄結合”的物聯接入能力，目前已經建成全球規模最大的移動物聯網。接下來，我國將繼續拓展“5G+工業互聯網”應用場景，使移動物聯網與機械制造行業的融合進一步深化，加快推進新型工業化，提升制造業數字化、網絡化、智能化水平。
“5G+工業互聯網”應用需求及場景
1、“5G+工業互聯網”應用需求
5G是工業互聯網發展的重要基礎設施，工業要素的聯網和智能化需要高速率、低時延、海量連接的網絡支持。當前5G與工業互聯網融合應用也出現了很多新型場景，包括“5G+VR/AR”“5G+無人機”“5G+遠程控制”“5G+機器視覺”“5G+云化AGV”等。在應用場景發展節奏方面，“5G+VR/AR”“5G+機器視覺”等應用已進入高速發展期，經濟價值逐漸顯現，未來1~2年將成為工業互聯網的主流應用場景；“5G+云化AGV”“5G+無人機”等應用受限于與設備深度融合的需求，還需等待技術、產品成熟，預計未來2~3年將有較快發展；“5G+遠程控制”等應用由于涉及工業核心控制環節，目前尚處于探索期，有待進一步測試驗證。
2、“5G+工業互聯網”應用場景
- 5G+VR/AR
目前“5G+VR”在工業互聯網中主要應用于虛擬裝配、虛擬培訓、虛擬展廳等場景。其中，“5G+VR”虛擬裝配是工業設計中必不可少的審核環節，可以在設計接口、部件外觀和大小等方面最大程度優化產品實際裝配時的能效；“5G+VR”虛擬培訓相較于傳統的授課方式更加全面且能夠及時反饋，相比于教科書里難懂的文字及考驗學習者想象力的平面圖，虛擬現實的場景表達更直觀，并能傳遞更多信息；“5G+VR”虛擬展廳則能夠將展廳及展品3D化，帶給觀展者足不出戶就能“身臨現場”的體驗。目前AR的應用已融入到工業制造的交互、營銷、設計、采購、生產、物流和服務等環節，典型的應用包括AR遠程協助、AR在線檢測、AR樣品展示等。利用基于5G的AR遠程協助，后臺專家可以通過語音視頻通信、AR實時標注進行遠程協作，實現現場人員和遠程專家的“零距離”溝通，大大提高工業生產、設備維修、專業培訓等環節的生產效率。
- 5G+無人機
無人機作為高新科技發展的產物，目前的應用范圍已經相當廣泛。從應用領域來說，無人機可分為消費級無人機和工業級無人機，相對于已經較為成熟的消費級無人機，工業級無人機的應用還處在不斷探索的階段。目前，工業級無人機已被應用于智慧物流、智慧園區、設備巡檢等領域。
5G無人機平臺可以實現廠區范圍內規范化、常態化的空中安保巡視和設備點巡檢。利用5G網絡高速率、高可靠、低時延、海量連接的特點將搭載在無人機上的攝像頭所拍攝的圖像實時傳送到廠區綜合控制中心，然后通過對視頻圖像進行基于人工智能的物體識別、模式識別分析，可以判斷所巡檢的地點是否存在安保異常、火警異常，并實現智能提示，最大限度降低安保人員日常勞動強度。
- 5G+遠程控制
遠程控制一直是工業生產中保障人員安全、提升生產效能、實現多生產單元協作的必要手段。遠程控制直接關系到生產環節的產品質量和生產效率，因此目前工業領域大多數遠程控制還是基于有線網絡。有線網絡雖然穩定，但也限制了生產的靈活性，同時也在一定程度上限制了生產過程中的控制范圍。
在工業生產中某些環境確實不適宜人工作業，比如高溫、高空等場合。甚至有的工作無法依靠人工完成，比如工廠內大件貨物或港口集裝箱的裝卸，都需要通過遠程控制機械來實現。要實現遠程控制，不僅需要清晰度足夠高的視頻提供視覺支持，還需要實時穩定的網絡保證操控的靈敏度和可靠性。這些對現有工業網絡和4G技術來說是巨大挑戰。考慮遠程控制的需求，5G網絡的優勢一方面在于高速率可以滿足高清視頻回傳的要求，另一方面也可以在保證可靠性的前提下滿足遠程控制對于低時延的要求。
- 5G+機器視覺
機器視覺是人工智能的一個重要分支，在工業的應用極為廣泛，可以有效提高生產的柔性和自動化水平，適用于一些危險的人工作業環境或者人工難以滿足要求的場合。通過5G網絡，機器視覺系統可以實現“以移代固”，將視覺系統單元配置為無線傳輸以替代傳統有線連接方式;圖像采集自由分布于多個工位且共享圖像處理單元，共同實現生產線的高速、低成本自動化檢測。同時通過“5G+MEC”搭建的“5G虛擬專用網”，可以將生產過程中的數據傳輸范圍控制在企業內，滿足生產數據安全性要求，確保網絡安全和生產安全。
基于5G虛擬專網和萬物互聯部署，機器視覺系統可以實現實時遠程監測功能。依托5G高速率、海量連接特性，工作人員不用進車間即可通過移動終端或便攜終端，監視企業生產過程執行管理系統(MES)，獲知視覺檢測系統的運行狀態。
- 5G+云化AGV
AGV指裝備有電磁或光學等自動導引裝置、能夠沿規定的導引路徑行駛、具有安全保護以及各種移載功能的運輸車。所謂云化AGV，是把AGV上運行的定位、導航、圖像識別及環境感知等有復雜計算能力需求的模塊上移到5G的邊緣服務器，以滿足AGV日益增長的計算需求;而運動控制/緊急避障等實時性要求更高的模塊仍然保留在AGV本體以滿足安全性等要求。這相當于在云端為AGV增加了一個“大腦”，除AGV原有的復雜計算以外，使各種各樣的AI能力擴展成為可能。
“5G+工業互聯網”的網絡架構
“5G+工業互聯網”整體架構如圖1所示，工廠內的各種控制、管理、生產和安全等環節，通過5G技術的高帶寬、高可靠、低時延、移動性，可向柔性制造、自動化、無線化方向演進；5G的云網一體化屬性助力企業邊緣計算應用，邊緣云可實現現場應用的云端實時控制；5G企業專網方案可為企業提供安全可靠的網絡支撐；網絡切片、公有云、私有云、邊緣云的融合為企業提供了高性價比的5G解決方案。
圖1 “5G+工業互聯網”整體架構
1、“5G+MEC”的網絡架構
5G網絡架構靈活，5GC采用虛擬化架構，UPF下沉至網絡邊緣，UPF和MEC可以共虛擬化平臺部署，解決計費和安全問題。用戶數據可由UPF轉發接入MEC，計費和安全可由UPF完成，MEC實現對APPs的安全認證及支撐APP/API計費。
MEC部署方案如圖2所示，邊緣層UPF/MEC/APPs共平臺部署。核心網業務面按需分布式建設，控制面集中建設，這是為適應5G新業務的必然選擇；業務本地化、差異化、低時延成為主要需求；本地流量卸載、業務使能管理、網絡能力開放助力5G提升商用價值。
圖2 MEC部署方案
2、“5G+切片”的網絡架構
5G技術應用場景較多，而且不同的場景對移動性、安全性、可靠性等有不同要求，難以通過一張網絡來滿足。利用切片技術，將一個物理網絡切分成能夠提供不同功能的虛擬網絡，可滿足不同的應用場景需求。針對未來多樣化的應用場景，需要構建一個敏捷、自動化、智能化的端到端切片編排管理系統。
利用5G端到端網絡切片可實現網絡資源靈活分配及網絡能力按需組合，基于5G網絡虛擬出多個具備不同特性的邏輯子網。每個端到端切片均由核心網、無線網、傳輸網的切片組合而成，并通過端到端切片管理系統進行統一管理。
5G網絡切片業務的引入需要考慮技術標準及產業發展的成熟度。運營商應分階段引入網絡切片。根據切片的部署要求，可以分為快速部署和目標部署。為了快速推出5G業務，切片部署初期重點聚焦于典型的eMBB場景，例如高清視頻、AR/VR、3D等業務，并適當地配合核心網用戶面下沉部署，實現部分超低時延業務需求。
同時，對切片的編排部署進行簡化。CN子切片采用云化技術部署，提供CN NSSMF進行子切片的編排和部署;RAN和TN子切片通過配置，進行切片的資源調度和隔離。5G網絡切片管理框架如圖3所示。
圖3 5G網絡切片管理框架
“5G+工業互聯網”應用案例
1、“5G+工業互聯網”在電力行業的應用案例
某省國網公司提出全面貫徹省政府“重要窗口”建設工作部署，緊緊圍繞公司戰略目標落地工作，試點建設融合量子通信等技術的5G公網電力應用示范區，以經濟便捷的公網無線通信(以5G為主，其他公網無線通信為輔)代替電力有線通信，以量子加密等技術強化業務數據安全，對海量的“源網荷儲”資源進行精準控制。
該公司計劃在全省數百個企業內建設秒級可中斷負荷快速響應系統，依托超電網供電能力拉限電序位表和緊急事故限電序位表，在用戶側開展秒級可中斷負荷接入功能建設，秒級可中斷容量超百萬千瓦。以上兩類場景需要廣域5G定制網的支撐。
- 具體需求
部署邊緣UPF下沉、數據與公網隔離：國網公司提出保障業務安全、數據安全的需求，運營商擬在國網電力機房部署邊緣UPF，實現數據分流。
4G/5G協同：既支持5G NR網絡，又兼顧4G LTE設備。在5G未覆蓋區域將4G LTE作為補充網絡解決方案，實現4G和5G(NSA/SA)同時進行分流的能力。
to B/to C統籌規劃：依照運營商5G核心網“一張物理網，兩張邏輯網”的總體原則，采用“to B/to C統籌規劃”的部署建設思路，可以支持“人聯網”與物聯網在電力5G專網場景下高度融合，還能夠在支持企業員工使用工作手機、PAD、PDA等手持終端的同時，支持設備、儀表等物聯設備的聯網和數據交互。
- 具體建設方案
基于國網公司業務需求及運營商5GC網絡部署的情況，該項目擬在國網電力核心機房新建4G/5G融合的GW-U/UPF網元，對接現網的5GC控制面和區域所在的4G/5G基站，在用戶側部署專用DNN，并在5GC控制面網元完成相關配置。
5G簽約用戶從4G基站接入：MME基于專用DNN以及用戶訴求，選擇融合的SMF/GW-C和電力的GW-U/UPF網元。
5G簽約用戶從5G基站接入：AMF專用DNN選擇融合的SMF/GW-C和電力的UPF/GW-U網元。
在網絡傳輸層面，國網電力UPF需要通過各平面承載網打通N3、N4、N6、OM接口；N3、N4接口接入IPRAN承載網，分別與基站及5GC核心網(SMF)連接；N6通過內部專線方式接入國網電力內部網絡(DN)；OM接入到網絡網管OM。
此場景下的業務流向為：國網電力終端—市電力專享UPF—國網電力網絡。該項目中5G應用場景有精準負荷控制、差動保護、“三遙”等，運營商利用5G網絡低時延、高可靠、4G/5G融合與公網隔離等技術特性，圓滿完成了國網公司的既定目標。
2、“5G+工業互聯網”在機械行業的應用
某集團作為中國機械工業百強企業，開始啟動“5G+工業互聯網”項目，著力打造數字化設計、智能化生產、智慧化管理、協同化制造、綠色化制造、安全化管控和效益大幅提升的現代創新工業企業標桿。
- 企業主要業務需求
穩定可靠的5G網絡：便于打造基于5G的無線化車間，解決傳統車間信號不穩定、接入數受限和帶寬不足的問題，助力實現柔性生產，提升生產效率。用“5G+CPE”等專網方式替代Wi-Fi網絡傳輸方案，支持PAD等終端移動辦公。單業務下行速率在30Mbit/s~100Mbit/s，上行速率在1Mbit/s~5Mbit/s。
機器視覺和數據采集：通過5G網絡，利用機器視覺和數據采集，讓企業管理者實時、高效地掌握各個生產環節的設備、物料、人員狀態以及生產運營情況，幫助企業提高生產效率并保障生產安全性。如此一來，可大幅提升設備運轉率，降低單位產品成本。機器視覺單業務下行速率在10Mbit/s~30Mbit/s，單業務上行速率在10Mbit/s~100Mbit/s；數據采集單業務下行速率在0.1Mbit/s~0.5Mbit/s，單業務上行速率在0.5Mbit/s~1Mbit/s。
“5G+遠程專家協助”：員工通過AR眼鏡可隨時獲得遠程專家協助，快速、遠程解決室外、移動性場景的突發問題，實現從指揮中心指導向運維現場指導轉變，賦能一線業務人員。這樣一來，降低了對員工的技能要求，提升了檢修和維護的工作效率，同時降低了工程運維的人力和時間成本。
企業園區內5G上網終端可通過運營商省中心共享UPF訪問企業內網；聯網設備通過園區5G網絡接入，經省中心共享UPF節點分流，可訪問園區網絡。企業的終端則使用5G專網接入，主要包括PDA、5G CPE、攝像頭、AR眼鏡、數據采集傳感器等。5G行業應用如圖4所示。
圖4 5G行業應用示意
- 建設方案
UPF設備掛接STN承載網、連接基站和5GC網絡。
此項目中的5G應用場景有數據采集、機器視覺、“5G+AR/VR”、“5G+辦公”等，利用5G網絡大帶寬、低時延、高可靠特性，以及園區網絡4G/5G融合、專網與公網隔離等特性，滿足了企業的需求。
未來展望
新一輪科技革命和產業變革浪潮正席卷而來，工業制造業要從基于要素的低成本戰略向基于創新的差異化戰略轉變，才能推進產業轉型升級。為此工業系統需要吸納各種先進的新技術，特別是與5G技術融合。只有充分利用好5G大帶寬、低時延、海量連接的網絡特性，并且與工業互聯網行業應用深度融合，才能不斷提升整個工業系統的信息化水平，真正做到“無人”工廠、“智慧”工廠和“未來”工廠。
編輯精選
