5G工业互联网技术在机械制造行业中的应用研究

　　按照＂网络先行、应用牵引、市场主导、政策推动＂的思路，我国深入推进＂5G+工业互联网＂全面发展，持续打造支持＂宽窄结合＂的物联接入能力，目前已经建成全球规模最大的移动物联网。接下来，我国将继续拓展＂5G+工业互联网＂应用场景，使移动物联网与机械制造行业的融合进一步深化，加快推进新型工业化，提升制造业数字化、网络化、智能化水平。
　　＂5G+工业互联网＂应用需求及场景
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　　＂5G+工业互联网＂应用需求
　　5G是工业互联网发展的重要基础设施，工业要素的联网和智能化需要高速率、低时延、海量连接的网络支持。当前5G与工业互联网融合应用也出现了很多新型场景，包括＂5G+VR/AR＂＂5G+无人机＂＂5G+远程控制＂＂5G+机器视觉＂＂5G+云化AGV＂等。在应用场景发展节奏方面，＂5G+VR/AR＂＂5G+机器视觉＂等应用已进入高速发展期，经济价值逐渐显现，未来1~2年将成为工业互联网的主流应用场景；＂5G+云化AGV＂＂5G+无人机＂等应用受限于与设备深度融合的需求，还需等待技术、产品成熟，预计未来2~3年将有较快发展；＂5G+远程控制＂等应用由于涉及工业核心控制环节，目前尚处于探索期，有待进一步测试验证。
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　　＂5G+工业互联网＂应用场景
　　·5G+VR/AR
　　目前＂5G+VR＂在工业互联网中主要应用于虚拟装配、虚拟培训、虚拟展厅等场景。其中，＂5G+VR＂虚拟装配是工业设计中必不可少的审核环节，可以在设计接口、部件外观和大小等方面最大程度优化产品实际装配时的能效；＂5G+VR＂虚拟培训相较于传统的授课方式更加全面且能够及时反馈，相比于教科书里难懂的文字及考验学习者想象力的平面图，虚拟现实的场景表达更直观，并能传递更多信息；＂5G+VR＂虚拟展厅则能够将展厅及展品3D化，带给观展者足不出户就能＂身临现场＂的体验。目前AR的应用已融入到工业制造的交互、营销、设计、采购、生产、物流和服务等环节，典型的应用包括AR远程协助、AR在线检测、AR样品展示等。利用基于5G的AR远程协助，后台专家可以通过语音视频通信、AR实时标注进行远程协作，实现现场人员和远程专家的＂零距离＂沟通，大大提高工业生产、设备维修、专业培训等环节的生产效率。
　　·5G+无人机
　　无人机作为高新科技发展的产物，目前的应用范围已经相当广泛。从应用领域来说，无人机可分为消费级无人机和工业级无人机，相对于已经较为成熟的消费级无人机，工业级无人机的应用还处在不断探索的阶段。目前，工业级无人机已被应用于智慧物流、智慧园区、设备巡检等领域。
　　5G无人机平台可以实现厂区范围内规范化、常态化的空中安保巡视和设备点巡检。利用5G网络高速率、高可靠、低时延、海量连接的特点将搭载在无人机上的摄像头所拍摄的图像实时传送到厂区综合控制中心，然后通过对视频图像进行基于人工智能的物体识别、模式识别分析，可以判断所巡检的地点是否存在安保异常、火警异常，并实现智能提示，最大限度降低安保人员日常劳动强度。
　　·5G+远程控制
　　远程控制一直是工业生产中保障人员安全、提升生产效能、实现多生产单元协作的必要手段。远程控制直接关系到生产环节的产品质量和生产效率，因此目前工业领域大多数远程控制还是基于有线网络。有线网络虽然稳定，但也限制了生产的灵活性，同时也在一定程度上限制了生产过程中的控制范围。
　　在工业生产中某些环境确实不适宜人工作业，比如高温、高空等场合。甚至有的工作无法依靠人工完成，比如工厂内大件货物或港口集装箱的装卸，都需要通过远程控制机械来实现。要实现远程控制，不仅需要清晰度足够高的视频提供视觉支持，还需要实时稳定的网络保证操控的灵敏度和可靠性。这些对现有工业网络和4G技术来说是巨大挑战。考虑远程控制的需求，5G网络的优势一方面在于高速率可以满足高清视频回传的要求，另一方面也可以在保证可靠性的前提下满足远程控制对于低时延的要求。
　　·5G+机器视觉
　　机器视觉是人工智能的一个重要分支，在工业的应用极为广泛，可以有效提高生产的柔性和自动化水平，适用于一些危险的人工作业环境或者人工难以满足要求的场合。通过5G网络，机器视觉系统可以实现＂以移代固＂，将视觉系统单元配置为无线传输以替代传统有线连接方式;图像采集自由分布于多个工位且共享图像处理单元，共同实现生产线的高速、低成本自动化检测。同时通过＂5G+MEC＂搭建的＂5G虚拟专用网＂，可以将生产过程中的数据传输范围控制在企业内，满足生产数据安全性要求，确保网络安全和生产安全。
　　基于5G虚拟专网和万物互联部署，机器视觉系统可以实现实时远程监测功能。依托5G高速率、海量连接特性，工作人员不用进车间即可通过移动终端或便携终端，监视企业生产过程执行管理系统(MES)，获知视觉检测系统的运行状态。
　　·5G+云化AGV
　　AGV指装备有电磁或光学等自动导引装置、能够沿规定的导引路径行驶、具有安全保护以及各种移载功能的运输车。所谓云化AGV，是把AGV上运行的定位、导航、图像识别及环境感知等有复杂计算能力需求的模块上移到5G的边缘服务器，以满足AGV日益增长的计算需求;而运动控制/紧急避障等实时性要求更高的模块仍然保留在AGV本体以满足安全性等要求。这相当于在云端为AGV增加了一个＂大脑＂，除AGV原有的复杂计算以外，使各种各样的AI能力扩展成为可能。
　　＂5G+工业互联网＂的网络架构
　　＂5G+工业互联网＂整体架构如图1所示，工厂内的各种控制、管理、生产和安全等环节，通过5G技术的高带宽、高可靠、低时延、移动性，可向柔性制造、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，边缘云可实现现场应用的云端实时控制；5G企业专网方案可为企业提供安全可靠的网络支撑；网络切片、公有云、私有云、边缘云的融合为企业提供了高性价比的5G解决方案。
　　图1 ＂5G+工业互联网＂整体架构
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　　＂5G+MEC＂的网络架构
　　5G网络架构灵活，5GC采用虚拟化架构，UPF下沉至网络边缘，UPF和MEC可以共虚拟化平台部署，解决计费和安全问题。用户数据可由UPF转发接入MEC，计费和安全可由UPF完成，MEC实现对APPs的安全认证及支撑APP/API计费。
　　MEC部署方案如图2所示，边缘层UPF/MEC/APPs共平台部署。核心网业务面按需分布式建设，控制面集中建设，这是为适应5G新业务的必然选择；业务本地化、差异化、低时延成为主要需求；本地流量卸载、业务使能管理、网络能力开放助力5G提升商用价值。
　　图2 MEC部署方案
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　　＂5G+切片＂的网络架构
　　5G技术应用场景较多，而且不同的场景对移动性、安全性、可靠性等有不同要求，难以通过一张网络来满足。利用切片技术，将一个物理网络切分成能够提供不同功能的虚拟网络，可满足不同的应用场景需求。针对未来多样化的应用场景，需要构建一个敏捷、自动化、智能化的端到端切片编排管理系统。
　　利用5G端到端网络切片可实现网络资源灵活分配及网络能力按需组合，基于5G网络虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。每个端到端切片均由核心网、无线网、传输网的切片组合而成，并通过端到端切片管理系统进行统一管理。
　　5G网络切片业务的引入需要考虑技术标准及产业发展的成熟度。运营商应分阶段引入网络切片。根据切片的部署要求，可以分为快速部署和目标部署。为了快速推出5G业务，切片部署初期重点聚焦于典型的eMBB场景，例如高清视频、AR/VR、3D等业务，并适当地配合核心网用户面下沉部署，实现部分超低时延业务需求。
　　同时，对切片的编排部署进行简化。CN子切片采用云化技术部署，提供CN NSSMF进行子切片的编排和部署;RAN和TN子切片通过配置，进行切片的资源调度和隔离。5G网络切片管理框架如图3所示。
　　图3 5G网络切片管理框架
　　＂5G+工业互联网＂应用案例
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　　＂5G+工业互联网＂在电力行业的应用案例
　　某省国网公司提出全面贯彻省政府＂重要窗口＂建设工作部署，紧紧围绕公司战略目标落地工作，试点建设融合量子通信等技术的5G公网电力应用示范区，以经济便捷的公网无线通信(以5G为主，其他公网无线通信为辅)代替电力有线通信，以量子加密等技术强化业务数据安全，对海量的＂源网荷储＂资源进行精准控制。
　　该公司计划在全省数百个企业内建设秒级可中断负荷快速响应系统，依托超电网供电能力拉限电序位表和紧急事故限电序位表，在用户侧开展秒级可中断负荷接入功能建设，秒级可中断容量超百万千瓦。以上两类场景需要广域5G定制网的支撑。
　　·具体需求
　　部署边缘UPF下沉、数据与公网隔离：国网公司提出保障业务安全、数据安全的需求，运营商拟在国网电力机房部署边缘UPF，实现数据分流。
　　4G/5G协同：既支持5G NR网络，又兼顾4G LTE设备。在5G未覆盖区域将4G LTE作为补充网络解决方案，实现4G和5G(NSA/SA)同时进行分流的能力。
　　to B/to C统筹规划：依照运营商5G核心网＂一张物理网，两张逻辑网＂的总体原则，采用＂to B/to C统筹规划＂的部署建设思路，可以支持＂人联网＂与物联网在电力5G专网场景下高度融合，还能够在支持企业员工使用工作手机、PAD、PDA等手持终端的同时，支持设备、仪表等物联设备的联网和数据交互。
　　·具体建设方案
　　基于国网公司业务需求及运营商5GC网络部署的情况，该项目拟在国网电力核心机房新建4G/5G融合的GW-U/UPF网元，对接现网的5GC控制面和区域所在的4G/5G基站，在用户侧部署专用DNN，并在5GC控制面网元完成相关配置。
　　5G签约用户从4G基站接入：MME基于专用DNN以及用户诉求，选择融合的SMF/GW-C和电力的GW-U/UPF网元。
　　5G签约用户从5G基站接入：AMF专用DNN选择融合的SMF/GW-C和电力的UPF/GW-U网元。
　　在网络传输层面，国网电力UPF需要通过各平面承载网打通N3、N4、N6、OM接口；N3、N4接口接入IPRAN承载网，分别与基站及5GC核心网(SMF)连接；N6通过内部专线方式接入国网电力内部网络(DN)；OM接入到网络网管OM。
　　此场景下的业务流向为：国网电力终端—市电力专享UPF—国网电力网络。该项目中5G应用场景有精准负荷控制、差动保护、＂三遥＂等，运营商利用5G网络低时延、高可靠、4G/5G融合与公网隔离等技术特性，圆满完成了国网公司的既定目标。
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　　＂5G+工业互联网＂在机械行业的应用
　　某集团作为中国机械工业百强企业，开始启动＂5G+工业互联网＂项目，着力打造数字化设计、智能化生产、智慧化管理、协同化制造、绿色化制造、安全化管控和效益大幅提升的现代创新工业企业标杆。
　　·企业主要业务需求
　　稳定可靠的5G网络：便于打造基于5G的无线化车间，解决传统车间信号不稳定、接入数受限和带宽不足的问题，助力实现柔性生产，提升生产效率。用＂5G+CPE＂等专网方式替代Wi-Fi网络传输方案，支持PAD等终端移动办公。单业务下行速率在30Mbit/s~100Mbit/s，上行速率在1Mbit/s~5Mbit/s。
　　机器视觉和数据采集：通过5G网络，利用机器视觉和数据采集，让企业管理者实时、高效地掌握各个生产环节的设备、物料、人员状态以及生产运营情况，帮助企业提高生产效率并保障生产安全性。如此一来，可大幅提升设备运转率，降低单位产品成本。机器视觉单业务下行速率在10Mbit/s~30Mbit/s，单业务上行速率在10Mbit/s~100Mbit/s；数据采集单业务下行速率在0.1Mbit/s~0.5Mbit/s，单业务上行速率在0.5Mbit/s~1Mbit/s。
　　＂5G+远程专家协助＂：员工通过AR眼镜可随时获得远程专家协助，快速、远程解决室外、移动性场景的突发问题，实现从指挥中心指导向运维现场指导转变，赋能一线业务人员。这样一来，降低了对员工的技能要求，提升了检修和维护的工作效率，同时降低了工程运维的人力和时间成本。
　　企业园区内5G上网终端可通过运营商省中心共享UPF访问企业内网；联网设备通过园区5G网络接入，经省中心共享UPF节点分流，可访问园区网络。企业的终端则使用5G专网接入，主要包括PDA、5G CPE、摄像头、AR眼镜、数据采集传感器等。5G行业应用如图4所示。
　　图4 5G行业应用示意
　　·建设方案
　　UPF设备挂接STN承载网、连接基站和5GC网络。
　　此项目中的5G应用场景有数据采集、机器视觉、＂5G+AR/VR＂、＂5G+办公＂等，利用5G网络大带宽、低时延、高可靠特性，以及园区网络4G/5G融合、专网与公网隔离等特性，满足了企业的需求。
　　未来展望
　　新一轮科技革命和产业变革浪潮正席卷而来，工业制造业要从基于要素的低成本战略向基于创新的差异化战略转变，才能推进产业转型升级。为此工业系统需要吸纳各种先进的新技术，特别是与5G技术融合。只有充分利用好5G大带宽、低时延、海量连接的网络特性，并且与工业互联网行业应用深度融合，才能不断提升整个工业系统的信息化水平，真正做到＂无人＂工厂、＂智慧＂工厂和＂未来＂工厂。
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　　作者：浙江邮电职业技术学院 徐晓瑾 张新  责编/版式：胡锦明 校对/审核：郄勇志 监制：刘启诚