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1 目標(biāo)和概述

5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用尚處于探索初期，企業(yè)內(nèi)5G網(wǎng)絡(luò)部署架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)維、管理等模式尚不清晰，國(guó)內(nèi)5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)及研發(fā)驗(yàn)證體系尚未建立，工業(yè)企業(yè)和ICT企業(yè)的5G融合應(yīng)用的解決方案及設(shè)備的研發(fā)還沒(méi)有相應(yīng)研發(fā)網(wǎng)絡(luò)驗(yàn)證環(huán)境的支撐，大大延緩了融合應(yīng)用的研發(fā)進(jìn)度。這使得5G在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)度緩慢。另外，工業(yè)企業(yè)對(duì)于5G的認(rèn)識(shí)還處于較淺層次，對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)能用在工業(yè)內(nèi)哪些環(huán)節(jié)，開展哪些應(yīng)用尚不清晰，因此亟需建立5G應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，即5G工業(yè)“操作系統(tǒng)”。

5G MEC（5G邊緣計(jì)算）是可以融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等核心能力的開放平臺(tái)，它部署在靠近生產(chǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，可就近提供邊緣智能服務(wù)，滿足行業(yè)數(shù)字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面的關(guān)鍵需求。數(shù)據(jù)不用再傳到遙遠(yuǎn)的云端，在邊緣側(cè)就能解決，更適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)分析和智能化處理，具有安全、快捷、易于管理等優(yōu)勢(shì)，能更好地支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大量本地業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)智能化處理與執(zhí)行，滿足網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)需求。

2 解決方案介紹

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對(duì)“技術(shù)和應(yīng)用下沉、應(yīng)用本地化、內(nèi)容分布化、計(jì)算邊緣化”的需求特點(diǎn)，采取純5G網(wǎng)絡(luò)邏輯切片、公網(wǎng)&私網(wǎng)共用基站設(shè)施、所有網(wǎng)絡(luò)本地獨(dú)立部署三種組網(wǎng)模式，保證不同的安全等級(jí)需求。通過(guò)配置不同的網(wǎng)絡(luò)切片，適用于對(duì)數(shù)據(jù)安全性不是特別敏感用戶；通過(guò)本地邊緣云計(jì)算，在企業(yè)本地化部署相應(yīng)的MEC邊緣計(jì)算硬件設(shè)備，滿足企業(yè)響應(yīng)服務(wù)需求；對(duì)安全需求等級(jí)高的企業(yè)，對(duì)企業(yè)部署單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)，開放安全能力，按需組合，提供靈活、可定制的差異化安全能力。

本項(xiàng)目目標(biāo)是通過(guò)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)，打造工廠全信息集成平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)工廠中的控制數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)、經(jīng)營(yíng)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化表示，打破系統(tǒng)之間的信息壁壘，提供跨行業(yè)跨領(lǐng)域連接工業(yè)企業(yè)的解決方案，幫助企業(yè)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流程去中心化。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

2.2 5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

通過(guò)模型化的內(nèi)容組織形式，構(gòu)建集操作行為、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、工藝參數(shù)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、安全環(huán)保、經(jīng)營(yíng)策略于一體的基于5G的工廠全信息平臺(tái)，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)工藝尋優(yōu)、操作尋優(yōu)和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化的目標(biāo)。通過(guò)實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)管理并基于異構(gòu)數(shù)據(jù)開發(fā)工業(yè)機(jī)理模型，建設(shè)工業(yè)APP和微組件資源池，建設(shè)開發(fā)者社區(qū)。

同時(shí)，基于對(duì)工業(yè)大數(shù)據(jù)及工業(yè)應(yīng)用的積累，形成通用數(shù)據(jù)、系統(tǒng)集成接口技術(shù)要求、平臺(tái)功能規(guī)范等標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)項(xiàng)目的實(shí)施，加速工業(yè)知識(shí)復(fù)用和創(chuàng)新，促進(jìn)制造業(yè)供需對(duì)接和迭代創(chuàng)新，發(fā)展網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、柔性生產(chǎn)等制造業(yè)新模式，加速制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型。

圖2 5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)架構(gòu)

5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為工業(yè)操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)接入；數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和對(duì)象信息模型的運(yùn)行期管理；多元數(shù)據(jù)預(yù)處理、存儲(chǔ)、壓縮處理，提供實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)查詢服務(wù)；計(jì)算資源管理和服務(wù)治理；業(yè)務(wù)流搭建，提供一個(gè)信息融合、多元數(shù)據(jù)混合的快速構(gòu)建平臺(tái)；工業(yè)大數(shù)據(jù)分析，提供大數(shù)據(jù)挖掘和分析的常用算法庫(kù)，大數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)和分析服務(wù)；人工智能應(yīng)用，提供智能優(yōu)化算法、機(jī)器學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)等功能，實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的深度應(yīng)用；信息安全防護(hù)，提供從云、企、端全方位的信息安全防護(hù)方案，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全、信息安全和物理安全等。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的軟件模塊層次如圖3所示。

圖3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的軟件模塊層次圖

2.3 MEC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)功能

設(shè)備層：包括現(xiàn)場(chǎng)裝備設(shè)備、DCS、5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的前端數(shù)據(jù)采集模塊。

平臺(tái)層：5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)接入、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等基礎(chǔ)功能，同時(shí)提供可擴(kuò)展的工業(yè)機(jī)理模型、工業(yè)微服務(wù)等功能，為上層應(yīng)用開發(fā)提供通用功能。

應(yīng)用層：通過(guò)對(duì)平臺(tái)提供的大數(shù)據(jù)技術(shù)、工業(yè)機(jī)理模型、工業(yè)微服務(wù)等功能的綜合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)預(yù)測(cè)、工藝尋優(yōu)、操作尋優(yōu)和運(yùn)營(yíng)優(yōu)化等。

3 兆豐機(jī)電5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范項(xiàng)目介紹

（1）5G云化AGV

當(dāng)前AGV（Automated Guided Vehicles）需要大量的傳感器和強(qiáng)力計(jì)算單元，造價(jià)過(guò)高且無(wú)法形成協(xié)同調(diào)度。在智能制造生產(chǎn)場(chǎng)景中，利用5G的低時(shí)延、大帶寬和廣連接的特性，將AGV所需資源云化，在園區(qū)實(shí)行層級(jí)部署，實(shí)現(xiàn)顯著降低成本并可協(xié)同調(diào)度的目標(biāo)。

本項(xiàng)目是驗(yàn)證5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下AGV在倉(cāng)儲(chǔ)或在生產(chǎn)線上的應(yīng)用，項(xiàng)目分以下部分進(jìn)行，首先，在試點(diǎn)企業(yè)園區(qū)架構(gòu)部署5G基站；其次，安裝搭建滿足本項(xiàng)目應(yīng)用研發(fā)驗(yàn)證的網(wǎng)絡(luò)測(cè)試環(huán)境，測(cè)試基于5G的AGV運(yùn)行效果；最后，測(cè)試5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)器人調(diào)度系統(tǒng)控制任務(wù)下發(fā)、交通管理、路徑規(guī)劃、調(diào)度管理、設(shè)備管理及告警聯(lián)動(dòng)等效果。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下AGV在倉(cāng)儲(chǔ)或在生產(chǎn)線上的應(yīng)用

價(jià)值分析：可實(shí)現(xiàn)智能化倉(cāng)庫(kù)管理、分揀、搬運(yùn)等功能，提升倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)效率及管理水平；多路徑最優(yōu)規(guī)劃，提供最短路徑形式，避讓控制，路徑重新規(guī)劃控制；支持柔性生產(chǎn)，適用于多批次，小批量的定制性生產(chǎn)服務(wù)，任務(wù)合理分配，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)負(fù)載均衡。

圖5 基于5G+supOS的工業(yè)視覺(jué)分析方案

使用主要的5G網(wǎng)絡(luò)的功能和性能指標(biāo)有：URLLC（2ms的延時(shí)），移動(dòng)類型，活動(dòng)范圍在200平方內(nèi)，移動(dòng)的速度大約是5公里/小時(shí)，一個(gè)基站連接終端數(shù)量要求是不超過(guò)50個(gè)。

（2）工業(yè)視覺(jué)分析

工業(yè)機(jī)器視覺(jué)在汽車行業(yè)有著普遍的應(yīng)用，可大大提高工作效率，保證工作質(zhì)量。兆豐機(jī)電在以下場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+融合應(yīng)用。

在場(chǎng)景中我們將持續(xù)采集軸承淬火工藝的高清視頻，基于5G的eMBB切片上傳到MEC，通過(guò)MEC邊緣計(jì)算機(jī)器視覺(jué)分析模塊，對(duì)軸承的送件位置、加熱線圈的定位位置以及軸承加熱后的熱成像圖進(jìn)行分析。結(jié)合歷史上該生產(chǎn)工藝的樣本數(shù)據(jù)，進(jìn)而分析生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障和預(yù)測(cè)維護(hù)等數(shù)據(jù)，保證生產(chǎn)的安全性，提高軸承的成品率。

MEC作為邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)，不僅可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)與分流，進(jìn)一步降低時(shí)延，同時(shí)還可以利用其強(qiáng)大的計(jì)算能力，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，深度挖掘；supOS作為開放的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)平臺(tái)，可以引入各類第三方APP，針對(duì)企業(yè)不同需求做到快速靈活部署，同時(shí)可以對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，結(jié)合中控深耕流程化工行業(yè)的豐富經(jīng)驗(yàn)，提升數(shù)據(jù)價(jià)值。

方案優(yōu)勢(shì)：綜合該平臺(tái)部署在淬火工藝等機(jī)器視覺(jué)分析、5G網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)、多路4K高清視頻抓取，直擊整個(gè)制造行業(yè)痛點(diǎn)，使系統(tǒng)快速部署不再成為障礙，本次5G+MEC+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在兆豐機(jī)電成功落地。

使用主要的5G網(wǎng)絡(luò)的功能和性能指標(biāo)有：eMBB (30M/s)，靜態(tài)類型，活動(dòng)范圍在200平方內(nèi)，一個(gè)基站連接終端數(shù)量要求是不超過(guò)10個(gè)。

（3）基于5G AR巡檢

目前兆豐項(xiàng)目引入了360度無(wú)死角的AR技術(shù)，未來(lái)可以對(duì)建模的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的維修， AR將提升生產(chǎn)力和運(yùn)營(yíng)效率，降低總體成本，加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化和云化的進(jìn)程。

圖6 基于5G AR巡檢方案

在實(shí)際的使用中，AR可以使用在設(shè)備模型、視頻標(biāo)記、AR疊加和語(yǔ)音交互上。很多企業(yè)發(fā)現(xiàn)他們的生產(chǎn)線都有一個(gè)特點(diǎn)，即跨區(qū)域、跨地區(qū)的分散式生產(chǎn)。這些都離不開工業(yè)軟件提供的數(shù)據(jù)支持，僅僅是一個(gè)智能制造的生態(tài)環(huán)境，AR能完美的融合到這個(gè)生態(tài)中幫助解決實(shí)際問(wèn)題。

使用主要的5G網(wǎng)絡(luò)功能和性能指標(biāo)：eMBB（50M/s），動(dòng)態(tài)類型，活動(dòng)范圍在200平方內(nèi)，移動(dòng)速度不超過(guò)5公里/小時(shí)。URLLC（延時(shí)小于1ms），一個(gè)基站連接終端數(shù)量要求不超過(guò)10個(gè)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年6月刊