1 目標和概述

5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用尚處于探索初期，企業(yè)內5G網(wǎng)絡(luò )部署架構及網(wǎng)絡(luò )建設、運維、管理等模式尚不清晰，國內5G和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用標準及研發(fā)驗證體系尚未建立，工業(yè)企業(yè)和ICT企業(yè)的5G融合應用的解決方案及設備的研發(fā)還沒(méi)有相應研發(fā)網(wǎng)絡(luò )驗證環(huán)境的支撐，大大延緩了融合應用的研發(fā)進(jìn)度。這使得5G在工業(yè)領(lǐng)域的應用進(jìn)度緩慢。另外，工業(yè)企業(yè)對于5G的認識還處于較淺層次，對于5G網(wǎng)絡(luò )能用在工業(yè)內哪些環(huán)節，開(kāi)展哪些應用尚不清晰，因此亟需建立5G應用互聯(lián)網(wǎng)平臺，即5G工業(yè)“操作系統”。

5G MEC（5G邊緣計算）是可以融合網(wǎng)絡(luò )、計算、存儲、應用等核心能力的開(kāi)放平臺，它部署在靠近生產(chǎn)設備的網(wǎng)絡(luò )邊緣側，可就近提供邊緣智能服務(wù)，滿(mǎn)足行業(yè)數字化在敏捷連接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面的關(guān)鍵需求。數據不用再傳到遙遠的云端，在邊緣側就能解決，更適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)的數據分析和智能化處理，具有安全、快捷、易于管理等優(yōu)勢，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)智能化處理與執行，滿(mǎn)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

當前工業(yè)企業(yè)對“技術(shù)和應用下沉、應用本地化、內容分布化、計算邊緣化”的需求特點(diǎn)，采取純5G網(wǎng)絡(luò )邏輯切片、公網(wǎng)&私網(wǎng)共用基站設施、所有網(wǎng)絡(luò )本地獨立部署三種組網(wǎng)模式，保證不同的安全等級需求。通過(guò)配置不同的網(wǎng)絡(luò )切片，適用于對數據安全性不是特別敏感用戶(hù)；通過(guò)本地邊緣云計算，在企業(yè)本地化部署相應的MEC邊緣計算硬件設備，滿(mǎn)足企業(yè)響應服務(wù)需求；對安全需求等級高的企業(yè)，對企業(yè)部署單獨的網(wǎng)絡(luò )，開(kāi)放安全能力，按需組合，提供靈活、可定制的差異化安全能力。

本項目目標是通過(guò)5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數據和人工智能等技術(shù)，打造工廠(chǎng)全信息集成平臺，實(shí)現工廠(chǎng)中的控制數據、工藝數據、運營(yíng)數據、經(jīng)營(yíng)數據的標準化表示，打破系統之間的信息壁壘，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)現業(yè)務(wù)流程去中心化。網(wǎng)絡(luò )架構如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò )架構圖

2.2 5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構

通過(guò)模型化的內容組織形式，構建集操作行為、生產(chǎn)數據、工藝參數、質(zhì)量標準、安全環(huán)保、經(jīng)營(yíng)策略于一體的基于5G的工廠(chǎng)全信息平臺，助力企業(yè)實(shí)現工藝尋優(yōu)、操作尋優(yōu)和運營(yíng)優(yōu)化的目標。通過(guò)實(shí)現異構數據管理并基于異構數據開(kāi)發(fā)工業(yè)機理模型，建設工業(yè)APP和微組件資源池，建設開(kāi)發(fā)者社區。

同時(shí)，基于對工業(yè)大數據及工業(yè)應用的積累，形成通用數據、系統集成接口技術(shù)要求、平臺功能規范等標準。通過(guò)項目的實(shí)施，加速工業(yè)知識復用和創(chuàng )新，促進(jìn)制造業(yè)供需對接和迭代創(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)數字化、網(wǎng)絡(luò )化、智能化轉型。

圖2 5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構

5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺作為工業(yè)操作系統，可實(shí)現系統數據接入；數據標準化和對象信息模型的運行期管理；多元數據預處理、存儲、壓縮處理，提供實(shí)時(shí)和歷史數據查詢(xún)服務(wù)；計算資源管理和服務(wù)治理；業(yè)務(wù)流搭建，提供一個(gè)信息融合、多元數據混合的快速構建平臺；工業(yè)大數據分析，提供大數據挖掘和分析的常用算法庫，大數據云存儲和分析服務(wù)；人工智能應用，提供智能優(yōu)化算法、機器學(xué)習和深度學(xué)習等功能，實(shí)現人工智能技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的深度應用；信息安全防護，提供從云、企、端全方位的信息安全防護方案，實(shí)現數據安全、信息安全和物理安全等。5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的軟件模塊層次如圖3所示。

圖3 5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的軟件模塊層次圖

2.3 MEC工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺功能

設備層：包括現場(chǎng)裝備設備、DCS、5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的前端數據采集模塊。

平臺層：5G+supOS工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供數據接入、數據存儲、數據管理、數據分析等基礎功能，同時(shí)提供可擴展的工業(yè)機理模型、工業(yè)微服務(wù)等功能，為上層應用開(kāi)發(fā)提供通用功能。

應用層：通過(guò)對平臺提供的大數據技術(shù)、工業(yè)機理模型、工業(yè)微服務(wù)等功能的綜合調用，實(shí)現設備狀態(tài)預測、工藝尋優(yōu)、操作尋優(yōu)和運營(yíng)優(yōu)化等。

3 兆豐機電5G工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)示范項目介紹

（1）5G云化AGV

當前AGV（Automated Guided Vehicles）需要大量的傳感器和強力計算單元，造價(jià)過(guò)高且無(wú)法形成協(xié)同調度。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，在園區實(shí)行層級部署，實(shí)現顯著(zhù)降低成本并可協(xié)同調度的目標。

本項目是驗證5G網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下AGV在倉儲或在生產(chǎn)線(xiàn)上的應用，項目分以下部分進(jìn)行，首先，在試點(diǎn)企業(yè)園區架構部署5G基站；其次，安裝搭建滿(mǎn)足本項目應用研發(fā)驗證的網(wǎng)絡(luò )測試環(huán)境，測試基于5G的AGV運行效果；最后，測試5G網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下機器人調度系統控制任務(wù)下發(fā)、交通管理、路徑規劃、調度管理、設備管理及告警聯(lián)動(dòng)等效果。

圖4 5G網(wǎng)絡(luò )環(huán)境下AGV在倉儲或在生產(chǎn)線(xiàn)上的應用

價(jià)值分析：可實(shí)現智能化倉庫管理、分揀、搬運等功能，提升倉儲作業(yè)效率及管理水平；多路徑最優(yōu)規劃，提供最短路徑形式，避讓控制，路徑重新規劃控制；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)現系統負載均衡。

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 )的功能和性能指標有：URLLC（2ms的延時(shí)），移動(dòng)類(lèi)型，活動(dòng)范圍在200平方內，移動(dòng)的速度大約是5公里/小時(shí)，一個(gè)基站連接終端數量要求是不超過(guò)50個(gè)。

（2）工業(yè)視覺(jué)分析

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

在場(chǎng)景中我們將持續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邊緣計算機器視覺(jué)分析模塊，對軸承的送件位置、加熱線(xiàn)圈的定位位置以及軸承加熱后的熱成像圖進(jìn)行分析。結合歷史上該生產(chǎn)工藝的樣本數據，進(jìn)而分析生產(chǎn)設備的運行狀態(tài)、故障和預測維護等數據，保證生產(chǎn)的安全性，提高軸承的成品率。

MEC作為邊緣計算節點(diǎn)，不僅可以實(shí)現數據的本地存儲與分流，進(jìn)一步降低時(shí)延，同時(shí)還可以利用其強大的計算能力，對數據進(jìn)行預處理，深度挖掘；supOS作為開(kāi)放的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)操作系統平臺，可以引入各類(lèi)第三方APP，針對企業(yè)不同需求做到快速靈活部署，同時(shí)可以對不同數據進(jìn)行融合，結合中控深耕流程化工行業(yè)的豐富經(jīng)驗，提升數據價(jià)值。

方案優(yōu)勢：綜合該平臺部署在淬火工藝等機器視覺(jué)分析、5G網(wǎng)絡(luò )優(yōu)勢、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)平臺在兆豐機電成功落地。

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

（3）基于5G AR巡檢

目前兆豐項目引入了360度無(wú)死角的AR技術(shù)，未來(lái)可以對建模的設備進(jìn)行遠程的維修， AR將提升生產(chǎn)力和運營(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可以使用在設備模型、視頻標記、AR疊加和語(yǔ)音交互上。很多企業(yè)發(fā)現他們的生產(chǎn)線(xiàn)都有一個(gè)特點(diǎn)，即跨區域、跨地區的分散式生產(chǎn)。這些都離不開(kāi)工業(yè)軟件提供的數據支持，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：eMBB（50M/s），動(dòng)態(tài)類(lèi)型，活動(dòng)范圍在200平方內，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)基站連接終端數量要求不超過(guò)10個(gè)。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年6月刊