5G+邊緣AI賦能工業(yè)智能化改造

楊 坤，汪 濤，孔勝淼

（成都鼎橋通信技術有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

隨著人口紅利降低，勞動力成本提升，精益生產迫在眉睫；傳統(tǒng)行業(yè)的IT投入強度，制造業(yè)重點骨干企業(yè)當前數字化研發(fā)工具普及率為68.9%，關鍵工序數控化率為49.2%，仍有較大信息化改造空間。伴隨人口老齡化和勞動成本上升，內需降低、部分核心技術依賴進口等問題，以精益生產為目標的制造業(yè)智能化改造已成必然趨勢，并將引領一批自主品牌邁向全球中高端產業(yè)鏈[1]。

1 現有技術發(fā)展

1.1 5G技術

5G的特點是超高頻率，超高頻寬，比4G的速率更快出一個數量級，對物聯網進行了優(yōu)化，具有更低的時延，滿足車聯網、智能交通、高清視頻、虛擬現實的需求。5G標準的制定是一個不斷發(fā)展和完善的過程：第一版國際標準（Rel-15）和第二版的增強標準（Rel-16）已全部完成，面向未來演進的Rel-17標準正在制定中，預計2022年6月完成。除了對Rel-15/16特定技術的進一步增強外，Rel-17將mMTC（大連接低功耗海量機器類通信）作為5G 場景的增強方向，并包含了多天線技術增強，高精度定位，覆蓋增強，組播廣播，終端節(jié)能，雙鏈接增強，最小化路測等通用技術的增強；面向工業(yè)物聯網垂直行業(yè)應用及應用增強的RedCap（低復雜度低成本）終端，高可靠低時延物聯網通信，終端直連通信增強，網絡切片增強，非公共網絡等增強技術，更全面地支持了物聯網應用。

1.2 邊緣計算技術

邊緣計算是為就近提供邊緣智能服務，在靠近物或數據源頭的網絡邊緣側，融合網絡、計算、存儲、應用等核心能力的分布式開放平臺，同時滿足行業(yè)數字化的關鍵需求，包括敏捷聯接、實時業(yè)務、數據優(yōu)化、應用智能、安全與隱私保護等方面。根據不同的部署位置和應用場景，邊緣計算的硬件形態(tài)有所不同，常見的形態(tài)有邊緣服務器、邊緣一體機、邊緣網關等。邊緣網關是部署在垂直行業(yè)現場的接入設備，主要實現網絡接入、協(xié)議轉換、數據采集與分析處理，可以融合IT領域敏捷靈活以及OT領域可靠穩(wěn)定的雙重特點，將網絡連接、質量保證、管理運維及調度編排的能力應用于行業(yè)場景，提供實時、可靠、智能和泛在的端到端服務。

1.3 容器技術

容器技術是通過將單個操作系統(tǒng)的資源有效地劃分到孤立的組中，以便在孤立的組之間，更好地平衡有沖突的資源使用需求。容器技術通過與宿主共享硬件資源及操作系統(tǒng)，實現資源動態(tài)分配； 并包含了應用和其所有的依賴包，但與其他容器共享內核。在宿主操作系統(tǒng)和用戶空間，容器以分離的進程運行。從虛擬化層面來看，容器技術是對進程的虛擬（傳統(tǒng)虛擬化技術是對硬件資源的虛擬），以提供更輕量級的虛擬化，實現進程和資源的隔離。容器技術主要特點包括極其輕量、秒級部署、易于移植以及彈性伸縮。

2 基于5G+邊緣A I的工業(yè)智能化改造實現方案

2.1 面臨的主要問題

當前，工廠傳感器數據以及攝像頭數據的回傳，為智能化改造的重點需求，而傳感器的量級高（數以千計）、數據傳輸效率低，有線部署復雜，無法有效支撐生產運行：一是大部分傳感器，通過有線方式傳輸，數據精度低，效率差；二是各自廠家分別布線，有線方式布線復雜，部分傳感器布線長度達幾百米。傳感器設備接入傳輸方式多樣，異常檢修與維護困難，數據傳輸環(huán)境多且復雜，設備數據異常難以定位故障點。傳感器廠家和種類多，缺少統(tǒng)一集中的配置、管理和維護，各廠家各自獨立建設、管理和維護；數據格式未統(tǒng)一，各自存放處理。同時，也存在對傳感器改造的需求，以實現傳感器狀態(tài)和告警的實時、集中監(jiān)測，提升傳感器部署、異常檢修和維護效率，并實現傳感器數據的高效傳輸、統(tǒng)一存放和治理、智能分析和主動預警。

有鑒于此，使用支持5G+邊緣AI的智能網關統(tǒng)一匯聚，通過5G回傳，可以發(fā)揮AI算法對工業(yè)數據的分析（包括視頻處理能力），邊緣計算對帶寬的節(jié)省，端云協(xié)同對智能化的提升等，以快速有效地實現智能化改造。

2.2 改造的實現架構

基于“云網邊端”的整體架構，以支持5G+邊緣AI的智能網關分擔云端的計算任務，在邊緣側實現數據優(yōu)化、實時響應、敏捷連接、模型分析等業(yè)務支撐；同時，支持5G+AI的云端管理平臺，實現對終端和邊緣網關的設備接入與管理功能。

通過在生產現場部署支持5G+邊緣AI的智能網關，接入現場的各種傳感器設備，實現傳感器狀態(tài)和告警的實時、集中監(jiān)測；提升傳感器部署、異常檢修和維護效率；實現傳感器數據的高效傳輸、統(tǒng)一存放和治理、智能分析和主動預警。

圖1 基于5G+邊緣AI網關的實現架構

2.2.1 邊緣AI設備

邊緣AI網關提供多種IoT接口，實現傳感器數據的采集和協(xié)議轉換，兼容多種有線/無線工業(yè)通信接口，支持包括Wi-Fi（802.11a/b/g/n/ac）、RS485/RS232、CAN 2.0、GE/FE、USB3.0/2.0等多模接入方式。支持第三方應用直接部署，基于IoT接口的APP處理傳感器數據，實現采集、處理、存儲、傳輸等功能；提供差異化的容器技術，支持LXC、Docker容器化技術，實現業(yè)務及應用隔離。承載AI計算，提供TOPS級及以上計算能力。支持視頻接入與處理，在接入傳感器數據的同時，提供視頻接入與處理；支持32路1080P視頻的接入，支持4-8路視頻分析，提供本地視頻存儲能力。

2.2.2 網絡傳輸

支持5G，基于5G模組提供5G傳輸能力，通過5G無線空口將數據回傳至覆蓋該區(qū)域的5G基站及邊緣集成節(jié)點，并建立與云端平臺之間互相通信以及節(jié)點之間串聯的專用通道。所述邊緣集成節(jié)點和云端的應用與數據集成平臺，具有相同的數據集成、服務集成和消息集成能力。

2.2.3 設備管理平臺

設備管理平臺面向邊緣AI網關，實現設備的接入和遠程管理。支持按照容器、應用層級對邊緣計算網關設備進行備份、遠程更新等操作。為第三方設備及業(yè)務系統(tǒng)開放REST接口。實現網關的在線升級與遠程維護，減少設備的現場維護工作量。

2.2.4 應用與數據集成系統(tǒng)

集成系統(tǒng)支持發(fā)布和訂閱消息，實現設備與后端各應用的消息互通，支持海量設備低延時接入，支持設備與應用之間的雙向同步，保證信息傳輸的安全等功能。平臺通過MQTT與邊緣AI網關對接；用戶可以通過UI操作用MQTT協(xié)議直接和設備進行連接；也可以調用相關的管理OPEN API和設備進行連接。

2.2.5 自管理平臺

自管理平臺可查看終端連接狀態(tài)、終端基本信息、終端接入信息；分鐘/秒級指標數據采集。通過真實業(yè)務流撥測，模擬用戶發(fā)包的測試能力，查看終端的SLA狀態(tài)；統(tǒng)一管理設備管理平臺上報的設備，對設備的基本信息進行統(tǒng)一展示，在線監(jiān)控設備的性能/告警情況，周期性評估設備的SLA質量，協(xié)助運維人員主動快速的發(fā)現各類設備問題并報障（自管理平臺可管理的范圍，依賴于設備管理平臺可上報的數據）；在線監(jiān)控業(yè)務/切片/專線/網絡/終端的SLA質量，網絡中斷類問題/速率質差故障/ 時延質差故障/終端故障的快速定界并向運營商報障；模擬撥測支撐業(yè)務上線前通過構造復雜幀結構及業(yè)務數據流進行業(yè)務模擬，完成功能測試、壓力測試等驗收科目；可疊加園區(qū)自運營能力。

2.3 方案的具體應用

支持5G+邊緣AI的智能網關承載機器視覺，讓質檢線擁有會思考的眼睛。作為質檢人員輔助工具，在屏幕質檢環(huán)節(jié)增加工業(yè)相機，能夠有效減輕質檢人員工作量，降低檢測失誤率；對已有故障屏幕進行多角度拍照，并通過AI算法（以圖像作為訓練樣本）對屏幕故障模式進行機器學習。

支持5G+邊緣AI的智能網關承載人工智能算法，賦予機器人智慧大腦。通過人工智能模塊加載以及算法訓練，實現人機協(xié)同和多機協(xié)作，對機器加工力度、精度等提供校準、糾錯等輔助功能。

3 結束語

功能強大的5G+邊緣AI網關，適配未來多元化需求。5G低時延無線傳輸，避免了廠區(qū)復雜環(huán)境的布線，極大提升部署、異常檢修和維護效率。應用與數據集成系統(tǒng)，實現傳感器的統(tǒng)一接入以及OT和IT高效互通，助力工業(yè)智能化改造，便捷實現統(tǒng)一管理維護、應用能力增強、智能分析和持續(xù)創(chuàng)新。