5G邊緣計算在智能制造中的應(yīng)用研究

劉甍璐

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 通化市分公司，吉林 通化 134000）

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的發(fā)展在一定程度上改變了人們的生活方式和社會的發(fā)展模式，讓整個世界發(fā)生了較大的變化。人們在使用智能化網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的同時，依舊在堅持不懈地追求更快、更好、更智能以及更高品質(zhì)的生活。對于工業(yè)制造業(yè)來說，其具有面積大、覆蓋廣、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及主體多等諸多特點(diǎn)，因此在其擴(kuò)大發(fā)展的過程中，對數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)有著更高的要求。在諸多現(xiàn)實需要和發(fā)展需求的推動下，5G邊緣計算應(yīng)運(yùn)而生。

1 智能制造的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)

智能制造的應(yīng)用十分廣泛，在工業(yè)制造生產(chǎn)過程中離不開智能制造信息物理系統(tǒng)的應(yīng)用，同時其被視為工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、日本工業(yè)及中國制造2025戰(zhàn)略的核心。智能制造信息物理系統(tǒng)架構(gòu)有5層，分別是智能連接層、數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換層、網(wǎng)絡(luò)層、認(rèn)知層以及配置層。智能連接層以非接觸式通信的方式，通過傳感器網(wǎng)絡(luò)將收集到的數(shù)據(jù)信息傳送到數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換層，數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換層在確認(rèn)組件機(jī)器安全的情況下，對信息數(shù)據(jù)進(jìn)行多維數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，并做出降級和性能預(yù)測，然后將信息轉(zhuǎn)化為底層設(shè)備相關(guān)的信息之后再傳遞到網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層中具有組件和機(jī)器的孿生模型，用于變異識別和記憶的時間機(jī)器，通過數(shù)據(jù)挖掘中的相似度聚類功能，執(zhí)行云計算服務(wù)將數(shù)據(jù)進(jìn)行融合。融合的信息傳遞到認(rèn)知層后，認(rèn)知層就能啟動集成仿真與綜合系統(tǒng)，實現(xiàn)人員遠(yuǎn)程可視化和合作式診斷決策，為工人操控機(jī)器提供基本條件。配置層接收到所有信息后，就能做出相應(yīng)的智能決策，通過自適應(yīng)變量和自由化擾動系統(tǒng)，結(jié)合具體情況對參數(shù)配置進(jìn)行調(diào)整[1]。

智能制造信息物理系統(tǒng)架構(gòu)也被稱為5C架構(gòu)，要讓5C架構(gòu)的整個功能得以實現(xiàn)，就需要有高連接密度、低功耗、穩(wěn)定可靠、超低延遲以及高傳輸速率的信息技術(shù)的支持。5G邊緣計算技術(shù)因符合上述基本要求而得以應(yīng)用。

2 5G邊緣計算的技術(shù)關(guān)鍵

2.1 5G架構(gòu)及邊緣計算概念

3GPP在R15中對5G架構(gòu)進(jìn)行了定義，其中包括NSSF網(wǎng)絡(luò)切片選擇功能、NRF網(wǎng)絡(luò)存儲功能、UDM統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理功能、NEF網(wǎng)絡(luò)開放功能、PCF分離及策略控制功能以及AF邊緣應(yīng)用功能。在上述6大基礎(chǔ)功能的實現(xiàn)下，5G技術(shù)通過其認(rèn)證服務(wù)器功能、AMF接入及移動性管理功能、SMF會話管理功能以及SCP服務(wù)通信代理系統(tǒng)，連通不同通路的終端、介入、用戶及數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

邊緣計算從出現(xiàn)開始就與移動蜂窩數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)有著密不可分的聯(lián)系，其為應(yīng)用開發(fā)者和內(nèi)容提供商創(chuàng)造了在網(wǎng)絡(luò)邊緣的云計算能力和IT服務(wù)環(huán)境，通過將IT技術(shù)和CT技術(shù)相融合，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)寬帶的彈性。在目前最為常用的LTE（4G）技術(shù)中，邊緣計算只是作為一個附加項出現(xiàn)，而且邊緣計算的出現(xiàn)凍結(jié)了4G標(biāo)準(zhǔn)，因此在4G技術(shù)中很少用到邊緣計算。但在5G系統(tǒng)中，邊緣計算以關(guān)鍵項的角色出現(xiàn)。由于5G網(wǎng)絡(luò)的速度和超低延時要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，電磁波光纖200 km/ms的傳播速度依然無法滿足其要求，因此只有將數(shù)據(jù)內(nèi)容下沉式地部署在接入網(wǎng)兩側(cè)，才能使之更接近用戶，同時降低延時和網(wǎng)絡(luò)回傳負(fù)荷，此時就需要用到邊緣計算[2]。

由此可見，5G與邊緣計算是生態(tài)共通的，5G技術(shù)的實現(xiàn)需要邊緣計算屬性的支撐，邊緣計算的應(yīng)用也需要借助5G平臺，同時邊緣計算是5G商用業(yè)務(wù)的3大支柱之一。

2.2 5G支持的應(yīng)用場景

在所有的通信需求中，許多應(yīng)用場景對通信系統(tǒng)有著指向性較高的特殊需求。例如，增強(qiáng)型移動寬帶（eMBB）主要針對的是與人相關(guān)的通信性能，對數(shù)據(jù)速率和用戶體驗速度有著較高的要求；大規(guī)模機(jī)器型通信（mMTC）所需要用到的終端設(shè)備數(shù)量多、體量大，有高連接密度、長電池壽命和低成本的需求；超可靠低延遲通信（uRLLC）對超低延遲和可靠性有著十分苛刻的需求，不僅要求能精確控制信號的傳輸，而且要求其延遲能從幾十毫秒降低至幾毫秒并保持穩(wěn)定。5G具有超低延時、穩(wěn)定可靠以及高傳輸速率的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于以上3個場景中。

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片

為了同時滿足多個應(yīng)用場景的不同需求，如同時支持eMBB、uRLLC以及mMTC通信的運(yùn)行，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)隨之問世。網(wǎng)絡(luò)切片的作用是在建立一個網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，實行多域或可移動驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的管理，通過采用靈活部署編排架構(gòu)的方式，將網(wǎng)絡(luò)功能動態(tài)分配到上述的一個基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)共享。由于其靈活部署的特性，網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用還能滿足多方位的垂直應(yīng)用需求。例如，mMTC對高連接密度有著很高的要求，但對超低延遲的要求不高；uRLLC對超低延遲有很高的要求，但對容量和數(shù)量的要求不高。5G系統(tǒng)雖然都能滿足其需求，但是無法實現(xiàn)差異化和個性化。網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用恰好可以根據(jù)不同通信的特定用例實現(xiàn)差異化和個性化服務(wù)。

2.4 NFV/SDN技術(shù)

要想實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，還需要網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)的支持。與此同時，NFV需要軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN），為其提供基礎(chǔ)必備條件。軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN定義了軟件控制網(wǎng)絡(luò)，并充分?jǐn)U展了網(wǎng)絡(luò)容量的概念，在此過程中其不僅控制表面和數(shù)據(jù)表面的分離，而且控制表面的集中。通過引入SDN實現(xiàn)NFV網(wǎng)絡(luò)虛擬化功能，讓其能將專用設(shè)備的軟件和硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬機(jī)中。

2.5 多接入邊緣計算

多接入邊緣計算提供了接近用戶的云計算能力，其功能要基于NFV提供的虛擬化軟件環(huán)境來實現(xiàn)。通過對第三方應(yīng)用以虛擬機(jī)形式部署的邊緣云統(tǒng)一的服務(wù)開放框架獲取無線網(wǎng)絡(luò)能力[3]。多接入邊緣計算技術(shù)具備降低傳輸延時、緩解網(wǎng)絡(luò)擁塞、實現(xiàn)分布式部署以及就近提供邊緣智能業(yè)務(wù)的功能，其所提供的數(shù)據(jù)服務(wù)包括工廠邊緣服務(wù)、機(jī)器互聯(lián)服務(wù)以及管理門戶服務(wù)，能同時滿足5G、WiFi以及固定網(wǎng)絡(luò)等多接入的需求。

2.6 D2D通信技術(shù)

在大多數(shù)的D2D通信中，由于終端存在容量限制問題，因此需要在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的輔助作用下實現(xiàn)通信?；?G的D2D通信則既可以實現(xiàn)設(shè)備與設(shè)備之間的直接通信，也可以通過其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來完成設(shè)備與設(shè)備之間的通信。在設(shè)備與設(shè)備直接通信的過程中，由于傳輸距離變短，不需要經(jīng)過基站，因此終端的續(xù)航能力和傳輸速率都得到了提升。在當(dāng)前信息數(shù)據(jù)龐大、數(shù)據(jù)通路擁塞以及移動終端眾多的情況下，5G能容納更大的D2D區(qū)域總吞吐量，提高頻譜利用率，有效解決通信過載的問題。

3 5G邊緣計算在智能制造中的應(yīng)用

3.1 基于擴(kuò)展5C架構(gòu)的智能制造

在未來的發(fā)展過程中，智能制造勢必會有越來越大的發(fā)展需求和需要，因此智能制造架構(gòu)的擴(kuò)張是有一定的方向性和可預(yù)測性的?；?G邊緣計算技術(shù)的應(yīng)用，能對5C架構(gòu)中不同層級的擴(kuò)展提供一定的條件，在智能制造應(yīng)用5G的各個場景中需要考慮以下問題：（1）隨著智能連接層覆蓋面的擴(kuò)大，為了保證設(shè)備的功能和穩(wěn)定性，5G需要達(dá)到同時訪問眾多終端且保持高穩(wěn)定性的目標(biāo)；（2）數(shù)據(jù)—信息轉(zhuǎn)換層采集的信息數(shù)量越來越多、內(nèi)容越來越復(fù)雜，保證其超低延遲和時效性是5G應(yīng)用需要考慮的問題；（3）網(wǎng)絡(luò)層要實現(xiàn)更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析計算功能，同樣具有超低延時的需求；（4）認(rèn)知層涉及人工用戶終端，為了使人們能及時、快速且準(zhǔn)確地做出決策，5G用戶傳輸率等參數(shù)也有待提高；（5）配置層使設(shè)備能實現(xiàn)參數(shù)的自配置，因此對5G的超低延遲、可靠性及覆蓋性都有著很高的要求。

3.2 人機(jī)界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景應(yīng)用

人機(jī)界面主要應(yīng)用于人與制造設(shè)備之間的交互，生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景包括制造執(zhí)行系統(tǒng)和企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)等。5G的低延遲和高可靠性讓遠(yuǎn)程訪問與人機(jī)控制的同步操作得以實現(xiàn)，近2年興起的AR技術(shù)就是人機(jī)界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景的應(yīng)用典型案例之一。人可以通過穿戴AR眼鏡設(shè)備，從機(jī)器中獲得真實性超高的視覺圖像，給人一種身臨其境的真實感，同時跟隨場景以操控機(jī)械臂的方式完成指定的任務(wù)。在5G技術(shù)的支持下，人的視覺、動作以及意識達(dá)到了高度的一致性，人機(jī)界面和生產(chǎn)信息系統(tǒng)場景實現(xiàn)了有效結(jié)合。此外，小批量定制生產(chǎn)和高風(fēng)險環(huán)境的遠(yuǎn)程訪問與控制等也是其應(yīng)用典型。

3.3 流程自動化場景應(yīng)用

流程自動化的工廠主要面向電力、水、石油以及食品等的加工，在這個過程中主要對生產(chǎn)過程中的各種參數(shù)（流量、溫度、液位以及壓力等）進(jìn)行監(jiān)測和控制[4]。其工作的主要內(nèi)容是通過監(jiān)控流程狀態(tài)，實時對照設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行狀態(tài)比對，校對糾正出現(xiàn)錯誤和故障的系統(tǒng)步驟，及時將其調(diào)整為正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。5G在流程自動化場景中的應(yīng)用不僅能提高自動化生產(chǎn)效率，而且能節(jié)約勞動力，簡化中間流程，最大限度地減少人力、財力及物資的消耗，實現(xiàn)靈活生產(chǎn)和智能化管理。

3.4 工廠自動化場景應(yīng)用

工廠自動化能滿足大規(guī)模的生產(chǎn)需求，在該場景中所涉及的通信、設(shè)備、任務(wù)量及范圍都較為龐大，而且在今后的發(fā)展過程中其對通信的需求會越來越大。5G技術(shù)是目前聯(lián)通數(shù)據(jù)最快、超延遲率最低以及穩(wěn)定性最強(qiáng)的通信技術(shù)，因此其成為實現(xiàn)工廠自動化生產(chǎn)和管理的必要技術(shù)。

3.5 物流倉儲場景應(yīng)用

物流倉儲場景就是生產(chǎn)制造過程中所需要的材料、物料、半成品以及成品的配送和存儲場景。目前，許多工廠都利用移動機(jī)器人來完成物流資源的配送、分揀以及打包任務(wù)，同時設(shè)計相應(yīng)的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，將所有實時物流倉儲信息進(jìn)行共享交互。一方面，5G技術(shù)可以增強(qiáng)機(jī)器人的靈活性，保證其操作的準(zhǔn)確性；另一方面，5G可以通過其大規(guī)模數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，及時收集、傳輸以及反饋物流倉儲信息。

3.6 監(jiān)控和維護(hù)場景應(yīng)用

5G在監(jiān)控和維護(hù)場景中的應(yīng)用，不僅能完成對操作和機(jī)器進(jìn)行監(jiān)控的基本任務(wù)，而且基于其網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的功能，在執(zhí)行監(jiān)護(hù)任務(wù)時不會影響其他的制造過程，從而最大限度地提高生產(chǎn)效率。在5G技術(shù)的支持下，智能設(shè)備和機(jī)器人能隨時感知實時生產(chǎn)狀況，及時分析設(shè)備，從而實現(xiàn)高性能的預(yù)測性維護(hù)。

4 結(jié) 論

本文詳細(xì)分析了5G邊緣計算的關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了5G 邊緣計算在智能制造中的不同應(yīng)用場景，旨在充分挖掘5G邊緣計算在智能制造中的應(yīng)用價值，希望能為研究者提供一些有價值的參考。