5G技術(shù)在山鋼日照公司的應(yīng)用

常 亮

（山東鋼鐵集團日照有限公司信息計量部，山東 日照276805）

1 前言

5G網(wǎng)絡(luò)具備低時延、大帶寬、廣連接等特點，其國內(nèi)外設(shè)計標準始終涵蓋工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱山鋼日照公司）于2019年聯(lián)合聯(lián)通、電信、移動等運營商，針對污染大、危險高的作業(yè)場景，開展了一系列5G網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用探索，并取得了良好的應(yīng)用成效。

2 5G技術(shù)簡介

5G（5th Generation Mobile Networks，第五代移動通信技術(shù)），是相對于4G、3G移動通信技術(shù)而提出的新一代移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統(tǒng)安全和用戶體驗也顯著提高。相比4G技術(shù)，5G技術(shù)目前的核心性能特點有3個:1）高速率。5G峰值速率可達10～20 Gb/s，每個用戶至少100 Mb/s，是4G速率的數(shù)十倍。2）廣連接。ITU（國際電信聯(lián)盟）定義的5G物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)支持100萬連接/km2，比4G技術(shù)高10倍。3）低時延。ITU定義的5G端到端時延低至1 ms，比4G技術(shù)低10倍。5G在不同應(yīng)用場景下挑戰(zhàn)的技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 5G技術(shù)場景與關(guān)鍵性能挑戰(zhàn)

3 山鋼日照公司5G技術(shù)應(yīng)用案例

2019年，山鋼日照公司為解決智能制造技術(shù)場景中的無線連接難點問題，充分研究5G技術(shù)特點，在“難于敷設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)且多移動連接目標”場景中，選取了對網(wǎng)絡(luò)速率、延時性要求較高的原料場堆取料機無人駕駛、重型鐵水運輸車智能調(diào)度、冷軋無人行車3個場景作為應(yīng)用試點。

3.1 原料場堆取料機無人駕駛5G應(yīng)用

山鋼日照公司一期項目原料場有2臺堆取料機、2臺取料機、1臺堆料機進行了無人駕駛升級。機上安裝雷達防碰撞、定位、3D激光料堆掃描傳感器，實現(xiàn)機上無人、遠程監(jiān)控的全自動作業(yè)模式，有效降低了操作人員的勞動強度，提高了作業(yè)效率。

堆、取料機作業(yè)過程中始終處在輥道上移動的狀態(tài)，所以為保障控制信號、視頻監(jiān)控信號與地面監(jiān)控系統(tǒng)高質(zhì)量傳輸，傳統(tǒng)模式下采用卷筒光纜的有線網(wǎng)絡(luò)或工業(yè)WiFi等無線網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)。兩種方式各有優(yōu)缺點:光纜作為有線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)，優(yōu)點是網(wǎng)絡(luò)傳輸速率高，缺點是隨機載卷筒移動過程中容易斷裂，若熔接點過多還會導致光衰變大，影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，后期維護成本較高；無線網(wǎng)絡(luò)介質(zhì)的優(yōu)點是安裝維護成本低，缺點是受遮擋物和同頻信號（例如藍牙同一般的WiFi都工作在2.4 G Hz頻段）干擾大，同時無線網(wǎng)絡(luò)帶寬受硬件終端的技術(shù)限制較多。

山鋼日照公司一期項目原料場是按照光纖網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)互備的理念設(shè)計建設(shè)，但在實際生產(chǎn)過程中，光纖網(wǎng)絡(luò)的維護成本越來越高，故考慮在原工業(yè)WiFi無線網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，增加5G網(wǎng)絡(luò)（全文所述5G均指第五代移動通信技術(shù)，非5G WiFi），進一步提高數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量。在5G建設(shè)過程中，需要解決信號屏蔽和數(shù)據(jù)安全問題。為解決料棚屏蔽問題，5G基站安裝位置選點格外重要，安裝位置如圖1所示。

圖1原料場某料倉俯瞰示意圖

圖1 中，①為某封閉料倉，全長700 m，封閉料棚為無線信號主要遮蔽物。②為堆、取料機，作業(yè)過程中順著軌道往復運行，機上攜帶無人駕駛PLC控制系統(tǒng)和CPE（Customer Premise Equipment，用戶終端設(shè)備）。③為鐵礦粉，為無線信號主要遮蔽物。④為PLC室，正對料倉，距離料倉最近距離30 m左右，其中PLC主要用于與機上PLC做通訊站。⑤為5G基站。⑥為工業(yè)WiFi天線。⑦為遠程控制室，是無人駕駛遠程監(jiān)控的作業(yè)指揮中心。⑧是④與⑦之間的通訊光纜。5G基站安裝位置正對堆、取料機運動方向，通過波形賦形處理，使5G信號強度沿著料倉方向達到最大。

圖2 原料場5G網(wǎng)絡(luò)拓撲

實際運用中，5G網(wǎng)絡(luò)主要解決機上攝像機信號無線傳輸問題。每臺堆、取料機上攜有8～10臺高清數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像機，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

堆、取料機安裝的5G CPE實時將硬盤錄中的視頻信號通過5G無線網(wǎng)絡(luò)傳給5G基站，5G基站再將數(shù)據(jù)通過光纖專線傳給山鋼日照公司核心機房的MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）設(shè)備，視頻數(shù)據(jù)穿透防火墻，抵達視頻平臺服務(wù)器。遠程控制室的控制終端接收視頻平臺服務(wù)器的實時視頻數(shù)據(jù)。MEC保證了核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出工業(yè)園區(qū)，且能夠在大數(shù)據(jù)回傳時進一步降低時延。

3.2 多目標高溫重型鐵水運輸車智能調(diào)度5G應(yīng)用

山鋼日照公司鐵水罐運輸采用重型鐵水車運輸模式。相比鐵路運輸、過跨車式運輸，汽車運輸鐵水包更靈活。為了便于對鐵水罐運輸車的實時位置跟蹤和遠程在線調(diào)配，開發(fā)了鐵水罐運輸車調(diào)度系統(tǒng)，對鐵水罐運輸車做到多目標匹配，柔性銜接，動態(tài)優(yōu)化，實現(xiàn)了鐵水罐的精準、快捷、高效運輸，有效降低了鐵水溫度損耗，智能調(diào)配鐵水供應(yīng)，取得了良好的應(yīng)用效果。

每臺鐵水罐運輸車駕駛室裝有車載終端，用來接收調(diào)度指令。但鐵水罐運輸車作業(yè)過程中不斷移動，接收調(diào)度指令最合適的方式是采用無線數(shù)據(jù)傳輸。為保證數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量，山鋼日照公司采用5G技術(shù)解決多移動目標數(shù)據(jù)傳輸問題，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多目標高溫重型鐵水運輸車智能調(diào)度5G網(wǎng)絡(luò)拓撲

道路測試結(jié)果顯示，0.5 km2范圍內(nèi)5G信號覆蓋率為95.8%，電平值均值為-84.45 dBm，平均上傳速度86 M bps，下載速度400 M bps，丟包率為0，滿足18臺鐵水罐運輸車接收上傳調(diào)度指令使用。該場景應(yīng)用可以進一步探索MEC在路徑優(yōu)化決策中的研究。在自動駕駛決策系統(tǒng)中引入MEC技術(shù)，可以有效地解決自動駕駛系統(tǒng)中流量的分級決策問題，如模型訓練與學習、路徑全局規(guī)劃等需要消耗大量計算資源的流量在云端被處理，而網(wǎng)絡(luò)邊緣處負責決策路徑局部規(guī)劃等要求低時延的流量。

3.3 冷軋無人行車5G應(yīng)用

冷軋中間庫區(qū)共6臺行車進行了無人駕駛升級，不僅有效節(jié)省了行車駕駛崗位定員，而且結(jié)合庫區(qū)管理系統(tǒng)，有效提高了作業(yè)效率，為精準高效發(fā)貨提供了支持。不同于圖2、圖3兩個應(yīng)用場景，行車定位、調(diào)度指令等數(shù)據(jù)通過VPN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)運營商5G核心網(wǎng)與生產(chǎn)內(nèi)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全（見圖4）。

圖4 冷軋無人行車5G網(wǎng)絡(luò)拓撲

4 5G技術(shù)在鋼鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的其他應(yīng)用思考

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為一個將互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)制造產(chǎn)業(yè)結(jié)合起來的生態(tài)體系，它可以進行個性化、多樣化的服務(wù)，所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范圍和發(fā)展范圍較廣、涉及的內(nèi)容較多。而5G技術(shù)需解決的不僅是人與人的連接，更是人與物、物與物的連接問題。綜合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)未來發(fā)展需求，其4T4R、Massive MIMO、NBIoT等幾項技術(shù)都表現(xiàn)出較快應(yīng)用趨勢。

5G技術(shù)在鋼鐵工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，可以實現(xiàn)跨網(wǎng)段多目標的通訊接入，隨著5G模組與機器人、攝像機、傳感器等設(shè)備的集成研究日趨廣泛和深入，其工業(yè)應(yīng)用也將快速增長。目前寶武集團已在焦爐四大車自動控制、成品鋼卷運輸車無人駕駛、高爐運行狀態(tài)采集監(jiān)控等領(lǐng)域進行了應(yīng)用研究；鞍鋼在5G設(shè)備管理方面也取得了重要突破。在智能安防、電力巡檢機器人、產(chǎn)品過程質(zhì)量控制、智能物流等方面也存在5G應(yīng)用場景。

5 結(jié)語

隨著企業(yè)對職業(yè)安全健康的愈加重視，以及用工成本的逐漸增高，“機器代人”項目逐漸成為了企業(yè)智能制造的重要研究方向。山鋼日照公司率先在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中引入5G技術(shù)，提升企業(yè)“機器代人”水平，并取得良好的應(yīng)用效果，為鋼鐵行業(yè)5G技術(shù)的推廣提供了豐富經(jīng)驗。在應(yīng)用實踐中，必須將生產(chǎn)安全和數(shù)據(jù)安全放在首位，根據(jù)場景實際情況，科學選擇5G基站布設(shè)位置，避免投入成本的浪費。