“5G+”在智能制造行業(yè)建設和商用形態(tài)分析

摘 ?要：隨著5G網(wǎng)絡發(fā)展，作為主要應用領域的制造業(yè)如何針對5G特性滿足自身業(yè)務需求，以及不斷豐富網(wǎng)絡服務形態(tài)，對企業(yè)生產(chǎn)設備之間互聯(lián)互通、終端智能管理、人員行為分析、智能監(jiān)控平臺建設、智慧化生產(chǎn)園區(qū)等方面如何落地應用進行了闡述。文章提出了一種5G企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)流轉的規(guī)劃設計方案，重點如何利用MEC功能特點從而確保數(shù)據(jù)內(nèi)外部安全高效、完整引流等方面進行了說明。

關鍵詞：5G;MEC;網(wǎng)絡切片;新基建;智能制造;物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：TN929.5 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）13-0050-03

Abstract：With the development of 5G network，the manufacturing industry，as the main application field，how to meet its own business needs according to the characteristics of 5G，and constantly enrich the network service form，and how to implement the application of interconnection and interworking between enterprise production equipment，intelligent terminal management，personnel behavior analysis，intelligent monitoring platform construction，and intelligent production park are described. This paper puts forward a kind of planning and design scheme of internal data flow in 5G enterprises，focusing on how to use MEC features to ensure the internal and external data security and efficiency，complete drainage，etc.

Keywords：5G;MEC（Multi-access Edge Computing）;network slicing;new infrastructure;intelligent manufacturing;internet of things

0 ?引 ?言

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡模式架構下，網(wǎng)絡通信協(xié)議種類眾多、各有不足且相對封閉，工業(yè)設備互聯(lián)互通難，嚴重制約了工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)設備進行智能化改造，亟須構建能夠兼容多種協(xié)議的新一代網(wǎng)絡技術體系。本文主要論述內(nèi)容為：在5G應用中，如何利用5G高帶寬、多并發(fā)、低延遲等特點在現(xiàn)代化中藥智能制造領域高效、穩(wěn)定、安全商用，從而通過與新一代信息技術和互聯(lián)網(wǎng)技術的結合，集成信息物理測控系統(tǒng)，研制具有自主知識產(chǎn)權的創(chuàng)新制藥技術;最終實現(xiàn)引領傳統(tǒng)中藥產(chǎn)業(yè)技術數(shù)字化轉型，開創(chuàng)中藥智能化先進制造時代，率先實現(xiàn)中藥先進制造，進而達成“中國制造2025”的最終目標。

1 ?5G應用背景

1.1 ?5G特征

2018年，中國華為推出5G技術，并被定義為中國5G商用元年。第五代移動通信技術，簡稱5G。其性能目標是高數(shù)據(jù)速率、減少延遲、節(jié)省能源、降低成本、提高系統(tǒng)容量和大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)設備連接。

1.2 ?實際場景

隨著筆者所在企業(yè)的現(xiàn)代中藥智能制造的高速發(fā)展，越來越多的設備接入到智能制造領域中。建立智能自適應、柔性可擴充、服務彈性化的中藥生產(chǎn)過程知識管理系統(tǒng)（PKS），對中藥制造過程海量的工藝、質(zhì)量和精確自動化控制等生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行處理、利用，前饋-反饋控制系統(tǒng)覆蓋全生產(chǎn)過程，是實現(xiàn)數(shù)字化、智能化制造的可靠途徑。連續(xù)覆蓋、安全性及可靠性是工業(yè)企業(yè)最關心的問題。

企業(yè)需要更高性能和更高效率的網(wǎng)絡連接，邁向網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化發(fā)展，要實現(xiàn)以上需求，更高效的通信連接是基礎。

1.3 ?物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)狀分析與需求

傳統(tǒng)工業(yè)Wi-Fi已不適應現(xiàn)代制藥生產(chǎn)中的高可靠、低時延的要求，不能滿足毫秒級時延的實時性控制及可靠性的應用場景，無法實現(xiàn)大規(guī)模、高速率的數(shù)據(jù)傳輸，不能同時滿足局部區(qū)域內(nèi)海量高并發(fā)、中高數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)連接。

當前工業(yè)制造領域使用的無線通信協(xié)議眾多、各有不足且相對封閉，工業(yè)設備互聯(lián)互通難，嚴重制約了設備上云，亟須構建能夠兼容多種協(xié)議的新一代無線技術體系。

5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業(yè)務體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點，有望成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡基石。

預計未來五年，生產(chǎn)通信網(wǎng)絡的容量需求會在當前的網(wǎng)絡容量基礎上以幾何倍數(shù)進行增長。高帶寬、多接入、低延遲的網(wǎng)絡高要求將給公司內(nèi)部網(wǎng)絡帶來嚴峻的挑戰(zhàn)。首先，如果按傳統(tǒng)架構網(wǎng)絡基礎建設發(fā)展，網(wǎng)絡容量難以支持目前容量需求的高速增長，并且網(wǎng)絡能耗成本和建設周期難以承受;其次，要提升網(wǎng)絡容量，必須智能高效利用網(wǎng)絡資源，確保數(shù)據(jù)高效、完整、安全的傳輸并且針對業(yè)務和用戶的個性化需求進行智能優(yōu)化明細，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構在這方面的能力明顯不足以支撐;最后，未來網(wǎng)絡必然是一個多網(wǎng)并存的異構移動網(wǎng)絡，要提升網(wǎng)絡容量，增加網(wǎng)絡移動性，必須解決高效管理各個網(wǎng)絡，簡化互操作，增強用戶體驗的問題。為了解決上述挑戰(zhàn)，滿足日益增長的高帶寬、高容量、低延時的物聯(lián)網(wǎng)需求，亟須發(fā)展新一代5G內(nèi)部通信網(wǎng)絡。

1.4 ?確立“新基建”方向方向

5G“新基建”只是基礎和平臺，如何利用好5G網(wǎng)絡平臺能力，目標明確的為企業(yè)信息建設提供更好的承載和延展還需要更深入的探討和摸索。筆者所在單位在上述背景下，積極拓寬思路，對企業(yè)如何進行數(shù)字化轉型做了深入的研究，通過大量的數(shù)據(jù)測試和技術論證，最終確定5G通信技術可以為以后企業(yè)發(fā)展的“新基建”方向。

2 ?目前商業(yè)應用場景

2.1 ?整體建設

2020年上半年，公司內(nèi)部5G建設初步建設完成，目前實現(xiàn)整個廠區(qū)的5G信號覆蓋，同時也對園區(qū)內(nèi)部進行了優(yōu)化和改造，為未來5G商用奠定新基礎。

2.2 ?MEC數(shù)據(jù)分流

MEC是實現(xiàn)5G低延遲和提升帶寬速率等的關鍵技術之一，同時MEC為應用程序和服務打開了網(wǎng)絡邊緣，包括來自第三方的應用程序和服務，使得通信網(wǎng)絡可以轉變成為其他行業(yè)和特定客戶群的多功能服務平臺。

MEC主機由虛擬化基礎設施VI、MEC平臺（MEP）、MEC應用組成，其中MEC平臺為MEC應用發(fā)現(xiàn)和使用提供內(nèi)部或外部服務的環(huán)境，并通過對第三方MEC應用的開放，進而加強網(wǎng)絡與業(yè)務的深度融合。

如圖1所示，MEP/UPF部署在企業(yè)園區(qū)匯聚機房，通過本地交換機接入SPN匯聚節(jié)點。MEP/UPF與核心DC中的5G控制面和網(wǎng)管網(wǎng)對接，SPN為MEP/UPF提供IP承載網(wǎng)/網(wǎng)管網(wǎng)接入服務。企業(yè)應用通過5G工業(yè)數(shù)據(jù)終端/CPE接入5G網(wǎng)絡，使用企業(yè)專用DNN數(shù)據(jù)卡，接入下沉至園區(qū)的MEC進行分流;由于將MEC部署在企業(yè)園區(qū)匯聚機房，實現(xiàn)UPF下沉。針對企業(yè)信息化不斷發(fā)展的高標準需求，搭建基于5G網(wǎng)絡的邊緣計算專網(wǎng)，充分發(fā)揮5G低時延、高帶寬、高并發(fā)特的性。同時確保數(shù)據(jù)不出廠，最大限度地保證了企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)安全。投入使用后，將很大程度上提高了企業(yè)生產(chǎn)、辦公效率。圖1所示接入環(huán)，匯聚環(huán)，匯聚核心機房為傳輸SPN節(jié)點的分部;CMNET為internet公網(wǎng);5GC為5G核心網(wǎng);EMS為中興集中管理網(wǎng)元的網(wǎng)管;MANO為編排和生命周期管理網(wǎng)元。

2.3 ?網(wǎng)絡切片技術應用

如圖2所示，同時引入5G網(wǎng)絡的全新概念——網(wǎng)絡切片，提供基礎網(wǎng)絡服務新架構;5G網(wǎng)絡切片類似傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構的邏輯網(wǎng)絡隔離技術，針對數(shù)據(jù)帶寬、并發(fā)量、時延不同需求的場景，通過5G網(wǎng)絡切片技術實現(xiàn)多個虛擬網(wǎng)片的邏輯隔離，合理分配資源，從而提高“新基建”模式下5G網(wǎng)絡的利用率、穩(wěn)定性和安全性。

2.4 ?具體實施應用

（1）網(wǎng)絡建設方面：一階段：采用NSA組網(wǎng)，MEC使用TOF方案，MEC采用三層組網(wǎng)方式接入，旁掛SPN匯聚或接入設備。完成園區(qū)內(nèi)部主干萬兆網(wǎng)絡改造;園區(qū)工業(yè)PON環(huán)網(wǎng)改造，建設MEC邊緣計算;二階段：待SA商用網(wǎng)絡成熟后，可平滑升級支持SA組網(wǎng)，支持低時延高可靠通信（URLLC）特性。

（2）MEC部署在企業(yè)內(nèi)部核心機房，部署兩臺R5300服務器作為負荷分擔。MEC與防火墻、運營商網(wǎng)絡的網(wǎng)絡對接使用2臺ZXR10 5960型交換機，占用2×10 GE光口連接至IP RAN、2×10 GE連接至防火墻兩個端口，其他端口用于內(nèi)部組網(wǎng)。防火墻對接內(nèi)部服務器，按康緣藥業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡接口情況提供相應對接接口。兩套MEC服務器本身具備保護，同時2臺交換機作為1+1鏈路備份保護。

（3）平臺建設方面：園區(qū)建設AGV平臺、智能儀表、園區(qū)智能監(jiān)控，園區(qū)數(shù)據(jù)中心監(jiān)控平臺。

（4）設備改造：5G園區(qū)目前規(guī)劃1 000個5G接入設備改造，包括智能設備接入，園區(qū)5G安防改造，智能監(jiān)控設備新增等。主要涉及5G數(shù)據(jù)終端、CPE設備、5G邊緣網(wǎng)關、園區(qū)周界、道閘、智能門禁等設備。

2.5 ?建設場景和目標

排產(chǎn)調(diào)度：基于5G“新基建”，實現(xiàn)固體制劑車間全智能化數(shù)據(jù)采集和管理，建設數(shù)字沙盤系統(tǒng)，結合MES和APS系統(tǒng)等實現(xiàn)對生產(chǎn)的過程管理，生產(chǎn)智能化、自動化水平可提升30.0%以上。

安防監(jiān)控：針對園區(qū)現(xiàn)有的安防監(jiān)控系統(tǒng)進行升級，通過5G專用網(wǎng)絡進行承載，實現(xiàn)園區(qū)智能化安防系統(tǒng)全覆蓋。

生產(chǎn)控制：生產(chǎn)線PLC、工業(yè)機器人等設備通過5G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)采集終端改造，并結合SCADA實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集、管理和故障預警。總體實現(xiàn)故障預警且處理效率提升30.0%以上。

生產(chǎn)邊緣計算：通過建立以5G為網(wǎng)絡基礎的生產(chǎn)邊緣計算網(wǎng)關，整合SRM、PLM、ERP、MES、APS等生產(chǎn)控制管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)節(jié)省人工成本30.0%以上，產(chǎn)品一次性通過率提升到99.5%以上，年產(chǎn)能提升2倍以上;實現(xiàn)生產(chǎn)節(jié)拍的自適應平衡調(diào)整，自動識別和測試產(chǎn)品，生產(chǎn)作業(yè)自動化率達85.0%以上，實現(xiàn)生產(chǎn)過程100.0%可追溯。

倉儲物流：針對藥品的倉儲物流場景，在新建WMS智慧物流倉儲基礎上，進一步進行智能化改造，通過5G物聯(lián)網(wǎng)的強大承載、接入能力實現(xiàn)高度智能化的物流倉庫，降低人工成本、提升生產(chǎn)效率。

3 ?結 ?論

無論是5G商用落地，還是“新基建”的發(fā)展，最終都是企業(yè)的智能制造價值體現(xiàn);本著利益最大化、充分利用5G新特點，發(fā)揮“新基建”優(yōu)勢，利用5G+MEC技術實現(xiàn)生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、監(jiān)控網(wǎng)三網(wǎng)邏輯隔離;助力打造現(xiàn)代化、高效率、數(shù)據(jù)安全的自動化制藥生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集、智慧倉儲物流管理、AGV智能調(diào)度、5G-VR車間參觀導覽等。后期將繼續(xù)加強智慧園區(qū)建設（5G+智能電表、儀表監(jiān)控、人員勞效、無人安檢、人臉識別考勤、智慧食堂、道閘、門禁、體溫監(jiān)測）做到切切實實的落地應用;相信在未來利用5G網(wǎng)絡能力優(yōu)勢會有更多的場景通過5G+場景來進行實現(xiàn)，實現(xiàn)降低企業(yè)成本，提升生產(chǎn)效率的目標，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、保量、低耗、高效能智慧制藥，是中藥智慧制藥的必然趨勢。

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作者簡介：江明（1977.05—），男，漢族，江蘇連云港人，信息中心副經(jīng)理，電子信息工程師，本科，研究方向：5G、智能制造、新基建等。