擁抱“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”助力線纜制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型

張賢根 謝書鴻 徐金田

摘要：面對激烈市場競爭，線纜制造急需解決工廠產(chǎn)業(yè)鏈上下游工序復(fù)雜、工廠跨區(qū)域、距離遠(yuǎn)、生產(chǎn)機(jī)臺離散以及數(shù)據(jù)入網(wǎng)施工難度大等行業(yè)問題。直擊線纜行業(yè)制造過程中的痛點(diǎn)，基于自身優(yōu)勢，運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺，建設(shè)5G深度運(yùn)用的十大典型場景，推進(jìn)生產(chǎn)自動(dòng)化、管理信息化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：線纜制造；5G；數(shù)字化；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；標(biāo)識解析；智能安全

1 引言

5G擁有超大帶寬、超低時(shí)延和海量連接的特性，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及融合創(chuàng)新應(yīng)用提供支撐和保障。目前5G技術(shù)逐步轉(zhuǎn)入商用階段，中國信通院院長劉多提出：“5G開啟出萬物互聯(lián)的新時(shí)代，5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合是重要方向，將會(huì)給社會(huì)帶來巨大改變?！?019年工信部發(fā)布政策性文件《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》，大力推進(jìn)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在制造業(yè)落地實(shí)施，重點(diǎn)打造5個(gè)公共服務(wù)平臺，10個(gè)重點(diǎn)行業(yè)，20個(gè)以上的典型工業(yè)場景。海爾大規(guī)模定制集成測試平臺、上海商飛視頻檢測安裝缺陷和AR輔助飛機(jī)裝配、南方電網(wǎng)承載電網(wǎng)的配電業(yè)務(wù)、廣西柳工裝載機(jī)遠(yuǎn)程控制和環(huán)境監(jiān)控以及青島港岸橋吊車遠(yuǎn)程操作[1]等，均實(shí)現(xiàn)5G技術(shù)深度融合運(yùn)用。

隨著時(shí)代的發(fā)展和環(huán)境變化，線纜制造企業(yè)經(jīng)營發(fā)展遇到很多挑戰(zhàn)。主要痛點(diǎn)如下：

1）人口紅利消失。對于勞動(dòng)密集型線纜制造企業(yè)，隨著勞動(dòng)力短缺、成本上升，人口紅利逐步消失。

2）市場競爭加劇。伴隨光纖、光纜行業(yè)需求增長放緩，以及各廠家對市場份額的激烈爭奪，價(jià)格競爭趨于白熱化。需要從經(jīng)營過程深度挖掘生產(chǎn)數(shù)據(jù)，尋找降本點(diǎn)、突破點(diǎn)，提高原材料利用率、生產(chǎn)效率和品質(zhì)合格率。

3）多機(jī)交互受限于網(wǎng)絡(luò)。部分網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)存在數(shù)據(jù)分散、前期采集容量偏小，限制了大數(shù)據(jù)分析的效果、多機(jī)交互受限制于網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性要求。

4）上下游產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)孤島。上下游數(shù)據(jù)孤立，相互之間未有效銜接，質(zhì)量數(shù)據(jù)分散。

中天科技作為線纜行業(yè)中數(shù)字化建設(shè)的領(lǐng)頭企業(yè)，目前已建設(shè)線纜行業(yè)首個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“ASUN”平臺，首家上線運(yùn)營國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析二級節(jié)點(diǎn)，已擁有4個(gè)國家智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式示范、智能制造試點(diǎn)示范和21個(gè)示范智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)桿工廠和智能車間。面對5G的新一代通信技術(shù)轉(zhuǎn)入制造業(yè)，中天科技率先于2019年開始部署“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”方面相關(guān)技術(shù)，2020年4月正式啟動(dòng)“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目，深化企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2 基本思路

根據(jù)中天科技線纜產(chǎn)業(yè)鏈廠區(qū)分布區(qū)域廣，應(yīng)用場景多，網(wǎng)絡(luò)要求高的特點(diǎn)，采用3.5 GHz頻段，建設(shè)5G專網(wǎng)（SA網(wǎng)絡(luò)）。5G企業(yè)專網(wǎng)在服務(wù)范圍、網(wǎng)絡(luò)能力、隔離度和服務(wù)保障等方面均依照線纜行業(yè)特點(diǎn)，進(jìn)行定制化的部署。

結(jié)合各工廠實(shí)際環(huán)境，通過在工廠不同位置“安裝宏站，結(jié)合微站”的方式來實(shí)現(xiàn)應(yīng)用區(qū)域覆蓋。室外宏站部署，針對標(biāo)準(zhǔn)型廠房，無信號屏蔽的單位，采取室外5G室外宏站覆蓋。室分微站部署：考慮廠房和相關(guān)區(qū)域存在信號屏蔽的環(huán)境，采用室內(nèi)微站（PRRU）覆蓋。

企業(yè)內(nèi)部基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)分散設(shè)備互聯(lián)，數(shù)據(jù)集成。企業(yè)間利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析，基于ASUN平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，深度融合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同制造，大數(shù)據(jù)集成分析。

3 總體框架

中天科技公司深度與電信、移動(dòng)、聯(lián)通和華為合作，基于5G企業(yè)專網(wǎng)，建設(shè)“兩線”“四區(qū)”“十場景”，如圖1所示。兩線：通信產(chǎn)業(yè)線和海洋產(chǎn)業(yè)線；四區(qū)：中天路區(qū)域、小海區(qū)域、江邊區(qū)域和如東區(qū)域；十場景：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析、智能檢測、智能生產(chǎn)、智能展示、遠(yuǎn)程運(yùn)維、智能安全、遠(yuǎn)程監(jiān)造、多機(jī)交互、智能巡檢、智能生產(chǎn)和智能倉儲物流。

4 建設(shè)內(nèi)容

4.1 建設(shè)5G企業(yè)專網(wǎng)

圍繞各工廠場景需求，部署“兩線”“四區(qū)”5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通，支持大數(shù)據(jù)分析處理。

1）各個(gè)廠區(qū)5G應(yīng)用終端通過廠區(qū)5G宏站、室分站點(diǎn)接入，匯聚層匯聚。

2）園區(qū)E部署高配版MEC，實(shí)現(xiàn)CDE三個(gè)園區(qū)數(shù)據(jù)匯聚、分流；園區(qū)A、園區(qū)B各部署一套標(biāo)配版MEC，實(shí)現(xiàn)本地?cái)?shù)據(jù)匯聚、分流；每套MEC設(shè)備通過雙光路上聯(lián)匯聚層網(wǎng)絡(luò)。

3）各園區(qū)內(nèi)部通過現(xiàn)有內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)互通，內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)線路帶寬視應(yīng)用情況靈活擴(kuò)容；園區(qū)A、園區(qū)B上聯(lián)至集團(tuán)總部“ASUN”平臺，平臺的數(shù)據(jù)可通過高速專線實(shí)現(xiàn)。

4）規(guī)劃APN區(qū)分普通用戶與MEC用戶，SMF基于終端的位置和APN選擇UPF，企業(yè)終端接入企業(yè)園區(qū)的MEC，通過MEC設(shè)備訪問企業(yè)內(nèi)部服務(wù)器，本地閉環(huán)，數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

5）基于運(yùn)營商級別的系統(tǒng)安全架構(gòu)，可有效保證5G企業(yè)專網(wǎng)的安全性。對MEC網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)接入控制，用戶權(quán)限控制，防止非法用戶訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。防火墻接入控制，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與MEC之間設(shè)置防火墻，遵循企業(yè)原網(wǎng)絡(luò)防火墻保護(hù)機(jī)制。

4.2 十大典型場景建設(shè)內(nèi)容

（1）場景一：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析

基于5G網(wǎng)絡(luò)深化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析運(yùn)用，建設(shè)供應(yīng)鏈協(xié)同、全流程追溯平臺，如圖3所示。通過5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的融合，將線纜產(chǎn)業(yè)鏈實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全連接，正向監(jiān)控產(chǎn)品從生產(chǎn)/加工到售后的產(chǎn)品狀態(tài)信息，反向追溯從售后服務(wù)到前期生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中產(chǎn)品的質(zhì)量信息。通過標(biāo)識解析服務(wù)，對物料、訂單、物流和質(zhì)量等信息進(jìn)行統(tǒng)一標(biāo)識，構(gòu)建完整的檔案，為生產(chǎn)商、服務(wù)商和客戶提供完善的質(zhì)量信息追溯服務(wù)，加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量管理。系統(tǒng)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)資源、形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進(jìn)行挖掘分析，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游運(yùn)營活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)資源共享，設(shè)備集約使用，優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)安排和產(chǎn)品交付，進(jìn)而提升產(chǎn)品競爭力。

（2）場景二：智能檢測

建設(shè)基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能表面缺陷檢測平臺，如圖4所示。使用工業(yè)攝像機(jī)實(shí)時(shí)拍攝圖片，通過5G網(wǎng)絡(luò)將多地工廠多臺設(shè)備的檢測數(shù)據(jù)上傳至MEC平臺，通過邊緣計(jì)算分析，圖像識別，提取圖像中的特征，包括邊緣、線條和紋理等特征，建立模型，實(shí)時(shí)與缺陷模型進(jìn)行核對，確定缺陷類別，明確缺陷的詳細(xì)坐標(biāo)。

充分利用5G的高帶寬特性，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量檢測圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到云服務(wù)，云服務(wù)器端基于檢測圖像實(shí)時(shí)和歷史圖像數(shù)據(jù)的深度學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)算法自我優(yōu)化。在邊緣側(cè)基于圖像處理結(jié)果，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量識別和質(zhì)量預(yù)測算法，通過算法的自我更新及工藝的自我提升，實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)流程的質(zhì)量提升。

（3）場景三：智能展示

基于5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)設(shè)備全連接、數(shù)據(jù)全集成，建設(shè)數(shù)字孿生展示平臺，如圖5所示。數(shù)字孿生技術(shù)針對線纜行業(yè)的運(yùn)行方式，進(jìn)行數(shù)字建模。以數(shù)字化方式為設(shè)備建設(shè)數(shù)字孿生體，通過擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間調(diào)試、實(shí)驗(yàn)，以讓機(jī)器的運(yùn)行、室內(nèi)運(yùn)輸和線纜收放線達(dá)到最佳效果；采用全域感知、運(yùn)行監(jiān)測，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，做到快速及時(shí)地輸出信息，利用高度傳感器采集的數(shù)據(jù)和信息。通過數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能夠?qū)π鹿S設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判和及時(shí)維修，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，遠(yuǎn)程維修，極大降低運(yùn)營成本，提高安全性[3]。

（4）場景四：遠(yuǎn)程運(yùn)維

基于5G網(wǎng)絡(luò)低時(shí)延、高帶寬特點(diǎn)，建設(shè)多地工廠異地遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，如圖6所示。針對光纖工廠分布于國內(nèi)外多地的特殊性，通過搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，利用5G同步性低于20 ms特性，建立數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)[2]。現(xiàn)場人員僅需穿戴智能頭盔即可與遠(yuǎn)程專家實(shí)時(shí)互動(dòng)，數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維方案基于平臺設(shè)備連接、設(shè)備管理能力，解決各地工廠設(shè)備靈活管理和監(jiān)控需求，并提供數(shù)據(jù)分析服務(wù)。從工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)、行業(yè)云構(gòu)建等多維度構(gòu)建數(shù)字化遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)。

（5）場景五：智能安全

基于5G網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)安全行為監(jiān)測平臺，如圖7所示。系統(tǒng)以視頻處理、模式識別和深度學(xué)習(xí)等技術(shù)為基礎(chǔ)，采用視頻+深度學(xué)習(xí)的技術(shù)手段代替人工現(xiàn)場監(jiān)督的方式。

根據(jù)線纜企業(yè)的安全生產(chǎn)需求，通過定制化開發(fā)一套智能視覺分析系統(tǒng)，對視頻畫面中的職工行為進(jìn)行跟蹤檢測、模型分析和識別比對，當(dāng)出現(xiàn)違規(guī)行為時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)警并推送通知發(fā)出聲光報(bào)警，第一時(shí)間提醒職工進(jìn)行安全行為自檢。高危情況可聯(lián)動(dòng)關(guān)停設(shè)備，安全生產(chǎn)管理人員進(jìn)行及時(shí)處理，避免安全事故的發(fā)生。

（6）場景六：遠(yuǎn)程監(jiān)造

基于5G建設(shè)遠(yuǎn)程監(jiān)造平臺，如圖8所示。針對工廠、施工現(xiàn)場偏遠(yuǎn)地區(qū)（例如海纜施工），將工廠數(shù)據(jù)對接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、廠驗(yàn)數(shù)據(jù)及設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)；對接視頻系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場實(shí)時(shí)視頻流；利用5G大帶寬、低時(shí)延特性，打造遠(yuǎn)程監(jiān)造平臺。遠(yuǎn)程查看實(shí)時(shí)生產(chǎn)執(zhí)行情況、項(xiàng)目進(jìn)度以及生產(chǎn)現(xiàn)場情況。準(zhǔn)確掌握生產(chǎn)制造過程中的工藝質(zhì)量狀況和設(shè)備的使用情況，對質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行有效地統(tǒng)計(jì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，進(jìn)行質(zhì)量改進(jìn)，提升質(zhì)量水平，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的報(bào)警，有效避免人工監(jiān)造的疏漏，實(shí)現(xiàn)監(jiān)造的全天候無縫銜接。

（7）場景七：多機(jī)交互

基于5G網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)多機(jī)協(xié)同系統(tǒng)，如圖9所示。系統(tǒng)解決設(shè)備之間端到端數(shù)據(jù)通信和交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)械手、物流系統(tǒng)、生產(chǎn)設(shè)備、小車相互交互和實(shí)時(shí)協(xié)同作業(yè)。當(dāng)生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)結(jié)束后，設(shè)備PLC給出動(dòng)作指令至機(jī)器人，機(jī)器人接收到動(dòng)作指令后立即開始執(zhí)行既定程序，自動(dòng)完成半成品預(yù)制棒的裝卸工作，全程無需人員手動(dòng)操作。

采用5G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，擺脫了線纜“束縛”，有效支持移動(dòng)小車的通訊與設(shè)備的數(shù)據(jù)交互控制。網(wǎng)絡(luò)建設(shè)增強(qiáng)補(bǔ)短，采用無縫切換模式，解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包丟失問題。運(yùn)用5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，結(jié)合機(jī)器人+視覺技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從生產(chǎn)到成品出庫的物流自動(dòng)化。

（8）場景八：智能巡檢

運(yùn)用5G巡檢機(jī)器人對生產(chǎn)過程進(jìn)行智能巡檢。車間內(nèi)定量的數(shù)據(jù)通過采集模塊直接采集，而生產(chǎn)過程中關(guān)于定性的數(shù)據(jù)無法采集，一直依賴人工點(diǎn)檢。巡檢機(jī)器人將生產(chǎn)過程中定性的數(shù)據(jù)，如圖10所示，通過圖像識別進(jìn)行采集，提取圖像中的特征，包括邊緣、線條和紋理等特征，與正常狀態(tài)進(jìn)行對比，識別劣化變化過程，有效替代人工巡檢。同時(shí)基于5G網(wǎng)絡(luò)，保證大量圖片數(shù)據(jù)能夠得到快速傳輸，多臺移動(dòng)巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)全部集成至邊緣計(jì)算平臺，進(jìn)行分析并不斷優(yōu)化模型，提高識別率。對于無法識別的數(shù)據(jù)，及時(shí)回傳給后端指揮人員以圖示化的顯示，方便值班人員進(jìn)行快速?zèng)Q策。

（9）場景九：智能生產(chǎn)

建設(shè)5G網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，助力智能生產(chǎn)。解決傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)依賴于物理網(wǎng)絡(luò)的架設(shè)，工業(yè)數(shù)據(jù)采集在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲性、可靠性和安全性等方面局限性。應(yīng)用5G+融合數(shù)字化組網(wǎng)方式，能夠充分利用5G的原生特性，通過接入工業(yè)網(wǎng)關(guān)，解決帶寬與時(shí)延問題。對原來設(shè)備進(jìn)行5G智能傳輸改造，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，同時(shí)能夠?qū)ξ锢砭W(wǎng)“剪辮子”，降低傳輸負(fù)荷。智能生產(chǎn)系統(tǒng)如圖11所示。

（10）場景十：智能倉儲物流

建設(shè)基于5G網(wǎng)絡(luò)的智能立體車庫，如圖12所示。5G技術(shù)解決傳統(tǒng)立庫無線切換延時(shí)、漫游卡頓的問題，保證夾爪在定位每個(gè)庫位時(shí)精確高效。利用5G低時(shí)延技術(shù)（端到端時(shí)延 10 ms）[3]，實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、大距離信號傳輸穩(wěn)定的要求，同時(shí)解決了高速運(yùn)動(dòng)設(shè)備線纜傳輸高柔性需求的難題。

5 建設(shè)成效

通過5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應(yīng)用實(shí)踐，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)集成整合率100%，設(shè)備聯(lián)網(wǎng)率100%，有效助力企業(yè)數(shù)字化建設(shè)。整體“棒纖纜”產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)效率提升18%，運(yùn)營成本降低15%，減少人工25%，安全事故發(fā)生率降低90%。

中天科技通過“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項(xiàng)目實(shí)施在線纜行業(yè)的先導(dǎo)應(yīng)用，給同行及后來者提供了有效的借鑒和示范引領(lǐng)作用。積極探索標(biāo)識解析二級節(jié)點(diǎn)運(yùn)營方案，形成商業(yè)運(yùn)營服務(wù)模式，帶動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析的深入應(yīng)用及示范推廣。探索5G智慧工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)，形成產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)合作示范。

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