基于5GSA的智慧鋼廠解決方案

蘇艷濤 甄仲強(qiáng) 區(qū)林波

（廣東省電信規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著5G的商用和規(guī)模化部署，5G逐漸走向每個(gè)人和社會(huì)的每個(gè)角落[1]。5G具有高速率、低時(shí)延、大鏈接三大特點(diǎn)，同時(shí)采用NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）/SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的服務(wù)架構(gòu)，除了滿足傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)語音通信外，還可以很好地應(yīng)用于社會(huì)垂直行業(yè)[2]。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的逐步普及，5G將重塑行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景，推動(dòng)社會(huì)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

鋼鐵工業(yè)是我國(guó)的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)行業(yè)，技術(shù)難度大，安全要求高。目前我國(guó)鋼鐵工業(yè)遭遇產(chǎn)能過剩、安全隱患、環(huán)境污染等問題，同時(shí)面臨數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程操控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互等行業(yè)共性問題[3]。5G SA網(wǎng)絡(luò)具有速率高、鏈接大、時(shí)延低的特點(diǎn)，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)虛擬化的網(wǎng)元定義和靈活的切片應(yīng)用，因此5GSA網(wǎng)絡(luò)可以很好地解決上述問題。

本文以A鋼廠為例，通過建設(shè)5G核心專網(wǎng)，進(jìn)行5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的創(chuàng)新應(yīng)用研究，打造基于5G SA的智慧鋼廠，可有效促進(jìn)A鋼廠智能制造，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化應(yīng)用轉(zhuǎn)型。同時(shí)對(duì)全國(guó)鋼鐵行業(yè)產(chǎn)生龍頭和示范效應(yīng)，推動(dòng)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，鋼鐵行業(yè)將會(huì)更加綠色、環(huán)保、節(jié)能。

2 基于SA的網(wǎng)絡(luò)解決方案

在5G時(shí)代，向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢(shì)[4]。通過建設(shè)5G核心專網(wǎng)，可有效促進(jìn)A鋼廠5G數(shù)字化應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)。

2.1 總體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

A鋼廠5G SA網(wǎng)絡(luò)既要滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求，又要滿足公眾用戶需求。同時(shí)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要安全隔離、資源保障，公眾用戶需滿足語音、數(shù)據(jù)通信等服務(wù)需求?？傮w網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

A鋼廠專網(wǎng)具有以下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）可完全兼顧公眾網(wǎng)用戶需求及企業(yè)網(wǎng)的安全性和自主控制性；（2）企業(yè)專網(wǎng)可以充分利用5GSA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)優(yōu)勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)切片。

2.2 核心網(wǎng)方案

基于5GSA部署的A鋼廠核心專網(wǎng)，可以使工業(yè)應(yīng)用全部接入專網(wǎng)，普通用戶繼續(xù)接入聯(lián)通大網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)人/物兩張網(wǎng)絡(luò)物理隔離，專網(wǎng)內(nèi)部支持網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)，核心網(wǎng)方案示意圖如圖2所示。

圖2 核心網(wǎng)方案示意圖

A鋼廠5G核心網(wǎng)采用支持SA組網(wǎng)的5G Common Core融合版本，基于云化架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有高度安全性、靈活性、可控性和可靠性。

本方案建設(shè)1套5G核心網(wǎng)，包含AMF、SMF、UPF、UDM、PCF、NRF、EMS、NSSF等遵循3GPP5G協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)元設(shè)備，并支持相關(guān)網(wǎng)元功能要求。A鋼廠核心機(jī)房新建1個(gè)電信云資源池，其中管理域網(wǎng)元設(shè)備各部署1套；控制面網(wǎng)元設(shè)備各部署1套，用戶面UPF部署1套。采用8臺(tái)服務(wù)器配置，2臺(tái)匯聚交換機(jī)，2臺(tái)防火墻，部署2個(gè)機(jī)柜。

2.3 傳輸網(wǎng)方案

為了實(shí)現(xiàn)A鋼廠核心專網(wǎng)的能力要求，在A鋼廠園區(qū)升級(jí)部署IPRAN2.0網(wǎng)絡(luò)，共部署6臺(tái)6180H傳輸分組設(shè)備，安裝完畢后具備業(yè)務(wù)接入能力。現(xiàn)有二層分組網(wǎng)升級(jí)為三層分組網(wǎng)，該傳輸環(huán)專門為A鋼廠5G網(wǎng)絡(luò)而搭建，具有大容量、三層分組交換能力，為后期A鋼廠5G業(yè)務(wù)接入提供有力保障。傳輸網(wǎng)方案示意圖如圖3所示。

圖3 傳輸網(wǎng)方案示意圖

2.4 無線網(wǎng)方案

A鋼廠規(guī)劃建設(shè)5G站點(diǎn)73個(gè)，其中宏站68個(gè)，室分系統(tǒng)5個(gè)，如圖4所示。

圖4 無線網(wǎng)方案示意圖

目前A鋼廠已建成5G站點(diǎn)49個(gè)，其中宏站44個(gè)，室分系統(tǒng)5個(gè)，覆蓋面積12.5平方公里，平均上行速率：108Mbps，平均下行速率：824 Mbps，日均流量：1575 GB，總體感知行業(yè)領(lǐng)先。

3 5G賦能智能制造

A鋼廠是國(guó)內(nèi)首例采用獨(dú)立5G核心網(wǎng)的工業(yè)專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了真正的物理隔離，信息安全，自主獨(dú)立運(yùn)營(yíng)，全權(quán)管控，具有高度的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化等特點(diǎn)。

3.1 基于SA的5G應(yīng)用創(chuàng)新

集成基于SA網(wǎng)絡(luò)開展智能制造應(yīng)用創(chuàng)新，截至目前已通過5G技術(shù)論證應(yīng)用32個(gè)，主要覆蓋智慧設(shè)備、智慧安保、智慧能環(huán)、智慧物流和智慧生產(chǎn)五大板塊，如表1所示。

表1 基于SA的5G創(chuàng)新應(yīng)用

基于SA的已上線智慧應(yīng)用包括數(shù)據(jù)采集類、監(jiān)控管理類、生產(chǎn)控制類三大類別。截至目前已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行一年多，實(shí)現(xiàn)機(jī)器故障預(yù)警、安全事故預(yù)警、產(chǎn)品故障排除等多項(xiàng)功能，極大提高了A鋼廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。部分已上線應(yīng)用案例如表2所示。

表2 基于5GSA的已上線應(yīng)用案例

3.2 效益前景

A鋼廠5G專網(wǎng)以SA為目標(biāo)架構(gòu)建設(shè)，新建核心專網(wǎng)、傳輸路由、無線基站，保障園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的良好覆蓋和切片的靈活應(yīng)用。通過建設(shè)5G核心專網(wǎng)，A鋼廠形成特大企業(yè)網(wǎng)絡(luò)專供模式。網(wǎng)絡(luò)方面，獨(dú)立專享，私有定制的高質(zhì)量專供網(wǎng)絡(luò)；安全方面，數(shù)據(jù)不出園區(qū)，大網(wǎng)硬隔離安全保障；應(yīng)用方面，覆蓋智慧設(shè)備、智慧安保、智慧能環(huán)、智慧物流和智慧生產(chǎn)五大板塊；終端方面，提供標(biāo)準(zhǔn)化高溫高粉塵等場(chǎng)景化終端。部署5G專網(wǎng)后，A鋼廠可實(shí)現(xiàn)優(yōu)化人員500人次，降低殘次率5%，節(jié)省人力成本大于1億元，降低故障損失6100萬元。

2020年，我國(guó)鋼鐵產(chǎn)量突破10億噸“天量”大關(guān)，遠(yuǎn)超世界其他國(guó)家，位居世界第一。全國(guó)有鋼鐵企業(yè)四千多家，由于生產(chǎn)場(chǎng)景契合度高，因此可快速復(fù)制，形成規(guī)模推廣。如果推廣本解決方案，基于5G SA打造數(shù)字化智慧鋼廠，將在全國(guó)范圍內(nèi)大大降低安全事故的發(fā)生，極大節(jié)省人工成本，大幅度減少故障造成的損失，從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)鋼鐵行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

我國(guó)鋼鐵工業(yè)遭遇產(chǎn)能過剩、安全隱患、環(huán)境污染等問題，急需數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。本文基于5GSA給出智慧鋼廠解決方案，可有效促進(jìn)鋼鐵行業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化應(yīng)用轉(zhuǎn)型，實(shí)現(xiàn)智慧鋼鐵制造。此外，本文方案將推動(dòng)5G產(chǎn)業(yè)發(fā)展、5G應(yīng)用突破、5G終端發(fā)展等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化成熟，拉動(dòng)5G全產(chǎn)業(yè)鏈快速增長(zhǎng)，加速構(gòu)建全行業(yè)發(fā)展新動(dòng)能。由于項(xiàng)目模式生產(chǎn)場(chǎng)景契合度高，因此可快速復(fù)制，實(shí)現(xiàn)鋼鐵行業(yè)規(guī)模推廣?；?G SA智慧鋼廠解決方案的打造與技術(shù)突破將大力驅(qū)動(dòng)中國(guó)制造水平，助力中國(guó)制造高質(zhì)量發(fā)展。