5 G+UW B 在客車行業(yè)MES 中的建設(shè)實(shí)踐

文/劉勇 溫振華（安徽安凱汽車股份有限公司）

企業(yè)資源計(jì)劃（ERP）的應(yīng)用初步解決了企業(yè)產(chǎn)銷協(xié)同的問(wèn)題，但對(duì)于生產(chǎn)制造過(guò)程的監(jiān)控往往是缺失的。相較于乘用車企業(yè)，客車企業(yè)產(chǎn)品定制化程度高、生產(chǎn)自動(dòng)化程度低，產(chǎn)品節(jié)拍化生產(chǎn)能力弱，進(jìn)而導(dǎo)致生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)管理的“黑箱”問(wèn)題較為嚴(yán)重，這是不少“多品種、小批量”制造企業(yè)要解決的共性難題。

對(duì)于智慧工廠而言，信息化車間則是基礎(chǔ)，因此制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）是車間智能化過(guò)程中不可或缺的重要一步，本方案通過(guò)5G 專網(wǎng)與超寬帶（Ultra Wide Band,UWB）技術(shù)的結(jié)合，解決車輛生產(chǎn)制造過(guò)程工位流轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)溯源，并在MES 中予以應(yīng)用，使傳統(tǒng)業(yè)務(wù)開(kāi)展從物理世界向數(shù)字化空間的轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)管理業(yè)務(wù)的模式創(chuàng)新，同時(shí)也回避了生產(chǎn)自動(dòng)化程度低造成的數(shù)據(jù)獲取問(wèn)題，5G 專網(wǎng)的建設(shè)也將網(wǎng)絡(luò)用戶面網(wǎng)元（UPF）下沉企業(yè)園區(qū)以確保數(shù)據(jù)安全。

一、5G 專網(wǎng)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型

1.5G 專網(wǎng)建設(shè)

5G 可以實(shí)現(xiàn)“人對(duì)萬(wàn)物”以及“萬(wàn)物對(duì)萬(wàn)物”的連接。5G 的三項(xiàng)核心能力：eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）、mMTC（海量大連接）、uRLLC（高可靠低時(shí)延），對(duì)于企業(yè)后期的網(wǎng)絡(luò)拓展都有強(qiáng)烈的吸引作用。另一方面，對(duì)于企業(yè)來(lái)說(shuō)，有線網(wǎng)絡(luò)改造通常需要在生產(chǎn)車間施工，甚至涉及停產(chǎn)停工，擴(kuò)展局限性大；Wi-Fi 大面積覆蓋常涉及諸多無(wú)線接入點(diǎn)（AP），不具備5G 的高移動(dòng)性和安全性。

為滿足企業(yè)5G 專網(wǎng)需求，項(xiàng)目方案采用SA 技術(shù)架構(gòu)，業(yè)務(wù)由SA 核心網(wǎng)進(jìn)行承載，通過(guò)DNN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)企業(yè)業(yè)務(wù)在5G 網(wǎng)絡(luò)的專用隔離：通過(guò)在園區(qū)內(nèi)部署用戶面UPF 設(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流不出園區(qū)的安全保障，并進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延；同時(shí)采用5G 網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，滿足隔離性、按需定制和端到端網(wǎng)絡(luò)保障，提供超低時(shí)延保障服務(wù)。5G 網(wǎng)絡(luò)總體邏輯拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 5G 網(wǎng)絡(luò)總體邏輯拓?fù)鋱D

2.網(wǎng)絡(luò)隔離

采用5G DNN 網(wǎng)絡(luò)隔離方案，即5G SIM簽約獨(dú)立的DNN；終端接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)置專用APN。網(wǎng)絡(luò)接入流程如下：

（1）終端設(shè)置正確的APN 并啟用，接入網(wǎng)絡(luò)時(shí)上報(bào)APN/DNN 信息，5G 核心網(wǎng)進(jìn)行用戶鑒權(quán)認(rèn)證；通過(guò)后允許終端接入網(wǎng)絡(luò)，合法終端允許接入企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

（2）終端設(shè)置正確的APN 并啟用，若5G SIM未簽約對(duì)應(yīng)的DNN，5G 核心網(wǎng)在終端請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)接入時(shí)，不予通過(guò)，即終端無(wú)法接入DNN 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)接入隔離。

（3）個(gè)人終端(APN：CMNET)中請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)接入，若5G SIM 簽約信息合法，通過(guò)鑒權(quán)認(rèn)證后，允許終端接入CMNET 公網(wǎng)訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)，但不允許訪問(wèn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)與運(yùn)營(yíng)商合作，采取5G SIM卡授權(quán)的方式，有效地將專網(wǎng)與公網(wǎng)隔離，保證了企業(yè)信息安全。

3.MEC（邊緣計(jì)算）

邊緣計(jì)算是一種分散式運(yùn)算的架構(gòu)。在這種架構(gòu)下，將應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)資料與服務(wù)的運(yùn)算，由網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)移往網(wǎng)絡(luò)邏輯上的邊緣節(jié)點(diǎn)來(lái)處理。邊緣運(yùn)算將原本完全由中心節(jié)點(diǎn)處理的大型服務(wù)加以分解，切割成更小與更容易管理的部分，分散到邊緣節(jié)點(diǎn)去處理。

企業(yè)內(nèi)部署一套邊緣MEC 設(shè)備在機(jī)房?jī)?nèi)，采用先進(jìn)的硬件平臺(tái)，單站點(diǎn)通過(guò)1 對(duì)EOR 交換機(jī)對(duì)外進(jìn)行連接。綜合考慮企業(yè)模型及設(shè)備處理能力，MEC按5Gbps 忙時(shí)吞吐能力（0.1 萬(wàn)PDU 會(huì)話，5Gbps 吞吐量）部署，提供計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源和安全基礎(chǔ)設(shè)施，滿足企業(yè)5G 智能工廠邊緣計(jì)算需求。

MEC 網(wǎng)絡(luò)采用兩層（接入、核心）組網(wǎng)、三平面（業(yè)務(wù)、管理、存儲(chǔ)）物理隔離，出口層復(fù)用現(xiàn)有各承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

表1 邊緣MEC 對(duì)外接口及承載方案

企業(yè)承載場(chǎng)景和流向示意如圖2 所示。

圖2 企業(yè)承載場(chǎng)景和流向示意

二、UWB 重構(gòu)生產(chǎn)數(shù)字空間

1.超寬帶（UWB）技術(shù)

除了5G 技術(shù)的應(yīng)用，方案還采用了高精度UWB定位技術(shù)來(lái)確保應(yīng)用落地。UWB 技術(shù)是一種利用納秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)的無(wú)線通信方式。該技術(shù)采用高帶寬、快速脈沖的方式，具有優(yōu)秀的穿透性和抗干擾性，可以解決基于一維、二維場(chǎng)景下的在制品及物料的定位需求。

企業(yè)最終采用到達(dá)時(shí)間差（Time Difference Of Arrival，TDOA）算法，基于時(shí)間差定位技術(shù)，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，定位精度達(dá)到10 cm 以內(nèi)，信號(hào)覆蓋在可視環(huán)境下大于100 m。其工作頻率為3.9 GHz，具有抗干擾能力強(qiáng)、不影響其他信號(hào)，以及難破解、低功耗、高可用的特點(diǎn)。

UWB 定位系統(tǒng)分為三層：現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層、管理應(yīng)用層。系統(tǒng)層次自下而上，層次劃分明確，架構(gòu)清晰，如圖3 所示。其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要由定位基站/Anchor、定位標(biāo)簽/Tag 組成。

圖3 5G+UWB 系統(tǒng)架構(gòu)

2.基于位置信息的應(yīng)用

基于UWB 定位的位置應(yīng)用的效果突出，主要體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面：

（1）UWB 定位技術(shù)，定位精度高、抗干擾性強(qiáng)，結(jié)合高效的計(jì)算能力采用濾波、優(yōu)選、限幅、平滑等多種優(yōu)化算法，支持零維單點(diǎn)、一維線性、二維區(qū)域多種定位方式，適用于工廠復(fù)雜環(huán)境下的人員和車輛定位。

（2）支持圖形可視化展示及管理，界面友好、操作便捷、高效運(yùn)行、擴(kuò)展性好；支持PC 端、移動(dòng)端多端、分發(fā)訪問(wèn)。

（3）系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)告警觸發(fā)機(jī)制，多達(dá)七類告警，告警支持短信、微信等多種聯(lián)動(dòng)方式，告警信息傳遞更及時(shí)，便于管理及跟蹤。

（4）基于位置信息數(shù)據(jù)的采集和積累，形成海量數(shù)據(jù)，根據(jù)需求可進(jìn)行不同維度的數(shù)據(jù)分析，生成可視圖形化數(shù)據(jù)報(bào)表，作為客觀數(shù)據(jù)支持智慧工廠管理決策。

（5）定位系統(tǒng)作為企業(yè)信息系統(tǒng)的重要應(yīng)用之一，整個(gè)系統(tǒng)采用分層架構(gòu)設(shè)計(jì)，與MES 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)API 接口方式集成，可以進(jìn)一步應(yīng)用擴(kuò)展。

三、MES 打造企業(yè)新型生產(chǎn)能力

1.集成與應(yīng)用

企業(yè)MES 圍繞車間“透明生產(chǎn)”，重點(diǎn)完成生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)物料清單、生產(chǎn)執(zhí)行、異常管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等功能模塊對(duì)于車間層級(jí)業(yè)務(wù)的覆蓋。依托5G 網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低延時(shí)、高速率特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備連接“剪辮子”；基于UWB 定位標(biāo)簽，實(shí)現(xiàn)在制品的車間虛擬映射，最終通過(guò)數(shù)據(jù)的無(wú)線采集及MEC 邊緣計(jì)算為MES 提供數(shù)據(jù)加工清洗等支持，使車間實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程透明化、異常流程規(guī)范化、質(zhì)量信息可溯化、業(yè)務(wù)系統(tǒng)集成化。

MES 生產(chǎn)計(jì)劃模塊中涉及的個(gè)性化訂單需求，來(lái)源于企業(yè)資源管理（ERP）；生產(chǎn)物料清單需要以PLM（產(chǎn)品生命周期管理）中的EBOM（Engineering BOM）為基礎(chǔ)繼續(xù)編制；生產(chǎn)執(zhí)行模塊與UWB 定位信息的聯(lián)動(dòng)，使得工位機(jī)PC 自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前工位產(chǎn)品詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)前學(xué)習(xí)內(nèi)容、產(chǎn)中執(zhí)行操作的一鍵查詢，以及異常問(wèn)題的一鍵反饋。生產(chǎn)模塊業(yè)務(wù)涉及多個(gè)信息系統(tǒng)，采用了面向服務(wù)的架構(gòu)（Service-Oriented Architecture,SOA）中間件，對(duì)這些系統(tǒng)的集成接口進(jìn)行統(tǒng)一的解耦與管理。

設(shè)備管理模塊負(fù)責(zé)管理企業(yè)生產(chǎn)、檢測(cè)、測(cè)量等設(shè)備。生產(chǎn)方面集成了總裝、涂裝部分設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集；對(duì)檢測(cè)線相關(guān)的尾氣排放及OBD 檢測(cè)等設(shè)備進(jìn)行集成，獲取檢測(cè)報(bào)告。

為了便于系統(tǒng)使用，配備了支持5G 專網(wǎng)的PAD、PC 等多種終端。現(xiàn)場(chǎng)工人應(yīng)用5G-PAD 進(jìn)行生產(chǎn)執(zhí)行和質(zhì)量管理，生產(chǎn)經(jīng)理在應(yīng)用生產(chǎn)計(jì)劃和生產(chǎn)BOM的功能時(shí)，可通過(guò)PC 端進(jìn)行。

2.MES 打造新型生產(chǎn)能力的數(shù)字化核心舉措

安凱客車通過(guò)5G+UWB+MES 三位一體的形式，打造的新型生產(chǎn)能力包含了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化、5G 專網(wǎng)、UWB 定位、互聯(lián)互通、移動(dòng)在線、異?？焖偬幚?、決策看板等數(shù)字化舉措。業(yè)務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)物料清單、生產(chǎn)執(zhí)行、異常管理、質(zhì)量管理、設(shè)備管理等過(guò)程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化，串聯(lián)起上下游系統(tǒng)以及設(shè)備，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與設(shè)備互聯(lián)互通，形成數(shù)字化平臺(tái)的基礎(chǔ)。通過(guò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)化，為計(jì)劃員、設(shè)計(jì)工程師、檢驗(yàn)員、操作工等不同的崗位角色開(kāi)發(fā)移動(dòng)App，使其響應(yīng)數(shù)字空間指令開(kāi)展工作，設(shè)備、車體位置等物理世界信息也實(shí)時(shí)反饋至數(shù)字空間，基于數(shù)字空間打造的智慧工廠看板。

為了搭建數(shù)字空間以實(shí)現(xiàn)新型生產(chǎn)能力，主要實(shí)施了以下7 個(gè)方面的舉措：

（1）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化：企業(yè)生產(chǎn)計(jì)劃、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)執(zhí)行、質(zhì)量檢測(cè)全過(guò)程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)化。

（2）5G 專網(wǎng)：搭建覆蓋公司全域的5G-SA 專網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)公司網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

（3）UWB 定位：實(shí)現(xiàn)車體位置監(jiān)控，構(gòu)建虛擬數(shù)字空間。

（4）互聯(lián)互通：集成各信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)，打通設(shè)備數(shù)據(jù)和BOM、計(jì)劃等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的通道，聯(lián)動(dòng)企業(yè)微信平臺(tái)。

（5）移動(dòng)在線：為現(xiàn)場(chǎng)操作工、計(jì)劃員、設(shè)計(jì)工程師、檢驗(yàn)員等提供實(shí)時(shí)移動(dòng)服務(wù)。

（6）異?？焖偬幚恚荷a(chǎn)異常在線協(xié)同、設(shè)計(jì)異常推送審批。

（7）決策看板：多維度集成信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)并清洗后產(chǎn)生決策看板。

MES 項(xiàng)目實(shí)施之前，公司質(zhì)量管理、異常管理等模塊無(wú)有效的數(shù)字化支撐手段與工具，專職質(zhì)量檔案管理人員工作量大，溯源難度大；異常管理人員無(wú)法有效地將組織記憶力轉(zhuǎn)化為全員改進(jìn)的方法。項(xiàng)目完成后質(zhì)量管理實(shí)現(xiàn)了電子檔案和全程數(shù)字化管控，極大減少了工作量，有效地將生產(chǎn)質(zhì)量管理與DMS（經(jīng)銷商管理系統(tǒng)）結(jié)合，車輛質(zhì)量可隨時(shí)溯源且方式簡(jiǎn)化。異常管理模塊能夠通過(guò)Andon 方式記錄異常發(fā)起時(shí)間、類型、響應(yīng)時(shí)間等重要管理參數(shù)，有利于形成可復(fù)制、可學(xué)習(xí)、可改進(jìn)的有效管理措施，提高異常響應(yīng)效率并提高產(chǎn)品質(zhì)量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，質(zhì)量門數(shù)據(jù)分析效率、問(wèn)題追溯效率至少提高100%，整車一次交檢合格率提升4 個(gè)百分點(diǎn)；質(zhì)量門記錄本等相關(guān)文印費(fèi)減少80%。

通過(guò)建設(shè)5G 專網(wǎng)、UWB 高精度定位，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)設(shè)備“剪辮子”連接，可自動(dòng)統(tǒng)計(jì)車間各工位裝配時(shí)間，解決了工位時(shí)間統(tǒng)計(jì)困難、無(wú)法還原生產(chǎn)時(shí)間狀態(tài)的問(wèn)題，且有效支撐車間異常時(shí)間分析，解決了企業(yè)長(zhǎng)期以來(lái)存在的在產(chǎn)車輛無(wú)法定位溯源、產(chǎn)線設(shè)備有線連接限制，在企業(yè)降本增效、節(jié)能減排、安全生產(chǎn)方面都發(fā)揮了重要作用。5G 專網(wǎng)擴(kuò)展了公司網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，專網(wǎng)5G 設(shè)備下行速度可達(dá)1 Gbps，較公司有線網(wǎng)絡(luò)提升數(shù)倍，且網(wǎng)絡(luò)拓展性極強(qiáng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目上線后，生產(chǎn)計(jì)劃達(dá)成率同比提升5%；且經(jīng)過(guò)負(fù)壓測(cè)試，在產(chǎn)量峰值時(shí)，產(chǎn)能提高8%。

四、結(jié)語(yǔ)

安凱客車在企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過(guò)程中，基于5G+UWB+MES 三位一體的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)生產(chǎn)業(yè)務(wù)開(kāi)展從物理空間向數(shù)字化空間的轉(zhuǎn)型升級(jí)，在客車企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、定制化生產(chǎn)等領(lǐng)域取到了較為明顯的成效，特別是5G 與UWB 技術(shù)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施與總結(jié)改進(jìn)等方面起到示范、引領(lǐng)作用。