5G 專網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的探索與實(shí)踐

陳維煒

（中國電信股份有限公司海南分公司，海南 海口 570206）

0 引 言

隨著“數(shù)字中國”戰(zhàn)略持續(xù)推進(jìn)，工業(yè)領(lǐng)域的轉(zhuǎn)型升級(jí)需要新技術(shù)和新場(chǎng)景的應(yīng)用，未來獨(dú)立、靈活且自主的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具有更高的安全等級(jí)要求、更大的帶寬以及更低的時(shí)延，成為工業(yè)企業(yè)普遍追求的目標(biāo)。5G 移動(dòng)通信技術(shù)在專用網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，為工業(yè)企業(yè)的信息化拓展和數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了新選擇。

1 工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)部署難點(diǎn)及生產(chǎn)轉(zhuǎn)型痛點(diǎn)

1.1 網(wǎng)絡(luò)定制化與封閉性管理難實(shí)現(xiàn)

由于工業(yè)企業(yè)廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)普遍采用電信運(yùn)營企業(yè)大網(wǎng)覆蓋，數(shù)據(jù)依托電信運(yùn)營企業(yè)的公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流轉(zhuǎn)，網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制與公共網(wǎng)絡(luò)同步，無法根據(jù)需求定制網(wǎng)絡(luò)，難以滿足定制化及封閉性的管理需求，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全性不足。

1.2 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)部署受限

工業(yè)企業(yè)嚴(yán)格按照生產(chǎn)作業(yè)空間的安全管理要求，不易實(shí)施傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，且建成后若需要延伸覆蓋，施工難度較大。目前，工業(yè)企業(yè)無線環(huán)境較多采用Wi-Fi 無線覆蓋，受限于Wi-Fi 的技術(shù)機(jī)制，在連接設(shè)備數(shù)量、跨廠房、跨樓層的設(shè)備連接、時(shí)延控制以及定制化管理能力方面均有較多不足。

1.3 海量生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集與分析能力有限

生產(chǎn)數(shù)據(jù)作為企業(yè)的重要生產(chǎn)要素，采集和留存難度較大，進(jìn)而影響數(shù)據(jù)的分析和利用，因此需要提高效率并改進(jìn)工藝，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、數(shù)字化、柔性生產(chǎn)等方面的升級(jí)轉(zhuǎn)型，創(chuàng)造更高的價(jià)值。

1.4 數(shù)字化升級(jí)成本投入高

目前，數(shù)字化轉(zhuǎn)型對(duì)工業(yè)企業(yè)的重要性不言而喻，然而轉(zhuǎn)型所需投入的成本成為企業(yè)管理者需要考量的主要因素。因此，需要考慮如何以科學(xué)合理的建設(shè)模式和運(yùn)營模式平衡網(wǎng)絡(luò)改造或數(shù)字化升級(jí)投入與產(chǎn)出價(jià)值之間的關(guān)系，使得企業(yè)效益最大化。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是工業(yè)企業(yè)普遍面臨的戰(zhàn)略問題。隨著5G 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的完善，5G 關(guān)鍵技術(shù)特性在垂直行業(yè)的應(yīng)用價(jià)值凸顯。以5G 專網(wǎng)為技術(shù)底座，融合大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)，能夠?yàn)楣I(yè)企業(yè)的數(shù)字化升級(jí)提供支持[1]。

2 5G 專網(wǎng)的原理與實(shí)現(xiàn)

第三代合作伙伴計(jì)劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定義了5G 專網(wǎng)架構(gòu)，即非公共網(wǎng)絡(luò)（Non-Public Network，NPN），并詳細(xì)說明了安全、網(wǎng)絡(luò)隔離、數(shù)據(jù)流程等問題，憑借5G 技術(shù)支持海量大連接、大帶寬低時(shí)延、增強(qiáng)寬帶等特性，提供技術(shù)控制手段。

基于5G 技術(shù)的NPN 通過獨(dú)立組網(wǎng)的非公共網(wǎng)絡(luò)（Stand-alone Non-Public Network，SNPN）和公網(wǎng)集成非公共網(wǎng)絡(luò)（Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN）2 種部署方式，為垂直行業(yè)用戶提供與傳統(tǒng)公眾網(wǎng)絡(luò)區(qū)隔的5G 網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)在一張專網(wǎng)上通過自編排和自定義滿足各種個(gè)性化需求的能力。

2.1 SNPN 技術(shù)解決方案

SNPN 技術(shù)是基于5G 獨(dú)立建設(shè)的專網(wǎng)，其中NPN和公用陸地移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（Public Lands Mobile Network，PLMN）部署在不同的網(wǎng)絡(luò)。SNPN 不依賴網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商公共網(wǎng)絡(luò)提供的功能。NPN 和PLMN 可以部署在不同的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施中。SNPN 部署方案的獨(dú)立性主要體現(xiàn)在以下4 個(gè)方面：一是使用獨(dú)立無線頻段組網(wǎng)；二是獨(dú)立部署核心網(wǎng)；三是SNPN 業(yè)務(wù)不能與PLMN 進(jìn)行連續(xù)性互操作；四是具備唯一網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符（Network Identity Document，NID），完全獨(dú)立于公共網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（Public Land Mobile Network，Identity Document，PLMN ID）。

2.2 PNI-NPN 技術(shù)解決方案

PNI-NPN 采用5G 標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，部署在PLMN，需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供部分網(wǎng)絡(luò)管理功能，并通過5G公網(wǎng)給應(yīng)用對(duì)象提供專網(wǎng)定制功能?；A(chǔ)網(wǎng)絡(luò)配置和維護(hù)由基礎(chǔ)通信運(yùn)營企業(yè)維護(hù)管理，通過分權(quán)分域，實(shí)現(xiàn)各級(jí)管理權(quán)限和生產(chǎn)權(quán)限的隔離，即將PNINPN 專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)分為2 位維護(hù)管理者，基礎(chǔ)通信運(yùn)營商負(fù)責(zé)維護(hù)核心側(cè)網(wǎng)元，而需求企業(yè)具體管理應(yīng)用側(cè)。對(duì)于需求企業(yè)，該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于專網(wǎng)結(jié)構(gòu)比SNPN簡單，建設(shè)成本較低，同時(shí)部分維護(hù)職責(zé)由運(yùn)營商負(fù)責(zé)，工業(yè)企業(yè)可專注于生產(chǎn)[2,3]。

2.3 5G 專網(wǎng)部署方式特性分析

5G 專網(wǎng)的部署方式取決于企業(yè)業(yè)務(wù)需求。通常企業(yè)從建設(shè)成本、服務(wù)質(zhì)量（Quality of Service，QoS）定制、網(wǎng)絡(luò)隔離、數(shù)據(jù)安全以及業(yè)務(wù)連續(xù)性等方面進(jìn)行綜合考量。SNPN 部署方式是獨(dú)立于公網(wǎng)之外搭建的專用私有網(wǎng)絡(luò)，在性能管理、業(yè)務(wù)編排、安全管理等方面完全自主獨(dú)立，需要較大的前期投資，主要包括搭建網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和提供存儲(chǔ)計(jì)算能力等。PNINPN 部署方式的核心網(wǎng)和承載網(wǎng)可以與公網(wǎng)共享，保持了與公網(wǎng)的業(yè)務(wù)連接，降低了建設(shè)成本，同時(shí)服務(wù)質(zhì)量定制能力、性能、管理的獨(dú)立性相應(yīng)降低。2種部署方案的特性分析如表1 所示。

表1 2 種部署方案的特性分析

綜合考量組網(wǎng)成本和維護(hù)管理成本，采用PNINPN 部署方案組建專用網(wǎng)絡(luò)是現(xiàn)階段工業(yè)企業(yè)的首選。

3 工業(yè)企業(yè)5G 專網(wǎng)應(yīng)用項(xiàng)目

3.1 某石化企業(yè)5G 專網(wǎng)項(xiàng)目

3.1.1 業(yè)務(wù)需求

油庫現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境復(fù)雜，廠區(qū)危險(xiǎn)性較高。企業(yè)根據(jù)廠區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，規(guī)劃打造智慧儲(chǔ)油園區(qū)管理系統(tǒng)，主要包括以下3 方面需求。第一，數(shù)據(jù)安全性。油庫作為戰(zhàn)略儲(chǔ)備庫，數(shù)據(jù)安全至關(guān)重要。企業(yè)管理層要求保證數(shù)據(jù)在內(nèi)網(wǎng)流轉(zhuǎn)，不出園區(qū)。第二，智能精準(zhǔn)識(shí)別與監(jiān)控。廠方提出視頻監(jiān)控結(jié)構(gòu)化解析能力，對(duì)一線操作人員在操作現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的危險(xiǎn)作業(yè)或不規(guī)范操作進(jìn)行預(yù)警。第三，生產(chǎn)大數(shù)據(jù)的匯聚及應(yīng)用。

3.1.2 企業(yè)痛點(diǎn)

一方面，對(duì)油庫安全監(jiān)管要求高，現(xiàn)場(chǎng)施工布線條件受限；另一方面，企業(yè)對(duì)管理系統(tǒng)有升級(jí)需求，數(shù)據(jù)安全是前提。

3.1.3 解決方案

首先，使用PNI-NPN 共享無線網(wǎng)和控制面方式組建專用網(wǎng)絡(luò)，部署專用多接入邊緣計(jì)算（Multiaccess Edge Computing，MEC）+用戶平面功能（User Plane Function，UPF）下沉，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保證數(shù)據(jù)的低時(shí)延和傳輸?shù)陌踩?。同時(shí)，部署專用設(shè)備形成數(shù)據(jù)的內(nèi)部閉環(huán)管控機(jī)制。數(shù)據(jù)不出園區(qū)的數(shù)據(jù)路由如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)不出園區(qū)的數(shù)據(jù)路由

其次，通過在園區(qū)內(nèi)部署5G增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）攝像頭，借助5G 專用網(wǎng)絡(luò)傳輸園區(qū)紅外熱成像數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控畫面、液位以及溫度傳感數(shù)據(jù)等一系列園區(qū)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上行增強(qiáng)。同時(shí)，采用無線部署方式，解決園區(qū)有線部署走線施工難的問題。

最后，通過部署5G 工業(yè)網(wǎng)關(guān)，轉(zhuǎn)發(fā)智能巡檢、熱成像、周界報(bào)警以及人臉識(shí)別等智能終端的數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)將其上傳至智能業(yè)務(wù)分析平臺(tái)。

3.1.4 項(xiàng)目主要成效

通過部署專用UPF 和MEC 設(shè)備下沉的方式，提高了企業(yè)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全性，滿足用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求。通過5G 回傳方式，減少了全園區(qū)185 個(gè)攝像頭有線網(wǎng)絡(luò)部署和復(fù)雜生產(chǎn)區(qū)域的高難度施工成本，降低了工程實(shí)施成本約30%，提高了數(shù)字管理能力和數(shù)據(jù)安全水平。

3.2 某發(fā)電企業(yè)5G 專網(wǎng)項(xiàng)目

3.2.1 業(yè)務(wù)需求

第一，安全要求。人工盤煤等傳統(tǒng)作業(yè)方式對(duì)員工身體健康有一定危害，需要將傳統(tǒng)人工作業(yè)方式改為遠(yuǎn)程控制方式，提高員工身體健康的安全系數(shù)。第二，提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)管理安全。第三，固定式網(wǎng)絡(luò)接入不能滿足廠區(qū)終端接入需求，新增監(jiān)控?cái)z像頭和新增視頻點(diǎn)位需要開挖路面敷設(shè)線纜，成本高且施工難度大，需要考慮采用無線方式。

3.2.2 企業(yè)痛點(diǎn)

一方面，傳統(tǒng)人工盤煤作業(yè)方式需要向自動(dòng)化方向演進(jìn)；另一方面，廠區(qū)視頻監(jiān)控系統(tǒng)不能滿足需求。

3.2.3 解決方案

首先，使用PNI-NPN 共享無線網(wǎng)和控制面方式組建專用網(wǎng)絡(luò)，部署專用MEC 和UPF 下沉，廠區(qū)邊緣UPF 和MEC 通過新增入侵預(yù)防系統(tǒng)（Intrusion Prevention System，IPS）對(duì)接運(yùn)營商的承載網(wǎng)設(shè)備和5G 核心網(wǎng)（5G Core，5GC），滿足企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)安全的業(yè)務(wù)需求，實(shí)現(xiàn)核心數(shù)據(jù)不出廠區(qū)。

其次，部署專用智能操控系統(tǒng)，完成5G 網(wǎng)絡(luò)承載斗輪機(jī)遠(yuǎn)程操控和盤煤儀數(shù)據(jù)上傳等工作，實(shí)現(xiàn)斗輪機(jī)、盤煤儀、監(jiān)控設(shè)備以及定位裝置等設(shè)備的遠(yuǎn)程操作，減少人工盤煤作業(yè)。

最后，通過5G 網(wǎng)絡(luò)承載卸船機(jī)遠(yuǎn)程操控、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、視頻監(jiān)控以及人員定位等業(yè)務(wù)應(yīng)用。

3.2.4 項(xiàng)目主要成效

一是通過部署專用UPF 和MEC 設(shè)備下沉的方式，滿足了企業(yè)提高數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)安全性的需求。二是應(yīng)用平臺(tái)+傳感系統(tǒng)，遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)巡檢、卸船、盤煤等操作，減少了一線操作員的健康隱患，且遠(yuǎn)程集約操控提升了操作的安全性和作業(yè)效率。三是使用5G 靈活部署5G 攝像頭，不受物理走線限制[4,5]。

4 結(jié) 論

不同的工業(yè)企業(yè)在數(shù)字化升級(jí)方面有不同的痛點(diǎn)和需求，企業(yè)需要選擇科學(xué)合理的建設(shè)模式和運(yùn)營模式，以較低成本進(jìn)行數(shù)字化升級(jí)。企業(yè)可根據(jù)特定需求，考慮在NPN 設(shè)計(jì)、部署以及運(yùn)維方面的投入，選擇合適的部署方案。5G 專網(wǎng)提供了更高的安全隔離等級(jí)、更大的數(shù)據(jù)吞吐能力以及更安全的數(shù)據(jù)傳輸方式，下沉算力提供了低時(shí)延傳輸，云計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)便捷融合，均為工業(yè)企業(yè)的數(shù)字化升級(jí)提供了更多可能。目前，企業(yè)信息化需求既包括網(wǎng)絡(luò)接入、系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)管等普適性、通用性需求，又有不同生產(chǎn)環(huán)境下（溫濕度差異巨大、能見度低、作業(yè)安全要求等）的個(gè)性化需求。在數(shù)字中國和工業(yè)信息化持續(xù)推進(jìn)的大背景下，結(jié)合企業(yè)實(shí)際提供切實(shí)有效的解決方案，快速、高效地解決企業(yè)痛點(diǎn)難點(diǎn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營企業(yè)是全新的課題，也是新的產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。