5G+MEC技術(shù)在智慧工廠組網(wǎng)中的應(yīng)用分析

包可樂，沈 東，呂 祎

（1.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省信息通信協(xié)會，浙江 杭州 310003；3.浙江省通信產(chǎn)業(yè)服務(wù)有限公司，浙江 杭州 310053）

智慧工廠作為工業(yè)4.0的重要組成部分，旨在通過數(shù)字化、智能化的手段提高生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的工廠組網(wǎng)技術(shù)面臨著諸多限制，如網(wǎng)絡(luò)時延、數(shù)據(jù)安全、能源效率等問題，難以滿足智慧工廠的需求[1]。而5G和MEC技術(shù)的快速發(fā)展，則為智慧工廠組網(wǎng)提供了新的解決方案。以下將分別介紹5G和MEC技術(shù)的特點和優(yōu)勢，并結(jié)合智慧工廠的應(yīng)用需求，探討這兩種技術(shù)在智慧工廠組網(wǎng)中的應(yīng)用。

1 5G技術(shù)的特點和優(yōu)勢

5G是第五代移動通信技術(shù)，相對于4G技術(shù)，5G技術(shù)具有以下特點和優(yōu)勢：①可以提供更高的帶寬和更快的傳輸速度，支持更大容量的數(shù)據(jù)傳輸；②時延很低，可以實現(xiàn)實時通信和控制，支持更多的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；③可靠性更高，能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，保證通信的穩(wěn)定性和安全性；④支持更多的連接，可以實現(xiàn)大規(guī)模的設(shè)備互聯(lián)。5G技術(shù)的特點和優(yōu)勢使得其在智慧工廠組網(wǎng)中有著廣泛的應(yīng)用，特別是在生產(chǎn)流程控制、設(shè)備管理等方面[2]。

在生產(chǎn)流程控制方面，5G技術(shù)可以通過高速傳輸和低時延方式，實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制生產(chǎn)流程，提高生產(chǎn)效率。例如，在制造行業(yè)中，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接的智能機器人可以實現(xiàn)高效的自動化生產(chǎn)和流水線操作，同時也可以對生產(chǎn)過程進行實時監(jiān)測和反饋，從而快速響應(yīng)生產(chǎn)過程中的問題。

在設(shè)備管理方面，5G技術(shù)可以通過支持更多的設(shè)備連接，實現(xiàn)智能化設(shè)備管理和維護。例如，在智能工廠中，5G網(wǎng)絡(luò)可以連接各種工業(yè)設(shè)備、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，實現(xiàn)對這些設(shè)備的實時監(jiān)測和控制，以及對設(shè)備狀態(tài)的遠程診斷和維護，提高設(shè)備的運行效率和可靠性。

在物流管理方面，5G技術(shù)可以通過高速傳輸和低時延方式，實現(xiàn)智能化物流管理。例如，在物流行業(yè)中，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接的智能運輸車可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制貨物的運輸過程，從而減少物流成本和提高物流效率。

2 MEC技術(shù)的特點和優(yōu)勢

MEC是一種邊緣計算技術(shù)，旨在將計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)放置在更接近用戶的邊緣，從而提高應(yīng)用性能和響應(yīng)速度。MEC技術(shù)具有以下特點和優(yōu)勢：①低時延。MEC技術(shù)將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，可以實現(xiàn)更低的網(wǎng)絡(luò)時延。②更高的網(wǎng)絡(luò)安全。MEC技術(shù)將計算和存儲資源放置在本地網(wǎng)絡(luò)中，可以減少數(shù)據(jù)在云端傳輸?shù)拇螖?shù)，降低數(shù)據(jù)泄露和遭網(wǎng)絡(luò)攻擊的風(fēng)險。③更高的網(wǎng)絡(luò)帶寬利用率。MEC技術(shù)可以利用邊緣計算節(jié)點的計算和存儲資源，實現(xiàn)更加高效的數(shù)據(jù)傳輸和處理。④支持大規(guī)模部署。可以靈活地適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)需求和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。⑤MEC技術(shù)是一個開放的平臺和生態(tài)系統(tǒng)，可以集成不同的應(yīng)用和服務(wù)。

3 5G技術(shù)和MEC技術(shù)組合在智慧工廠中的應(yīng)用

3.1 實時監(jiān)測和控制

通過5G技術(shù)和MEC技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制生產(chǎn)流程、設(shè)備運行和物流管理等。5G技術(shù)具有高速傳輸和低時延的特點，可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)的傳輸和處理，而MEC技術(shù)則可以將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，進一步降低時延。這種結(jié)合可以實現(xiàn)對生產(chǎn)流程、設(shè)備狀態(tài)和物流運輸?shù)膶崟r監(jiān)測和控制。

3.2 智能化設(shè)備管理和維護

通過5G技術(shù)和MEC技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)智能化設(shè)備管理和維護。5G技術(shù)支持更多的設(shè)備連接，可以實現(xiàn)對各種工業(yè)設(shè)備、傳感器和物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的實時監(jiān)測和控制。而MEC技術(shù)則可以將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)的遠程診斷和維護。這種結(jié)合可以提高設(shè)備的運行效率和可靠性，從而降低生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)效率。

3.3 安全監(jiān)控和保障

5G技術(shù)和MEC技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)智慧工廠的安全監(jiān)控和保障。5G技術(shù)提供了更高的網(wǎng)絡(luò)安全性和可靠性，可以防止惡意攻擊和數(shù)據(jù)泄露。而MEC技術(shù)則可以實現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠程診斷，及時發(fā)現(xiàn)和處理設(shè)備故障。這種結(jié)合可以提高智慧工廠的安全性和穩(wěn)定性，保障生產(chǎn)的順利進行。

3.4 個性化定制和生產(chǎn)

5G技術(shù)和MEC技術(shù)結(jié)合可以實現(xiàn)智慧工廠的個性化定制和生產(chǎn)。5G技術(shù)支持更高速率和更低時延的數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集和分析。而MEC技術(shù)則可以實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時處理和個性化分析，從而根據(jù)客戶需求進行個性化定制和生產(chǎn)。這種結(jié)合可以提高生產(chǎn)的靈活性和適應(yīng)性，滿足客戶個性化需求，提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量。

總體來說，5G技術(shù)和MEC技術(shù)的結(jié)合可以實現(xiàn)智慧工廠的實時監(jiān)測和控制、智能化設(shè)備管理和維護、安全監(jiān)控和保障、個性化定制和生產(chǎn)等方面的應(yīng)用，從而提高生產(chǎn)效率、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和客戶滿意度。

4 5G+MEC汽車制造工廠組網(wǎng)案例分析

5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)可以應(yīng)用于汽車制造工廠，實現(xiàn)智能化、自動化和高效化的生產(chǎn)流程。以浙江聯(lián)通5G虛擬企業(yè)專網(wǎng)建設(shè)為例，通過對5G智能制造寧波汽車工廠流水線管理的集成，實現(xiàn)智慧工廠內(nèi)各要素、各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)、各平臺互聯(lián)互通，支撐企業(yè)內(nèi)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)動態(tài)交互。汽車制造工廠采用5G+MEC技術(shù)組網(wǎng)，如圖1所示。

圖1 采用5G和MEC技術(shù)的智慧工廠組網(wǎng)邏輯拓撲

在架構(gòu)設(shè)計中，與傳統(tǒng)的自動化車間相比較，最大的變化是應(yīng)用5G技術(shù)和MEC技術(shù)，采用邊緣服務(wù)器部署網(wǎng)絡(luò)進行傳輸控制。在進行網(wǎng)絡(luò)部署時，首先從覆蓋保障的角度，根據(jù)某園區(qū)實際勘測的地理特點、數(shù)據(jù)流量的大小等對園區(qū)的宏站和室分小站進行合理部署，同時針對智能車間數(shù)據(jù)傳輸?shù)纳闲袠I(yè)務(wù)需求，對上行實施速率增強，對進行空口低時延優(yōu)化。

圖1中汽車制造工廠內(nèi)部部署了多種設(shè)備和MEC節(jié)點，包括生產(chǎn)線上的機器人、傳感器、PLC等，以及位于車間內(nèi)的MEC節(jié)點。這些設(shè)備通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到MEC節(jié)點，MEC節(jié)點完成計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的功能，處理和管理從設(shè)備傳輸過來的數(shù)據(jù)。

MEC節(jié)點不僅提供了高效的數(shù)據(jù)處理和通信服務(wù)，還通過5G網(wǎng)絡(luò)連接到云端，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的集中管理和分析。同時，利用人工智能和機器學(xué)習(xí)技術(shù)，可以對生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)進行實時分析和預(yù)測。

為滿足汽車制造管理數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求以及支撐機器視覺等5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，在上述網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建了企業(yè)園區(qū)5G+MEC無線網(wǎng)絡(luò)。

同時利用5G切片、5G+MEC和5G專網(wǎng)構(gòu)建5G虛擬企業(yè)生產(chǎn)專網(wǎng)，專網(wǎng)架構(gòu)上分成不同層級，主要有工廠級、車間級和現(xiàn)場級。工廠級采用SCM、CRM、ERP、MES等不同的應(yīng)用軟件，主要對整個工廠的材料采購、產(chǎn)品合格率等進行整體數(shù)據(jù)的把握、規(guī)劃及決策。車間級主要實現(xiàn)不同車間流水線場景應(yīng)用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、5G+XR、5G+機器視覺、物流裝備管控、產(chǎn)線終端以移代等應(yīng)用，現(xiàn)場級主要實現(xiàn)物理設(shè)備進行接入，實現(xiàn)不同的制造工具和人員檢測替代裝置的接入，同時預(yù)留“互聯(lián)網(wǎng)+”協(xié)同制造新模式發(fā)展的硬件相關(guān)接口。這種5G虛擬企業(yè)專網(wǎng)布局方式實現(xiàn)5G終端與汽車制造工業(yè)平臺互聯(lián)互通，實現(xiàn)5G 網(wǎng)絡(luò)、終端能力調(diào)用及監(jiān)測，同時具備承接百萬級以上規(guī)模終端的接入管理能力。

此外，在整個組網(wǎng)過程中，專網(wǎng)采用了云邊協(xié)同技術(shù)，以保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。專網(wǎng)利用5G高帶寬技術(shù)特點，實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)、生產(chǎn)進度、生產(chǎn)質(zhì)量等數(shù)據(jù)的實時采集、可視化的監(jiān)測。在裝配過程中，利用5G多連接技術(shù)特點調(diào)度實現(xiàn)發(fā)動機、儀表盤、變速箱等部件與車身集成，在自動化流水線完成生產(chǎn)后通過搬運機器人AGV進行運輸，這個搬運流程基本可以通過MEC邊緣控制工業(yè)機器人來實現(xiàn)；最后的汽車質(zhì)檢通過云平臺實現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集和設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控，生產(chǎn)管理人員在云端根據(jù)生產(chǎn)狀態(tài)集中監(jiān)控實現(xiàn)動態(tài)的管理和統(tǒng)籌。

5 5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及解決方案

（1）網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險。由于智慧工廠中存在大量的機器和設(shè)備，這些設(shè)備和機器通過5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)進行連接和通信，會面臨網(wǎng)絡(luò)安全的威脅，如黑客攻擊和數(shù)據(jù)泄露等?？梢圆捎枚嘀胤烙胧?，采用身份驗證、網(wǎng)絡(luò)隔離、入侵檢測和應(yīng)急響應(yīng)等加以應(yīng)對。此外，加強員工的安全意識和培訓(xùn)，也是保障系統(tǒng)安全的重要手段。

（2）傳輸延遲問題。5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)中，MEC網(wǎng)關(guān)需要承擔(dān)計算和存儲任務(wù)，如果網(wǎng)絡(luò)延遲過大，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t增加，影響智慧工廠的實時監(jiān)測和控制?？梢酝ㄟ^合理的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、選擇合適的MEC節(jié)點、使用優(yōu)化的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議等措施來減少傳輸延遲。

（3）計算和存儲資源受限問題。在5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)中，MEC節(jié)點承擔(dān)了一定的計算和存儲任務(wù)，如果MEC節(jié)點的計算和存儲資源受限，會影響智慧工廠的實時監(jiān)測和控制?？梢酝ㄟ^提高MEC節(jié)點的計算和存儲能力、選擇高性能的處理器和存儲器、采用分布式計算和存儲技術(shù)等措施來緩解計算和存儲資源受限的問題。

（4）通信網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。5G+MEC組網(wǎng)技術(shù)中，通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性對智慧工廠的實時監(jiān)測和控制至關(guān)重要。如果通信網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，會導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹袛嗪脱舆t增加，從而影響生產(chǎn)效率和質(zhì)量?？梢酝ㄟ^優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、采用網(wǎng)絡(luò)冗余技術(shù)、使用高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和協(xié)議、加強網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和維護等措施來提高通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

5G技術(shù)和MEC技術(shù)的出現(xiàn)，為智慧工廠的發(fā)展提供了新的技術(shù)支持。5G網(wǎng)絡(luò)的高帶寬、低時延和廣覆蓋的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)對智慧工廠內(nèi)部設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高速傳輸和實時處理；MEC技術(shù)將計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)放置在更接近用戶的邊緣，可以提高應(yīng)用的響應(yīng)速度和用戶體驗，緩解計算和存儲資源受限的問題。因此，將5G技術(shù)和MEC技術(shù)應(yīng)用于智慧工廠組網(wǎng)中，能夠提高智慧工廠的運行效率、生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)安全性，同時也有助于提高企業(yè)的競爭力和商業(yè)價值。

在實際應(yīng)用中，智慧工廠的組網(wǎng)需要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、通信協(xié)議、設(shè)備連接、數(shù)據(jù)處理和安全等多個方面的因素。同時，需要根據(jù)實際需求和應(yīng)用場景，選擇合適的5G和MEC技術(shù)方案，搭建高效穩(wěn)定的智慧工廠網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。■