面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案研究及驗證

［錢文軒］

1 簡介

目前大多數(shù)工廠仍以傳統(tǒng)流程生產(chǎn)為主，未兼顧人、物、產(chǎn)線等綜合的生產(chǎn)管理場景需求，隨著工業(yè)產(chǎn)線規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大、智能化水平不斷提升，智慧工廠概念越來越受到業(yè)界重視。智慧工廠涉及到設(shè)計、建設(shè)、生產(chǎn)、運(yùn)維等全流程管理，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和業(yè)務(wù)應(yīng)用在終端接入、流程優(yōu)化、工藝提升、運(yùn)維管理等方面已經(jīng)越來越難以支撐起工廠發(fā)展的需求。隨著5G 時代的到來，基于5G +PON打造雙千兆全連接智慧工廠，發(fā)揮低時延、大帶寬、本地化等網(wǎng)絡(luò)特點，結(jié)合場景化定制的智慧應(yīng)用，實現(xiàn)流程和效率的全面優(yōu)化，完成數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級，已逐步成為行業(yè)共識[1～3]。

本文首先對中小型智慧工廠建設(shè)需求進(jìn)行了分析，該類型企業(yè)通常更關(guān)注柔性、成本、簡化、集成等需求，通過統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)、平臺、數(shù)據(jù)、算法實現(xiàn)設(shè)備和信息互聯(lián)，以輕量化的應(yīng)用提升智能化水平，以更經(jīng)濟(jì)、更成熟的形式實現(xiàn)智慧化改造。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案的設(shè)計，通過網(wǎng)絡(luò)覆蓋、終端接入、MEC+UPF 下沉以及智慧化應(yīng)用等方面的設(shè)計對方案架構(gòu)及具體內(nèi)容進(jìn)行了闡述。

最后，以某中小型智慧工廠項目為例，進(jìn)行了方案的落地應(yīng)用及測試驗證。本案例以4G/5G、工業(yè)PON、WLAN等為基礎(chǔ)構(gòu)建固移融合網(wǎng)絡(luò)，滿足工業(yè)場景多終端、全連接需求。最后，本文結(jié)合項目建設(shè)情況，介紹了基于該智慧工廠方案的驗證工作，證明本文提出的設(shè)計方案能夠解決中小型智慧工廠產(chǎn)線、管理數(shù)據(jù)通信保障問題。

2 需求分析

2.1 痛點分析

中小型工廠的制造對象通常為中小微型產(chǎn)品，員工人數(shù)在幾十至數(shù)百人不等，廠區(qū)內(nèi)包括辦公管理、生產(chǎn)加工、設(shè)備存放等區(qū)域。目前該類工廠進(jìn)行智慧化改造主要存在以下三大痛點：

（1）傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)不匹配：網(wǎng)絡(luò)建設(shè)缺乏統(tǒng)一規(guī)劃，有線網(wǎng)絡(luò)接入不靈活，妨礙設(shè)備移動，無法滿足產(chǎn)線的快速更新替換和定制化柔性制造需求；WiFi 容易受到干擾，數(shù)據(jù)回傳易丟包，AGV 等設(shè)備使用中易出現(xiàn)延遲、誤碼，無法滿足關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備大帶寬、高可靠的網(wǎng)絡(luò)保障要求。

（2）設(shè)備狀態(tài)信息采集難：網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)孤島效應(yīng)造成數(shù)據(jù)無法實時互通，生產(chǎn)實時進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)信息無法統(tǒng)一采集匯總，無法形成有效的質(zhì)量管理體系。

（3）用人成本高、作業(yè)效率低：每個工位需配置多名員工輪班進(jìn)行作業(yè)，實現(xiàn)各種精細(xì)化操作；搬運(yùn)、折彎、質(zhì)檢等工作強(qiáng)度大、技術(shù)要求高、環(huán)境質(zhì)量低，工作效率得不到有效保障。

2.2 需求分析

在前期的智慧工廠建設(shè)浪潮中，該類中小型工廠并不急于升級各類智慧應(yīng)用，進(jìn)行大規(guī)模的廠區(qū)及產(chǎn)線改造，而是更關(guān)注具有實效性的應(yīng)用和管理效率的提升，旨在更短的時間內(nèi)、以更低的成本實現(xiàn)被論證過的成熟改造過程，改善用工難、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等生產(chǎn)管理問題。該類工廠升級改造訴求主要存在于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方向及智慧化應(yīng)用方向。

在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)方面，通過建設(shè)一致性網(wǎng)絡(luò)在廠區(qū)根據(jù)應(yīng)用場景將網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、打通、納管，解決廠區(qū)內(nèi)場景（終端）類型多樣、網(wǎng)絡(luò)性能不穩(wěn)定、數(shù)據(jù)無法互通的問題。此外，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有開放性及可擴(kuò)展性，可以根據(jù)廠區(qū)生產(chǎn)作業(yè)內(nèi)容調(diào)整靈活匹配規(guī)模及性能指標(biāo)，實現(xiàn)柔性生產(chǎn)。

在智慧應(yīng)用方面，按需升級，效益為先，盡量不做大投入、大規(guī)模改造。通過產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集實時掌握設(shè)備運(yùn)行信息，進(jìn)行預(yù)測性設(shè)備保養(yǎng)防護(hù)，防止設(shè)備出現(xiàn)臨時故障影響生產(chǎn)進(jìn)度；通過視覺質(zhì)量檢測手段取代人工篩查工作，降低用人成本及員工勞動強(qiáng)度，提升產(chǎn)品質(zhì)量管控能力；通過AI 高清監(jiān)控系統(tǒng)，對員工日常行為、廠區(qū)安全進(jìn)行管理檢測，提升管理效率；通過遠(yuǎn)程控制保障作業(yè)人員安全、提升生產(chǎn)效能、實現(xiàn)多生產(chǎn)單元協(xié)助。

3 方案設(shè)計

面對該類型智慧工廠的5G 雙千兆方案，重點關(guān)注廠區(qū)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的一致性整合，將分散在工廠內(nèi)不同地點的加工、質(zhì)檢、設(shè)備、物料、管理等設(shè)備連接起來，實現(xiàn)全連接智能生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上搭建統(tǒng)一的應(yīng)用、數(shù)據(jù)承載平臺及算力服務(wù)，滿足低時延、大帶寬、數(shù)據(jù)不出場的應(yīng)用部署環(huán)境。該方案整體組網(wǎng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案組網(wǎng)架構(gòu)圖

網(wǎng)絡(luò)覆蓋，在園區(qū)部署宏站及室分，保障園區(qū)室內(nèi)外5G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋，園區(qū)內(nèi)移動場景及難以布線場景下的終端通過專用5G 模塊、5G 網(wǎng)關(guān)、CPE 等接入無線網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)流量按照預(yù)先設(shè)定的分流策略經(jīng)由邊緣UPF 分流到MEC 平臺，實現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)與生產(chǎn)數(shù)據(jù)的隔離。在園區(qū)部署PON 網(wǎng)絡(luò)，固定場景下或無線信號易受干擾場景下的終端接入工業(yè)PON 網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)PON 具有大容量、抗干擾、低時延、高可靠性、高安全性的優(yōu)點，能夠滿足高性能業(yè)務(wù)發(fā)展的連接需求，具備良好的擴(kuò)展和演進(jìn)能力[4]。

按需下沉MEC+UPF 平臺，縮短5G 端到端傳輸時延，數(shù)據(jù)可通過園區(qū)內(nèi)UPF 直接分流至MEC 平臺，減小時延，同時節(jié)省回傳網(wǎng)絡(luò)帶寬；MEC 和UPF 均部署于客戶園區(qū)內(nèi)部，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保障數(shù)據(jù)安全；MEC 平臺支持多種通信方式統(tǒng)一接入，同時可以提供網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用，如位置訂閱、QOS 等，提供算力資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)用編排、運(yùn)維監(jiān)控等，滿足低時延、數(shù)據(jù)安全等需求[5,6]。

建設(shè)成熟、高效的智慧場景應(yīng)用，包括數(shù)據(jù)采集、AGV 物流、高清視頻監(jiān)控、機(jī)器人遠(yuǎn)程控制等，實現(xiàn)自動化加工、智能化管理，降低人力作業(yè)成本，提升生產(chǎn)經(jīng)營效率[7～9]。

4 案例分析

4.1 落地案例

某工廠提供現(xiàn)代通信設(shè)備物理連接整體解決方案及通信電源維護(hù)服務(wù)，其產(chǎn)品及方案廣泛應(yīng)用于通信運(yùn)營商、電力及國防通信等行業(yè)。該工廠的基于本設(shè)計方案進(jìn)行了智慧化改造，主要內(nèi)容包括：

（1）優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋：通過在園區(qū)內(nèi)部署5G 宏站、5G 室分、工業(yè)PON 等，實現(xiàn)園區(qū)室內(nèi)外有線/無線信號覆蓋。

①在數(shù)控/焊接車間和機(jī)箱機(jī)柜車間建設(shè)5G 室分，覆蓋數(shù)控/焊接和機(jī)箱機(jī)柜車間；激光切割、數(shù)控沖床、折彎機(jī)器人、數(shù)采等設(shè)備通過 5G 無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的連接。

② 在高干擾區(qū)域，利用PON 網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)產(chǎn)線設(shè)備的連接和數(shù)據(jù)上傳，替換原有WiFi 方案，確保數(shù)采可靠性。

（2）網(wǎng)絡(luò)打通，資源整合：在園區(qū)內(nèi)部署MEC+UPF平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，為工業(yè)生產(chǎn)類應(yīng)用提供計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等能力所需的邊緣云網(wǎng)基礎(chǔ)資源，各類智慧化應(yīng)用部署在MEC 平臺上。園區(qū)內(nèi)4/5G 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過UPF設(shè)備分流至MEC平臺，PON網(wǎng)絡(luò)與MEC平臺打通，實現(xiàn)了一致化的園區(qū)管理手段。MEC、UPF 都具備彈性擴(kuò)展能力，可以根據(jù)流量及資源消耗情況進(jìn)行靈活擴(kuò)容，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖2 所示。

圖2 某中小型智慧工廠系統(tǒng)架構(gòu)圖

（3）智慧應(yīng)用升級：該工廠通過建設(shè)輕量化智慧應(yīng)用場景，包括設(shè)備數(shù)采、遠(yuǎn)控折彎機(jī)器人、遠(yuǎn)控沖網(wǎng)孔機(jī)、5G+AGV、5G+尾纖端面質(zhì)量檢驗、色序檢測等，實現(xiàn)生產(chǎn)管理不同業(yè)務(wù)間的高效協(xié)同，滿足智能感知、實時分析、精準(zhǔn)控制等需求。

①數(shù)據(jù)采集

工廠內(nèi)存在激光切割、數(shù)控沖床、折彎機(jī)等大量工業(yè)設(shè)備，通過建設(shè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，對設(shè)備狀態(tài)及運(yùn)行信息進(jìn)行實時監(jiān)控，保障業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行。原來設(shè)備是通過WiFi連接實現(xiàn)數(shù)采，但是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性較差，現(xiàn)已采用5G+PON技術(shù)取代原有WiFi 連接技術(shù)，解決網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、受干擾的問題。

② 車間AGV 物流

工廠內(nèi)購置了多臺AGV 組成柔性生產(chǎn)搬運(yùn)系統(tǒng)，運(yùn)行路線可以隨著生產(chǎn)工藝流程的調(diào)整而及時調(diào)整，活動區(qū)域無需鋪設(shè)軌道、支座架等固定裝置，提高了生產(chǎn)的柔性能力，實現(xiàn)了高效、經(jīng)濟(jì)、靈活的無人化生產(chǎn)。

③高清視頻監(jiān)控

廠區(qū)內(nèi)通過建設(shè)高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)智能員工行為分析，對員工日常行為檢測，如玩手機(jī)、離崗、睡崗、吸煙、未進(jìn)行防靜電處理等違規(guī)行為進(jìn)行智能行為分析及報警提示。

英國愛丁堡大學(xué)等機(jī)構(gòu)研究人員，通過對7萬人的健康資料進(jìn)行分析，輕度憂慮者死于心臟病和中風(fēng)的風(fēng)險比普通人要高29%。

④ 機(jī)器質(zhì)量檢測

由于該工廠生產(chǎn)大量光纖材料，目前大量質(zhì)量檢測工作依靠人工判別，判別尺度因人有偏差，勞動效率較低，判別無記錄不可追溯。工廠通過建設(shè)機(jī)器質(zhì)量檢測系統(tǒng)，通過5G+機(jī)器視覺實現(xiàn)質(zhì)量檢測，實現(xiàn)超清照片拍攝留存可追溯，精確甄別產(chǎn)品質(zhì)量情況，降低員工勞動強(qiáng)度，提高質(zhì)量水平。機(jī)器質(zhì)量檢測現(xiàn)場作業(yè)如圖3 所示。

圖3 通過機(jī)器視覺應(yīng)用對光纖質(zhì)量進(jìn)行檢測

⑤ 遠(yuǎn)程控制

廠內(nèi)生產(chǎn)作業(yè)區(qū)的折彎機(jī)器人及沖網(wǎng)孔機(jī)現(xiàn)場環(huán)境指標(biāo)較差，不適宜人工作業(yè)，通過提供遠(yuǎn)程控制能力，員工可進(jìn)行程序設(shè)定，并在遠(yuǎn)程進(jìn)行操作作業(yè)，保障人員安全、提升生產(chǎn)效能。

4.2 方案成效

項目建設(shè)完成后對該套方案中的5G、PON 網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)性能測試驗證，主要測試內(nèi)容為端到端時延、抖動及丟包率，測試平臺部署于園區(qū)內(nèi)MEC 平臺上。其中5G 網(wǎng)絡(luò)端到端平均時延11.33 ms，平均時延抖動0.844 5 ms，PON 網(wǎng)絡(luò)端到端平均時延小于1 ms，平均時延抖動0.369 1 ms，兩類型網(wǎng)絡(luò)丟包率均為0%。由測試結(jié)果可知，方案中5G+PON 網(wǎng)絡(luò)性能符合預(yù)期，為園區(qū)提供了穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可根據(jù)業(yè)務(wù)場景按需承載接入需求，初步實現(xiàn)了該智慧工廠基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)抖動測試記錄如表1 所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)抖動測試統(tǒng)計表（單位：ms）

此外，由于設(shè)計之初即規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)隨需調(diào)整、網(wǎng)絡(luò)快速定障等能力，因此工廠通過分光器端口預(yù)留、光終端即開通、綜合網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維等手段，綜合運(yùn)維效率提升60%。

在智慧化應(yīng)用方面，原有折彎工位人工作業(yè)替換成折彎機(jī)器人作業(yè)，提升加工效率近300%，提高加工工藝質(zhì)量的一致性；打造了智慧化報工、設(shè)備巡檢、工藝質(zhì)量追溯、設(shè)備資產(chǎn)管理、設(shè)備保養(yǎng)的5G 工業(yè)數(shù)采應(yīng)用場景，提高工業(yè)設(shè)備使用壽命和利用率、提升品質(zhì)監(jiān)測和管控手段；結(jié)合5G 工業(yè)設(shè)備數(shù)采+AGV 運(yùn)輸機(jī)器人，實現(xiàn)AGV 和WMS 系統(tǒng)的解耦，將AGV 工具化，實現(xiàn)工位自動報料，AGV 自動調(diào)度，提高生產(chǎn)現(xiàn)場物料轉(zhuǎn)移效率，同時降低人工勞動強(qiáng)度和安全隱患。

4.3 后續(xù)建議

面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案在某工廠中得到了驗證，解決了中小型工廠智慧化轉(zhuǎn)型中遇到的成本及效率問題，但是在安全性、確定性及可擴(kuò)展性方面還存在著一定的提升空間。

安全性：企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的擴(kuò)展一方面打通了各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，使得數(shù)據(jù)的價值最大化，但是另一方面也會面臨隨之而來的是數(shù)據(jù)泄露、篡改等安全風(fēng)險，在后期的優(yōu)化和升級中需要進(jìn)一步支持?jǐn)?shù)據(jù)本地化處理，并且提供全面的企業(yè)數(shù)據(jù)安全防護(hù)解決方案，將安全問題綜合考慮到項目的整個建設(shè)過程中去[10]。

確定性：5G 網(wǎng)絡(luò)真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的主要難點在于如何解決5G 網(wǎng)絡(luò)的時間抖動問題，即時延不確定性問題。方案后期將融合時間敏感網(wǎng)絡(luò)（Time Sensitive Networking，TSN）技術(shù)，通過5G 與TSN 技術(shù)的融合解決工業(yè)產(chǎn)線應(yīng)用的數(shù)據(jù)通信時延確定性問題[11,12]。

擴(kuò)展性：由于標(biāo)準(zhǔn)、成本、產(chǎn)品成熟度等因素影響，智慧工廠實際建設(shè)過程中還是會存在較多獨立的系統(tǒng)，僅在數(shù)據(jù)層面進(jìn)行了初步打通，這種模式仍然會造成工廠內(nèi)煙囪式的系統(tǒng)架構(gòu)，不利于系統(tǒng)后期的擴(kuò)展，在后期的方案迭代中將考慮提供易擴(kuò)展的ICT 解決方案，實現(xiàn)自動化加工、智能化管理，提高生產(chǎn)經(jīng)營效率，實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)的無人化、自動化處理以及人、機(jī)、物的智能實時監(jiān)測，提升企業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營效率。

5 結(jié)束語

基于5G +PON 的雙千兆全連接智慧工廠設(shè)計方案是新一代信息通信技術(shù)與現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)深度融合的產(chǎn)物，為中小型工廠智慧化轉(zhuǎn)型升級提供了低時延、大帶寬和高算力的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施及成熟的場景應(yīng)用。該方案在某工廠建設(shè)項目中得到了初步實現(xiàn)和驗證，解決了用工難、效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。