“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”引領企業(yè)變革的應用研究

張巍

摘要：在政策引導和ICT技術快速發(fā)展的雙重推動下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”步入了快速發(fā)展的軌道。嘉峪關移動通過西溝礦5G+智能裝備建設探索研究，提升了西溝礦礦山企業(yè)的生產(chǎn)和管理模式，實現(xiàn)了穿孔、采掘、運輸及溜井口大塊處理的遠程控制及自動駕駛，同時解決安全生產(chǎn)問題并提高了勞動生產(chǎn)率。通過5G+工業(yè)數(shù)據(jù)中臺決策分析后的數(shù)據(jù)，企業(yè)得以進行數(shù)字化轉型、智能化演進和綠色化發(fā)展?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在數(shù)據(jù)采集類、控制類及圖像信息傳輸類應用場景還有很大的探索空間，將與合作伙伴一起為本地龍頭企業(yè)酒鋼集團的數(shù)字化和智能化發(fā)展提供更大支持。

關鍵詞：5G；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；露天礦；智能化；智能裝備；數(shù)據(jù)中臺

近年來，我國高度重視“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合創(chuàng)新發(fā)展。2019年11月，工業(yè)和信息化部印發(fā)了《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》，在政策引導和ICT技術快速發(fā)展的雙重加持下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”進入了大力推進模式。為了滿足智能制造發(fā)展的需要，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)迫切需要具有高速率、低時延、高可靠、廣覆蓋的基礎信息網(wǎng)絡，5G網(wǎng)絡正當其時。5G是助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關鍵使能技術，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是加快5G商用規(guī)模部署的關鍵因素。5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)動，將成為驅動企業(yè)變革的強力引擎和助燃劑。酒鋼集團作為我國西北地區(qū)最大的碳鋼與不銹鋼生產(chǎn)基地，瞄準“產(chǎn)業(yè)數(shù)字化、數(shù)字產(chǎn)業(yè)化”戰(zhàn)略目標，經(jīng)過三個階段的發(fā)展，已經(jīng)形成了多元化產(chǎn)業(yè)格局（見圖1），主體技術裝備水平居國內領先行列。在商業(yè)及技術雙重驅動下，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”正在逐漸影響酒鋼企業(yè)的發(fā)展。

一、5G+智能裝備

2019年起，嘉峪關移動率先與酒鋼集團西溝礦業(yè)公司積極開展5G+智能裝備建設的探索和研究。利用5G+遠程控制，提升西溝礦業(yè)公司的生產(chǎn)和管理模式，實現(xiàn)穿孔、采掘、運輸及溜井口大塊處理的遠程控制和自動駕駛，有效地解放了職工，使他們從勞動強度大、安全風險高的惡劣環(huán)境中解脫出來。人機分離實現(xiàn)了本質安全，打破了傳統(tǒng)采礦“勞動密集、資本密集”的模式，達成了降本增效目標。

（一）5G專網(wǎng)建設

為實現(xiàn)現(xiàn)場無人化、生產(chǎn)可視化、管理智能化的5G+智能裝備建設目標，支撐礦山業(yè)務需求，嘉峪關移動通過5G專網(wǎng)保障了網(wǎng)絡質量，滿足大上行、低時延、高可靠和安全隔離四個方面的要求。

1.大上行帶寬方案

礦用裝備升級后，5G網(wǎng)絡需要支撐多類流量的通信，如實時視頻、控制指令、運行狀態(tài)、高精定位、心跳檢測、任務下發(fā)、位置廣播等。其中，遠程操控需要給操控人員提供多方位的實時高清視頻支持。通過以車載設備為單位的畫像建模，滿足上行要求。

2.低時延方案

大型生產(chǎn)裝備和控制系統(tǒng)的遠程操控對時延要求高（最佳＜30ms），且要求高可靠和低丟包。智能裝備端到端低時延需要從架構、空口、設備、業(yè)務四方面考慮，架構和空口的優(yōu)化是關鍵。另外，礦山應用部署位置離現(xiàn)場越遠，傳輸距離越長，通過MEC下沉在滿足多業(yè)務時延要求的同時，保證數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

3.高可靠方案

自動駕駛和遠程操控等關鍵業(yè)務的網(wǎng)絡高可靠需求從業(yè)務和網(wǎng)絡兩個層面考慮。在業(yè)務層面，為保障裝備運行的安全可靠，各類數(shù)據(jù)流需要不同的可靠性保障等級，如操控指令、視頻流數(shù)據(jù)、裝備和系統(tǒng)側的心跳消息以及機器之間的廣播消息等。在網(wǎng)絡層面，裝備側、無線網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)各環(huán)節(jié)設備和鏈路均存在故障可能，需明確設備選型和雙節(jié)點主備。

4.安全隔離方案

通過5G網(wǎng)絡切片實現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)隔離，包括無線網(wǎng)切片、承載網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片，三部分分別采用不同的切片技術方案，同時進行前后銜接，形成端到端切片通道。

（二）智能裝備改造

1.電鏟遠程控制

通過對電鏟的電氣化改造，實現(xiàn)了電鏟的遠程操控，操作人員可以在遠程操控室通過手柄操控單元控制電鏟的各種動作，完成鏟裝作業(yè)。

2.礦卡自動駕駛

礦卡可以通過自動模式、手動模式、遠程模式駕駛。在自動駕駛模式下，礦卡可以按照靜態(tài)錄制+動態(tài)規(guī)劃的方式實現(xiàn)自動駕駛；在遠程操作模式下，礦卡可在遙控操作臺實現(xiàn)對車輛的控制和狀態(tài)監(jiān)控。

3.牙輪鉆遠程控制

通過電氣系統(tǒng)改造，完成對牙輪鉆機的基本控制，操作人員可以在遠程控制室實現(xiàn)加壓打孔、行車、取桿、夾桿等鉆孔動作。

二、5G+數(shù)據(jù)中臺

企業(yè)智能化發(fā)展不斷迭代更新，數(shù)據(jù)在發(fā)展中起到了無法替代的作用。工業(yè)數(shù)據(jù)在整個工業(yè)生產(chǎn)流程中也成為智能化改造至關重要的環(huán)節(jié)，隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應用的發(fā)展演進，工業(yè)數(shù)據(jù)已被賦予新的使命，成為企業(yè)數(shù)字化轉型和智能化發(fā)展中不可缺少的基礎動力。酒鋼集團非常重視“數(shù)據(jù)”在企業(yè)發(fā)展中的作用。自企業(yè)發(fā)展信息化建設以來推倒并重建了很多套信息化系統(tǒng)相伴，也產(chǎn)生了大量數(shù)據(jù)。大數(shù)據(jù)分析平臺在經(jīng)營管理數(shù)據(jù)分析方面做了一些探索和實踐。目前，嘉峪關移動正聯(lián)合華為進行5G+數(shù)據(jù)中臺可研分析，以使數(shù)據(jù)資產(chǎn)的業(yè)務價值最大化，使能業(yè)務模式升級。

（一）5G支撐數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要分為結構化、非結構化數(shù)據(jù)，主要以批量、實時、流式等方式進行采集，采集數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后入到數(shù)據(jù)湖。5G轉網(wǎng)模式可以滿足工業(yè)設備的大量數(shù)據(jù)、低延時、高可靠的抓取需求。

數(shù)據(jù)采集過程涉及多種類型的工業(yè)設備，以酒鋼西溝礦業(yè)公司為例，包括鉆、鏟、車、破碎機、皮帶機等。存在大量設備數(shù)據(jù)采集后難以與生產(chǎn)系統(tǒng)對接，以及跨廠商數(shù)據(jù)對接效率低下等問題。

通過構建5G云網(wǎng)關，承上啟下，實現(xiàn)了OT與IT域間數(shù)據(jù)流轉，以及不同的數(shù)據(jù)源（視頻、圖片、接口、協(xié)議等數(shù)據(jù)）的協(xié)議轉換（見圖2）。

（二）數(shù)據(jù)中臺建設

數(shù)據(jù)中臺包含從數(shù)據(jù)采集到存儲的端到端服務，經(jīng)過數(shù)據(jù)治理形成分類主題，治理后的數(shù)據(jù)可用于各類數(shù)據(jù)服務，包括數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)可視、數(shù)據(jù)共享等。通過建設基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的創(chuàng)新平臺，統(tǒng)籌集團下屬二三級廠區(qū)，構建數(shù)據(jù)資源庫、先進數(shù)字化工具、虛擬仿真環(huán)境等一體化的協(xié)同創(chuàng)新體系。以酒鋼西溝礦業(yè)公司為例，打通了礦山地質、測量、采礦、選礦等數(shù)據(jù)通道、助力基于數(shù)據(jù)分析的生產(chǎn)智能控制、運行優(yōu)化、決策優(yōu)化和生產(chǎn)現(xiàn)場能力優(yōu)化。

1.規(guī)范數(shù)據(jù)治理

對礦山地質、測量、采礦、選礦等全流程各環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實現(xiàn)實時抓取、分析、清洗，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一存儲管理，為開展大數(shù)據(jù)的全面分析、深度挖掘、情報檢索，可視化展示提供數(shù)據(jù)基礎。

2.數(shù)據(jù)應用創(chuàng)新

針對生產(chǎn)到運營的各個環(huán)節(jié)進行了場景細化模擬分析，以迭代創(chuàng)新的管理應用服務于生產(chǎn)全流程各環(huán)節(jié)，實現(xiàn)對生產(chǎn)指標趨勢分析、成本細化和趨勢分析、設備管理分析、采購分析、品位變化趨勢、工藝數(shù)據(jù)分析等，提供靈活的指標監(jiān)控、報表查詢、多維圖形展示和綜合分析，為企業(yè)提供實時狀態(tài)分析并賦能企業(yè)發(fā)展決策支持。

三、“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”應用場景

作為新一代信息通信技術與制造技術融合的創(chuàng)新應用技術，“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”將賦能酒鋼集團數(shù)字化轉型、智能化制造、綠色化發(fā)展，為酒鋼集團提供生產(chǎn)優(yōu)化、節(jié)能減排、降本增效、運營管理等創(chuàng)新應用，打造綠色化安全化的酒鋼5G全鏈接工廠。通過5G技術改造企業(yè)原有生產(chǎn)網(wǎng)絡，形成IT、CT和OT融合的工業(yè)網(wǎng)絡部署方案，綜合運用大數(shù)據(jù)、MEC邊緣計算等新興技術構建基礎能力，后續(xù)將聚焦數(shù)據(jù)采集類、控制類及圖像信息傳輸類等應用場景，持續(xù)為酒鋼集團發(fā)展賦能（見表1）。

（一）能源與環(huán)保管理

利用5G網(wǎng)絡在廠區(qū)廣泛收集能源消耗和污染排放等儀表數(shù)據(jù)，減少有線網(wǎng)絡布置成本，同時擴大監(jiān)測范圍（覆蓋原有線盲區(qū)），促進生產(chǎn)工藝優(yōu)化與設備改造升級，實現(xiàn)降低能耗成本的同時做到綠色環(huán)保，打造綠色低碳的生產(chǎn)模式。

（二）生產(chǎn)現(xiàn)場作業(yè)監(jiān)控

5G無線技術增強了監(jiān)控點可移動性和監(jiān)控人員的可移動性，實時傳輸生產(chǎn)現(xiàn)場高清圖像視頻，能直觀高效地展示人員、設備的作業(yè)情況，提升生產(chǎn)現(xiàn)場全局化和精細化管控水平。

（三）質量管理

通過部署工業(yè)相機對產(chǎn)品進行高清拍攝，將數(shù)據(jù)回傳致邊緣云服務器進行智能分析處理，通過對比合格產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)，對產(chǎn)品合格率提供有力的參考決策。

（四）安全管理

傳統(tǒng)安全監(jiān)控管理基于固定的支架攝像頭，而通過5G網(wǎng)絡，攝像頭可以實現(xiàn)移動場景無延遲的抓拍監(jiān)控。同時，能夠實現(xiàn)多路多視野的超高視清視頻實時傳送到服務器端。另外，通過5G網(wǎng)關使用先進的巡檢機器人也能對園區(qū)進行實時巡檢。

四、結語

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通過近幾年發(fā)展得到了成熟的信息技術支持。而5G通信技術作為基礎能力來輔助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，為其注入靈魂，使“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”具備更靈活的應用場景，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用更是得到了質的提升。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用因網(wǎng)絡限制無法實現(xiàn)全流程全場景賦能，而5G的應用恰好幫助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)解決了這一難題，也證明了“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”發(fā)展的廣闊前景?！?G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在酒鋼集團的探索已經(jīng)進入深水區(qū)，后續(xù)將繼續(xù)認真貫徹落實集團關于5G新基建的部署要求，大力推動產(chǎn)業(yè)高質量發(fā)展，服務好本地企業(yè)，以“網(wǎng)絡+服務”為基礎，以“平臺+生態(tài)”為關鍵，攜手華為等伙伴抓緊5G機遇，共同譜寫“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”新篇章。

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