5G定制網(wǎng)助力智慧化工專網(wǎng)規(guī)模化發(fā)展研究

摘要：隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)化工行業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字化轉(zhuǎn)型的浪潮。5G作為新一代信息通信技術(shù)的代表，其高速度、低時(shí)延、廣連接的特性為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了重要支撐。本文探討了5G定制網(wǎng)在智慧化工專網(wǎng)規(guī)?；l(fā)展中的應(yīng)用與優(yōu)勢(shì)。結(jié)合化工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，本文詳細(xì)闡述了5G定制網(wǎng)在安全生產(chǎn)、綠色環(huán)保、提質(zhì)增效等方面的核心價(jià)值及具體應(yīng)用場(chǎng)景。通過分析5G技術(shù)與化工行業(yè)的結(jié)合，提出針對(duì)化工行業(yè)的5G定制網(wǎng)綜合解決方案，并展示了其在實(shí)際應(yīng)用中的效果與前景。

關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng)；5G定制網(wǎng)；化工行業(yè)

引言

通過與新生技術(shù)融合互促，5G技術(shù)為石化和化工行業(yè)多個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域深入賦能，驅(qū)動(dòng)了業(yè)務(wù)創(chuàng)新、引領(lǐng)了轉(zhuǎn)型升級(jí)，促進(jìn)了數(shù)業(yè)深度融合[1]?；@區(qū)是石化化工產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要載體，是延伸發(fā)展新材料、新能源等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的重要平臺(tái)。當(dāng)前，以5G技術(shù)為代表的新一代信息通信技術(shù)賦能化工園區(qū)成效凸顯，涌現(xiàn)出一批典型場(chǎng)景和智能工廠標(biāo)桿，使化工園區(qū)走在新型工業(yè)化前列[2]。本文聚焦5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用，探討其在提升安全生產(chǎn)、實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保和提高生產(chǎn)效率等方面的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用場(chǎng)景。

1. 5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

1.1 5G技術(shù)概述

5G技術(shù)（第五代移動(dòng)通信技術(shù)）具有高速度、低時(shí)延和廣連接的特點(diǎn)，其關(guān)鍵技術(shù)包括毫米波、大規(guī)模MIMO、邊緣計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)切片等。5G高速度、低時(shí)延、廣連接的設(shè)計(jì)特性符合工業(yè)通信要求[3]。5G技術(shù)不僅提升了移動(dòng)通信的能力，還為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。毫米波技術(shù)利用高頻段的電磁波，能夠提供更高的傳輸速率和更大的帶寬。大規(guī)模MIMO（多入多出）技術(shù)通過增加天線數(shù)量，提高了通信系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。

1.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概述

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是將先進(jìn)的通信技術(shù)與工業(yè)系統(tǒng)深度融合，實(shí)現(xiàn)全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈的全面連接。通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，制造業(yè)可以實(shí)現(xiàn)智能化、綠色化和服務(wù)化轉(zhuǎn)型，提升生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低運(yùn)營(yíng)成本和資源消耗。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)包括物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等，這些技術(shù)共同構(gòu)建了一個(gè)智能化的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

2. 化工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求

2.1 行業(yè)背景與現(xiàn)狀

化工行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，業(yè)務(wù)形態(tài)分散，涉及煉油、冶金、能源、環(huán)境等多個(gè)分支。盡管規(guī)模龐大，但化工行業(yè)在生產(chǎn)過程中面臨復(fù)雜的物料物性、工藝條件和裝備要求，安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)壓力巨大。我國(guó)是世界第一化工大國(guó)，化工總產(chǎn)值占世界總量的40%[4]。據(jù)應(yīng)急管理部統(tǒng)計(jì)，截至2023年11月，全國(guó)經(jīng)認(rèn)定公布的化工園區(qū)達(dá)640余個(gè)，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)企業(yè)入園率持續(xù)提高，化工園區(qū)整治提升工作已成為防控危險(xiǎn)化學(xué)品重大安全風(fēng)險(xiǎn)、提升化工行業(yè)安全水平的重要內(nèi)容[5]。石化工業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，總體規(guī)模巨大。截至2023年底，石油化工行業(yè)規(guī)模以上企業(yè)30507家，累計(jì)實(shí)現(xiàn)營(yíng)業(yè)收入15.95萬億元。2023年，行業(yè)營(yíng)收和利潤(rùn)分別占全國(guó)工業(yè)的12%和11.4%[6]。

2.2 行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)

隨著5G技術(shù)的普及和深化應(yīng)用，其將在石油化工行業(yè)提高效能、提升效益方面發(fā)揮越來越重要的作用[7]?；ば袠I(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)主要有：物料物性、生產(chǎn)裝備、工藝復(fù)雜；監(jiān)控類場(chǎng)景多、要求高；鋼結(jié)構(gòu)屏蔽嚴(yán)重、環(huán)境要求高、防爆要求高；安全環(huán)保要求高。

隨著化工企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)的推進(jìn)發(fā)展，基于“網(wǎng)定制、邊智能、云協(xié)同、X隨選”的5G定制網(wǎng)綜合解決方案，可為化工行業(yè)客戶打造一體化定制融合服務(wù)，實(shí)現(xiàn)“云網(wǎng)一體、按需定制”。

3. 5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景

基于化工行業(yè)生產(chǎn)特點(diǎn)，化工行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的核心價(jià)值主要體現(xiàn)在三大方面：安全生產(chǎn)、綠色環(huán)保、提質(zhì)增效。

3.1 安全生產(chǎn)類場(chǎng)景

3.1.1 5G+園區(qū)危險(xiǎn)源監(jiān)管

利用5G網(wǎng)絡(luò)的高可靠性和低時(shí)延特性，對(duì)化工園區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)源進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和精準(zhǔn)處置。通過安裝在危險(xiǎn)源周圍的傳感器和攝像頭，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行智能分析和預(yù)警，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理安全隱患。例如，對(duì)于偏遠(yuǎn)區(qū)域（如樓頂、灌頂、排風(fēng)口）或環(huán)境惡劣區(qū)域（酸堿/高溫等線纜易腐蝕區(qū)域），通過化工園區(qū)新建的傳感器等采集監(jiān)控設(shè)備采用5G輕量化（5G RedCap）網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)采集接口，接入5G專網(wǎng)，通過用戶面功能（user plane function，UPF）將采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至危險(xiǎn)源監(jiān)管系統(tǒng)。

3.1.2 5G+生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集

通過5G網(wǎng)絡(luò)，將生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析和智能決策，提高生產(chǎn)管理的精確性和效率。通過對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、環(huán)境參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高生產(chǎn)效率。例如，對(duì)反應(yīng)釜的溫度、壓力、攪拌速度等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，優(yōu)化反應(yīng)條件，提高反應(yīng)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

3.1.3 5G+高危場(chǎng)景智能視頻監(jiān)控

化工行業(yè)作業(yè)地點(diǎn)經(jīng)常變動(dòng)，周圍環(huán)境也存在很多不確定性，對(duì)這些場(chǎng)景的監(jiān)控主要采用移動(dòng)的作業(yè)端和視頻監(jiān)控終端，對(duì)移動(dòng)性、帶寬和延時(shí)提出很高的要求?！?G+機(jī)器視覺”可以發(fā)揮5G高速度、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，將現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)視頻實(shí)時(shí)回傳到位于邊緣云的機(jī)器視覺分析平臺(tái)，實(shí)時(shí)分析、告警，最大限度保證人員作業(yè)安全。

3.1.4 5G+園區(qū)人員定位

利用5G網(wǎng)絡(luò)和人員定位設(shè)備，對(duì)化工園區(qū)內(nèi)的人員進(jìn)行實(shí)時(shí)定位和管理，提升安全管理水平。通過“5G+高低精度融合定位系統(tǒng)”實(shí)現(xiàn)廠區(qū)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)和多維度聯(lián)動(dòng)分析，支持人員資產(chǎn)軌跡跟蹤、電子圍欄、巡更、報(bào)警管理、視頻聯(lián)動(dòng)等功能。

3.1.5 5G+VR協(xié)助

“5G+VR”虛擬實(shí)訓(xùn)將廣泛應(yīng)用于化工行業(yè)，具體可以用于以下場(chǎng)景：（1）用于實(shí)感培訓(xùn)。針對(duì)廠區(qū)內(nèi)的設(shè)備巡檢、設(shè)備拆解、裝置開停工處置等典型場(chǎng)景進(jìn)行培訓(xùn)。（2）應(yīng)急的演練模擬。通過虛擬生成，對(duì)人們的行為動(dòng)作進(jìn)行分析，還原當(dāng)時(shí)場(chǎng)景，能最大限度地利用VR仿真系統(tǒng)開展應(yīng)急演練。

3.2 綠色環(huán)保類場(chǎng)景

3.2.1 5G+VOCs在線環(huán)境監(jiān)測(cè)

利用5G網(wǎng)絡(luò)將VOCs（揮發(fā)性有機(jī)化合物）監(jiān)測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)江h(huán)境監(jiān)測(cè)中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工企業(yè)排放的VOCs的在線監(jiān)測(cè)和管理。相對(duì)于有組織VOCs排放，石化行業(yè)無組織VOCs的排放量更大，無組織廢氣排放源主要集中在儲(chǔ)罐區(qū)及煉油段，點(diǎn)位多、監(jiān)測(cè)困難，且有移動(dòng)性巡檢需求，5G技術(shù)成為更好的傳輸方案。

3.2.2 5G+數(shù)據(jù)采集

化工園區(qū)DCS（分布式控制系統(tǒng)）等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，以及各類塔器、加熱爐、反應(yīng)器、管廊管道的各種傳感器設(shè)備，通過5G RedCap（輕量終端稿）網(wǎng)關(guān)或5G LoRa網(wǎng)關(guān)（終端和服務(wù)器間的信息橋梁）接入5G定制專網(wǎng)，數(shù)據(jù)通過UPF轉(zhuǎn)發(fā)至化工物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，對(duì)接到相應(yīng)的生產(chǎn)系統(tǒng)。

3.3 提質(zhì)增效類場(chǎng)景

3.3.1 5G+智能巡檢

通過在生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程中布置傳感器和攝像頭，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，進(jìn)行智能分析和優(yōu)化，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。例如，利用無人機(jī)、機(jī)器人等智能終端，對(duì)儲(chǔ)罐、管線、產(chǎn)區(qū)作業(yè)設(shè)備、配電房等進(jìn)行巡視檢查（無人機(jī)飛行高度一般在15米以下）。內(nèi)容包括管線及相關(guān)設(shè)備的損壞、受腐蝕情況、使用年限是否超期；監(jiān)測(cè)空氣中氣體濃度變化，迅速探測(cè)有無管道泄漏等。智能巡檢機(jī)器人單設(shè)備視頻回傳帶寬至少150Mbps，對(duì)于上行要求較高，尤其是多臺(tái)巡檢機(jī)器人同時(shí)運(yùn)行時(shí)對(duì)于上行帶寬要求更高。

3.3.2 5G+AR協(xié)助

基于5G網(wǎng)絡(luò)高速度、低時(shí)延的優(yōu)勢(shì)，配合頭戴式輕量AR設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互式指導(dǎo)，在解放雙手的同時(shí)快速熟悉和適配工作任務(wù)。由于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延特性，不僅提升了傳輸畫面的清晰度，還消除了維護(hù)人員在穿戴AR設(shè)備時(shí)的眩暈感。

3.3.3 5G+自然導(dǎo)航AGV

利用帶5G模組的AGV（自動(dòng)導(dǎo)航車）小車接入5G網(wǎng)絡(luò)，借助5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、廣覆蓋和高可靠低時(shí)延通信等特性，在5G工業(yè)邊緣云MEC側(cè)統(tǒng)一處理位置任務(wù)信息管理和協(xié)同調(diào)度，實(shí)現(xiàn)化工非危化品倉(cāng)庫(kù)自動(dòng)倉(cāng)儲(chǔ)物流，可大幅提高生產(chǎn)效率和倉(cāng)庫(kù)周轉(zhuǎn)率。

4. 5G定制網(wǎng)綜合解決方案設(shè)計(jì)

4.1 解決方案設(shè)計(jì)理念

5G定制網(wǎng)解決方案的設(shè)計(jì)理念是根據(jù)化工行業(yè)的實(shí)際需求，提供端到端的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和技術(shù)支持。解決方案不僅包括基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建設(shè)，還涵蓋應(yīng)用場(chǎng)景的具體需求，確保5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用效果。具體實(shí)施方案如圖1所示。

4.2 端到端解決方案

5G定制網(wǎng)的端到端解決方案包括網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備選型、系統(tǒng)集成、應(yīng)用開發(fā)和運(yùn)維管理等環(huán)節(jié)。通過與化工企業(yè)的深度合作，量身定制適合其生產(chǎn)特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)方案，確保5G定制網(wǎng)的高效運(yùn)行和持續(xù)優(yōu)化。

5. 5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用與效果

5.1 應(yīng)用案例

通過具體案例的分析，驗(yàn)證了5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用效果。目前，5G定制網(wǎng)已經(jīng)在連云港石化[8]、東營(yíng)港化工園區(qū)[9]投入使用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)危險(xiǎn)源的實(shí)時(shí)監(jiān)控和應(yīng)急響應(yīng)，有效降低了安全事故的發(fā)生率。此外，通過5G網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測(cè)和能耗管理，園區(qū)還實(shí)現(xiàn)了綠色生產(chǎn)和節(jié)能減排。

5.2 效果分析

通過對(duì)應(yīng)用案例的效果分析，可以看出5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用效果顯著。本文基于5G定制專網(wǎng)切片業(yè)務(wù)驗(yàn)證和落地，進(jìn)一步推進(jìn)切片技術(shù)的成熟和應(yīng)用，充分利用5G技術(shù)的特性，與MEC、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、AI等技術(shù)相結(jié)合，應(yīng)用于化工行業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域，完成5G環(huán)境下工廠設(shè)備智能互聯(lián)、數(shù)據(jù)智慧協(xié)同、安全智能監(jiān)管以及創(chuàng)新智慧應(yīng)用。然而，5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。例如，5G網(wǎng)絡(luò)的部署成本較高，對(duì)于一些中小型化工企業(yè)來說，資金壓力較大。此外，5G技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性仍需進(jìn)一步提升，以滿足化工行業(yè)對(duì)高可靠性和高安全性的要求。

結(jié)語

本文通過對(duì)5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)應(yīng)用的研究，發(fā)現(xiàn)5G技術(shù)在提升安全生產(chǎn)中能采取“5G+園區(qū)危險(xiǎn)源監(jiān)管”“5G+生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集”“5G+高危場(chǎng)景智能視頻監(jiān)控”等多項(xiàng)技術(shù)，為達(dá)到綠色環(huán)保采取“5G+VOCs在線環(huán)境監(jiān)測(cè)”“5G+數(shù)據(jù)采集”技術(shù)，提高生產(chǎn)效率采取“5G+智能巡檢”“5G+自然導(dǎo)航AGV”等方式得以實(shí)現(xiàn)。通過具體案例的分析，驗(yàn)證了5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用效果。然而，5G定制網(wǎng)在化工行業(yè)的推廣和應(yīng)用仍面臨一定的挑戰(zhàn)，需要持續(xù)的技術(shù)創(chuàng)新和政策支持。未來，隨著5G技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用場(chǎng)景的不斷拓展，5G定制網(wǎng)將在化工行業(yè)發(fā)揮更大的作用。建議進(jìn)一步加強(qiáng)5G技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度融合，以推動(dòng)化工行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和智能化升級(jí)。同時(shí)，政府應(yīng)加大對(duì)5G定制網(wǎng)建設(shè)的政策支持力度，鼓勵(lì)企業(yè)加大5G技術(shù)應(yīng)用的投資力度，共同推動(dòng)化工行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：孫琳躒，本科在讀，462241037@qq.com，研究方向：互聯(lián)網(wǎng)。