5G+物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用

摘 要：隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)型企業(yè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集方式存在成本高、效率低、管理難度大等問題，已無法滿足企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型的需求。在當(dāng)今5G技術(shù)商用化與普及的背景下，通過為企業(yè)部署5G專網(wǎng)，配合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，能夠?qū)F(xiàn)場采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至后臺(tái)，幫助管理人員更全面、及時(shí)地掌握生產(chǎn)情況，從而有針對(duì)性地部署相應(yīng)管理工作，提升生產(chǎn)效率，降低運(yùn)營成本，進(jìn)而滿足企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求。

關(guān)鍵詞：5G；物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)生產(chǎn)；數(shù)據(jù)采集；智能制造；數(shù)字化

中圖分類號(hào)：TP319 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，越來越多的設(shè)備被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的人工獲取設(shè)備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方式不僅成本高、效率低，而且容易出錯(cuò)。針對(duì)此種情況，企業(yè)需要努力實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而數(shù)字化生產(chǎn)的核心和基礎(chǔ)就是應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的萬物互聯(lián)[2]。通過5G與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，能夠更高效準(zhǔn)確地獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高設(shè)備綜合運(yùn)行的效率，促進(jìn)企業(yè)提質(zhì)、降本、增效，推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈上下游的優(yōu)化升級(jí)和創(chuàng)新轉(zhuǎn)型[3]。

1 制造型企業(yè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

制造型企業(yè)的數(shù)據(jù)采集主要面臨以下2種情況：

（1）在一部分企業(yè)的車間中，仍然通過人工記錄的紙質(zhì)版數(shù)據(jù)或是導(dǎo)出的電子版文檔來獲取數(shù)據(jù)，不僅增加了現(xiàn)場員工的工作量，而且增加了數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間[4]。

（2）在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的企業(yè)中，車間主要采用有線和無線2種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。有線數(shù)據(jù)傳輸方式的弊端在于：如果設(shè)備數(shù)量較多，則現(xiàn)場線路較難維護(hù)與管理；而無線傳輸則大多依賴于WiFi或4G技術(shù)來實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器。然而，無線傳輸方式往往會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)延遲、數(shù)據(jù)包丟失以及設(shè)備連接數(shù)量上限等問題的制約，從而影響用戶體驗(yàn)。

考慮到上述情況，本文利用5G+物聯(lián)網(wǎng)的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，這對(duì)于制造型企業(yè)而言可以很好地解決相關(guān)問題。5G技術(shù)不但能夠?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)內(nèi)用戶提供所必需的有效資源，而且還能確保各節(jié)點(diǎn)信息關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹5]。

2 5G的應(yīng)用場景及重要技術(shù)

2.1 5G的三大應(yīng)用場景

（1）增強(qiáng)移動(dòng)帶寬（enhanced Mobile Broadband， eMBB）：提供無縫的連續(xù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，確保用戶移動(dòng)過程中的網(wǎng)絡(luò)接入和業(yè)務(wù)連續(xù)性。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，滿足用戶及設(shè)備的高流量需求。

（2）海量機(jī)器類通信（massive Machine Type of Communication， mMTC）：面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，支持一張網(wǎng)絡(luò)同時(shí)容納海量設(shè)備，使得車間內(nèi)的設(shè)備可同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信和數(shù)據(jù)傳輸。

（3）高可靠低時(shí)延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications， uRLLC）：最低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可達(dá)到1 ms。此外，5G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中引入了邊緣計(jì)算技術(shù)，進(jìn)一步減小了因數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬限制而產(chǎn)生的延時(shí)[6]，可滿足車間設(shè)備數(shù)據(jù)的低時(shí)延傳輸，確保數(shù)據(jù)的快速獲取。

2.2 5G切片技術(shù)

在傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡(luò)中，不同的業(yè)務(wù)共享一張網(wǎng)絡(luò)，缺乏優(yōu)先級(jí)排序，導(dǎo)致重要業(yè)務(wù)無法得到保障。而5G切片技術(shù)，將單一的物理網(wǎng)絡(luò)分化為多個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)之間都能形成獨(dú)立的應(yīng)用控制模式，分化的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障不會(huì)對(duì)其他網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)產(chǎn)生影響[7]。

5G網(wǎng)絡(luò)切片即根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來切出不同功能的網(wǎng)絡(luò)模塊，并應(yīng)用于不同的場景（eMBB、mMTC、uRLLC）。網(wǎng)絡(luò)切片間相互獨(dú)立，通過網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議定制，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)場景匹配相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能[8]，當(dāng)某一個(gè)切片中出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障時(shí)，不會(huì)影響其他切片。同時(shí)，不同功能的網(wǎng)絡(luò)面向不同的需求和服務(wù)。在制造業(yè)中數(shù)量龐大的智能電表和需要快速反應(yīng)的車聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用場景內(nèi)，通過不同的網(wǎng)絡(luò)切片能實(shí)現(xiàn)端到端的質(zhì)量保障，從而顯著提升用戶的體驗(yàn)。因此，5G網(wǎng)絡(luò)切片是實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、靈活和高效網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)之一[9]。

在4G網(wǎng)絡(luò)中，所有業(yè)務(wù)共享同一條網(wǎng)絡(luò)通道，這會(huì)導(dǎo)致業(yè)務(wù)間的相互競爭和資源擠兌。而5G網(wǎng)絡(luò)是把各網(wǎng)絡(luò)功能解耦、打散，以切片的方式重新組合出符合不同需求的多張邏輯網(wǎng)絡(luò)。

2.3 5G專網(wǎng)類型

2.3.1 核心網(wǎng)元介紹

用戶面功能（User Plane Function， UPF）：負(fù)責(zé)5G核心網(wǎng)中用戶平面數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。核心網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)必須由UPF轉(zhuǎn)發(fā)，才能流向外部網(wǎng)絡(luò)。UPF下沉到客戶網(wǎng)絡(luò)邊緣保障了低時(shí)延傳輸，能夠緩解核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力，從而提高網(wǎng)絡(luò)處理數(shù)據(jù)的效率。

會(huì)話管理功能（Session Management Function， SMF）：是5G基于服務(wù)架構(gòu)的一個(gè)功能單元，它負(fù)責(zé)與分離的數(shù)據(jù)面交互，創(chuàng)建、更新和刪除PDU會(huì)話，并管理與UPF之間的會(huì)話環(huán)境。

接入和移動(dòng)性管理功能（Access and Mobility Management Function， AMF）：執(zhí)行注冊(cè)、接入管理、可達(dá)性和移動(dòng)性管理，在用戶接入時(shí)提供認(rèn)證、鑒權(quán)功能，并作為終端與無線接入網(wǎng)之間的核心網(wǎng)控制面接入點(diǎn)。

2.3.2 5G混合專網(wǎng)

將部分5G網(wǎng)絡(luò)從公網(wǎng)基站中隔離出來充當(dāng)企業(yè)專用的內(nèi)網(wǎng)，這部分網(wǎng)絡(luò)與公共網(wǎng)絡(luò)相互獨(dú)立，互不影響?？蛻艨梢該碛袑俚腢PF設(shè)備，部署靈活且預(yù)算低，可確保數(shù)據(jù)不會(huì)流出園區(qū)，適用于交通物流、港口碼頭、高端景區(qū)、大型企業(yè)分支機(jī)構(gòu)、城市安防以及大部分制造型企業(yè)。5G混合專網(wǎng)如圖1所示。

2.3.3 5G獨(dú)立專網(wǎng)

客戶擁有專屬的AMF、SMF、UPF設(shè)備以及企業(yè)專用的5G內(nèi)網(wǎng)，可確保信號(hào)無死角覆蓋，保障生產(chǎn)不中斷，提供了上下行配比的專業(yè)優(yōu)化以及載波聚合技術(shù)，特別適用于礦井、油田、碼頭、核電站、高端制造等領(lǐng)域。5G獨(dú)立專網(wǎng)如圖2所示。

5G混合專網(wǎng)和5G獨(dú)立專網(wǎng)這2種方案，面向制造型企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集和傳輸需求，能夠有效解決以往數(shù)據(jù)采集過程中存在的丟包、斷聯(lián)、卡頓、數(shù)據(jù)丟失等問題，為客戶的生產(chǎn)提供了強(qiáng)大保障，尤其是5G混合專網(wǎng)在制造型企業(yè)中使用得更加廣泛。

3 5G+物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集方面的應(yīng)用

3.1 基于5G+物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

重點(diǎn)設(shè)備：生產(chǎn)設(shè)備、5G CPE、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G專網(wǎng)、MEC邊緣服務(wù)器。

將產(chǎn)線的生產(chǎn)設(shè)備連接至工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過5G CPE（搭載5G物聯(lián)網(wǎng)卡）快速采集數(shù)據(jù)，并在生產(chǎn)端部署MEC邊緣云計(jì)算裝備，節(jié)省了以往從現(xiàn)場傳輸至客戶端機(jī)房的模式下所消耗的時(shí)間。通過園區(qū)內(nèi)的5G專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至邊緣云，能夠更加快速、便捷地在云端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲(chǔ)等工作，如圖3、圖4所示。

3.2 設(shè)備聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的意義

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了實(shí)時(shí)掌握水、電、氣的使用情況，安裝智能水表、電表等設(shè)備，通過5G網(wǎng)關(guān)傳輸和分析數(shù)據(jù)，獲得設(shè)備的實(shí)時(shí)使用情況，以此更好地了解車間生產(chǎn)的能耗數(shù)據(jù)。

3.2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的設(shè)備效率涵蓋了機(jī)臺(tái)稼動(dòng)率、機(jī)臺(tái)拋料率以及故障統(tǒng)計(jì)等關(guān)鍵指標(biāo)，這些指標(biāo)有助于我們了解生產(chǎn)產(chǎn)品的價(jià)值以及伴隨生產(chǎn)過程產(chǎn)生的浪費(fèi)情況。通過記錄機(jī)臺(tái)的故障狀態(tài)、進(jìn)行故障排名以及計(jì)算機(jī)臺(tái)故障的平均恢復(fù)時(shí)長，可以更精準(zhǔn)地安排生產(chǎn)進(jìn)程，更科學(xué)地調(diào)配人員開展相關(guān)工作。

3.2.3 看板管理

將產(chǎn)線相關(guān)的設(shè)備以及公輔設(shè)備進(jìn)行5G聯(lián)網(wǎng)后，可配置生產(chǎn)總覽、產(chǎn)線看板、機(jī)臺(tái)看板等相關(guān)顯示大屏，實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場生產(chǎn)情況。

3.3 實(shí)現(xiàn)效果

3.3.1 設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控

通過設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺(tái)，提供設(shè)備接入、狀態(tài)感知、故障告警、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)分析等應(yīng)用服務(wù)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備全生命周期監(jiān)控管理，協(xié)助企業(yè)實(shí)現(xiàn)“節(jié)能降本，提質(zhì)增效”的運(yùn)營目標(biāo)。

3.3.2 裝備全生命周期數(shù)字化運(yùn)維

基于設(shè)備TPM全員生產(chǎn)維護(hù)體系的理念，提供針對(duì)設(shè)備及配件的全生命周期數(shù)字化智能運(yùn)維服務(wù)，報(bào)修人員、維修人員、管理人員從不同的視角通過Web或APP落實(shí)各自關(guān)切點(diǎn)，提升全生命周期的運(yùn)維管理效率。

3.3.3 全流程閉環(huán)管理

通過5G+物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場重要數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、實(shí)時(shí)傳輸、實(shí)時(shí)分析及存儲(chǔ)，可形成工廠全流程移動(dòng)化閉環(huán)管理，避免資源浪費(fèi)，提升設(shè)備的全生命周期運(yùn)維效率，降低設(shè)備的運(yùn)維管理成本。

4 結(jié) 語

在工廠生產(chǎn)車間通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，可有效提升設(shè)備數(shù)據(jù)的采集速率和準(zhǔn)確性。通過實(shí)時(shí)采集設(shè)備數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持久化存儲(chǔ)和可視化操作，便于管理人員對(duì)車間狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)掌握，為后續(xù)設(shè)備狀態(tài)的大數(shù)據(jù)預(yù)測性分析提供可靠支持[10]，滿足企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，助力企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介：趙 宇（1993—），男，陜西西安人，碩士，就職于南方電網(wǎng)數(shù)字企業(yè)科技（廣東）有限公司，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)、云計(jì)算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

收稿日期：2023-11-02 修回日期：2023-12-04