楊志偉

（1.中國(guó)信息通信研究院產(chǎn)業(yè)與規(guī)劃所，北京 100191；2.廣州泰爾智信科技有限公司，廣州 510030）

0 引言

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）和車(chē)聯(lián)網(wǎng)（Internet of Vehicles，IoV）等新型范例的出現(xiàn)，越來(lái)越多的設(shè)備接入到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)接入數(shù)量和密度都指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，4G的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)很難承載目前各種業(yè)務(wù)的需求。而5G網(wǎng)絡(luò)具有超低時(shí)延、超高帶寬、超大連接等特點(diǎn)，其針對(duì)增強(qiáng)型移動(dòng)寬帶（Enhanced Mobile Broadbande，eMBB）、高可靠低時(shí)延通信（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）、大規(guī)模機(jī)器通信（Massive Machine Type of Communication，mMTC）等三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景[1]，將開(kāi)啟一個(gè)萬(wàn)物互通互聯(lián)、人機(jī)深度交互的新時(shí)代[2]。5G技術(shù)的一些潛在應(yīng)用場(chǎng)景如表1所示。

表1 5G的潛在應(yīng)用場(chǎng)景

隨著工廠(chǎng)智能化轉(zhuǎn)型的推進(jìn)，面對(duì)復(fù)雜的工業(yè)互聯(lián)需求，需要適應(yīng)不同的工業(yè)場(chǎng)景：遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景；支撐工業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程中系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性的諸多指標(biāo)和要求；大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求。

5G技術(shù)所針對(duì)的三大業(yè)務(wù)場(chǎng)景能支持不同的工業(yè)場(chǎng)景需求。eMBB支撐起生產(chǎn)視頻監(jiān)控、視頻會(huì)議等高帶寬的應(yīng)用場(chǎng)景；uRLLC將網(wǎng)絡(luò)等待時(shí)間的目標(biāo)壓低到1毫秒以下，以支撐工業(yè)自動(dòng)化控制過(guò)程中系統(tǒng)和設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性的諸多指標(biāo)和要求；mMTC能滿(mǎn)足生產(chǎn)過(guò)程的大量低功耗嵌入式終端的數(shù)據(jù)連接與傳輸需求。

為了滿(mǎn)足智能工廠(chǎng)中不同工業(yè)場(chǎng)景的不同特征，需要使用各種技術(shù)手段以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架高水平的智能性和靈活性，基帶功能分割技術(shù)是其中之一[3]。而為了實(shí)現(xiàn)靈活的基帶功能分割，需要解決計(jì)算資源的準(zhǔn)備和分配這兩個(gè)問(wèn)題，即，一是在隨機(jī)服務(wù)請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)之前，根據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的特征和對(duì)服務(wù)請(qǐng)求的預(yù)測(cè)，在每個(gè)處理池處確定不同虛擬功能模塊的計(jì)算資源；二是在計(jì)算資源的確定以及隨機(jī)服務(wù)請(qǐng)求的實(shí)現(xiàn)之后，利用服務(wù)鏈技術(shù)引導(dǎo)無(wú)線(xiàn)信號(hào)在具有不同計(jì)算資源的處理池節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行信號(hào)處理。以往的研究集中于計(jì)算資源的分配問(wèn)題[4、5]，本文將先討論以計(jì)算資源的準(zhǔn)備和分配的建模與求解為主要內(nèi)容的總體方案，而后給出智能工廠(chǎng)5G技術(shù)應(yīng)用的具體方案。

1 總體方案

在確定智能工廠(chǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用細(xì)節(jié)之前，需要先從總體上求解網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算資源的準(zhǔn)備和分配問(wèn)題。建模和求解思路如下。

（1）以處理池為節(jié)點(diǎn)、處理池之間的網(wǎng)絡(luò)連接為邊，以計(jì)算資源為節(jié)點(diǎn)的權(quán)重、鏈路帶寬為邊的權(quán)重，將原問(wèn)題建模成加權(quán)連通圖G（V，E）。

（2）在隨機(jī)服務(wù)請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)之后，建立以最小化網(wǎng)絡(luò)阻塞率為目標(biāo)，以計(jì)算資源、帶寬資源、業(yè)務(wù)的時(shí)延需求為約束，以服務(wù)請(qǐng)求的不同功能模塊的節(jié)點(diǎn)部署為決策變量的0-1規(guī)劃問(wèn)題，用遺傳算法[6]進(jìn)行求解。

（3）在隨機(jī)服務(wù)請(qǐng)求實(shí)現(xiàn)之前，建立以最小化計(jì)算資源成本和網(wǎng)絡(luò)阻塞成本為目標(biāo)，以每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的計(jì)算資源為決策變量的數(shù)學(xué)模型，用最速下降法進(jìn)行求解。

（4）求解包含（2）、（3）的兩階段隨機(jī)規(guī)劃模型，得到每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的最優(yōu)計(jì)算資源量以及不同服務(wù)請(qǐng)求情形下的最優(yōu)計(jì)算分配。

圖1 計(jì)算資源準(zhǔn)備和分配的建模與求解思路

求解出計(jì)算資源的準(zhǔn)備和分配的總體方案后，可以根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)細(xì)節(jié)確定其在智能工廠(chǎng)中軟硬件部署的應(yīng)用方案。

2 應(yīng)用方案

根據(jù)上述研究成果，進(jìn)一步為智能工廠(chǎng)的建設(shè)中應(yīng)用5G技術(shù)提出了一個(gè)具體的方案。

該方案通對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備進(jìn)行有線(xiàn)變無(wú)線(xiàn)的改造，為建設(shè)基于無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò)的生產(chǎn)線(xiàn)及車(chē)間監(jiān)測(cè)，將生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)據(jù)對(duì)接至其制造執(zhí)行（Manufacturing Execution System，MES）系統(tǒng)，進(jìn)行分析展示，為廠(chǎng)內(nèi)生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)情況提供實(shí)時(shí)信息，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊實(shí)時(shí)回傳數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

通過(guò)5G+移動(dòng)邊緣計(jì)算（Mobile Edge Computing，MEC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)eMBB及mMTC通道的切片，在云端部署總體管理平臺(tái)，在本地部署監(jiān)控平臺(tái)，在邊緣側(cè)部署MEC模塊。

對(duì)接后的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（Supervisory Control And Data Acquisition，SCADA）設(shè)備儀器儀表運(yùn)行狀態(tài)視頻監(jiān)測(cè)模塊涵蓋了音視頻識(shí)別技術(shù)等，可定時(shí)，定點(diǎn)，定路徑巡檢。巡檢過(guò)程中，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)回傳實(shí)時(shí)高清巡檢畫(huà)面、設(shè)備信息、環(huán)境信息等，系統(tǒng)通過(guò)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行人工智能分析判斷廠(chǎng)區(qū)設(shè)備或環(huán)境是否存在異常。

本方案利用5G技術(shù)的高速率、低時(shí)延、高可靠、網(wǎng)絡(luò)切片和移動(dòng)邊緣計(jì)算等特性，與人工智能技術(shù)進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，創(chuàng)造出基于5G的智能巡檢業(yè)務(wù)，可大幅提升工廠(chǎng)內(nèi)的巡檢效率。通過(guò)5G的低時(shí)延高可靠特性可大大提高對(duì)視頻識(shí)別實(shí)時(shí)性和可靠性，從而可利用機(jī)器人對(duì)廠(chǎng)區(qū)進(jìn)行有效的自動(dòng)巡檢。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)圖

2.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

通過(guò)儀表監(jiān)控及識(shí)別系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊和生產(chǎn)線(xiàn)外部的無(wú)線(xiàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)回傳，保障生產(chǎn)線(xiàn)回傳數(shù)據(jù)的穩(wěn)定可靠性；同時(shí)應(yīng)在不影響生產(chǎn)線(xiàn)設(shè)備工作的前提下接入中一藥業(yè)工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，保障各數(shù)據(jù)回傳的實(shí)時(shí)性有效性。

圖3 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

通過(guò)5G切片+MEC支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，在儀表識(shí)別、工業(yè)控制方面使用切片共享MEC。

2.2 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)

工業(yè)生產(chǎn)線(xiàn)在線(xiàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)字化處理系統(tǒng)主要由圖像采集裝置、圖像發(fā)射與接受裝置、圖像處理部分以及客戶(hù)端等部分組成。

表盤(pán)圖像的采集選擇的是探頭攝像頭或工業(yè)相機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)全天候的圖像采集功能，采用高清720P/1080P畫(huà)質(zhì)，視頻線(xiàn)選擇6類(lèi)的全銅網(wǎng)線(xiàn)，保證傳輸圖像不受干擾及高清畫(huà)面；生產(chǎn)線(xiàn)儀表數(shù)據(jù)讀取及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，主要有儀表信息狀態(tài)、清晰度、讀數(shù)等檢測(cè)；攝像頭數(shù)據(jù)完整性，以日歷格式進(jìn)行數(shù)據(jù)完整度統(tǒng)計(jì)情況，將以圓點(diǎn)的大小及時(shí)方便了解此生產(chǎn)線(xiàn)的運(yùn)行情況。

圖4 實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)檢測(cè)

2.3 實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程管理

搭建用戶(hù)實(shí)際攝像機(jī)分布區(qū)域，支持自定義廠(chǎng)區(qū)、位置示意圖，通過(guò)豐富直觀的圖形化界面，形成一目了然的統(tǒng)計(jì)信息，對(duì)于每層分區(qū)生產(chǎn)線(xiàn)，可以直觀的查看攝像頭的具體位置，以及設(shè)備的狀態(tài)及告警信息，構(gòu)建區(qū)域視頻集中管理，提供可視化管理平臺(tái)，即可快速查看某個(gè)區(qū)域發(fā)生了異常，進(jìn)行快速定位。

區(qū)域攝像機(jī)設(shè)備狀態(tài)診斷，性能指標(biāo)、鏈路狀態(tài)、上聯(lián)設(shè)備、位置、管理人等情況進(jìn)行全面展現(xiàn)。及時(shí)通過(guò)模板閾值策略，預(yù)置設(shè)備的告警情況。通過(guò)開(kāi)放的視頻設(shè)備關(guān)聯(lián)平臺(tái)，查看攝像機(jī)實(shí)時(shí)畫(huà)面，針對(duì)與攝像機(jī)相關(guān)的視頻設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)建關(guān)聯(lián)圖，直觀體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接結(jié)構(gòu)圖。

圖5 實(shí)時(shí)生產(chǎn)過(guò)程管理

3 結(jié)束語(yǔ)

在未來(lái)的“智能工廠(chǎng)中，機(jī)器人、AGV起到日益重要的作用。在具體的生產(chǎn)過(guò)程中，要求這些智能設(shè)備間實(shí)現(xiàn)“密切協(xié)同”以及“無(wú)碰撞作業(yè)”，需要以無(wú)線(xiàn)方式，低時(shí)延、高可靠的進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，以大幅提升制造業(yè)效率。

圖6 5G與智能工廠(chǎng)：未來(lái)愿景

與傳統(tǒng)生產(chǎn)不同，在智能工廠(chǎng)建設(shè)中不僅需要用到網(wǎng)絡(luò)，而且需要出色的網(wǎng)絡(luò)支持。在智能工廠(chǎng)中將會(huì)應(yīng)用到大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、需要對(duì)接到云計(jì)算平臺(tái)、需要具備大數(shù)據(jù)處理能力。5G技術(shù)在低時(shí)延、工廠(chǎng)應(yīng)用的高密度海量連接、可靠性、以及網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)性管理等方面具備顯著優(yōu)勢(shì)，為移動(dòng)設(shè)備的數(shù)據(jù)穩(wěn)定傳輸提供了強(qiáng)有力的保障，打破了傳統(tǒng)工業(yè)有線(xiàn)傳輸?shù)慕d。本文對(duì)智能工廠(chǎng)中5G網(wǎng)絡(luò)基帶功能服務(wù)鏈的計(jì)算資源準(zhǔn)備及分配給出了建模和求解的總體思路，并提出了具體的應(yīng)用方案，旨在幫助企業(yè)用好5G技術(shù)，真正實(shí)現(xiàn)信息化和工業(yè)化的深度融合。