陳巍崴

一、大制造領(lǐng)域?yàn)?G深度應(yīng)用提供最佳實(shí)踐場(chǎng)景

5G是萬物互聯(lián)的新引擎，也是支撐制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型重要基礎(chǔ)設(shè)施。大型制造業(yè)的無線智慧應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、時(shí)延、帶寬、數(shù)據(jù)保密性、網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等要求均高于公共網(wǎng)。通過對(duì)制造過程中海量終端設(shè)備、應(yīng)用、業(yè)態(tài)聯(lián)網(wǎng)采集、分析處理，能夠有效地預(yù)測(cè)和指導(dǎo)生產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)智慧制造。設(shè)備運(yùn)維和遠(yuǎn)程診斷、人機(jī)協(xié)同單兵智能管理、鐵運(yùn)機(jī)車自動(dòng)控制、多點(diǎn)遠(yuǎn)程集中司磅、能源管線無人化巡邏、滑移裝卸機(jī)遠(yuǎn)程操控等各類應(yīng)用迫切要求與無線網(wǎng)絡(luò)高速貫通。5G技術(shù)解決了上述重工業(yè)、大面積、高危險(xiǎn)、連續(xù)控制的工業(yè)制造場(chǎng)景中——應(yīng)用終端離散分布、有線敷設(shè)難度大、終端移動(dòng)化、工業(yè)控制實(shí)時(shí)性要求高的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)問題，為智慧制造注入強(qiáng)大發(fā)展動(dòng)力。從業(yè)務(wù)應(yīng)用、網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)安全等多方面綜合考慮，大型制造企業(yè)對(duì)于建設(shè)專用無線5G通信網(wǎng)絡(luò)具有如下驅(qū)動(dòng)特征：

1. 覆蓋場(chǎng)景多樣化。工業(yè)控制場(chǎng)景要求的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延可達(dá)到毫秒級(jí)別;AR/VR視頻類場(chǎng)景需要保障高帶寬、高吞吐量;礦山的場(chǎng)景中，地下挖掘作業(yè)環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力需要深達(dá)數(shù)百米，地面人員及運(yùn)煤車輛調(diào)配場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)則需要有較強(qiáng)的移動(dòng)切換能力，需要一套可以靈活滿足洗煤廠、辦公樓、綜采面、掘進(jìn)面等多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景的專網(wǎng)解決方案。

2.網(wǎng)絡(luò)部署局域化。工業(yè)企業(yè)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)覆蓋聚焦在局部區(qū)域，例如在智能港口領(lǐng)域，港口的地理位置偏遠(yuǎn)，占地面積廣，需要對(duì)吊車作業(yè)區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性的網(wǎng)絡(luò)覆蓋與優(yōu)化。同時(shí)港口作業(yè)效率是關(guān)鍵，岸橋裝卸區(qū)和堆場(chǎng)區(qū)的遠(yuǎn)程作業(yè)對(duì)于無線網(wǎng)絡(luò)時(shí)延要求極為苛刻，而公網(wǎng)發(fā)生斷連、擁塞會(huì)對(duì)港口的生產(chǎn)帶來影響。通過在園區(qū)范圍內(nèi)部署專網(wǎng)對(duì)所有生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)覆蓋、保障園區(qū)數(shù)據(jù)安全、降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，提高港口的調(diào)度能力及運(yùn)輸效率。

3.網(wǎng)元資源定制化。大型制造企業(yè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性、隔離性、安全性要求高，需要保證工業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)、對(duì)廠區(qū)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化管控，在安全隔離要求極高的情況下，需要將無線基站、核心網(wǎng)控制面及用戶面網(wǎng)元全套部署在生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)。

4. 網(wǎng)絡(luò)性能可配置。大型制造企業(yè)專網(wǎng)需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能靈活化配置，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)通信擁塞時(shí)會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失、調(diào)度失靈等生產(chǎn)設(shè)備事故，可自行將時(shí)延、帶寬、可靠性等重要網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行配置，保障調(diào)度指令及時(shí)傳達(dá)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)、避免網(wǎng)絡(luò)擁塞帶來的調(diào)度失靈。

5.網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維可管可控。大型制造企業(yè)對(duì)其制造專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、終端設(shè)備、數(shù)據(jù)流量等運(yùn)行信息有自管自控及可視化管理的需求。需要自行對(duì)終端、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、防火墻運(yùn)行狀態(tài)信息、設(shè)備活躍度等實(shí)時(shí)監(jiān)控，預(yù)報(bào)自身的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)效率、能耗分布等。

6. 現(xiàn)有系統(tǒng)平滑對(duì)接。考慮與企業(yè)現(xiàn)有制造IT/CT系統(tǒng)的兼容性以及可擴(kuò)展性，在保障異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)安全隔離的情況下，強(qiáng)化數(shù)據(jù)共享，消除信息孤島，極大促進(jìn)園區(qū)內(nèi)的綜合信息系統(tǒng)運(yùn)維成本壓控，為制造、管理各類信息系統(tǒng)高效協(xié)同、各自運(yùn)行提供效率保障。

二、特大制造企業(yè)專有5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)目標(biāo)及組網(wǎng)方案

5G專網(wǎng)可根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景定制設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、安全隔離度、網(wǎng)絡(luò)可靠性、網(wǎng)絡(luò)帶寬、上下行配比、峰值速率等重點(diǎn)因素的差異化能力。目前，5G專網(wǎng)建設(shè)包括：5G虛擬專網(wǎng)、5G+MEC網(wǎng)元下沉、5GC 核心專網(wǎng)三種方式：

綜上所述，為應(yīng)對(duì)離散、海量、移動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)通信控制終端，承載上述終端間、終端與平臺(tái)間的大流量、高并發(fā)數(shù)據(jù)交互，從滿足采集分析類需求，到逐步滿足工業(yè)控制類需求，選擇自建企業(yè)獨(dú)立專享的5G核心網(wǎng)，與運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)從基站、承載網(wǎng)、核心網(wǎng)上物理隔離，方可實(shí)現(xiàn)各類應(yīng)用業(yè)態(tài)的集約化、高效性、可擴(kuò)展管理要求。

建設(shè)企業(yè)獨(dú)立5G核心網(wǎng)目標(biāo)：

1.本地?cái)?shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)時(shí)延≤20ms，滿足10萬用戶數(shù)、20Gbps吞吐量規(guī)模。室外宏基站參考信號(hào)接收功率（RSRP）≥-105dBm、信號(hào)與干擾加噪聲比（SINR）≥-3dB。2.具備數(shù)據(jù)本地分流卸載、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)近端處理、低時(shí)延數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、終端統(tǒng)一鑒權(quán)認(rèn)證等功能，滿足企業(yè)數(shù)據(jù)安全私密性、數(shù)據(jù)分析時(shí)效性、遠(yuǎn)程控制與協(xié)作、終端接入安全要求。3.支持運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)智能終端與主干網(wǎng)多網(wǎng)之間的安全隔離與受控通信。4.實(shí)現(xiàn)移動(dòng)應(yīng)用終端從4G網(wǎng)絡(luò)升級(jí)切換至5G網(wǎng)絡(luò)，由公網(wǎng)變專網(wǎng)。5.引導(dǎo)支撐5G+應(yīng)用場(chǎng)景落地。實(shí)現(xiàn)制造基地“生產(chǎn)、設(shè)備、物流、能環(huán)、安全”等核心要素即時(shí)感知、傳遞、可視、管理。

企業(yè)獨(dú)立5G核心網(wǎng)建設(shè)方案簡(jiǎn)述：

企業(yè)5G獨(dú)立專網(wǎng)采用核心網(wǎng)整體下沉建設(shè)方式， 5G獨(dú)立核心專網(wǎng)中的網(wǎng)絡(luò)切片、邊緣計(jì)算、NFV/SDN可以實(shí)現(xiàn)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)靈活部署行業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景化，并與現(xiàn)有IT系統(tǒng)兼容互通。

企業(yè)園區(qū)內(nèi)部署5G基站和傳輸網(wǎng)絡(luò)，采用5G參考面N2接口和N3接口分別與企業(yè)園區(qū)5GC專網(wǎng)AMF和UPF對(duì)接。園區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)流和信令流無需回傳至運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)，數(shù)據(jù)不出園。采用無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)接入共享方式，無線基站及傳輸網(wǎng)絡(luò)與分別對(duì)接運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)以及企業(yè)專網(wǎng)兩張核心網(wǎng)，利用PLMN或者PLMN+NID進(jìn)行隔離。在使用PLMN或者PLMN+NID進(jìn)行隔離時(shí)，無線網(wǎng)絡(luò)通過廣播對(duì)應(yīng)的PLMD ID，終端注冊(cè)時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇到對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)里面。無線側(cè)網(wǎng)絡(luò)接入完成后，無線基站可以在無線信號(hào)物理連接上完成5G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)區(qū)分，不會(huì)影響專網(wǎng)的獨(dú)立性和安全性。

5G專網(wǎng)用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流向，如下圖所示：

采用5G獨(dú)立建設(shè)專網(wǎng)的模式，在物理傳輸層面上，專網(wǎng)與運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)保持極高的獨(dú)立性。各類安全策略權(quán)限均由企業(yè)設(shè)置等級(jí)，全權(quán)管控，達(dá)到了最高的安全等級(jí)和控制管理。同時(shí)在5G核心網(wǎng)和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)之間進(jìn)行安全隔離，在防火墻設(shè)置邊界安全區(qū)互訪受控、配置入侵狀態(tài)檢測(cè)和病毒攔截功能，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用端口級(jí)的安全管控，保障企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)安全整體可控。合理部署專網(wǎng)獨(dú)立工業(yè)宏基站與基站承載網(wǎng)，針對(duì)制造企業(yè)普遍存在弱覆蓋問題，解決廠區(qū)內(nèi)大型廠房較多，鋼鐵結(jié)構(gòu)廠房對(duì)信號(hào)阻擋比較嚴(yán)重，部分安全等級(jí)高的區(qū)域暫時(shí)沒有合適的站址的問題。結(jié)合內(nèi)存量通信網(wǎng)絡(luò)路由、機(jī)房、4G基礎(chǔ)設(shè)施情況，規(guī)劃5G宏站站點(diǎn)，選擇匯聚情況好的通信機(jī)房安放5G核心網(wǎng)設(shè)備，構(gòu)建承載環(huán)網(wǎng)及5G宏站連接網(wǎng)絡(luò)。在完成“面”覆蓋基礎(chǔ)上，依據(jù)5G應(yīng)用需求在鐵道路口、汽車衡及軌道衡磅房、港口裝卸區(qū)域、變壓器電氣室開關(guān)柜區(qū)域、產(chǎn)線廠房?jī)?nèi)部通過5G微站對(duì)局部深度覆蓋進(jìn)行“點(diǎn)”狀的補(bǔ)充。

三、5G應(yīng)用實(shí)踐與未來探索

1.鐵水運(yùn)輸。以5G +AI模型，滿足鐵水罐、機(jī)車等位置及狀態(tài)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)跟蹤及可視化，在高爐爐下鐵口機(jī)車對(duì)位及煉鋼脫硫前行車進(jìn)罐吊裝等工序進(jìn)行車架號(hào)、罐號(hào)及配空狀態(tài)數(shù)據(jù)識(shí)別采集。利用5G網(wǎng)絡(luò)完成上千個(gè)傳感器及控制設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)機(jī)車運(yùn)輸?shù)娜旌颦h(huán)境感知、全障礙物精準(zhǔn)識(shí)別。配合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鐵水智能分配、高爐智能配罐、機(jī)車智能配載、路徑智能選擇等功能。

2.機(jī)車控制。通過在鐵路道口、鐵水運(yùn)輸線部署5G基站，利用車載5G通信網(wǎng)關(guān)有效解決各類視頻圖像上機(jī)車、各類地面控制狀態(tài)信息上機(jī)車，運(yùn)管機(jī)任務(wù)數(shù)據(jù)上下行的通訊難題，輔助調(diào)乘人員提升運(yùn)輸作業(yè)效率，降低作業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.智能單兵管理。工業(yè)智能頭盔結(jié)合AR人機(jī)視覺，包含了信息采集，傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤、場(chǎng)景融合，將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的信息在穿戴的人的視線前方即時(shí)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)。頭盔5G芯片結(jié)合宏站和微站及室分，準(zhǔn)確動(dòng)態(tài)物理定位，配套區(qū)域總圖、人員作業(yè)區(qū)域可視、危險(xiǎn)區(qū)域即時(shí)智能預(yù)警、標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)線路和任務(wù)通過AR指示，實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、前后臺(tái)交互等新的技術(shù)和手段。

4.設(shè)備遠(yuǎn)程管理。制造企業(yè)涉及集中司磅室與分散衡站間衡量數(shù)據(jù)與視頻雙流高效傳輸、風(fēng)機(jī)、減速機(jī)等溫度和振動(dòng)等數(shù)據(jù)采集、變壓器電流與環(huán)境溫濕度、開關(guān)柜狀態(tài)與環(huán)境溫濕度等參數(shù)采集傳輸。這些設(shè)備設(shè)施數(shù)量多、分布廣、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜。利用5G+物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，降低點(diǎn)檢負(fù)荷率，提高點(diǎn)檢效率。

5.無人機(jī)巡邏。特大型制造企業(yè)存在大量電力架空線路和管道。5G+無人機(jī)實(shí)時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)圖片回傳云端。當(dāng)云端診斷到巡檢目標(biāo)可能存在缺陷時(shí)，無人機(jī)會(huì)調(diào)整飛行姿態(tài)、云臺(tái)角度，對(duì)目標(biāo)缺陷進(jìn)行二次拍攝，完成視頻采集、拼接處理、視頻流處理。連入5G網(wǎng)絡(luò)將4K全景視頻通過上行鏈路傳輸?shù)酵屏鞣?wù)器中，現(xiàn)場(chǎng)拉流分路顯示至頭盔，單兵人員立即對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處置。