李 渝，韓政鑫，程景浩（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司，北京 00048；.中國聯(lián)通研究院，北京 0076）

1 概述

據(jù)世界鋼鐵協(xié)會統(tǒng)計，2020 年全球粗鋼產(chǎn)量達到18.64 億噸，同比下降0.9%。其中，中國的粗鋼產(chǎn)量達到10.53 億噸，同比提高5.2%，占全球粗鋼產(chǎn)量的56.5%，中國粗鋼產(chǎn)量份額占全球比重過半并持續(xù)提升，鋼鐵行業(yè)是國民經(jīng)濟的基石，在支撐中國宏觀經(jīng)濟快速復(fù)蘇方面起到了重要作用。工業(yè)和信息化部表示，2021 年將加速推進鋼鐵行業(yè)的兼并重組，推動解決行業(yè)長期存在的同質(zhì)化競爭嚴重、資源配置不合理、研發(fā)創(chuàng)新協(xié)同能力不強等方面的問題，提高鋼鐵行業(yè)的創(chuàng)新能力和規(guī)模效益［1］。

鋼鐵行業(yè)是典型的流程型行業(yè)，現(xiàn)階段鋼鐵行業(yè)信息化水平參差不齊，很多環(huán)節(jié)大量依靠人工操作，天車、堆取料機、翻斗車、鐵水罐車、焦化廠四大車等是鋼鐵廠區(qū)的關(guān)鍵性設(shè)備，原材料提供、產(chǎn)品的吊取、運輸、裝卸等都以人工現(xiàn)場操作為主，存在操作環(huán)境惡劣高危，人工成本高，生產(chǎn)效率低等問題。智慧鋼鐵作為行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為載體，融合鋼鐵行業(yè)智能制造創(chuàng)新技術(shù)，將會為鋼鐵行業(yè)自動化升級注入新動力［2］。5G 大型特種設(shè)備應(yīng)用將為鋼鐵企業(yè)高效生產(chǎn)、安全生產(chǎn)及高價值設(shè)備提供保障。它克服了光纖鋪設(shè)不便，Wi-Fi 容量不足不穩(wěn)定等缺點，將高清視頻、PLC 控制信號、設(shè)備運行狀態(tài)實時地傳送到后臺，實現(xiàn)操作工在后臺遠程進行精準操作，甚至是自動化運作，可提升作業(yè)效率和減少現(xiàn)場人工操作安全隱患。

隨著5G、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、云計算等先進技術(shù)的日益成熟，以典型5G 應(yīng)用為基礎(chǔ)，打造具有運營商特色的鋼鐵行業(yè)服務(wù)，聚焦網(wǎng)絡(luò)化、智能化、無人化等發(fā)展方向，有利于運營商形成5G 工業(yè)創(chuàng)新的先發(fā)優(yōu)勢［3］。

2 大型特種設(shè)備作業(yè)現(xiàn)狀、需求和痛點分析

目前天車、堆取料機、翻斗車、鐵水罐車、焦化廠四大車等大型特種設(shè)備在鋼鐵冶煉等流程性行業(yè)使用廣泛。冶煉流程伴隨著高風(fēng)險性，給工作人員帶來人身安全隱患［4］。

a）人工調(diào)度，效率低。操作過程均為人工現(xiàn)場操作，操作室在設(shè)備邊緣側(cè)，操作室工作空間狹小，操作過程重復(fù)性高，工作時間長，操作過程存在安全隱患。

b）操作精確定位。操作過程需要人為進行定位，效率低下。

c）人工計量。吊裝計量采用人工方式，不利于生產(chǎn)過程精細化管理。

d）工作環(huán)境/生產(chǎn)安全。作業(yè)工作環(huán)境相對較差；現(xiàn)場為非封閉式環(huán)境，無電子?xùn)艡冢F(xiàn)場監(jiān)控存在死角，工作人員多雜時，容易忽視人員監(jiān)管，影響生產(chǎn)安全。

現(xiàn)場環(huán)境粉塵嚴重，環(huán)境溫度較高，對操作工作業(yè)安全和身體健康影響大。

室外操作霧氣較大時，司機必須等霧氣散了以后才能作業(yè)，影響效率。

霧氣中含有硫化物等有害氣體，對司機的身體有較大的影響，亟需解決影響司機身體健康的問題，改善司機的工作環(huán)境。

3 5G性能指標在生產(chǎn)中應(yīng)用分析

對已有設(shè)備進行了改造，遠程無線控制方式以工業(yè)AP 為主，品牌一般為摩莎/東土/西門子等。Wi-Fi6，即802.11ax，在速率方面做了提升，可支持最高速率為9.6 Gbit/s，安全性有一定提升，但大規(guī)模室外覆蓋能力弱，無法滿足超低延時和高可靠性保障［9］。

從安全性、時延、穩(wěn)定可靠性、覆蓋、業(yè)務(wù)和海量連接等幾方面對無線控制方式進行對比分析。5G 和Wi-Fi6對比分析如表1所示［5］。

表1 無線控5G和Wi-Fi對比分析

5G 具備低延時、高可靠和大帶寬的技術(shù)特點，5G網(wǎng)絡(luò)與大型特種設(shè)備生產(chǎn)業(yè)務(wù)場景需求匹配度高。5G網(wǎng)絡(luò)可為高清監(jiān)控視頻回傳業(yè)務(wù)提供高帶寬服務(wù)，為遠程控制業(yè)務(wù)提供超低時延服務(wù)，為現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集業(yè)務(wù)提供海量連接服務(wù)［6-8］。

應(yīng)用中不同業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)性能的需求不同，網(wǎng)絡(luò)承載的業(yè)務(wù)主要包括遠程控制業(yè)務(wù)、高清實時畫面回傳業(yè)務(wù)、現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)數(shù)據(jù)采集及實時回傳業(yè)務(wù)，具體網(wǎng)絡(luò)性能需求如表2所示。

表2 天車業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)需求

4 5G專網(wǎng)應(yīng)用分析

鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)及業(yè)務(wù)場景對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、時延、上行帶寬、數(shù)據(jù)保密性、設(shè)備移動性和網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)等的要求均高于公共大網(wǎng)。對于大型特種設(shè)備這種特定場景需要綜合型、靈活便捷的5G 行業(yè)專網(wǎng)，按需提供定制化的網(wǎng)絡(luò)解決方案，解決現(xiàn)有無線專網(wǎng)的痛點。

5G行業(yè)專網(wǎng)為現(xiàn)場作業(yè)提供了如下服務(wù)［15］。

a）低時延專網(wǎng)保障服務(wù)。采用移動網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，可為生產(chǎn)現(xiàn)場提供端到端低時延安全隔離的專網(wǎng)保障服務(wù)。

b）數(shù)據(jù)本地分流服務(wù)。即設(shè)備上采集的業(yè)務(wù)過程數(shù)據(jù)和設(shè)備運行狀態(tài)工作數(shù)據(jù)、作業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)等都通過無線網(wǎng)絡(luò)直接傳遞到本地數(shù)據(jù)中心平臺，實現(xiàn)就近邏輯處理或者工業(yè)數(shù)據(jù)的集中解析、適配、存儲和策略制定，并能夠在毫秒級時延內(nèi)反饋給執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)在工業(yè)現(xiàn)場閉環(huán)控制等（即保密數(shù)據(jù)無需流向核心網(wǎng)側(cè)）。

c）現(xiàn)場高帶寬的監(jiān)控和分析服務(wù)。即在現(xiàn)場為生產(chǎn)設(shè)備提供近端網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的同時，也可以為數(shù)字化仿真現(xiàn)場監(jiān)控、視頻監(jiān)控等提供高帶寬服務(wù)。

d）業(yè)務(wù)協(xié)同服務(wù)。在面向設(shè)備無線數(shù)采，無線視頻采集、遠程控制、精準定位等應(yīng)用場景中，5G切片與智能MEC 邊緣云協(xié)同編排，可以實現(xiàn)端到端低時延、高可靠數(shù)采的專網(wǎng)品質(zhì)保障［10］。

5 5G智能大型特種設(shè)備應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)和功能

系統(tǒng)總體目標是實現(xiàn)作業(yè)無人化、自動化、智能化。遵循“設(shè)計一步到位，分階段實施”的原則，通過開展遠程集中控制改造和智能化改造，實現(xiàn)半無人化、半智能化；同時為完全無人化、智能化做好硬件系統(tǒng)的準備，屆時升級軟件系統(tǒng)即可實現(xiàn)完全無人化、智能化。

系統(tǒng)智能化按照“一網(wǎng)、一平臺、N應(yīng)用”的整體技術(shù)方案。整體技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 整體技術(shù)方案圖

5.1 大型特種設(shè)備操作方式

大型特種設(shè)備系統(tǒng)智能化發(fā)展趨勢，可以分為4個階段。

a）人工操作。操作員在駕駛室操縱，外部設(shè)置瞭望或指揮人員，共同完成作業(yè)任務(wù)。此階段對位、控制、走行、傾倒等需要人工介入，效率低下；同時作業(yè)現(xiàn)場環(huán)境惡劣，作業(yè)人員精神緊張，勞動強度大，作業(yè)安全隱患大。

b）地面遙控操作。操作員通過控制手柄，在距離較遠的地方完成操縱。相比有人方式，作業(yè)人員的安全得到了提升；但作業(yè)效率沒有改善。

c）遠程集中控制。在地面中控室內(nèi)通過視頻監(jiān)控及遠程控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對大型特種設(shè)備的遠程集中控制。操作員在遠程控制操作終端上用鼠標點擊相應(yīng)區(qū)域和作業(yè)類型完成作業(yè)。這種作業(yè)方式的優(yōu)點是操作員作業(yè)環(huán)境得到顯著改善，作業(yè)安全性得到顯著提升。同時，在集中控制模式下，遠程控制系統(tǒng)可以與MES 等生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)打通，作業(yè)效率有所改善，可以實現(xiàn)一人多機操作，企業(yè)實現(xiàn)降本增效。

d）智能化作業(yè)。遠程控制系統(tǒng)與MES 等系統(tǒng)實現(xiàn)無縫對接，業(yè)務(wù)調(diào)度、大型特種設(shè)備操控、現(xiàn)場過程監(jiān)控?zé)o需人工介入，實現(xiàn)無人化，操作員僅需在中控室內(nèi)監(jiān)控運行即可。作業(yè)安全性和作業(yè)效率得到充分保證。

5.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層、5G 邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺和智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)等組成。

5.2.1 感知層

感知層實現(xiàn)對大型特種設(shè)備周邊環(huán)境的全面感知，保證設(shè)備安全、穩(wěn)定的“無人化、智能化”運行。感知層的感知對象包括以下幾方面。

a）運行狀態(tài)。比如行進速度、行進方向、牽引力輸出功率等，以及無人駕駛系統(tǒng)感知的結(jié)果，如周圍障礙物等情況。

b）實時反饋并管控周邊的基礎(chǔ)設(shè)施。比如路口交通信號燈的設(shè)置、道岔、道閘開啟和關(guān)閉、異物入侵報警等。如機車軌道周邊環(huán)境的感知，比如人員闖入、車輛橫置等情況。鐵水罐的吊裝、傾倒等。

5.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層采用5G+工業(yè)AP+MEC 邊緣計算平臺的架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)層主要負責(zé)感知層到5G 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺之間的數(shù)據(jù)的上傳和反向控制。

此外，網(wǎng)絡(luò)層以邊緣云的形式為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺提供算力、存儲能力以及本地分流能力，進一步滿足工業(yè)控制、無人操作對低時延和數(shù)據(jù)不出園區(qū)等要求。

5.2.3 5G邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺

5G 邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)對物物泛在感知，MES 到生產(chǎn)執(zhí)行裝備的數(shù)據(jù)互通，現(xiàn)場海量設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和全面的互聯(lián)，以及泛在的物聯(lián)感知，為上層應(yīng)用提供海量采集信息。通過人工智能、邊緣計算、云化PLC等技術(shù)，在5G專網(wǎng)內(nèi)部實現(xiàn)對工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備的遠程集中操控，設(shè)備間、工序間的柔性操作聯(lián)動和協(xié)同優(yōu)化，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)協(xié)同控制、智能調(diào)度，進而助力企業(yè)實現(xiàn)少人化、無人化管理和運營。

5.2.4 集控中心

集控中心主要實現(xiàn)對大型特種設(shè)備的遠程控制、狀態(tài)監(jiān)控和應(yīng)急處置調(diào)度。

5.2.5 智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)

實現(xiàn)大型特種設(shè)備調(diào)度管理、定位管理、二三維可視化管理、故障告警管理、防撞告警、車輛識別、車輛管控、庫區(qū)管理等功能。能實時采集和反饋現(xiàn)場作業(yè)數(shù)據(jù)，并將調(diào)度信息實時展示，便于指揮調(diào)度，使管理者能夠?qū)崟r掌握整個生產(chǎn)狀態(tài)。

5.3 5G邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺功能

5G 邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺實現(xiàn)平臺能力功能，包括設(shè)備管理、接入管理、數(shù)據(jù)管理、安全管理等基礎(chǔ)服務(wù)［14］。架構(gòu)如圖2所示。

圖2 5G邊緣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺架構(gòu)圖

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺主要有如下的功能。

a）工業(yè)物聯(lián)。

（a）工業(yè)控制組件。以全域物聯(lián)感知接入為基礎(chǔ)，圍繞終端設(shè)備統(tǒng)一接入和全生命周期管理，標準化物聯(lián)數(shù)據(jù)的采集融合，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)一開放服務(wù)體系，實現(xiàn)物聯(lián)服務(wù)能力的即插即用。

（b）設(shè)備接入管理。設(shè)備接入管理實現(xiàn)對接入終端的集中管控。用戶需向平臺提出接入申請，并提交設(shè)備名稱、型號、類型、操作系統(tǒng)、接入?yún)f(xié)議以及用戶注冊信息等內(nèi)容，平臺審核對接入設(shè)備進行認證。認證通過后，發(fā)放唯一標識，完成設(shè)備注冊。用戶通過平臺可實現(xiàn)對設(shè)備的管理、通過創(chuàng)建群組，把設(shè)備加入到對應(yīng)的群組中，以實現(xiàn)對設(shè)備的分組管理，方便將設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)推送至不同的應(yīng)用。

（c）支持多種工業(yè)協(xié)議。平臺支持設(shè)備直接接入和網(wǎng)關(guān)接入2 種接入方式，實現(xiàn)TCP、HTTP、LWM2M、MQTT、CoAP、HTTP、TCP/IP 等常用傳輸協(xié)議的適配，滿足低能耗網(wǎng)絡(luò)（NB-IoT）、無線網(wǎng)絡(luò)（Wi-Fi）、移動網(wǎng)絡(luò)（4G、5G）和光纖接入等；在數(shù)據(jù)協(xié)議解析方面，平臺應(yīng)提供物聯(lián)協(xié)議模型和設(shè)備插件2 種方式，支持二進制碼流格式、XML 格式、JSON 格式等主流數(shù)據(jù)格式的解析。

b）工業(yè)控制。不僅能夠通過OPC、Profinet、Modbus等工業(yè)協(xié)議直接實現(xiàn)與PLC、DCS 等工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，而且能夠?qū)崿F(xiàn)時間要求敏感的工業(yè)控制邏輯。通過在操作系統(tǒng)內(nèi)核空間實現(xiàn)任務(wù)調(diào)度與數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)對工業(yè)協(xié)議的解析、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和快速處理；在內(nèi)核空間直接運行PLC程序等，完成對時間敏感的工業(yè)控制任務(wù)。結(jié)合軟PLC 開發(fā)組件，用戶功能實現(xiàn)多PLC、多系統(tǒng)之間的協(xié)同控制。

c）數(shù)據(jù)分發(fā)、融合。數(shù)據(jù)融合集成平臺提供全棧多云集成解決方案，是多云時代的應(yīng)用和數(shù)據(jù)集成平臺。實現(xiàn)服務(wù)集成、消息集成、數(shù)據(jù)集成、業(yè)務(wù)解耦等核心功能，支撐跨多應(yīng)用、數(shù)據(jù)、服務(wù)、資源等的協(xié)同，以實現(xiàn)企業(yè)的內(nèi)部互通。數(shù)據(jù)分發(fā)、融合模塊主要負責(zé)提供集控中心視頻墻、遠程操控臺所需的個性化的視頻、狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)。

d）數(shù)據(jù)存儲。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺數(shù)據(jù)存儲模塊同時支持結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫主要用于配置參數(shù)、自建模塊定義數(shù)據(jù)等的存儲。非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)主要用于生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲。為了進一步提高數(shù)據(jù)存取速度，數(shù)據(jù)庫采用高可用集群模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速存取和高可用。數(shù)據(jù)存儲模塊主要存儲系統(tǒng)運行時各類關(guān)鍵信息，如機車狀態(tài)、決策與執(zhí)行指令、工單完成情況等，方便事后跟蹤核查。

e）系統(tǒng)配置。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺是一個多用戶、多任務(wù)的工業(yè)操作系統(tǒng)。因此，核心調(diào)度模塊需要支持高并發(fā)操作。系統(tǒng)配置模塊可配置多租戶，即不同的應(yīng)用、不同用戶獨享數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)安全，并可設(shè)置用戶登錄權(quán)限。

f）現(xiàn)場可視化模塊。形象直觀的實時顯示大型特種設(shè)備的狀態(tài)，提供GIS地圖和位置信息，為生產(chǎn)調(diào)度和應(yīng)急處置提供基礎(chǔ)決策數(shù)據(jù)和決策工具。

5.4 5G工業(yè)邊緣控制器功能

5G 工業(yè)邊緣控制器是集工業(yè)現(xiàn)場工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)傳輸于一體的智能設(shè)備。

5G 工業(yè)邊緣控制器除具備工業(yè)通信協(xié)議配置管理、安全管理、版本管理、日志管理等通用功能外，還針對5G 數(shù)據(jù)采集及處理、5G 承載工業(yè)遠程控制、5G承載工業(yè)通信協(xié)議進行了特殊優(yōu)化。

工業(yè)控制器融合了無線、有線、GRE、MQTT、COAP 等多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，具有高速率、低時延、高可靠性、易部署等特點。

5.5 智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)功能

智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 智能化生產(chǎn)作業(yè)系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

a）二三維可視化管理。實現(xiàn)對廠區(qū)、大型倉儲廠房區(qū)域進行3D 建模，完成數(shù)字地圖建設(shè)；完成并提供指定區(qū)域數(shù)字地圖建設(shè)；完成對數(shù)字地圖的存儲、獲取和顯示；實現(xiàn)對大型特種設(shè)備、大型運輸車輛等大型技術(shù)裝備的3D 建模并結(jié)合真實數(shù)據(jù)模擬其實際運行狀態(tài)；實現(xiàn)對車牌、物料標識的自動識別。

b）倉儲管理。與MES系統(tǒng)和大型特種設(shè)備、視覺類識別系統(tǒng)、產(chǎn)線與地面設(shè)備系統(tǒng)連接，使大型特種設(shè)備安全高效完成庫區(qū)物流管理。

c）車輛管理。采用高清車牌識別攝像機對車輛進行車牌識別、圖片抓拍，將車牌信息傳輸給專用控制器，再上傳給服務(wù)器、引導(dǎo)車輛進入，并保存記錄；在通道口使用高清車牌攝像頭對駛?cè)氲能囕v進行車牌號碼識別。根據(jù)車輛識別信息，獲取庫區(qū)物料位置，指引車輛到停靠位置，等待作業(yè)完成后，指引車輛駛離作業(yè)區(qū)。

d）生產(chǎn)調(diào)度管理。合理有效的調(diào)度方案對于保證生產(chǎn)順利運行、提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本具有重要的意義，通過分析調(diào)度系統(tǒng)要素，建立調(diào)度仿真模型，用于初步的調(diào)度方案。

e）告警管理。對現(xiàn)場作業(yè)進行預(yù)警。其中業(yè)務(wù)告警包括作業(yè)異常告警、設(shè)備連接異常告警等。

6 結(jié)束語

鋼鐵行業(yè)是典型的流程性行業(yè)，生產(chǎn)環(huán)境相對惡劣高危，當前現(xiàn)場控制、理貨、計量等需要采用人員三班倒的模式，用工需求量大，工作效率低，存在作業(yè)安全隱患。目前鋼鐵行業(yè)正處于轉(zhuǎn)型升級階段，5G的應(yīng)用將助力鋼廠自動化改造升級，對實現(xiàn)鋼廠的減員增效具有實用意義，具備高可復(fù)制性，在鋼鐵行業(yè)具有廣闊的市場前景。

將5G技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，融合鋼鐵行業(yè)智能制造創(chuàng)新技術(shù)，對整個生產(chǎn)過程精確可控，所有的作業(yè)過程可查詢、可追溯，提升精益化管理水平，提高現(xiàn)場工作效率，減少工作失誤造成的損失；提升企業(yè)技術(shù)水平和競爭力，由事后管理變?yōu)槭轮泄芾?、實時管理，加速資金周轉(zhuǎn)，提升供應(yīng)鏈響應(yīng)速度，增強企業(yè)整體競爭能力；提升現(xiàn)場作業(yè)生產(chǎn)安全性，減少現(xiàn)場作業(yè)人員，作業(yè)區(qū)域合理化管理，同步結(jié)合AI 技術(shù)進一步提升了現(xiàn)場作業(yè)生產(chǎn)安全管控能力。