李 爽，郭忠志，肖 羽，王 帥（.中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司吉林分公司，吉林長春 00；.中國聯(lián)通智網(wǎng)創(chuàng)新中心，北京 00048；.中訊郵電咨詢設計院鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 背景

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術與現(xiàn)代工業(yè)技術深度融合的產(chǎn)物，是制造業(yè)數(shù)字化、網(wǎng)絡化、智能化的重要載體，也是全球新一輪產(chǎn)業(yè)競爭的制高點。繼德國提出工業(yè)4.0 計劃，美國提出工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)概念之后，我國自2015 年以來陸續(xù)出臺了“中國制造2025”、“互聯(lián)網(wǎng)+”等多項產(chǎn)業(yè)政策，推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的建設。作為第一大工業(yè)強國、第二大互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)強國，中國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊。

5G 是新一代移動通信系統(tǒng)，5G 與工業(yè)生產(chǎn)融合之后，逐步成為支撐工業(yè)生產(chǎn)的基礎設施。5G 與工業(yè)生產(chǎn)中既有的研發(fā)設計系統(tǒng)、生產(chǎn)控制系統(tǒng)及服務管理系統(tǒng)等相結合，可以全面推動5G 垂直行業(yè)的研發(fā)設計、生產(chǎn)制造、管理服務等生產(chǎn)流程的深刻變革，實現(xiàn)制造業(yè)向智能化、服務化、高端化轉型。同時，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有難度大、風險高、成本高、跨領域等特點，因此5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)既具有廣闊的前景，也是最具挑戰(zhàn)性的領域。

一汽是吉林省TOP 行業(yè)客戶，也是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用的先行者，對5G 在生產(chǎn)系統(tǒng)中的應用有較高的期待，希望通過5G 提升業(yè)務效率，降低成本。隨著5G SA網(wǎng)絡的建成和商用，一汽希望和吉林聯(lián)通一起基于5G網(wǎng)絡、先進的邊緣計算和網(wǎng)絡切片技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領域的應用探索研究和商用部署，逐步推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用提升企業(yè)的生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營的智能化程度，為企業(yè)帶來真正的信息化價值和能力。

前期，吉林聯(lián)通和一汽通力合作，基于5G NSA 網(wǎng)絡和MEC 成功實現(xiàn)了一汽業(yè)務的5G 接入和預測性維護系統(tǒng)的部署，在汽車的生產(chǎn)裝配領域智能化水平的提升方面取得了突破性進展。

MEC 是連接OT 域和IT 域的橋梁，可以為一汽的自動化、信息化和智慧化提供業(yè)務承載和高質量的網(wǎng)絡保障，因此一汽希望通過下沉園區(qū)的SA 架構的MEC建設，基于MEC的網(wǎng)絡切片功能的部署來進一步提升一汽相關業(yè)務承載的安全性、穩(wěn)定性、可靠性，實現(xiàn)一汽生產(chǎn)業(yè)務和普通公眾業(yè)務的物理隔離。同時可以確保一汽業(yè)務帶寬的不可搶占性（其業(yè)務帶寬完全不受公網(wǎng)業(yè)務流量大小的影響），更好地滿足業(yè)務安全性和網(wǎng)絡專享帶寬的需求，逐步試點開放內(nèi)部業(yè)務系統(tǒng)通過5G和MEC進行承載。

2 總體方案

針對不同場景下的業(yè)務需求，可以采用不同的5G虛擬企業(yè)專網(wǎng)建設模式，而不同模式的建設成本也不相同。從所承載業(yè)務的顆粒度的角度劃分，專網(wǎng)可以分為企業(yè)粒度的基于5G+MEC 構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)、業(yè)務粒度的基于5G+MEC+切片構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)。

2.1 基于5G+MEC構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)（企業(yè)粒度）

a）“5G+MEC+智能化應用”可為行業(yè)的提質升級提供高質量的網(wǎng)絡保障，為企業(yè)搭建安全、可靠、低時延的“5G虛擬企業(yè)專網(wǎng)”。

b）企業(yè)內(nèi)部業(yè)務不分優(yōu)先級、不分類型、不分帶寬均可享受虛擬專網(wǎng)無差別的統(tǒng)一承載服務（若結合PCF可以劃分等級，享受一定的差異化服務）。

c）結合5G 的低時延、高帶寬特性和MEC 平臺的分流功能，可實現(xiàn)企業(yè)生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)的本地分流，保障企業(yè)數(shù)據(jù)的低時延和安全私密性。5G+MEC 構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 5G+MEC構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)組網(wǎng)圖

2.2 基于5G+MEC+切片構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)（業(yè)務粒度）

a）根據(jù)企業(yè)對不同業(yè)務流安全隔離的要求，在5G+MEC 的基礎上結合切片技術為企業(yè)構建業(yè)務粒度級別的虛擬企業(yè)專網(wǎng)。

b）企業(yè)不同類型、不同隔離要求的業(yè)務流，如視頻類、工控類、辦公類等業(yè)務可以劃分為不同切片，享受虛擬專網(wǎng)不同等級、帶寬的承載服務，在不同的邏輯管道進行隔離承載。

5G+MEC+切片構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)組網(wǎng)如圖2 所示。

圖2 5G+MEC+切片構建虛擬企業(yè)專網(wǎng)組網(wǎng)圖

綜合考慮項目建設進度要求、技術成熟度等因素，在一汽園區(qū)內(nèi)采用“5G+MEC+切片”的方式為其構建5G虛擬企業(yè)專網(wǎng)。

3 網(wǎng)絡部署方案

3.1 MEC建設方案

3.1.1 目標架構

結合一汽智能化產(chǎn)線的實際業(yè)務場景需求，在其廠區(qū)內(nèi)部署1套MEC 邊緣云（含UPF 和MEP 平臺），目標組網(wǎng)示意圖如圖3所示。

圖3 一汽5G+MEC組網(wǎng)目標示意圖

“5G+MEC（含UPF）+邊緣智能化應用”可為一汽各產(chǎn)線的智能化生產(chǎn)提供強有力的網(wǎng)絡支撐，為其打造一個安全、穩(wěn)定、可靠的5G 虛擬企業(yè)專網(wǎng)。結合5G的低時延、高帶寬特性和MEC 對遠程控制指令、設備數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控碼流的近端處理、編碼解碼、AI 算法等功能，為一汽汽車生產(chǎn)裝配應用場景的實現(xiàn)提供高質量的信息基礎設施。一部分業(yè)務數(shù)據(jù)通過分流模塊本地分流至MEC 平臺部署的預測性維護系統(tǒng)，另一部分數(shù)據(jù)分流至一汽數(shù)據(jù)中心，節(jié)約了網(wǎng)絡回傳帶寬、實現(xiàn)了業(yè)務數(shù)據(jù)處理的低時延，保障了業(yè)務數(shù)據(jù)的安全性和私密性。

3.1.2 MEC網(wǎng)絡建設方案

將MEC 設備設置在一汽園區(qū)的機房中，統(tǒng)一接入聯(lián)通山東大區(qū)的華為5GC SA 2B網(wǎng)絡中進行管理和信令接續(xù)。采用ULCL（Uplink Classifier）分流方式，廠區(qū)內(nèi)終端流量按照LBO 方式進行本地卸載，終端出廠區(qū)（為廠區(qū)規(guī)劃的TA覆蓋區(qū)列表，該TA列表在PCF中進行簽約）后將不能訪問邊緣云和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，以保障企業(yè)網(wǎng)絡和業(yè)務的安全性。

對于一汽各類產(chǎn)線的生產(chǎn)類、設備采集類等與企業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營相關的數(shù)據(jù)在本地進行卸載，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)在廠區(qū)內(nèi)的閉環(huán)。生產(chǎn)線現(xiàn)場5G 終端的信令送至5G 核心網(wǎng)后，5GC 判別該類業(yè)務屬于一汽，業(yè)務數(shù)據(jù)通過廠區(qū)5G 基站傳送至本項目部署的UPF，UPF 通過IP 地址和端口號、或DNS 解析等方式進行業(yè)務分流，經(jīng)N6 接口以局域網(wǎng)方式送至MEC 平臺，MEC 平臺對業(yè)務數(shù)據(jù)進行清洗、整理、編解碼等實時處理，部分處理過的數(shù)據(jù)需要回傳至一汽的數(shù)據(jù)中心。對于需要訪問互聯(lián)網(wǎng)或公有云的數(shù)據(jù)，一汽的UPF經(jīng)N9接口通過聯(lián)通智能城域網(wǎng)（或IPRAN）對接至長春2B 網(wǎng)絡錨點UPF，長春錨點UPF連接至互聯(lián)網(wǎng)或公有云，實現(xiàn)外網(wǎng)的訪問。

一汽的注冊用戶可按一汽的需求訪問不同網(wǎng)絡，在兼顧企業(yè)虛擬專網(wǎng)和公網(wǎng)業(yè)務的同時，實現(xiàn)基于廠區(qū)范圍的網(wǎng)絡隔離，保證了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和隔離性。公網(wǎng)用戶訪問互聯(lián)網(wǎng)按照圖4 中的①路由執(zhí)行，一汽廠區(qū)5G虛擬專網(wǎng)用戶按照②路由執(zhí)行。

圖4 MEC建設架構圖

為一汽生產(chǎn)廠區(qū)規(guī)劃獨立的TA 區(qū)（TA 列表），分配專用的MEC DNN，在PCF中為一汽的行業(yè)終端簽約允許訪問邊緣云和內(nèi)網(wǎng)的TA列表。

采用ULCL 的分流方式，對于5G 終端無感知，5G終端僅激活一個PDU Session 即可。在廠區(qū)基站覆蓋區(qū)劃分獨立TA 區(qū)（或TA 區(qū)的列表集合），進入廠區(qū)獨立TA 后由5GC 為業(yè)務指定本地ULCL UPF，根據(jù)目的IP+端口、或DNS解析進行業(yè)務分流。

業(yè)務流程如下。

縱觀全縣之地層，出露部分主要包含了白云巖、石灰?guī)r、鈣質頁巖、泥灰?guī)r、白云質灰?guī)r等類型，石材質地較軟，便于開采加工。獨特的自然環(huán)境孕育了當?shù)貥O具地域特色的民居，尤以縣境東部的石板房最為獨特。

a）AMF配置根據(jù)TAI+DNN選擇SMF。

b）SMF通過DNN選擇大網(wǎng)UPF做為主錨點UPF。

c）針對廠區(qū)內(nèi)的行業(yè)終端（一汽廠區(qū)的TA 覆蓋區(qū)），SMF 根據(jù)用戶實時位置（由AMF 傳遞給SMF）、PCF 中簽約的位置觸發(fā)ULCL 策略，數(shù)據(jù)報文此時會經(jīng)廠區(qū)ULCL UPF 進行轉發(fā)，ULCL UPF 執(zhí)行分流策略（分流策略可由一汽自定義通過MEPM 下發(fā)給MEP，MEP 通過MP2 接口下發(fā)給UPF），根據(jù)數(shù)據(jù)報文的目的IP+端口（或DNS解析）進行SPI匹配。

d）若匹配識別為本地業(yè)務，即經(jīng)廠區(qū)ULCL UPF本地轉發(fā)至一汽數(shù)據(jù)中心。

e）若匹配識別為大網(wǎng)業(yè)務，數(shù)據(jù)報文會經(jīng)N9 接口由ULCL UPF 轉發(fā)到長春主錨點UPF，通過主錨點UPF傳輸?shù)絀nternet。

在上述業(yè)務流程中，若一汽的終端移出廠區(qū)（為一汽規(guī)劃的獨立TA 區(qū)）后，終端的實時位置和簽約位置不匹配，將不能訪問邊緣云和企業(yè)內(nèi)網(wǎng)，以保障企業(yè)網(wǎng)絡和業(yè)務的安全性。公眾客戶無論是在廠區(qū)內(nèi)，還是在廠區(qū)外發(fā)起業(yè)務時，都使用大網(wǎng)分配的公網(wǎng)DNN，SMF 將選擇長春大網(wǎng)的錨點UPF 為客戶提供數(shù)據(jù)服務，公眾客戶終端將不能訪問邊緣云或企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。

3.1.3 工業(yè)邊緣云平臺建設方案

中國聯(lián)通MEC 平臺與已有工業(yè)產(chǎn)品/能力（PLC、數(shù)據(jù)采集解析、工業(yè)大數(shù)據(jù)PaaS、工業(yè)SaaS）進行融合，構成“新一代中國聯(lián)通5G 企業(yè)內(nèi)網(wǎng)端到端綜合解決方案”。在EdgePOD 基礎網(wǎng)業(yè)協(xié)同平臺基礎之上部署工業(yè)PaaS 能力和SaaS 應用，通過平臺的API 網(wǎng)關為工業(yè)應用提供能力調(diào)用，賦能工業(yè)應用價值提升。工業(yè)邊緣云平臺架構如圖5所示。

圖5 工業(yè)邊緣云平臺架構圖

在本項目中，為一汽提供的預測性維護系統(tǒng)將部署于MEC 平臺，為一汽的汽車生產(chǎn)裝配等業(yè)務提供先進的信息化支撐工具和網(wǎng)絡承載環(huán)境。

3.1.4 基于MEC的預測性維護系統(tǒng)

在一汽園區(qū)部署中國聯(lián)通自主研發(fā)的MEC 一體化工業(yè)邊緣云平臺（EdgePOD），基于該平臺部署了預測性維護系統(tǒng)。預測性維護系統(tǒng)通過傳感器采集、監(jiān)控一汽生產(chǎn)設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的可視化，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和采集的實時數(shù)據(jù)，基于AI 算法對設備潛在故障進行預測，針對故障定位及部件損傷程度安排備品備件，制定檢修計劃，可提前預知重大故障隱患，避免突發(fā)停機風險。

采用“5G+邊緣計算+預測性維護”方式是實現(xiàn)一汽自動化流水線的必需步驟，預測性維護系統(tǒng)通過先進的5G、邊緣計算技術可以發(fā)揮最大效能。

a）傳感器數(shù)據(jù)采集過程采用邊緣計算技術預處理，防止無效數(shù)據(jù)過大，為數(shù)據(jù)中心的模型機理的建立、AI訓練提供健康的數(shù)據(jù)來源。

b）一汽為行業(yè)龍頭企業(yè)，相關的生產(chǎn)數(shù)據(jù)均為企業(yè)機密，不能通過公眾網(wǎng)絡進行傳輸，需要通過MEC進行數(shù)據(jù)本地卸載，保障企業(yè)數(shù)據(jù)安全。

c）部分數(shù)據(jù)需要實時采集、判斷，通過MEC 降低數(shù)據(jù)采集和處理時延。

3.2 5G網(wǎng)絡切片方案

在一汽園區(qū)內(nèi)建設基于5G SA 網(wǎng)絡的切片，核心網(wǎng)側新建專用的邊緣UPF。一汽UPF 使用大區(qū)的物網(wǎng)5GC控制面。

a）整體業(yè)務實現(xiàn)方式：通過智能城域網(wǎng)設備實現(xiàn)承載切片，UPF和基站版本暫不支持切片商用，本次不部署，后續(xù)版本發(fā)布后再進行升級改造。

b）邊緣UPF 配套EOR 設備使用支持切片功能的NE9000-M8 設備，可以直接配合智能城域網(wǎng)將FlexE切片落地在EOR設備上。

c）智能城域網(wǎng)采用FlexE 切片技術實現(xiàn)公眾業(yè)務和一汽業(yè)務的硬隔離，保障一汽業(yè)務的帶寬和安全性。

d）無線側暫時通過5QI 區(qū)分不同的業(yè)務，并保障一汽業(yè)務的優(yōu)先級和帶寬。

A企業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡端到端切片組網(wǎng)圖如圖6所示。

圖6 一汽園區(qū)網(wǎng)絡端到端切片組網(wǎng)圖

3.3 無線側組網(wǎng)方案

結合一汽的實際業(yè)務需求，對現(xiàn)有一汽區(qū)域8 個5G NSA基站的覆蓋情況進行摸底測試，針對覆蓋不足的區(qū)域新建基站進行覆蓋。經(jīng)過具體測試，最終確認需要再新建13 個宏站（SA 模式），同時對現(xiàn)有的8 個NSA 宏站進行改造，改造為SA/NSA 雙?；?，共計建設21個5G SA基站。

3.4 傳輸組網(wǎng)方案

由于本項目建設地點在一汽集團園區(qū)內(nèi)，該區(qū)域為一汽封閉區(qū)域，我公司無光纜資源，為降低整體成本同時減少光纜租用數(shù)量，基站側采用BBU和RRU本端放置，項目整體傳輸組網(wǎng)采用每個站點的BBU 上行一對光纜就近匯聚至一汽區(qū)域的一個中心機房（一汽二站），以減少光纜資源的使用，在一汽二站放置3 臺智能城域網(wǎng)的MAR 設備（華為ATN980C），集中接入21個基站。

3.5 承載網(wǎng)組網(wǎng)方案

基于一汽要求數(shù)據(jù)不出一汽園區(qū)的訴求，業(yè)務的匯聚點也即智能城域網(wǎng)的MER 設備（華為NE9000-M8）放置在一汽區(qū)域的一汽二站機房，在本機房內(nèi)和3臺MAR 設備組成1 個100G 的接入環(huán)集中承載一汽當前及后續(xù)的基站業(yè)務，通過口子型結構上聯(lián)至智能城域網(wǎng)的2 個核心節(jié)點（青島路和二樞紐），同時也通過口子型結構和一汽邊緣UPF 的2 臺EOR 設備對接，接口采用50G 速率，以便后續(xù)擴容同時實現(xiàn)切片業(yè)務。A企業(yè)園區(qū)承載網(wǎng)組網(wǎng)架構如圖7所示。

圖7 一汽園區(qū)承載網(wǎng)組網(wǎng)圖

4 總結

中國聯(lián)通“5G+MEC（含UPF）+工業(yè)智能化應用”可為工業(yè)的提質升級提供強有力的技術支撐。5G 的低時延、高帶寬特性結合MEC 對業(yè)務的近端處理，為一汽汽車產(chǎn)業(yè)園區(qū)工廠基于MEC 部署工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用提供最優(yōu)網(wǎng)絡支持。通過MEC 平臺的分流模塊實現(xiàn)了企業(yè)生產(chǎn)和管理數(shù)據(jù)的本地分流，保障了企業(yè)數(shù)據(jù)的安全性和私密性。

未來基于該平臺可部署預測性維護和AR 遠程協(xié)助/指導系統(tǒng)。預測性維護系統(tǒng)通過傳感器采集、監(jiān)控生產(chǎn)設備運行狀態(tài)，實現(xiàn)設備運行數(shù)據(jù)的可視化，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和采集的實時數(shù)據(jù)，基于AI算法對設備潛在故障進行預測，針對故障定位及部件損傷程度安排備品備件，制定檢修計劃，可提前預知重大故障隱患，避免突發(fā)停機風險。AR 遠程協(xié)助/指導系統(tǒng)主要用于日常維護過程的記錄、對設備運行維護的遠程專家指導、生產(chǎn)流程標準化的作業(yè)指導、工人維修設備時的智能輔助等。

基于MEC 平臺可部署視頻監(jiān)控和巡檢機器人遠程控制應用，視頻監(jiān)控前端設備不再通過傳統(tǒng)的光纖方式進行視頻流的回傳，而是通過更加靈活、便捷的5G無線接入方式進行回傳，極大縮短了攝像頭安裝周期、避免了復雜的線纜布放。視頻監(jiān)控媒體流通過MEC 平臺的分流模塊實現(xiàn)了近端實時處理和遠程監(jiān)控的需求。巡檢機器人搭載高清攝像頭和各類傳感器，通過5G網(wǎng)絡回傳實時高清巡檢畫面、設備信息、環(huán)境信息等數(shù)據(jù)，部署在MEC 平臺的系統(tǒng)通過對采集到的數(shù)據(jù)進行人臉識別、圖像識別等AI 分析，智能判斷廠區(qū)內(nèi)的人員、設備、環(huán)境等是否存在異常。對于遠程控制，在廠區(qū)的中控室通過遠程駕駛裝備和監(jiān)控屏實現(xiàn)橋機等設備的精準移動控制、對物料的精準抓舉。對于視頻監(jiān)控，5G可以提供靈活隨需的攝像頭接入，而視頻碼流通過MEC 平臺分流至廠區(qū)中控室，滿足廠內(nèi)作業(yè)區(qū)的監(jiān)控和設備的控制需求。

通過5G 和MEC 滿足工廠數(shù)據(jù)的安全私密性要求，實現(xiàn)了企業(yè)設備的遠程控制、精準控制，提升了企業(yè)的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)效率。借助于AR 遠程維修/指導、遠程控制等技術工具降低了企業(yè)的勞動成本、提升了生產(chǎn)維修效率。通過5G、MEC和各種智能化應用打造全連接、自動化、智能化的一汽汽車產(chǎn)業(yè)園區(qū)工廠。