王強(qiáng) 胡軍 王超

（1.中徽建技術(shù)有限公司 安徽合肥 230088；2.安徽電信規(guī)劃設(shè)計有限責(zé)任公司 安徽合肥 230000）

1 網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)

網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級和數(shù)字經(jīng)濟(jì)騰飛壯大的新型基礎(chǔ)設(shè)施。在工業(yè)環(huán)境下，通過全面連接人、機(jī)、料、法、環(huán)等核心要素，實現(xiàn)從設(shè)計、研發(fā)到生產(chǎn)、管理、服務(wù)的全生命周期、全產(chǎn)業(yè)鏈條、全價值體系連接［1-2］。

2 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與場景需求

2.1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

依據(jù)應(yīng)用部署場景的差異，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可以按照工廠內(nèi)網(wǎng)、工廠外網(wǎng)和園區(qū)網(wǎng)絡(luò)維度進(jìn)一步劃分，以此滿足不同層級的企業(yè)生產(chǎn)、辦公、安防、數(shù)據(jù)中心和云平臺等設(shè)備連接和數(shù)據(jù)互通的需求。

為實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)完整的業(yè)務(wù)連通，實現(xiàn)全流程的工業(yè)業(yè)務(wù)能力，工廠內(nèi)網(wǎng)與工廠外網(wǎng)之間需要進(jìn)行有效銜接和融合，因此，需要在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、運維管理等方面實現(xiàn)打通。在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方面，具體部署架構(gòu)應(yīng)能保證工廠內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)之間的無縫連接，工廠內(nèi)網(wǎng)應(yīng)避免采用私有化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用的協(xié)議匯聚生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)等多個子網(wǎng)，降低數(shù)據(jù)流動的障礙，提升網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。同時，在保證數(shù)據(jù)順利流通的前提下，需要考慮網(wǎng)絡(luò)安全性，在內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng)連接點布置必要的網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)備，實現(xiàn)客戶敏感數(shù)據(jù)不出工廠，同時有效避免公眾互聯(lián)網(wǎng)中的各類惡意網(wǎng)絡(luò)攻擊。在運維管理方面，在保持現(xiàn)有生產(chǎn)業(yè)務(wù)穩(wěn)定運行的前提下，工廠內(nèi)網(wǎng)引入智能化的運維管理系統(tǒng)，實現(xiàn)對工廠內(nèi)網(wǎng)多個子網(wǎng)的歸一化管理，同時，與工廠內(nèi)網(wǎng)現(xiàn)有生產(chǎn)管理系統(tǒng)實現(xiàn)連通，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與生產(chǎn)聯(lián)動［3］。對于跨地域的工廠的多個異地分支機(jī)構(gòu)之間的互聯(lián)，需要在整體層面實現(xiàn)對于工廠外網(wǎng)專線的統(tǒng)一有效管理。

2.2 場景需求

工廠內(nèi)網(wǎng)中設(shè)備連接類型越來越多，設(shè)備連接量越來越大，逐步呈現(xiàn)出全連接的趨勢，因此，網(wǎng)絡(luò)部署朝著融合方案發(fā)展，最典型的是有線、無線融合的方案，如工業(yè)PON/工業(yè)以太網(wǎng)+5G+工業(yè)Wi-Fi。隨著全連接的融合方案和越來越多的工業(yè)設(shè)備連接，工廠需要具有對設(shè)備、對網(wǎng)絡(luò)和對業(yè)務(wù)的整體管控方案，短期內(nèi)以各管控系統(tǒng)的不斷成熟發(fā)展為主，將會向全連接、自服務(wù)能力不斷發(fā)展，以滿足工廠靈活調(diào)配網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)業(yè)務(wù)的需求，以及智能化故障預(yù)測診斷及遠(yuǎn)程運維的需求［4-5］。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展就是通過開放的網(wǎng)絡(luò)，將企業(yè)工廠的設(shè)備、生產(chǎn)線、供應(yīng)商、產(chǎn)品和客戶等緊密地連接和融合起來，高效地共享和復(fù)用各種要素資源，從整體上提升工業(yè)生產(chǎn)的自動化、智能化水平，達(dá)到降本增效、延長產(chǎn)業(yè)鏈、推動轉(zhuǎn)型發(fā)展的目的。從以上場景和需求來看，工廠外網(wǎng)短期內(nèi)還是聚焦在企業(yè)專線上，但隨著業(yè)務(wù)的發(fā)展和新技術(shù)的賦能，虛擬切片網(wǎng)絡(luò)會在一定程度上替代原本的企業(yè)專線，還會存在根據(jù)業(yè)務(wù)需求來劃分不同性能和保障能力的專網(wǎng)予以匹配。因此，在工廠外網(wǎng)的部署上，應(yīng)更加關(guān)注云網(wǎng)融合發(fā)展，逐步實現(xiàn)網(wǎng)隨云動、云隨網(wǎng)生。

工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的一種典型部署形態(tài)，從承載的業(yè)務(wù)角度看，工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)主要由工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)、企業(yè)信息網(wǎng)、園區(qū)公共服務(wù)網(wǎng)及云基礎(chǔ)設(shè)施組成。由于工業(yè)園區(qū)內(nèi)部存在生產(chǎn)網(wǎng)、辦公網(wǎng)、安防網(wǎng)等多個子網(wǎng)，其網(wǎng)元類型、網(wǎng)元數(shù)量、網(wǎng)絡(luò)能力、網(wǎng)絡(luò)接口、承載的業(yè)務(wù)等關(guān)鍵指標(biāo)存在較大差異，因此，需要引入各類所需的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)方案，實現(xiàn)對于園區(qū)內(nèi)部所有網(wǎng)元和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一融合承載。同時，在工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和部署過程中，需要考慮整體網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展演進(jìn)能力。

業(yè)界已經(jīng)采用開放式或基于業(yè)務(wù)的架構(gòu)及標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，盡量避免私有化的技術(shù)實現(xiàn)，以適應(yīng)快速發(fā)展的工業(yè)業(yè)務(wù)對于網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)的能力要求，同時，保護(hù)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資，控制園區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完整生命周期的總體成本。針對新建的工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)場景，需要對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行統(tǒng)一的規(guī)劃，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)管控的要求，可采用“一網(wǎng)到底”和“云網(wǎng)融合”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。針對已有工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)改造場景，可采用新型網(wǎng)絡(luò)替代/補(bǔ)充的方式，除了考慮網(wǎng)絡(luò)安全和網(wǎng)絡(luò)管控的要求以外，還需解決現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)性能不滿足企業(yè)新業(yè)務(wù)發(fā)展的痛點問題，在改造過程中，考慮老設(shè)備的利舊及與多類型工業(yè)協(xié)議數(shù)據(jù)互通等問題，最終實現(xiàn)工業(yè)設(shè)備能互聯(lián)和工業(yè)數(shù)據(jù)能互通的目標(biāo)。

3 5G定制網(wǎng)方案

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)場景的不斷發(fā)展與成熟，對網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提出了更高的要求，也促進(jìn)了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)向融合化、無線化、智能化、歸一化方向演進(jìn)發(fā)展。傳統(tǒng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)僅用于商業(yè)信息交互，企業(yè)信息網(wǎng)絡(luò)難以延伸到生產(chǎn)系統(tǒng)，大量的生產(chǎn)數(shù)據(jù)沉淀、消失在工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，“網(wǎng)絡(luò)難互聯(lián)、數(shù)據(jù)難互通”，整體割裂，能力單一，亟待升級。因此，5G定制網(wǎng)應(yīng)運而生，5G定制網(wǎng)作為企業(yè)信息基礎(chǔ)設(shè)施的深刻變革和全面升級，以5G網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，對連接、計算和智能等全部數(shù)字化能力“融合定制”，滿足不同層面的行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型過程中所需的低時延、安全隔離、云網(wǎng)融合等信息化基礎(chǔ)設(shè)施需求［6］。

電信運營商在為行業(yè)提供上述5G 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)時的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式主要有3種：基于公網(wǎng)提供服務(wù)（公網(wǎng)）；復(fù)用部分公網(wǎng)資源，并根據(jù)行業(yè)訴求將部分網(wǎng)絡(luò)資源由行業(yè)用戶獨享（混合組網(wǎng)）；采用行業(yè)專用頻率，為行業(yè)建立與公網(wǎng)完全物理隔離的行業(yè)專網(wǎng)（專網(wǎng)）。

3.1 公網(wǎng)模式

基于5G 公網(wǎng)資源共享（見圖1），面向廣域優(yōu)先型行業(yè)客戶，通過QoS［7］、定制DNN 和切片等技術(shù)，為行業(yè)客戶提供端到端差異化保障的網(wǎng)絡(luò)連接、行業(yè)應(yīng)用等服務(wù)。在該模式下，各種資源以軟件形式展示，不僅建設(shè)周期大大縮減、成本大大降低，在服務(wù)范圍和靈活性上也具有優(yōu)勢，適用于對大數(shù)據(jù)傳輸帶寬及速度、數(shù)據(jù)的安全性保密性有很高要求的企業(yè)。

圖1 公網(wǎng)模式組網(wǎng)架構(gòu)

這種模式的典型應(yīng)用場景有：（1）大面積移動場景，如移動警務(wù)、線路巡檢、車聯(lián)網(wǎng)等；（2）隨需接入場景，如云游戲、云直播、云VR、云會議；（3）組網(wǎng)服務(wù)，如線路備份、跨域?qū)＞W(wǎng)等。

3.2 混合組網(wǎng)模式

混合組網(wǎng)模式（見圖2）的核心邏輯是將5G核心網(wǎng)的UPF功能模塊從行業(yè)用戶側(cè)與MEC部署在一起，從而實現(xiàn)大量的運算在MEC得以實現(xiàn)，終端用戶數(shù)據(jù)不發(fā)送到核心網(wǎng)，直接通過邊緣UPF實現(xiàn)本地卸載，從而使數(shù)據(jù)安全性大大提高。同時，傳輸時延大大降低，端到端小于15ms，部分場景下更是小于10ms，這使得部分生產(chǎn)控制可以得到大幅優(yōu)化。另外，由于MEC 和UPF 同時部署在園區(qū)內(nèi)部，較為靈活的自服務(wù)如自主管理、自主配置成為可能，極大地提高了網(wǎng)絡(luò)控制力。

圖2 混合組網(wǎng)模式組網(wǎng)架構(gòu)

這種模式的典型應(yīng)用場景有工業(yè)視覺檢測、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、設(shè)備遠(yuǎn)程控制、移動診療車、機(jī)器人巡檢等。

3.3 專網(wǎng)模式

這種模式面對的主要是大型企業(yè)，企業(yè)對核心業(yè)務(wù)有最高級別的安全隔離需求，又同時存在網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用、網(wǎng)絡(luò)及平臺自管自維、業(yè)務(wù)規(guī)則制定等需求，具備一定的網(wǎng)絡(luò)及平臺管理能力。

該模式按需定制專用基站、專用頻率或定制輕量級5GC等，為區(qū)域企業(yè)提供一張端到端網(wǎng)絡(luò)資源獨享、業(yè)務(wù)完全隔離、可高度自主運營的專用網(wǎng)絡(luò)，同時，可以按需定制MEC、云、行業(yè)能力、行業(yè)應(yīng)用、服務(wù)等關(guān)鍵組件。在該模式下，5G 網(wǎng)絡(luò)性能得以全面展示，超低時延，超高可靠性，將輔助企業(yè)開展更為精細(xì)的生產(chǎn)控制和服務(wù)。

這種模式的典型應(yīng)用場景有礦車無人駕駛、礦車井下采礦、港口吊機(jī)遠(yuǎn)控、港口自動集卡、電網(wǎng)差動保護(hù)等。

4 項目案例

4.1 項目背景

某礦業(yè)集團(tuán)生產(chǎn)數(shù)字化的實現(xiàn)需要面臨很多挑戰(zhàn)。一是廠區(qū)中各產(chǎn)線檢測系統(tǒng)可靠性低、時延大，生產(chǎn)制造效率受限，產(chǎn)能無法完全釋放。二是數(shù)據(jù)安全要求高。作為制造企業(yè)，有大量核心數(shù)據(jù)中心和自主創(chuàng)新應(yīng)用，數(shù)據(jù)安全是企業(yè)紅線，網(wǎng)絡(luò)的安全性存在很大挑戰(zhàn)。三是人工質(zhì)檢效率低。外觀檢測、缺陷檢測等沒有完全實現(xiàn)自動化、智能化，人工檢測成本高，易出現(xiàn)失誤、漏檢等風(fēng)險。四是設(shè)備維護(hù)成本高。缺乏有效手段判斷設(shè)備性能及對機(jī)器故障進(jìn)行預(yù)判，需要大量人力和物力保障和維護(hù)。

而5G大寬帶、低時延、廣連接的特點與MEC 結(jié)合后更加契合生產(chǎn)數(shù)字化中對部署高效、安全的工業(yè)園區(qū)專網(wǎng)的需求，通過切片，將運營商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行有效融合部署，提升網(wǎng)絡(luò)使用效率，并將流量本地卸載，保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)安全，護(hù)航企業(yè)生產(chǎn)數(shù)字化、智慧化轉(zhuǎn)型。

本項目基于某礦業(yè)集團(tuán)皮帶智能化監(jiān)測應(yīng)用項目，采用“5G 定制網(wǎng)+MEC 邊緣計算”提供應(yīng)用部署環(huán)境，并與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行對接，實現(xiàn)智能監(jiān)管，最終達(dá)到選煤車間作業(yè)安全、節(jié)能、降本、可靠、高效的目的。

4.2 建設(shè)方案

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

本案例采用“混合組網(wǎng)”模式5G定制網(wǎng)建設(shè)方案。

為滿足業(yè)務(wù)需求，在某礦選煤分公司部署UPF+MEC平臺，UPF實現(xiàn)本地流量分流。（1）終端通過5G基站接入到網(wǎng)絡(luò)中。（2）UPF+MEC 部署在基站BBU 和核心網(wǎng)之間，礦區(qū)內(nèi)機(jī)房。（3）針對礦區(qū)終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)不發(fā)送到核心網(wǎng)，直接通過UPF 的本地分流功能送到礦區(qū)的MEC。（4）防火墻復(fù)用，對接UPF 業(yè)務(wù)交換機(jī)和MEC 業(yè)務(wù)交換機(jī)，UPF和客戶內(nèi)網(wǎng)之間通過防火墻進(jìn)行隔離，保證礦區(qū)數(shù)據(jù)的安全。

后續(xù)根據(jù)園區(qū)其他典型應(yīng)用，UPF 及MEC 現(xiàn)有配置可進(jìn)行平滑擴(kuò)容。

4.2.2 皮帶智能檢測系統(tǒng)整體架構(gòu)

皮帶智能綜合檢測系統(tǒng)主要包括AI 服務(wù)器、Web服務(wù)器、千兆交換機(jī)、客戶端PC機(jī)、礦用隔爆兼本安型相機(jī)、礦用隔爆型補(bǔ)光燈、礦用邊緣計算數(shù)據(jù)中心、礦用隔爆兼本安型信號轉(zhuǎn)發(fā)器等關(guān)鍵設(shè)備。其中，礦用隔爆兼本安型相機(jī)、礦用隔爆型補(bǔ)光燈、礦用隔爆兼本安型信號轉(zhuǎn)發(fā)器通過5G 無線網(wǎng)絡(luò)將采集的數(shù)據(jù)實時傳輸至地面服務(wù)器，進(jìn)行AI 分析，也可以通過邊緣計算產(chǎn)品在近端側(cè)直接進(jìn)行AI分析處理，將處理結(jié)果通過5G無線網(wǎng)絡(luò)傳至主服務(wù)器。

4.3 建設(shè)成果

（1）縮短傳輸時延：數(shù)據(jù)不需要經(jīng)過核心網(wǎng)到因特網(wǎng)，傳輸路徑變短，時延減小。

（2）減輕傳輸網(wǎng)絡(luò)的壓力：數(shù)據(jù)直接本地卸載到工廠的MEC，不需要經(jīng)過回傳網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省回傳網(wǎng)絡(luò)的帶寬。

（3）數(shù)據(jù)安全性：數(shù)據(jù)直接發(fā)送給本地網(wǎng)絡(luò)，減少在互聯(lián)網(wǎng)的傳輸，工廠數(shù)據(jù)更加安全。

5 結(jié)語

本文以5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為抓手，通過對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和場景需求的分析，探討在滿足數(shù)據(jù)采集、傳輸、應(yīng)用基礎(chǔ)上的幾種常見的5G 定制網(wǎng)組網(wǎng)手段，最后剖析某礦“比鄰”模式5G定制網(wǎng)建設(shè)案例。本文對企業(yè)建設(shè)5G定制網(wǎng)有一定的參考作用。