范石勇 江西省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 南昌市 330002

0 引言

第四次工業(yè)革命正在蓬勃興起，與世界經(jīng)濟(jì)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換形成了歷史性的交匯?！吨袊?guó)制造2025》中明確指出“加快推動(dòng)新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發(fā)展智能裝備和智能產(chǎn)品，推進(jìn)生產(chǎn)過(guò)程智能化，培育新型生產(chǎn)方式，全面提升企業(yè)研發(fā)、生產(chǎn)、管理和服務(wù)的智能化水平”。而移動(dòng)通信經(jīng)歷了第一代到第四代發(fā)展，現(xiàn)已步入第五代移動(dòng)通信（5G）商用。5G作為新一代信息技術(shù)，將從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展到移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)，與各領(lǐng)域深度融合，全面構(gòu)筑經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵信息基礎(chǔ)設(shè)施，將培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動(dòng)能、打造社會(huì)治理新模式、拓展民生福祉新內(nèi)涵。本文針對(duì)本地某一化工企業(yè)的實(shí)際2B應(yīng)用需求，研究5G網(wǎng)絡(luò)有效保障方案，為5G網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)制造業(yè)上2B應(yīng)用提供信息管道，輸出有價(jià)值的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。

1 2B應(yīng)用需求與目標(biāo)

1.1 化工企業(yè)的2B應(yīng)用需求

現(xiàn)代化工企業(yè)為推動(dòng)企業(yè)向數(shù)字化、智能化、精細(xì)化、國(guó)際化和可持續(xù)化的高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)中，實(shí)際提出了以下需求：

（1）企業(yè)內(nèi)網(wǎng)改造升級(jí)，滿足海量接入、安全性和擴(kuò)展性的需要。

海量接入：在企業(yè)智能化的進(jìn)程中，連接入網(wǎng)設(shè)備數(shù)量的暴增，現(xiàn)有以DCS、工業(yè)總線為主的工業(yè)內(nèi)網(wǎng)難以滿足需要。同時(shí)數(shù)據(jù)量的暴發(fā)式增長(zhǎng)和“池”式的計(jì)算處理也對(duì)網(wǎng)絡(luò)和資源的消耗成為了瓶頸。安全性：首先是數(shù)據(jù)的安全性，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的擴(kuò)展尤其是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的引入要滿足企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需要。其次是網(wǎng)絡(luò)的安全性，要減少如雷擊等的外部因素影響。擴(kuò)展性：需要靈活適配不同應(yīng)用場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需要（如設(shè)備控制的低時(shí)延、視頻傳輸?shù)拇髱?、穿戴設(shè)備的可移動(dòng)性等）。

（2）安全管理的需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)區(qū)域“人機(jī)環(huán)境”的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

安全生產(chǎn)是第一個(gè)企業(yè)發(fā)展的永恒主題，也是行業(yè)發(fā)展的生命線，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在發(fā)生過(guò)的化工企業(yè)安全事故中，由人為因素造成的事故占總事故的比例80%左右。其次物的不安全狀態(tài)以及管理者的管理缺陷也是安全生產(chǎn)的不確定因素。需要通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)作業(yè)人員、設(shè)備裝置和作業(yè)管理等安全隱患排查的全面性、實(shí)時(shí)性和預(yù)見(jiàn)性，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的可防可控。

人員管理：作業(yè)環(huán)境和人員位置的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。設(shè)備管理：實(shí)時(shí)采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并同時(shí)對(duì)采集數(shù)據(jù)分析和設(shè)備監(jiān)測(cè)。環(huán)境管理：安全隱患排查的實(shí)時(shí)性，如對(duì)作業(yè)規(guī)范和行為規(guī)范。

（3）效率提升的需求，提高生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率，減少人員參與。

高效、安全、智能化的管理手段使得化工企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)管理更全面。如：巡檢的智能化：在廠區(qū)的巡檢過(guò)程中涉及大量設(shè)備運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的采集，通過(guò)人工讀數(shù)存在漏檢、誤檢等情況；在環(huán)境復(fù)雜區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域（如管道、高塔等）采用人工攀爬的方式進(jìn)行巡檢，存在極大的安全隱患和效率低下的問(wèn)題。送檢的自動(dòng)化：在產(chǎn)品質(zhì)檢的過(guò)程中每隔一定時(shí)間要抽樣送檢，以往是采用傳統(tǒng)的人工騎自行車(chē)的方式來(lái)取樣送檢，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

1.2 化工企業(yè)的2B應(yīng)用目標(biāo)

以2B應(yīng)用需求為牽引，聯(lián)合行業(yè)內(nèi)合作伙伴，利用5G、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算、人工智能等技術(shù)打造基于邊緣云的5G智慧企業(yè)應(yīng)用。聚焦企業(yè)安全、質(zhì)量和效率等領(lǐng)域，以5G+MEC構(gòu)建高質(zhì)量的企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)為基礎(chǔ)，引入云計(jì)算技術(shù)，建設(shè)基于數(shù)據(jù)孿生的5G+智能化工應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)基于人工智能的5G+AI安防監(jiān)測(cè)、基于NB-IOT的在線設(shè)備監(jiān)測(cè)、基于邊緣計(jì)算的5G智能巡檢和無(wú)人機(jī)送樣等場(chǎng)景化應(yīng)用。如圖1所示。

（1）基于5G+MEC 的高質(zhì)量企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。通過(guò)5G+MEC的部署，構(gòu)建5G/4G/NB的無(wú)線企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)，并與內(nèi)網(wǎng)進(jìn)行安全可靠互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的深度融合。實(shí)現(xiàn)授權(quán)終端在企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)環(huán)境下與內(nèi)網(wǎng)的互聯(lián)，滿足不同場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)需要；實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保證安全連接5G專(zhuān)網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)；在數(shù)據(jù)源側(cè)計(jì)算，大量減少了數(shù)據(jù)集中處理的網(wǎng)絡(luò)消耗，降低了傳輸時(shí)延；實(shí)現(xiàn)天翼去與邊緣計(jì)算的互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)彈性云計(jì)算。

（2）基于數(shù)據(jù)孿生的5G+智能化工應(yīng)用平臺(tái)。通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，打造可視化、集中化、智能化的“5G+智能化工”中央控制臺(tái)。實(shí)現(xiàn)人員、設(shè)備、環(huán)境等生產(chǎn)要素的全數(shù)據(jù)采集與匯聚，并對(duì)采集數(shù)據(jù)的智能化分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)與三維地圖可視化關(guān)聯(lián)并呈現(xiàn)出來(lái)。

（3）基于精準(zhǔn)定位的5G智能手環(huán)。以智能手環(huán)為載體，利用精準(zhǔn)定位技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)采集技術(shù)，對(duì)員工作業(yè)環(huán)境、健康狀態(tài)等進(jìn)行實(shí)時(shí)定位與監(jiān)測(cè)，確保人員的安全。包括防爆功能、室內(nèi)外的高精度定位、健康信息檢測(cè)（心率）、作業(yè)區(qū)域限制。

（4）基于5G+AI安防監(jiān)測(cè)。以視頻監(jiān)控為載體，運(yùn)用5G+機(jī)器視覺(jué)分析技術(shù)，對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)告警，確保作業(yè)流程的規(guī)范化和可控化。如作業(yè)規(guī)范監(jiān)測(cè)、操作過(guò)程記錄和指導(dǎo)和不規(guī)范行為的實(shí)時(shí)告警。

圖1 企業(yè)2B應(yīng)用目標(biāo)

（5）基于窄帶物聯(lián)網(wǎng)NB-IOT的在線設(shè)備監(jiān)測(cè)。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)，將設(shè)備大量關(guān)鍵數(shù)據(jù)上傳到統(tǒng)一管理平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，保證設(shè)備的正常、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。運(yùn)行狀態(tài)、工藝參數(shù)、運(yùn)行能耗等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集，如DCS、PLC、NB等多系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集接入，采集設(shè)備的防爆功能。

（6）基于邊緣計(jì)算的5G智能巡檢。以防爆手機(jī)為載體，利用5G的大帶寬和低時(shí)延特性，綜合運(yùn)用圖像識(shí)別、熱成像、AR等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)化工裝置的多維度安全監(jiān)測(cè)、防爆功能、測(cè)溫、熱成像測(cè)漏。

（7）基于MEC的5G無(wú)人機(jī)送樣和巡檢。通過(guò)無(wú)人機(jī)使能平臺(tái)與視頻AI技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化送樣和巡檢。比如無(wú)人機(jī)的自動(dòng)化飛控，平臺(tái)一鍵送樣。

2 5G網(wǎng)絡(luò)保障方案

2.1 部署原則

方案將為化工企業(yè)構(gòu)建先進(jìn)、高效的5G網(wǎng)絡(luò)，支撐企業(yè)數(shù)字化、智能化發(fā)展。方案設(shè)計(jì)整體遵循以下原則：

◎安全性原則：企業(yè)生產(chǎn)、管理等信息數(shù)據(jù)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)承載，在網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)建設(shè)規(guī)劃時(shí)需注重用戶數(shù)據(jù)的安全性及網(wǎng)絡(luò)的安全性。

◎可靠性原則：保證5G網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)質(zhì)量、設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定、排除故障，為企業(yè)提供可靠的連接業(yè)務(wù)。

◎易維護(hù)性原則：系統(tǒng)設(shè)備應(yīng)能夠方便管理，便于維護(hù)，易于進(jìn)行系統(tǒng)配置，可監(jiān)控設(shè)備參數(shù)、數(shù)據(jù)流量、系統(tǒng)性能等，并且可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管控以及故障診斷。

◎可擴(kuò)展性原則：系統(tǒng)設(shè)備不但要滿足當(dāng)前需要，而且網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性方面也要滿足將來(lái)需求。比如帶寬和設(shè)備的擴(kuò)展，應(yīng)用的擴(kuò)展，生產(chǎn)、辦公地點(diǎn)的擴(kuò)展等。

2.2 部署思路

根據(jù)現(xiàn)階段化工企業(yè)工廠建設(shè)存在如下幾方面需求：

（1）廠區(qū)及園區(qū)面積大，環(huán)保、安防、安全生產(chǎn)等要求高，涉及大量視頻監(jiān)控系統(tǒng)部署，以及人員、車(chē)輛、裝備等精準(zhǔn)定位。

（2）工廠內(nèi)外部各類(lèi)設(shè)備裝備、儀器儀表等實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集是自動(dòng)化、智能化基礎(chǔ)，大量數(shù)據(jù)需要無(wú)線/移動(dòng)傳輸保障。

（3）工廠內(nèi)自動(dòng)化程度高，如采用機(jī)器人進(jìn)行樣品質(zhì)量檢測(cè)、工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)等應(yīng)用，需靈活的網(wǎng)絡(luò)部署支持，以及高可靠、高性能保障。

（4）生產(chǎn)環(huán)境無(wú)污染要求高，人員現(xiàn)場(chǎng)工作難度大，急需遠(yuǎn)程操控，對(duì)網(wǎng)絡(luò)有高可靠、低時(shí)延需求。

結(jié)合當(dāng)前5G技術(shù)的發(fā)展進(jìn)展與預(yù)期，同時(shí)考慮業(yè)務(wù)開(kāi)展的實(shí)際需求，5G網(wǎng)絡(luò)保障方案可以按照三個(gè)階段實(shí)施開(kāi)展：

◎階段一：基于eMBB典型應(yīng)用場(chǎng)景視頻、網(wǎng)絡(luò)備份類(lèi)業(yè)務(wù)部署，滿足以下業(yè)務(wù)需求：

業(yè)務(wù)1：視頻監(jiān)控類(lèi)，高帶寬、海量存儲(chǔ)類(lèi)業(yè)務(wù)，有移動(dòng)性需求或節(jié)點(diǎn)分布零散場(chǎng)景，如廠區(qū)的視頻監(jiān)控。

業(yè)務(wù)2：數(shù)據(jù)檢測(cè)三維工廠等數(shù)據(jù)檢測(cè)，5G作為各類(lèi)工業(yè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)、高可靠回傳保障，可引入AR等應(yīng)用試點(diǎn)。

業(yè)務(wù)3：5G+MEC，針對(duì)工業(yè)視覺(jué)檢測(cè)、AI視頻監(jiān)控等應(yīng)用，部署MEC與5G協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)于化工園區(qū)無(wú)人機(jī)巡檢業(yè)務(wù)，提升安全性及業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

◎階段二：遠(yuǎn)程控制類(lèi)、精準(zhǔn)定位類(lèi)、規(guī)模業(yè)務(wù)部署應(yīng)用，滿足以下業(yè)務(wù)需求：

業(yè)務(wù)1：遠(yuǎn)程控制，基于5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升、MEC部署，以及生產(chǎn)裝備等改造，在一般實(shí)時(shí)性要求場(chǎng)景規(guī)模應(yīng)用。

業(yè)務(wù)2：精準(zhǔn)定位，基于5G標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品成熟，在廠區(qū)部署5G精準(zhǔn)定位協(xié)同（亞米級(jí)），進(jìn)行人、車(chē)、物管控、保障安全生產(chǎn)。

◎階段三：5G網(wǎng)絡(luò)廣覆蓋、uRLLC成熟，5G+云+AI智能工廠

高可靠性低時(shí)延類(lèi)業(yè)務(wù)uRLLC 技術(shù)完善并規(guī)模部署，支持超低時(shí)延，支撐大部分工業(yè)實(shí)時(shí)控制場(chǎng)景需求，通過(guò)5G+云+AI能力，構(gòu)建可靈活部署、泛在接入、智能分析的全云化、數(shù)字化工廠。

2.3 部署方案

5G 網(wǎng)絡(luò)部署方案采用5G SA 網(wǎng)絡(luò)+MEC 為核心架構(gòu)，為化工企業(yè)構(gòu)建一張高質(zhì)量無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)、辦公的統(tǒng)一接入。

（1）采用先進(jìn)的5G 融合5GC：5GC 采用SA 架構(gòu)，融合4G EPC與NB網(wǎng)絡(luò)功能，不僅能提供更寬的上行帶寬、更低的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，更好支撐切片、MEC等新能力，還能兼容傳統(tǒng)4G與NB的模組，為企業(yè)提供全連接的物聯(lián)網(wǎng)安全專(zhuān)網(wǎng)。

（2）MEC實(shí)現(xiàn)安全及性能提升：根據(jù)5GC控制面和用戶面分離的特點(diǎn)，將用戶面UPF下沉到園區(qū)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分流，保障化工企業(yè)的數(shù)據(jù)安全，并進(jìn)一步降低網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，提升核心業(yè)務(wù)性能與體驗(yàn)。R15/R16協(xié)議的凍結(jié)，引入切片技術(shù)來(lái)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)差異化，如SLA保證、安全性隔離等。并實(shí)現(xiàn)對(duì)于企業(yè)新5G終端設(shè)備進(jìn)行管理（如了解其上線信息，位置信息），對(duì)網(wǎng)絡(luò)時(shí)延、帶寬等KPI進(jìn)行監(jiān)控，并將這些信息嵌入到工廠業(yè)務(wù)系統(tǒng)，支持其業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)一步智能化、自動(dòng)化。

（3）優(yōu)質(zhì)的無(wú)線SA網(wǎng)絡(luò)覆蓋：結(jié)合工廠具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景和環(huán)境，以室外宏基站（64T64R）+室內(nèi)數(shù)字化方式靈活組網(wǎng)，保障整體無(wú)線覆蓋質(zhì)量。同時(shí)結(jié)合實(shí)際場(chǎng)景需要，進(jìn)一步提升5G網(wǎng)絡(luò)上行帶寬、降低實(shí)驗(yàn)、優(yōu)化覆蓋質(zhì)量。超級(jí)上行降低約30%空口時(shí)延、顯著提升上行吞吐率（近中點(diǎn)提升20%-60%，遠(yuǎn)點(diǎn)提升1-3倍）。

2.3.1 物理組網(wǎng)

由終端設(shè)備采集的企業(yè)數(shù)據(jù)通過(guò)5G基站接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)關(guān)截?cái)鄶?shù)據(jù)，并進(jìn)行本地分流到部署的邊緣云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)，保證數(shù)據(jù)生產(chǎn)和使用的全業(yè)務(wù)流程均在園區(qū)內(nèi)完成，保證了數(shù)據(jù)的安全。實(shí)現(xiàn)公網(wǎng)數(shù)據(jù)與專(zhuān)網(wǎng)數(shù)據(jù)的隔離，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎蜁r(shí)延性能保證，并配合邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速率、低時(shí)延的應(yīng)用，賦能信息化系統(tǒng)升級(jí)。

核心網(wǎng)：采用商用5GC核心網(wǎng)。無(wú)線側(cè)：對(duì)室外區(qū)域采用BBU集中部署+AAU拉遠(yuǎn)方式進(jìn)行信號(hào)覆蓋，室內(nèi)場(chǎng)景使用分布系統(tǒng)進(jìn)行覆蓋。媒體面：UPF/MEP下沉至園區(qū)邊緣機(jī)房。

為滿足數(shù)據(jù)不出園區(qū)需求，在園區(qū)部署UPF，實(shí)現(xiàn)本地流量分流。當(dāng)UPF部署在客戶機(jī)房時(shí)，需在傳輸端設(shè)置內(nèi)部防火墻。通過(guò)UPF將辦公終端和生產(chǎn)終端5G業(yè)務(wù)流量分流到本地信息化網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)安全隔離。

（1）終端通過(guò)5G基站接入到網(wǎng)絡(luò)中。

（2）UPF部署在園區(qū)內(nèi)機(jī)房，與園區(qū)就近的傳輸設(shè)備相連。對(duì)園區(qū)終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)直接通過(guò)UPF本地分流功能傳送到園區(qū)的數(shù)據(jù)中心。

（3）通過(guò)防火墻對(duì)UPF和園區(qū)數(shù)據(jù)中心之間進(jìn)行隔離，保證了園區(qū)數(shù)據(jù)的安全。

2.3.2 UPF分流

2B UPF根據(jù)客戶特殊DNN進(jìn)行分流。用戶攜帶特殊DNN 上線后，SMF 直接選取2B UPF 提供數(shù)據(jù)服務(wù)。2B UPF 在該DNN 下配置靜態(tài)路由數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)分流。

2.3.3 UPF計(jì)費(fèi)

UDM為企業(yè)專(zhuān)網(wǎng)終端簽約專(zhuān)用DNN。SMF通過(guò)CGF向營(yíng)帳系統(tǒng)上報(bào)計(jì)費(fèi)話單，營(yíng)帳根據(jù)話單中的DNN標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)差異計(jì)費(fèi)。

3 結(jié)束語(yǔ)

《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》明確指出，發(fā)展智能制造立足制造業(yè)本質(zhì)，緊扣智能特征，以數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以工藝、裝備為核心，以5G新一代信息技術(shù)與先進(jìn)智能制造技術(shù)深度融合。第四次工業(yè)革命正蓬勃興起，而利用5G新技術(shù)、新應(yīng)用不斷提升工業(yè)的智能化水平，實(shí)現(xiàn)工業(yè)行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文結(jié)合了本地實(shí)際化工企業(yè)的2B應(yīng)用需求，對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)保障方案進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)企業(yè)的應(yīng)用需求與目標(biāo)分析，遵從5G新技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)部署原則，制定了行之有效的部署方案，打造基于邊緣云的5G智慧工業(yè)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)5G與工業(yè)內(nèi)網(wǎng)的深度融合，構(gòu)建工業(yè)的數(shù)字化孿生工廠，提升工業(yè)企業(yè)在安全、環(huán)保、質(zhì)量和經(jīng)營(yíng)等方面的管理水平，最終輸出有價(jià)值的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)。