高博，馬科，張建敏，鄧桂榮，臧振瀚

基于5G MEC的水泥智慧工廠解決方案研究與驗(yàn)證

高博1，馬科2，張建敏3，鄧桂榮2，臧振瀚3

（1. 中國(guó)電信股份有限公司研究院，北京 102209；2. 中國(guó)電信股份有限公司廣西分公司，廣西 南寧 530028；3. 中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司，北京 102209）

隨著新型工業(yè)化進(jìn)程不斷推進(jìn)，5G如何賦能工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型、助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)受到越來(lái)越多的關(guān)注。根據(jù)水泥生產(chǎn)流程，分析了行業(yè)的需求，提出了基于5G多接入邊緣計(jì)算（multi-access edge computing，MEC）的水泥智慧工廠解決方案，并給出了典型的5G應(yīng)用場(chǎng)景。結(jié)合實(shí)際的商用案例，介紹了詳細(xì)的部署組網(wǎng)和安全防護(hù)方案，驗(yàn)證了方案在助力企業(yè)降本增效方面的顯著效果，為水泥建材行業(yè)乃至流程工業(yè)的5G MEC場(chǎng)景化應(yīng)用提供了參考。

5G專網(wǎng)；MEC；智慧工廠；水泥工業(yè)

0 引言

隨著5G多接入邊緣計(jì)算（multi-access edge computing，MEC）、人工智能（artificial intelligence，AI）、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)不斷發(fā)展成熟，新型應(yīng)用越來(lái)越多地滲透到工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)。作為基礎(chǔ)支柱型產(chǎn)業(yè)的水泥工業(yè)，也亟須利用新技術(shù)淘汰落后產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展。

水泥生產(chǎn)流程涵蓋礦山開(kāi)采、流程制造、園區(qū)管理等多個(gè)場(chǎng)景。礦車運(yùn)輸露天礦山開(kāi)采的石灰石，經(jīng)碎石機(jī)破碎后由傳送帶運(yùn)送到主廠區(qū)。石灰石和黏土、鐵礦粉等原料按比例配合，磨到一定細(xì)度后形成生料。生料經(jīng)均化、預(yù)熱、回轉(zhuǎn)煅燒、冷卻后進(jìn)入熟料庫(kù)。熟料再由傳送帶運(yùn)送到粉磨廠，配合其他混合材料粉磨至適宜的粒度，形成成品水泥。成品由包裝機(jī)包裝，或形成散裝水泥成品，然后裝車、裝船運(yùn)送出廠。由此可以看出，水泥工業(yè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了裝備自動(dòng)化，但在傳統(tǒng)通信方式和技術(shù)下，仍存在諸多問(wèn)題[1]。

? 生產(chǎn)設(shè)備維護(hù)難度大：水泥產(chǎn)線中大型設(shè)備數(shù)量眾多，如果設(shè)備發(fā)生故障導(dǎo)致產(chǎn)線停產(chǎn)，將會(huì)導(dǎo)致巨大的經(jīng)濟(jì)損失。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)下，沒(méi)有對(duì)大多數(shù)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可能導(dǎo)致設(shè)備檢修不及時(shí)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)。

? 生產(chǎn)管控精度低：水泥生產(chǎn)中的石灰石預(yù)均化堆場(chǎng)、輔原料堆場(chǎng)、原煤堆場(chǎng)等料堆體積大、形狀不規(guī)則，傳統(tǒng)的人工測(cè)量盤點(diǎn)方式受工人經(jīng)驗(yàn)影響大，盤庫(kù)誤差大、效率低。堆取料機(jī)雖可自動(dòng)化堆取料，但無(wú)法實(shí)現(xiàn)精細(xì)化控制，影響了生產(chǎn)質(zhì)量的進(jìn)一步提升。

? 工人職業(yè)健康挑戰(zhàn)：在水泥工廠的露天礦山區(qū)域，礦山爆破、礦車駕駛工作環(huán)境惡劣，粉塵污染嚴(yán)重，易發(fā)生落石等安全事故，影響工人的健康和安全，進(jìn)而導(dǎo)致招工難、用工難等問(wèn)題。

? 安全管理手段單一：水泥工廠環(huán)境復(fù)雜，為防止安全事故發(fā)生，工廠制定了嚴(yán)格的安全管理規(guī)定。而傳統(tǒng)的安全管理手段較為單一，工人不按規(guī)定戴安全帽、穿防護(hù)服，外來(lái)人員非法入侵危險(xiǎn)區(qū)域的情況時(shí)有發(fā)生，安全防護(hù)和安全檢查的手段需進(jìn)一步提高。

為了將5G MEC技術(shù)應(yīng)用于垂直行業(yè)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)MEC架構(gòu)、部署策略、分流方案等進(jìn)行了研究[2-6]，分析了其與物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合的應(yīng)用場(chǎng)景及挑戰(zhàn)[7-9]。而在面向細(xì)分行業(yè)時(shí)，由于企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、生產(chǎn)系統(tǒng)、安全管理要求等都因行業(yè)特點(diǎn)而有所不同，如何利用5G MEC技術(shù)賦能新型業(yè)務(wù)應(yīng)用尚在探索中，5G智慧工廠規(guī)?；l(fā)展還存在一定的門檻。

本文研究了利用5G MEC技術(shù)構(gòu)建水泥智慧工廠的解決方案，提出了將5G MEC與企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)融合的業(yè)務(wù)架構(gòu)，分析了典型業(yè)務(wù)的流程及對(duì)專網(wǎng)的需求，細(xì)化了組網(wǎng)部署和安全防護(hù)方案。最后在商用實(shí)踐案例中驗(yàn)證了方案效果，總結(jié)并提出了對(duì)未來(lái)發(fā)展方向的思考，希望能為后續(xù)研究提供參考。

1 基于5G MEC的水泥智慧工廠解決方案

1.1 解決方案總體架構(gòu)

傳統(tǒng)模式下，水泥工廠構(gòu)建了生產(chǎn)專用網(wǎng)絡(luò)和廠區(qū)數(shù)據(jù)中心，承載了生產(chǎn)和廠區(qū)辦公業(yè)務(wù)。運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)作為工廠外部網(wǎng)絡(luò)，只面向公眾使用場(chǎng)景。5G MEC技術(shù)的引入，使得運(yùn)營(yíng)商的邊緣云網(wǎng)具備承載工業(yè)應(yīng)用的能力。一體化MEC、邊緣用戶面功能（user plane function，UPF）、基站等可為廠區(qū)專用建設(shè)，構(gòu)成5G專網(wǎng)，作為工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的延伸。5G MEC為業(yè)務(wù)提供邊緣高帶寬、低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)，以及彈性伸縮的邊緣算力。水泥工廠5G業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)就近處理，廠內(nèi)終結(jié)，保障了生產(chǎn)核心數(shù)據(jù)的安全性。基于5G MEC的水泥智慧工廠解決方案總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于5G MEC的水泥智慧工廠解決方案總體架構(gòu)

MEC平臺(tái)為水泥工廠提供獨(dú)立的邊緣云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，云化高算力和分布式存儲(chǔ)，保障算力的高效利用和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)可靠性，資源可動(dòng)態(tài)按需擴(kuò)容。MEC支持虛擬機(jī)及容器形式業(yè)務(wù)的編排部署，具備自服務(wù)管理和運(yùn)維監(jiān)控等平臺(tái)能力。MEC融合5GC能力開(kāi)放、邊緣UPF分流管理、邊緣終端管理等網(wǎng)絡(luò)能力，與企業(yè)網(wǎng)融合可視化，并可供第三方應(yīng)用調(diào)用。5G MEC水泥智慧工廠的組網(wǎng)方式如圖2所示。

水泥工廠內(nèi)以視覺(jué)分析、遠(yuǎn)程控制、巡檢等為代表的典型場(chǎng)景，主要為物聯(lián)網(wǎng)類型接入，只在工廠內(nèi)接入，且只有訪問(wèn)MEC需求，因此選用專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)名（data network name，DNN）的分流方案。對(duì)于同時(shí)訪問(wèn)公網(wǎng)/專網(wǎng)的業(yè)務(wù)需求，可選擇上行分類器（uplink classifier，ULCL）等分流方案，本文不做重點(diǎn)討論。為保障業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，在廠區(qū)內(nèi)新建承載網(wǎng)接入設(shè)備。

水泥工廠內(nèi)采用5G SA組網(wǎng)，對(duì)礦山區(qū)、主廠區(qū)、粉磨廠區(qū)以及地上地下的傳送帶區(qū)域全覆蓋，無(wú)線側(cè)專用基站配置跟蹤區(qū)域（tracking area，TA），廠區(qū)終端及5G CPE簽約工廠業(yè)務(wù)專用DNN。終端使用專用DNN發(fā)起會(huì)話時(shí)，接入和移動(dòng)性管理功能（access and mobility management function，AMF）根據(jù)用戶簽約信息和接入策略選擇會(huì)話管理功能（session management function，SMF），SMF根據(jù)DNN所在TA選擇同局址下沉部署的邊緣UPF，建立N4會(huì)話，邊緣UPF將廠區(qū)業(yè)務(wù)流量經(jīng)N6轉(zhuǎn)發(fā)至MEC。

MEC對(duì)接廠區(qū)內(nèi)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)MEC與廠區(qū)內(nèi)網(wǎng)應(yīng)用的互通協(xié)同。廠區(qū)與總部通過(guò)政企專線組成企業(yè)專網(wǎng)，企業(yè)總部部署私有云，在云端建立數(shù)據(jù)標(biāo)注和算法模型訓(xùn)練中心。將MEC的視頻數(shù)據(jù)上傳至云端進(jìn)行在線編碼、模型訓(xùn)練和自動(dòng)測(cè)試封裝，將訓(xùn)練好的模型能力下發(fā)到MEC，進(jìn)行業(yè)務(wù)識(shí)別。

圖2 5G MEC水泥智慧工廠的組網(wǎng)方式

1.2 5G MEC水泥生產(chǎn)業(yè)務(wù)架構(gòu)

參照ISA-95標(biāo)準(zhǔn)，水泥工廠工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)分為L(zhǎng)0～L4 5個(gè)層級(jí)構(gòu)建[10]。其中L0層為執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制（supervisory control and data acquisition，SCADA）系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)（distributed control system，DCS）、可編程邏輯控制器（programmable logic controller，PLC）位于L1～L2層，制造執(zhí)行系統(tǒng)（manufacturing execution system，MES）等位于L3層，企業(yè)資源計(jì)劃（enterprise resource planning，ERP）等位于L4層。各層之間以工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線等通信[11]。

MEC實(shí)際上利用5G云網(wǎng)能力，形成對(duì)水泥產(chǎn)線大型生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)傳統(tǒng)架構(gòu)的補(bǔ)充和拓展，推動(dòng)了信息技術(shù)（information technology，IT）、通信技術(shù)（communication technology，CT）、操作技術(shù)（operation technology，OT）的融合[12-13]。5G MEC與原水泥工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)形成了協(xié)同的業(yè)務(wù)架構(gòu)[14]，水泥工廠MEC生產(chǎn)業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖3所示，終端通過(guò)5G、固網(wǎng)等多種方式接入，MEC與水泥工廠工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)業(yè)務(wù)協(xié)同，MEC與異地部署的企業(yè)私有云形成云邊協(xié)同。DCS與MEC視頻監(jiān)控平臺(tái)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線告警區(qū)域的實(shí)時(shí)監(jiān)控展示；制造運(yùn)行管理（manufacturing operation management，MOM）與MEC視覺(jué)分析平臺(tái)以及無(wú)人機(jī)系統(tǒng)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)基于行為狀態(tài)識(shí)別的MOM自動(dòng)化調(diào)度管理；視頻監(jiān)控平臺(tái)與設(shè)備生命周期管理（appliance lifecycle management，ALM）三維模型協(xié)同，實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)、備件庫(kù)存等信息同步管理；水泥罐車管理平臺(tái)與視頻監(jiān)控平臺(tái)、視覺(jué)分析平臺(tái)協(xié)同，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛的進(jìn)場(chǎng)驗(yàn)證、排隊(duì)、計(jì)量、發(fā)貨、收卡出廠全流程管理。MEC的引入打通了5個(gè)層級(jí)的縱向集成，有利于工業(yè)軟件的融合和數(shù)據(jù)共享。

2 水泥工業(yè)典型5G應(yīng)用場(chǎng)景分析

2.1 水泥生產(chǎn)視頻監(jiān)控及AI視覺(jué)識(shí)別

AI視覺(jué)識(shí)別能力可應(yīng)用于水泥工廠的設(shè)備維護(hù)、產(chǎn)線檢測(cè)、危險(xiǎn)識(shí)別、物流管理等，以攝像頭代替人工，結(jié)合5G MEC技術(shù)，可支持多路高清視頻流的并行接入，降低施工成本，方便攝像頭布設(shè)。MEC上部署視頻監(jiān)控平臺(tái)和視覺(jué)分析平臺(tái)，分別實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控和AI識(shí)別。其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)可調(diào)取視頻流并展示監(jiān)控畫(huà)面，典型業(yè)務(wù)如下。

圖3 水泥工廠MEC生產(chǎn)業(yè)務(wù)架構(gòu)

? 當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，DCS將告警設(shè)備信息推送給視頻監(jiān)控平臺(tái)，平臺(tái)向大屏推送監(jiān)控視頻。

? 在ALM三維模型中預(yù)定義監(jiān)控視頻的統(tǒng)一資源定位符（uniform resource locator，URL），當(dāng)在ALM中展示三維模型時(shí)，用戶可以在模型中調(diào)取監(jiān)控視頻。

視覺(jué)分析平臺(tái)對(duì)接視頻監(jiān)控平臺(tái)的實(shí)時(shí)流協(xié)議（real-time streaming protocol，RTSP）流地址，并進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。分析結(jié)果以接口形式推送給其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)并觸發(fā)告警。典型業(yè)務(wù)如下。

? 視覺(jué)分析平臺(tái)將識(shí)別的告警信息推送到MOM，包括安全、生產(chǎn)等告警，MOM接收告警信息，并按照預(yù)定義工作流處理流程完成告警的自動(dòng)化調(diào)度管理。

? 視覺(jué)分析平臺(tái)識(shí)別散裝車輛的開(kāi)關(guān)蓋狀態(tài)、車牌號(hào)等，并將結(jié)果推送給一卡通系統(tǒng)。水泥罐車管理平臺(tái)判斷車輛是否符合進(jìn)出場(chǎng)流程要求，如符合則對(duì)車輛放行。

MEC提供邊緣異構(gòu)算力，整合皮帶損傷、料口堵料、冒灰揚(yáng)塵、危險(xiǎn)區(qū)域人員闖入、人員安全帽佩戴、危險(xiǎn)作業(yè)規(guī)范操作、水泥灌裝車狀態(tài)、規(guī)范操作等識(shí)別原子能力，并與企業(yè)原有系統(tǒng)協(xié)同，可形成覆蓋全廠區(qū)的智能監(jiān)控與生產(chǎn)管理。

高清圖像可以提升算法識(shí)別準(zhǔn)確度，但同時(shí)也對(duì)網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更高的要求。以500萬(wàn)像素彩色圖片為例，單張圖片大小約15 MB，若每秒采集一張，則上行帶寬需求為120 Mbit/s。在水泥工廠場(chǎng)景復(fù)雜的情況下，為保障業(yè)務(wù)效果，還需開(kāi)通5G超級(jí)上行特性。

2.2 礦山工程機(jī)械遠(yuǎn)程操控

5G無(wú)線傳輸可以使工程機(jī)械與操作端分離。車輛端安裝駕駛控制設(shè)備、激光雷達(dá)、數(shù)采模塊和攝像頭裝備，完成對(duì)車輛的控制和對(duì)環(huán)境的感知，并將采集的數(shù)據(jù)經(jīng)5G用戶處所設(shè)備（customer premise equipment，CPE）回傳到操作端。操作端分為控制臺(tái)和操控顯示系統(tǒng)，駕駛員依據(jù)車聯(lián)網(wǎng)回傳的數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程進(jìn)行駕駛操控，操作端可部署在遠(yuǎn)離礦山的辦公區(qū)域，提供較好的工作環(huán)境。控制信號(hào)和視頻信號(hào)經(jīng)5G網(wǎng)絡(luò)接入，由本地UPF分流傳輸至操作端，視頻編解碼能力和視頻存儲(chǔ)部署在MEC，為遠(yuǎn)程操控提供高速穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接和高性能的計(jì)算能力。

遠(yuǎn)程操控業(yè)務(wù)對(duì)上行視頻回傳網(wǎng)絡(luò)要求較高。在車輛前后左右4個(gè)方向各布置1個(gè)高清攝像頭，采集駕駛艙視角視頻數(shù)據(jù)并在遠(yuǎn)程操作端大屏展示。在作業(yè)場(chǎng)區(qū)布置1個(gè)高空攝像頭，采集環(huán)境監(jiān)控視頻。5個(gè)攝像頭采集并回傳1080P、30幀視頻流至MEC及操作端，以H.264編碼方式為例，5路視頻流共需25 Mbit/s的上行速率。單小區(qū)不超過(guò)4臺(tái)工程機(jī)械同時(shí)操作，則需要上行速率不低于100 Mbit/s。下行主要用于控制指令下達(dá)，帶寬不低于100 kbit/s。為確保礦山工程機(jī)械開(kāi)采業(yè)務(wù)效果，要求網(wǎng)絡(luò)時(shí)延不高于20 ms，并提供99.999%的可靠連接。

2.3 廠區(qū)無(wú)人機(jī)巡檢

5G MEC作為支撐無(wú)人機(jī)平臺(tái)的邊緣云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施，可以滿足無(wú)人機(jī)巡檢對(duì)高清視頻傳輸、低時(shí)延控制和基站間巡飛快速切換的業(yè)務(wù)需求。水泥工廠面積大、分布廣、環(huán)境復(fù)雜，人工巡檢的方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，無(wú)人機(jī)巡檢可以作為固定點(diǎn)位攝像頭AI識(shí)別的補(bǔ)充，降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏遠(yuǎn)的礦山區(qū)域、危險(xiǎn)區(qū)域和傳送帶等進(jìn)行巡檢識(shí)別和告警。此外，對(duì)于礦山爆破的高危場(chǎng)景，無(wú)人機(jī)可以實(shí)現(xiàn)地形測(cè)繪的無(wú)人化，并指導(dǎo)礦車路線修改和爆破設(shè)計(jì)等。

對(duì)于AI視覺(jué)巡檢和礦山測(cè)繪應(yīng)用，結(jié)合采集視頻的碼流和控制要求，上行帶寬不低于100 Mbit/s可以保障視頻清晰度和識(shí)別成功率，下行帶寬不低于600 kbit/s、網(wǎng)絡(luò)時(shí)延在50 ms以內(nèi)可以保障較好的控制效果。水泥廠區(qū)的無(wú)人機(jī)巡檢的飛行相對(duì)高度在100 m左右，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋提出了多維度的需求。

2.4 數(shù)字堆場(chǎng)

通過(guò)在堆取料機(jī)上安裝激光雷達(dá)掃描設(shè)備、攝像頭等，生成高精度點(diǎn)云掃描數(shù)據(jù)并由5G CPE設(shè)備回傳。堆取料機(jī)對(duì)接現(xiàn)場(chǎng)分布式I/O模塊，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與5G適配，并由5G Dongle回傳至集中式PLC，簡(jiǎn)化車間布線。基于5G+超寬帶（ultra wide band，UWB）獲取堆取料機(jī)的高精度定位數(shù)據(jù)，UWB基站復(fù)用5G室分有源以太網(wǎng)（power over Ethernet，POE）供電及走線，回傳定位數(shù)據(jù)。采集的數(shù)據(jù)在MEC平臺(tái)上集中處理，MEC平臺(tái)的高精度定位基站解算引擎為數(shù)字堆場(chǎng)平臺(tái)提供位置服務(wù)，利用數(shù)字?jǐn)M合技術(shù)建立堆場(chǎng)表面的數(shù)字模型，并根據(jù)數(shù)字模型繪制料場(chǎng)的三維模型，可以實(shí)時(shí)、快速地計(jì)算出堆料的體積和儲(chǔ)量。為確保測(cè)量的精度，上行帶寬不低于100 Mbit/s，時(shí)延控制在100 ms以內(nèi)。另外，堆取料機(jī)上的雷達(dá)及攝像頭可以檢測(cè)人員入侵，避免發(fā)生安全事故。此應(yīng)用場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了堆取料和盤庫(kù)的高度自動(dòng)化、無(wú)人化。

3 商用實(shí)踐案例分析

3.1 5G MEC組網(wǎng)

某水泥工廠基于5G MEC構(gòu)建其5G新業(yè)務(wù)系統(tǒng)，結(jié)合業(yè)務(wù)對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)等資源和性能的要求，設(shè)計(jì)了一體化MEC和邊緣UPF在工廠全下沉部署的組網(wǎng)方案，某水泥工廠MEC組網(wǎng)案例如圖4所示。

400萬(wàn)像素槍式攝像機(jī)、800萬(wàn)像素低照度智能球、5G移動(dòng)監(jiān)控?cái)z像機(jī)及全景攝像機(jī)共165路視頻，按場(chǎng)景需求選擇5G或工廠內(nèi)網(wǎng)接入。邊緣UPF和MEC均下沉部署在水泥工廠中心機(jī)房，一體化MEC按主機(jī)方式進(jìn)行部署。MEC分布式存儲(chǔ)池滿足3個(gè)月以上監(jiān)控存儲(chǔ)要求，保障數(shù)據(jù)可靠性存儲(chǔ)。

圖4 某水泥工廠MEC組網(wǎng)案例

MEC側(cè)兩臺(tái)架頂式（top of rack，TOR）交換機(jī)堆疊二層部署，口字型上聯(lián)一對(duì)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)關(guān)（data center-gateway，DC-GW）。TOR交換機(jī)旁掛兩個(gè)防火墻，作為服務(wù)器的網(wǎng)關(guān)。每臺(tái)MEC服務(wù)器以6×10 GE電路雙上聯(lián)TOR交換機(jī)，虛擬化、存儲(chǔ)、業(yè)務(wù)平面隔離，帶外管理以GE電路接入管理交換機(jī)。管理交換機(jī)以2×10 GE電路雙上聯(lián)兩臺(tái)TOR交換機(jī)。

MEC專網(wǎng)出口防火墻與兩臺(tái)內(nèi)網(wǎng)交換機(jī)以兩條10 GE電路口字型互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)與內(nèi)網(wǎng)的互通。

為滿足業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)不出廠區(qū)需求，在工廠內(nèi)新建一對(duì)智能傳輸網(wǎng)（smart transport network，STN）-A設(shè)備，統(tǒng)一接入廠區(qū)基站、UPF和MEC。UPF通過(guò)DC-GW上聯(lián)一對(duì)新建的STN-A設(shè)備。

在新建的STN-A設(shè)備上部署本地虛擬路由轉(zhuǎn)發(fā)（local-virtual routing forwarding，Local-VRF）實(shí)現(xiàn)基站與邊緣UPF、MEC平臺(tái)的互通。MEC側(cè)TOR交換機(jī)口字型上聯(lián)DC-GW，UPF與MEC經(jīng)DC-GW實(shí)現(xiàn)L3互通。

邊緣UPF作為下沉的核心網(wǎng)元，接入STN經(jīng)相應(yīng)的承載通道，與接入網(wǎng)、5G核心網(wǎng)（5C core，5GC）及MEC實(shí)現(xiàn)互通。邊緣UPF與STN-A設(shè)備之間部署L3VPN，下沉5G相關(guān)虛擬專用網(wǎng)（virtual private network，VPN）。邊緣UPF與gNodeB之間的N3接口由CDMA-RAN VPN承載，邊緣UPF與SMF之間的N4接口由CDM-EPC VPN承載，邊緣UPF與核心UPF之間的N9接口由CDMA-EPC VPN承載。邊緣UPF與MEC之間的N6接口由同機(jī)房?jī)?nèi)部通道L3轉(zhuǎn)發(fā)。

3.2 MEC安全防護(hù)

由于5G MEC在水泥工廠中心機(jī)房下沉部署，運(yùn)營(yíng)商與廠區(qū)網(wǎng)絡(luò)的邊界泛化，暴露面增多，引入了新的安全風(fēng)險(xiǎn)。安全風(fēng)險(xiǎn)可分為電信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)和MEC專網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)兩類。電信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)主要來(lái)自下沉網(wǎng)元被攻擊、非法調(diào)用網(wǎng)絡(luò)能力等。MEC專網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)來(lái)自下沉UPF的安全漏洞風(fēng)險(xiǎn)、下沉UPF與MEC橫向接口風(fēng)險(xiǎn)、下沉UPF與互聯(lián)網(wǎng)邊界風(fēng)險(xiǎn)、下沉UPF與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)邊界風(fēng)險(xiǎn)、虛擬層隔離風(fēng)險(xiǎn)、應(yīng)用漏洞風(fēng)險(xiǎn)、開(kāi)放能力風(fēng)險(xiǎn)等。

應(yīng)對(duì)電信網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的解決方案包括：5GC公網(wǎng)和5G定制網(wǎng)VPN適度分割，引入信令互通網(wǎng)關(guān)、防火墻等實(shí)現(xiàn)公專網(wǎng)信令面、數(shù)據(jù)面和管理面的隔離；網(wǎng)絡(luò)開(kāi)放功能（network exposure function，NEF）網(wǎng)元部署在5GC的非軍事區(qū)（demilitarized zone，DMZ）區(qū)，MEC只能訪問(wèn)NEF等。

應(yīng)對(duì)MEC專網(wǎng)安全風(fēng)險(xiǎn)的解決方案包括：在各個(gè)邊界部署防火墻，實(shí)現(xiàn)MEC、邊緣UPF、企業(yè)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)的安全隔離；在MEC出口部署入侵防御系統(tǒng)（intrusion prevention system，IPS）和Web應(yīng)用防火墻（Web application firewall，WAF），分別提供高階威脅防御、Web應(yīng)用威脅防御；MEC主機(jī)系統(tǒng)安全加固，虛擬資源隔離并設(shè)置安全組；在MEC和邊緣UPF主機(jī)內(nèi)部署防病毒軟件，提供防病毒能力；復(fù)用已有安全能力平臺(tái)的基線核查、漏洞掃描能力，部署容器基線核查、鏡像漏洞掃描能力等。

3.3 5G MEC專網(wǎng)性能評(píng)估

5G業(yè)務(wù)終端分別從工廠不同區(qū)域接入專用基站，測(cè)試終端到MEC資源池網(wǎng)關(guān)的端到端平均網(wǎng)絡(luò)時(shí)延以及小區(qū)切換成功率，時(shí)延及小區(qū)切換成功率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 時(shí)延及小區(qū)切換成功率測(cè)試結(jié)果

表2 上傳/下載平均傳輸速率

文件傳輸協(xié)議（file transfer protocol，F(xiàn)TP）服務(wù)器部署在MEC上，使用5G終端通過(guò)專用基站接入，訪問(wèn)FTP服務(wù)器。分別在各個(gè)覆蓋區(qū)域，選取近點(diǎn)、中點(diǎn)、遠(yuǎn)點(diǎn)測(cè)試FTP的上傳/下載平均傳輸速率，各選取一個(gè)接入小區(qū)，上傳/下載平均傳輸速率見(jiàn)表2。

綜合來(lái)看，工廠各區(qū)域端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延為17～21 ms，小區(qū)切換成功率為100%，滿足業(yè)務(wù)指標(biāo)需求。在上傳/下載平均傳輸速率方面，除礦山區(qū)和部分區(qū)域的山體遮擋部分外，其他業(yè)務(wù)區(qū)域上傳平均速率大于100 Mbit/s，可滿足業(yè)務(wù)要求。將在山體遮擋部分繼續(xù)評(píng)估業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并進(jìn)行覆蓋優(yōu)化。

3.4 水泥業(yè)務(wù)效果分析

以AI視覺(jué)識(shí)別業(yè)務(wù)為例，MEC為AI視覺(jué)識(shí)別業(yè)務(wù)提供的邊緣算力，使10余類識(shí)別算法的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到93%以上，滿足業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)要求。設(shè)備監(jiān)測(cè)的應(yīng)用使得關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測(cè)率達(dá)到100%，人工巡檢頻次減少30%，備品備件線邊庫(kù)存的年資金占比降低50%，設(shè)備年平均維修時(shí)間降低30%，單位能耗的產(chǎn)出提高3%。AI識(shí)別與罐車管理系統(tǒng)的打通使得進(jìn)出廠物流效率提升30%。人員闖入預(yù)警、安全帽佩戴識(shí)別等各類安全監(jiān)測(cè)類應(yīng)用，使得年安全事故發(fā)生次數(shù)降低60%。各類算法應(yīng)用有效地提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率，降低了成本。AI視覺(jué)識(shí)別業(yè)務(wù)及效果分析見(jiàn)表3，視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)效果和智能算法業(yè)務(wù)效果分別如圖5和圖6所示。

4 問(wèn)題與挑戰(zhàn)

本方案基本滿足現(xiàn)階段水泥工業(yè)智慧化的典型應(yīng)用，從未來(lái)發(fā)展和方案研究的角度來(lái)看，5G MEC要適配水泥生產(chǎn)的更多場(chǎng)景需求，還存在以下問(wèn)題與挑戰(zhàn)。

表3 AI視覺(jué)識(shí)別業(yè)務(wù)及效果分析

圖5 視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)效果

（1）5G與工業(yè)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（passive optical network，PON）固移融合

圖6 智能算法業(yè)務(wù)效果

5G的接入方式仍難以完全滿足傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)連接的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)控制場(chǎng)景需求，工業(yè)PON可以在超高帶寬、超高可靠通信上與5G形成互補(bǔ)，這也是工業(yè)場(chǎng)景下MEC的一種典型接入方式。通過(guò)工業(yè)PON融合網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換能力，兼容工業(yè)協(xié)議和接口，使MEC能力下探，適應(yīng)更多的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)級(jí)場(chǎng)景。

（2）邊緣異構(gòu)計(jì)算

MEC當(dāng)前能夠提供CPU+GPU的異構(gòu)計(jì)算能力，滿足通用計(jì)算和AI加速的需求。而面向水泥工業(yè)的工程機(jī)械控制、深度學(xué)習(xí)、工業(yè)仿真等不同的計(jì)算場(chǎng)景，當(dāng)前的異構(gòu)計(jì)算能力也已經(jīng)無(wú)法完全滿足差異化的需求。MEC需要更加靈活地提供邊緣異構(gòu)計(jì)算能力，包括支持不同的操作系統(tǒng)、不同的指令集、不同的硬件架構(gòu)等。

（3）網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放融合

MEC云網(wǎng)能力融合與開(kāi)放的重要平臺(tái)已初步實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)能力可視化與可管可控，網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放接口的標(biāo)準(zhǔn)化將賦能更多的場(chǎng)景應(yīng)用。以礦山場(chǎng)景為例，定位、V2X（vehicle to everything）等技術(shù)與MEC的開(kāi)放融合，將推動(dòng)工程機(jī)械的無(wú)人化應(yīng)用從遠(yuǎn)程操控向集群控制、自動(dòng)駕駛推進(jìn)。

（4）多廠區(qū)管理與數(shù)據(jù)共享

大型水泥企業(yè)的制造基地分布在全國(guó)，通過(guò)構(gòu)建多廠區(qū)統(tǒng)一管理的分布式MEC架構(gòu)，可幫助企業(yè)對(duì)子廠的基礎(chǔ)設(shè)施資源和應(yīng)用進(jìn)行統(tǒng)一管理。同時(shí)，多廠區(qū)可共享云端數(shù)據(jù)標(biāo)注和模型訓(xùn)練平臺(tái)，邊邊協(xié)同-云邊協(xié)同的架構(gòu)有助于數(shù)據(jù)共享和行業(yè)知識(shí)的復(fù)制。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于5G MEC的水泥智慧工廠解決方案為水泥業(yè)務(wù)提供了高算力、大帶寬、低時(shí)延、強(qiáng)數(shù)據(jù)私密性的邊緣云網(wǎng)環(huán)境，推動(dòng)IT/CT/OT的進(jìn)一步融合，為水泥行業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了新的機(jī)遇。本文引入5G MEC技術(shù)研究水泥工業(yè)解決方案，討論了視覺(jué)識(shí)別、礦機(jī)遠(yuǎn)控、無(wú)人機(jī)巡檢、數(shù)字堆場(chǎng)等典型業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景，結(jié)合商用案例介紹了組網(wǎng)、安全方案以及業(yè)務(wù)效果，最后總結(jié)并提出了未來(lái)的發(fā)展方向，可為其他水泥企業(yè)建設(shè)5G工廠提供參考，推動(dòng)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

[1] 中國(guó)電信集團(tuán)有限公司, 中國(guó)水泥協(xié)會(huì), 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所, 等. “5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”水泥行業(yè)報(bào)告[R]. 2020.

China Telecom Co., Ltd., China Cement Association, Technology and Standards Research Institute of China Academy of Information and Communications Technology, et al. “5G + industrial Internet” cement industry report[R]. 2020.

[2] 張建敏, 謝偉良, 楊峰義, 等. 5G MEC融合架構(gòu)及部署策略[J]. 電信科學(xué), 2018, 34(4): 109-117.

ZHANG J M, XIE W L, YANG F Y, et al. 5G mobile/multi-access edge computing integrated architecture and deployment strategy[J]. Telecommunications Science, 2018, 34(4): 109-117.

[3] 張建敏, 謝偉良, 楊峰義, 等. 移動(dòng)邊緣計(jì)算技術(shù)及其本地分流方案[J]. 電信科學(xué), 2016, 32(7): 132-139.

ZHANG J M, XIE W L, YANG F Y, et al. Mobile edge computing and application in traffic offloading[J]. Telecommunications Science, 2016, 32(7): 132-139.

[4] DINH H T, LEE C, NIYATO D, et al. A survey of mobile cloud computing: architecture, applications, and approaches[J]. Wireless Communications and Mobile Computing, 2013, 13(18): 1587-1611.

[5] AHMED E. Application optimization in mobile cloud computing: motivation, taxonomies, and open challenges[J]. Journal of Network and Computer Applications, 2015, 52: 52-68.

[6] ZHOU Y Q, TIAN L, LIU L, et al. Fog computing enabled future mobile communication networks: a convergence of communication and computing[J]. IEEE Communications Magazine, 2019, 57(5): 20-27.

[7] 李輝, 李秀華, 熊慶宇, 等. 邊緣計(jì)算助力工業(yè)互聯(lián)網(wǎng): 架構(gòu)、應(yīng)用與挑戰(zhàn)[J]. 計(jì)算機(jī)科學(xué), 2021, 48(1): 1-10.

LI H, LI X H, XIONG Q Y, et al. Edge computing enabling industrial Internet: architecture, applications and challenges[J]. Computer Science, 2021, 48(1): 1-10.

[8] DATTA S K, BONNET C. MEC and IoT based automatic agent reconfiguration in industry 4.0[C]//Proceedings of 2018 IEEE International Conference on Advanced Networks and Telecommunications Systems (ANTS). Piscataway: IEEE Press, 2018.

[9] NKENYEREYE L, HWANG J, PHAM Q V, et al. MEIX: evolving multi-access edge computing for industrial Internet-of-things services[J]. IEEE Network, 2021, 35(3): 147-153.

[10] ISA. Enterprise-control system integration. Part 1: models and terminology: ANSI/ISA-95.00.01-2000[S]. 2000.

[11] 常潔, 王藝, 李潔, 等. 工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有架構(gòu)的梳理總結(jié)和未來(lái)運(yùn)營(yíng)商的發(fā)展策略[J]. 電信科學(xué), 2017(11):123-133.

CHANG J, WANG Y, LI J, et al. Summary of existing framework in industrial communication networks and future development strategies for communication operators[J]. Telecommunications Science, 2017(11):123-133.

[12] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟. 流程行業(yè)邊緣計(jì)算解決方案白皮書(shū)[R]. 2022.

Alliance of Industrial Internet. Process industry edge computing solutions white paper[R]. 2022.

[13] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系(版本3.0)[EB]. 2021.

Alliance of Industrial Internet. Industrial internet standard system (Version 3.0)[EB]. 2021.

[14] 盧揚(yáng)帆, 王海東, 李海亮, 等. 基于DCS/MES/ERP集成系統(tǒng)在水泥企業(yè)的研究與應(yīng)用[J]. 中國(guó)水泥, 2013(3): 102-104.

LU Y F, WANG H D, LI H L, et al. Research and application of integrated system based on DCS/MES/ERP in cement enterprises[J]. China Cement, 2013(3): 102-104.

Research and verification of cement smart factory solution based on 5G MEC

GAO Bo1, MA Ke2, ZHANG Jianmin3, DENG Guirong2, ZANG Zhenhan3

1. Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Beijing 102209, China 2. Guangxi Branch of China Telecom Co., Ltd., Nanning 530028, China 3. China Telecom Intelligent Network Technology Co., Ltd., Beijing 102209, China

With the continuous advancement of the new industrialization process, how 5G can empower industrial digital transformation and help enterprises achieve industrial upgrading has received more and more attention. According to the cement production process, the demand of the industry was analyzed, a cement smart factory solution based on 5G multi-access edge computing (MEC) was proposed, and typical 5G application scenarios were given. Combined with actual commercial cases, the detailed deployment networking and security protection solutions were introduced, and the significant effect of the solution in helping enterprises to reduce costs and increase efficiency was verified. It provided a reference for the 5G MEC scenario application in the cement building materials industry and even the process industry.

5G private network, MEC, smart factory, cement industry

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000–0801.2022296

2022-09-26；

2022-12-09

高博（1992– ），男，中國(guó)電信股份有限公司研究院工程師，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、邊緣計(jì)算、5G行業(yè)解決方案等。

馬科（1978– ），男，現(xiàn)就職于中國(guó)電信股份有限公司廣西分公司，中國(guó)電信集團(tuán)政企5G業(yè)務(wù)專家、工業(yè)行業(yè)專家，主要研究方向?yàn)?G、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)在鋼鐵、水泥、港口、礦山、有色金屬等行業(yè)的應(yīng)用及拓展。

張建敏（1983– ），男，博士，中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司教授級(jí)高級(jí)工程師，市場(chǎng)部副總經(jīng)理，中國(guó)通信學(xué)會(huì)邊緣計(jì)算委員會(huì)委員，國(guó)家科技專家?guī)烊霂?kù)專家，國(guó)家科技重大專項(xiàng)《5G網(wǎng)絡(luò)邊緣計(jì)算技術(shù)研發(fā)、標(biāo)準(zhǔn)化與驗(yàn)證》課題組組長(zhǎng)，主要研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信技術(shù)、邊緣計(jì)算等，累計(jì)發(fā)表SCI、EI等收錄期刊論文26篇，申請(qǐng)發(fā)明專利24項(xiàng)，出版與5G相關(guān)書(shū)籍3種。

鄧桂榮（1982– ），男，中國(guó)電信股份有限公司廣西分公司工程師，主要研究方向?yàn)檎笮袠I(yè)應(yīng)用解決方案、5G、物聯(lián)網(wǎng)、平臺(tái)運(yùn)營(yíng)等。

臧振瀚（1977– ），男，中電信智能網(wǎng)絡(luò)科技有限公司市場(chǎng)部總經(jīng)理、信息系統(tǒng)項(xiàng)目管理師，主要研究方向?yàn)轫?xiàng)目管理、行業(yè)數(shù)字化等。