摘 要：隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，生產(chǎn)型企業(yè)面臨著諸多挑戰(zhàn)。其中，傳統(tǒng)的人工數(shù)據(jù)采集方式存在成本高、效率低、管理難度大等問題，已無法滿足企業(yè)向智能制造轉(zhuǎn)型的需求。在當今5G技術(shù)商用化與普及的背景下，通過為企業(yè)部署5G專網(wǎng)，配合物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集模塊，能夠?qū)F(xiàn)場采集到的生產(chǎn)數(shù)據(jù)實時傳輸至后臺，幫助管理人員更全面、及時地掌握生產(chǎn)情況，從而有針對性地部署相應管理工作，提升生產(chǎn)效率，降低運營成本，進而滿足企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型和高質(zhì)量發(fā)展的迫切需求。

關(guān)鍵詞：5G；物聯(lián)網(wǎng)；工業(yè)生產(chǎn)；數(shù)據(jù)采集；智能制造；數(shù)字化

中圖分類號：TP319 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-03

0 引 言

隨著工業(yè)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，越來越多的設備被廣泛應用于各個領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)的人工獲取設備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的方式不僅成本高、效率低，而且容易出錯。針對此種情況，企業(yè)需要努力實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，而數(shù)字化生產(chǎn)的核心和基礎(chǔ)就是應用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)生產(chǎn)過程的萬物互聯(lián)[2]。通過5G與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，能夠更高效準確地獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，提高設備綜合運行的效率，促進企業(yè)提質(zhì)、降本、增效，推動產(chǎn)業(yè)鏈上下游的優(yōu)化升級和創(chuàng)新轉(zhuǎn)型[3]。

1 制造型企業(yè)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀

制造型企業(yè)的數(shù)據(jù)采集主要面臨以下2種情況：

（1）在一部分企業(yè)的車間中，仍然通過人工記錄的紙質(zhì)版數(shù)據(jù)或是導出的電子版文檔來獲取數(shù)據(jù)，不僅增加了現(xiàn)場員工的工作量，而且增加了數(shù)據(jù)獲取的時間[4]。

（2）在已經(jīng)實現(xiàn)自動化的企業(yè)中，車間主要采用有線和無線2種方式進行數(shù)據(jù)采集。有線數(shù)據(jù)傳輸方式的弊端在于：如果設備數(shù)量較多，則現(xiàn)場線路較難維護與管理；而無線傳輸則大多依賴于WiFi或4G技術(shù)來實現(xiàn)設備聯(lián)網(wǎng)，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸至服務器。然而，無線傳輸方式往往會受到網(wǎng)絡延遲、數(shù)據(jù)包丟失以及設備連接數(shù)量上限等問題的制約，從而影響用戶體驗。

考慮到上述情況，本文利用5G+物聯(lián)網(wǎng)的方式進行數(shù)據(jù)采集，這對于制造型企業(yè)而言可以很好地解決相關(guān)問題。5G技術(shù)不但能夠為網(wǎng)絡內(nèi)用戶提供所必需的有效資源，而且還能確保各節(jié)點信息關(guān)聯(lián)以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩訹5]。

2 5G的應用場景及重要技術(shù)

2.1 5G的三大應用場景

（1）增強移動帶寬（enhanced Mobile Broadband， eMBB）：提供無縫的連續(xù)網(wǎng)絡覆蓋，確保用戶移動過程中的網(wǎng)絡接入和業(yè)務連續(xù)性。它能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸，滿足用戶及設備的高流量需求。

（2）海量機器類通信（massive Machine Type of Communication， mMTC）：面向物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務，支持一張網(wǎng)絡同時容納海量設備，使得車間內(nèi)的設備可同時進行實時通信和數(shù)據(jù)傳輸。

（3）高可靠低時延通信（ultra-Reliable Low-Latency Communications， uRLLC）：最低網(wǎng)絡時延可達到1 ms。此外，5G的網(wǎng)絡架構(gòu)中引入了邊緣計算技術(shù)，進一步減小了因數(shù)據(jù)傳輸速度和帶寬限制而產(chǎn)生的延時[6]，可滿足車間設備數(shù)據(jù)的低時延傳輸，確保數(shù)據(jù)的快速獲取。

2.2 5G切片技術(shù)

在傳統(tǒng)的4G網(wǎng)絡中，不同的業(yè)務共享一張網(wǎng)絡，缺乏優(yōu)先級排序，導致重要業(yè)務無法得到保障。而5G切片技術(shù)，將單一的物理網(wǎng)絡分化為多個端到端網(wǎng)絡，每個網(wǎng)絡之間都能形成獨立的應用控制模式，分化的網(wǎng)絡出現(xiàn)故障不會對其他網(wǎng)絡子系統(tǒng)產(chǎn)生影響[7]。

5G網(wǎng)絡切片即根據(jù)現(xiàn)有網(wǎng)絡來切出不同功能的網(wǎng)絡模塊，并應用于不同的場景（eMBB、mMTC、uRLLC）。網(wǎng)絡切片間相互獨立，通過網(wǎng)絡功能和協(xié)議定制，針對不同的業(yè)務場景匹配相應的網(wǎng)絡功能[8]，當某一個切片中出現(xiàn)錯誤或故障時，不會影響其他切片。同時，不同功能的網(wǎng)絡面向不同的需求和服務。在制造業(yè)中數(shù)量龐大的智能電表和需要快速反應的車聯(lián)網(wǎng)等應用場景內(nèi)，通過不同的網(wǎng)絡切片能實現(xiàn)端到端的質(zhì)量保障，從而顯著提升用戶的體驗。因此，5G網(wǎng)絡切片是實現(xiàn)個性化、靈活和高效網(wǎng)絡服務的關(guān)鍵技術(shù)之一[9]。

在4G網(wǎng)絡中，所有業(yè)務共享同一條網(wǎng)絡通道，這會導致業(yè)務間的相互競爭和資源擠兌。而5G網(wǎng)絡是把各網(wǎng)絡功能解耦、打散，以切片的方式重新組合出符合不同需求的多張邏輯網(wǎng)絡。

2.3 5G專網(wǎng)類型

2.3.1 核心網(wǎng)元介紹

用戶面功能（User Plane Function， UPF）：負責5G核心網(wǎng)中用戶平面數(shù)據(jù)包的路由和轉(zhuǎn)發(fā)。核心網(wǎng)絡數(shù)據(jù)必須由UPF轉(zhuǎn)發(fā)，才能流向外部網(wǎng)絡。UPF下沉到客戶網(wǎng)絡邊緣保障了低時延傳輸，能夠緩解核心網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸壓力，從而提高網(wǎng)絡處理數(shù)據(jù)的效率。

會話管理功能（Session Management Function， SMF）：是5G基于服務架構(gòu)的一個功能單元，它負責與分離的數(shù)據(jù)面交互，創(chuàng)建、更新和刪除PDU會話，并管理與UPF之間的會話環(huán)境。

接入和移動性管理功能（Access and Mobility Management Function， AMF）：執(zhí)行注冊、接入管理、可達性和移動性管理，在用戶接入時提供認證、鑒權(quán)功能，并作為終端與無線接入網(wǎng)之間的核心網(wǎng)控制面接入點。

2.3.2 5G混合專網(wǎng)

將部分5G網(wǎng)絡從公網(wǎng)基站中隔離出來充當企業(yè)專用的內(nèi)網(wǎng)，這部分網(wǎng)絡與公共網(wǎng)絡相互獨立，互不影響。客戶可以擁有專屬的UPF設備，部署靈活且預算低，可確保數(shù)據(jù)不會流出園區(qū)，適用于交通物流、港口碼頭、高端景區(qū)、大型企業(yè)分支機構(gòu)、城市安防以及大部分制造型企業(yè)。5G混合專網(wǎng)如圖1所示。

2.3.3 5G獨立專網(wǎng)

客戶擁有專屬的AMF、SMF、UPF設備以及企業(yè)專用的5G內(nèi)網(wǎng)，可確保信號無死角覆蓋，保障生產(chǎn)不中斷，提供了上下行配比的專業(yè)優(yōu)化以及載波聚合技術(shù)，特別適用于礦井、油田、碼頭、核電站、高端制造等領(lǐng)域。5G獨立專網(wǎng)如圖2所示。

5G混合專網(wǎng)和5G獨立專網(wǎng)這2種方案，面向制造型企業(yè)內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集和傳輸需求，能夠有效解決以往數(shù)據(jù)采集過程中存在的丟包、斷聯(lián)、卡頓、數(shù)據(jù)丟失等問題，為客戶的生產(chǎn)提供了強大保障，尤其是5G混合專網(wǎng)在制造型企業(yè)中使用得更加廣泛。

3 5G+物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)數(shù)據(jù)采集方面的應用

3.1 基于5G+物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

重點設備：生產(chǎn)設備、5G CPE、工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G專網(wǎng)、MEC邊緣服務器。

將產(chǎn)線的生產(chǎn)設備連接至工業(yè)網(wǎng)關(guān)，通過5G CPE（搭載5G物聯(lián)網(wǎng)卡）快速采集數(shù)據(jù)，并在生產(chǎn)端部署MEC邊緣云計算裝備，節(jié)省了以往從現(xiàn)場傳輸至客戶端機房的模式下所消耗的時間。通過園區(qū)內(nèi)的5G專網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸至邊緣云，能夠更加快速、便捷地在云端進行數(shù)據(jù)分析、處理、存儲等工作，如圖3、圖4所示。

3.2 設備聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的意義

3.2.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

為了實時掌握水、電、氣的使用情況，安裝智能水表、電表等設備，通過5G網(wǎng)關(guān)傳輸和分析數(shù)據(jù)，獲得設備的實時使用情況，以此更好地了解車間生產(chǎn)的能耗數(shù)據(jù)。

3.2.2 生產(chǎn)數(shù)據(jù)

生產(chǎn)數(shù)據(jù)中的設備效率涵蓋了機臺稼動率、機臺拋料率以及故障統(tǒng)計等關(guān)鍵指標，這些指標有助于我們了解生產(chǎn)產(chǎn)品的價值以及伴隨生產(chǎn)過程產(chǎn)生的浪費情況。通過記錄機臺的故障狀態(tài)、進行故障排名以及計算機臺故障的平均恢復時長，可以更精準地安排生產(chǎn)進程，更科學地調(diào)配人員開展相關(guān)工作。

3.2.3 看板管理

將產(chǎn)線相關(guān)的設備以及公輔設備進行5G聯(lián)網(wǎng)后，可配置生產(chǎn)總覽、產(chǎn)線看板、機臺看板等相關(guān)顯示大屏，實時顯示現(xiàn)場生產(chǎn)情況。

3.3 實現(xiàn)效果

3.3.1 設備狀態(tài)監(jiān)控

通過設備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控平臺，提供設備接入、狀態(tài)感知、故障告警、遠程控制、數(shù)據(jù)分析等應用服務，實現(xiàn)設備全生命周期監(jiān)控管理，協(xié)助企業(yè)實現(xiàn)“節(jié)能降本，提質(zhì)增效”的運營目標。

3.3.2 裝備全生命周期數(shù)字化運維

基于設備TPM全員生產(chǎn)維護體系的理念，提供針對設備及配件的全生命周期數(shù)字化智能運維服務，報修人員、維修人員、管理人員從不同的視角通過Web或APP落實各自關(guān)切點，提升全生命周期的運維管理效率。

3.3.3 全流程閉環(huán)管理

通過5G+物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場重要數(shù)據(jù)的實時采集、實時傳輸、實時分析及存儲，可形成工廠全流程移動化閉環(huán)管理，避免資源浪費，提升設備的全生命周期運維效率，降低設備的運維管理成本。

4 結(jié) 語

在工廠生產(chǎn)車間通過5G網(wǎng)絡進行設備聯(lián)網(wǎng)，可有效提升設備數(shù)據(jù)的采集速率和準確性。通過實時采集設備數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行持久化存儲和可視化操作，便于管理人員對車間狀態(tài)進行實時掌握，為后續(xù)設備狀態(tài)的大數(shù)據(jù)預測性分析提供可靠支持[10]，滿足企業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型需求，助力企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介：趙 宇（1993—），男，陜西西安人，碩士，就職于南方電網(wǎng)數(shù)字企業(yè)科技（廣東）有限公司，研究方向為物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等。

收稿日期：2023-11-02 修回日期：2023-12-04