5G技术在山钢日照公司的应用

常 亮

（山东钢铁集团日照有限公司信息计量部，山东 日照276805）

1 前言

5G网络具备低时延、大带宽、广连接等特点，其国内外设计标准始终涵盖工业应用领域。山东钢铁集团日照有限公司（以下简称山钢日照公司）于2019年联合联通、电信、移动等运营商，针对污染大、危险高的作业场景，开展了一系列5G网络的应用探索，并取得了良好的应用成效。

2 5G技术简介

5G（5th Generation Mobile Networks，第五代移动通信技术），是相对于4G、3G移动通信技术而提出的新一代移动网络技术，速率和资源利用率等方面较4G移动通信提高一个量级或更高，其无线覆盖性能、传输时延、系统安全和用户体验也显著提高。相比4G技术，5G技术目前的核心性能特点有3个:1）高速率。5G峰值速率可达10～20 Gb/s，每个用户至少100 Mb/s，是4G速率的数十倍。2）广连接。ITU（国际电信联盟）定义的5G物联网连接数支持100万连接/km2，比4G技术高10倍。3）低时延。ITU定义的5G端到端时延低至1 ms，比4G技术低10倍。5G在不同应用场景下挑战的技术参数见表1。

表1 5G技术场景与关键性能挑战

3 山钢日照公司5G技术应用案例

2019年，山钢日照公司为解决智能制造技术场景中的无线连接难点问题，充分研究5G技术特点，在“难于敷设有线网络且多移动连接目标”场景中，选取了对网络速率、延时性要求较高的原料场堆取料机无人驾驶、重型铁水运输车智能调度、冷轧无人行车3个场景作为应用试点。

3.1 原料场堆取料机无人驾驶5G应用

山钢日照公司一期项目原料场有2台堆取料机、2台取料机、1台堆料机进行了无人驾驶升级。机上安装雷达防碰撞、定位、3D激光料堆扫描传感器，实现机上无人、远程监控的全自动作业模式，有效降低了操作人员的劳动强度，提高了作业效率。

堆、取料机作业过程中始终处在辊道上移动的状态，所以为保障控制信号、视频监控信号与地面监控系统高质量传输，传统模式下采用卷筒光缆的有线网络或工业WiFi等无线网络作为数据传输介质。两种方式各有优缺点:光缆作为有线网络介质，优点是网络传输速率高，缺点是随机载卷筒移动过程中容易断裂，若熔接点过多还会导致光衰变大，影响数据传输质量，后期维护成本较高；无线网络介质的优点是安装维护成本低，缺点是受遮挡物和同频信号（例如蓝牙同一般的WiFi都工作在2.4 G Hz频段）干扰大，同时无线网络带宽受硬件终端的技术限制较多。

山钢日照公司一期项目原料场是按照光纤网络、无线网络互备的理念设计建设，但在实际生产过程中，光纤网络的维护成本越来越高，故考虑在原工业WiFi无线网络基础上，增加5G网络（全文所述5G均指第五代移动通信技术，非5G WiFi），进一步提高数据传输质量。在5G建设过程中，需要解决信号屏蔽和数据安全问题。为解决料棚屏蔽问题，5G基站安装位置选点格外重要，安装位置如图1所示。

图1原料场某料仓俯瞰示意图

图1 中，①为某封闭料仓，全长700 m，封闭料棚为无线信号主要遮蔽物。②为堆、取料机，作业过程中顺着轨道往复运行，机上携带无人驾驶PLC控制系统和CPE（Customer Premise Equipment，用户终端设备）。③为铁矿粉，为无线信号主要遮蔽物。④为PLC室，正对料仓，距离料仓最近距离30 m左右，其中PLC主要用于与机上PLC做通讯站。⑤为5G基站。⑥为工业WiFi天线。⑦为远程控制室，是无人驾驶远程监控的作业指挥中心。⑧是④与⑦之间的通讯光缆。5G基站安装位置正对堆、取料机运动方向，通过波形赋形处理，使5G信号强度沿着料仓方向达到最大。

图2 原料场5G网络拓扑

实际运用中，5G网络主要解决机上摄像机信号无线传输问题。每台堆、取料机上携有8～10台高清数字网络摄像机，网络结构如图2所示。

堆、取料机安装的5G CPE实时将硬盘录中的视频信号通过5G无线网络传给5G基站，5G基站再将数据通过光纤专线传给山钢日照公司核心机房的MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）设备，视频数据穿透防火墙，抵达视频平台服务器。远程控制室的控制终端接收视频平台服务器的实时视频数据。MEC保证了核心生产数据不出工业园区，且能够在大数据回传时进一步降低时延。

3.2 多目标高温重型铁水运输车智能调度5G应用

山钢日照公司铁水罐运输采用重型铁水车运输模式。相比铁路运输、过跨车式运输，汽车运输铁水包更灵活。为了便于对铁水罐运输车的实时位置跟踪和远程在线调配，开发了铁水罐运输车调度系统，对铁水罐运输车做到多目标匹配，柔性衔接，动态优化，实现了铁水罐的精准、快捷、高效运输，有效降低了铁水温度损耗，智能调配铁水供应，取得了良好的应用效果。

每台铁水罐运输车驾驶室装有车载终端，用来接收调度指令。但铁水罐运输车作业过程中不断移动，接收调度指令最合适的方式是采用无线数据传输。为保证数据传输质量，山钢日照公司采用5G技术解决多移动目标数据传输问题，网络拓扑结构如图3所示。

图3 多目标高温重型铁水运输车智能调度5G网络拓扑

道路测试结果显示，0.5 km2范围内5G信号覆盖率为95.8%，电平值均值为-84.45 dBm，平均上传速度86 M bps，下载速度400 M bps，丢包率为0，满足18台铁水罐运输车接收上传调度指令使用。该场景应用可以进一步探索MEC在路径优化决策中的研究。在自动驾驶决策系统中引入MEC技术，可以有效地解决自动驾驶系统中流量的分级决策问题，如模型训练与学习、路径全局规划等需要消耗大量计算资源的流量在云端被处理，而网络边缘处负责决策路径局部规划等要求低时延的流量。

3.3 冷轧无人行车5G应用

冷轧中间库区共6台行车进行了无人驾驶升级，不仅有效节省了行车驾驶岗位定员，而且结合库区管理系统，有效提高了作业效率，为精准高效发货提供了支持。不同于图2、图3两个应用场景，行车定位、调度指令等数据通过VPN网络实现运营商5G核心网与生产内网的数据安全（见图4）。

图4 冷轧无人行车5G网络拓扑

4 5G技术在钢铁工业互联网中的其他应用思考

工业互联网作为一个将互联网和工业制造产业结合起来的生态体系，它可以进行个性化、多样化的服务，所以工业互联网的应用范围和发展范围较广、涉及的内容较多。而5G技术需解决的不仅是人与人的连接，更是人与物、物与物的连接问题。综合工业互联网未来发展需求，其4T4R、Massive MIMO、NBIoT等几项技术都表现出较快应用趋势。

5G技术在钢铁工业互联网中，可以实现跨网段多目标的通讯接入，随着5G模组与机器人、摄像机、传感器等设备的集成研究日趋广泛和深入，其工业应用也将快速增长。目前宝武集团已在焦炉四大车自动控制、成品钢卷运输车无人驾驶、高炉运行状态采集监控等领域进行了应用研究；鞍钢在5G设备管理方面也取得了重要突破。在智能安防、电力巡检机器人、产品过程质量控制、智能物流等方面也存在5G应用场景。

5 结语

随着企业对职业安全健康的愈加重视，以及用工成本的逐渐增高，“机器代人”项目逐渐成为了企业智能制造的重要研究方向。山钢日照公司率先在工业互联网中引入5G技术，提升企业“机器代人”水平，并取得良好的应用效果，为钢铁行业5G技术的推广提供了丰富经验。在应用实践中，必须将生产安全和数据安全放在首位，根据场景实际情况，科学选择5G基站布设位置，避免投入成本的浪费。