“5G+”在智能制造行业建设和商用形态分析

摘  要：随着5G网络发展，作为主要应用领域的制造业如何针对5G特性满足自身业务需求，以及不断丰富网络服务形态，对企业生产设备之间互联互通、终端智能管理、人员行为分析、智能监控平台建设、智慧化生产园区等方面如何落地应用进行了阐述。文章提出了一种5G企业内部数据流转的规划设计方案，重点如何利用MEC功能特点从而确保数据内外部安全高效、完整引流等方面进行了说明。

关键词：5G;MEC;网络切片;新基建;智能制造;物联网

中图分类号：TN929.5      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）13-0050-03

Abstract：With the development of 5G network，the manufacturing industry，as the main application field，how to meet its own business needs according to the characteristics of 5G，and constantly enrich the network service form，and how to implement the application of interconnection and interworking between enterprise production equipment，intelligent terminal management，personnel behavior analysis，intelligent monitoring platform construction，and intelligent production park are described. This paper puts forward a kind of planning and design scheme of internal data flow in 5G enterprises，focusing on how to use MEC features to ensure the internal and external data security and efficiency，complete drainage，etc.

Keywords：5G;MEC（Multi-access Edge Computing）;network slicing;new infrastructure;intelligent manufacturing;internet of things

0  引  言

在传统网络模式架构下，网络通信协议种类众多、各有不足且相对封闭，工业设备互联互通难，严重制约了工业企业生产设备进行智能化改造，亟须构建能够兼容多种协议的新一代网络技术体系。本文主要论述内容为：在5G应用中，如何利用5G高带宽、多并发、低延迟等特点在现代化中药智能制造领域高效、稳定、安全商用，从而通过与新一代信息技术和互联网技术的结合，集成信息物理测控系统，研制具有自主知识产权的创新制药技术;最终实现引领传统中药产业技术数字化转型，开创中药智能化先进制造时代，率先实现中药先进制造，进而達成“中国制造2025”的最终目标。

1  5G应用背景

1.1  5G特征

2018年，中国华为推出5G技术，并被定义为中国5G商用元年。第五代移动通信技术，简称5G。其性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模物联网设备连接。

1.2  实际场景

随着笔者所在企业的现代中药智能制造的高速发展，越来越多的设备接入到智能制造领域中。建立智能自适应、柔性可扩充、服务弹性化的中药生产过程知识管理系统（PKS），对中药制造过程海量的工艺、质量和精确自动化控制等生产数据进行处理、利用，前馈-反馈控制系统覆盖全生产过程，是实现数字化、智能化制造的可靠途径。连续覆盖、安全性及可靠性是工业企业最关心的问题。

企业需要更高性能和更高效率的网络连接，迈向网络化、数字化、智能化发展，要实现以上需求，更高效的通信连接是基础。

1.3  物联网现状分析与需求

传统工业Wi-Fi已不适应现代制药生产中的高可靠、低时延的要求，不能满足毫秒级时延的实时性控制及可靠性的应用场景，无法实现大规模、高速率的数据传输，不能同时满足局部区域内海量高并发、中高数据速率的物联网连接。

当前工业制造领域使用的无线通信协议众多、各有不足且相对封闭，工业设备互联互通难，严重制约了设备上云，亟须构建能够兼容多种协议的新一代无线技术体系。

5G具备更低的时延，更高的速率，更好的业务体验，有感知泛在、连接泛在、智能泛在的特点，有望成为未来工业互联网的网络基石。

预计未来五年，生产通信网络的容量需求会在当前的网络容量基础上以几何倍数进行增长。高带宽、多接入、低延迟的网络高要求将给公司内部网络带来严峻的挑战。首先，如果按传统架构网络基础建设发展，网络容量难以支持目前容量需求的高速增长，并且网络能耗成本和建设周期难以承受;其次，要提升网络容量，必须智能高效利用网络资源，确保数据高效、完整、安全的传输并且针对业务和用户的个性化需求进行智能优化明细，传统网络架构在这方面的能力明显不足以支撑;最后，未来网络必然是一个多网并存的异构移动网络，要提升网络容量，增加网络移动性，必须解决高效管理各个网络，简化互操作，增强用户体验的问题。为了解决上述挑战，满足日益增长的高带宽、高容量、低延时的物联网需求，亟须发展新一代5G内部通信网络。

1.4  确立“新基建”方向方向

5G“新基建”只是基础和平台，如何利用好5G网络平台能力，目标明确的为企业信息建设提供更好的承载和延展还需要更深入的探讨和摸索。笔者所在单位在上述背景下，积极拓宽思路，对企业如何进行数字化转型做了深入的研究，通过大量的数据测试和技术论证，最终确定5G通信技术可以为以后企业发展的“新基建”方向。

2  目前商业应用场景

2.1  整体建设

2020年上半年，公司内部5G建设初步建设完成，目前实现整个厂区的5G信号覆盖，同时也对园区内部进行了优化和改造，为未来5G商用奠定新基础。

2.2  MEC数据分流

MEC是实现5G低延迟和提升带宽速率等的关键技术之一，同时MEC为应用程序和服务打开了网络边缘，包括来自第三方的应用程序和服务，使得通信网络可以转变成为其他行业和特定客户群的多功能服务平台。

MEC主机由虚拟化基础设施VI、MEC平台（MEP）、MEC应用组成，其中MEC平台为MEC应用发现和使用提供内部或外部服务的环境，并通过对第三方MEC应用的开放，进而加强网络与业务的深度融合。

如图1所示，MEP/UPF部署在企业园区汇聚机房，通过本地交换机接入SPN汇聚节点。MEP/UPF与核心DC中的5G控制面和网管网对接，SPN为MEP/UPF提供IP承载网/网管网接入服务。企业应用通过5G工业数据终端/CPE接入5G网络，使用企业专用DNN数据卡，接入下沉至园区的MEC进行分流;由于将MEC部署在企业园区汇聚机房，实现UPF下沉。针对企业信息化不断发展的高标准需求，搭建基于5G网络的边缘计算专网，充分发挥5G低时延、高带宽、高并发特的性。同时确保数据不出厂，最大限度地保证了企业内部数据安全。投入使用后，将很大程度上提高了企业生产、办公效率。图1所示接入环，汇聚环，汇聚核心机房为传输SPN节点的分部;CMNET为internet公网;5GC为5G核心网;EMS为中兴集中管理网元的网管;MANO为编排和生命周期管理网元。

2.3  网络切片技术应用

如图2所示，同时引入5G网络的全新概念——网络切片，提供基础网络服务新架构;5G网络切片类似传统网络架构的逻辑网络隔离技术，针对数据带宽、并发量、时延不同需求的场景，通过5G网络切片技术实现多个虚拟网片的逻辑隔离，合理分配资源，从而提高“新基建”模式下5G网络的利用率、稳定性和安全性。

2.4  具体实施应用

（1）网络建设方面：一阶段：采用NSA组网，MEC使用TOF方案，MEC采用三层组网方式接入，旁挂SPN汇聚或接入设备。完成园区内部主干万兆网络改造;园区工业PON环网改造，建设MEC边缘计算;二阶段：待SA商用网络成熟后，可平滑升级支持SA组网，支持低时延高可靠通信（URLLC）特性。

（2）MEC部署在企业内部核心机房，部署两台R5300服务器作为负荷分担。MEC与防火墙、运营商网络的网络对接使用2台ZXR10 5960型交换机，占用2×10 GE光口连接至IP RAN、2×10 GE连接至防火墙两个端口，其他端口用于内部组网。防火墙对接内部服务器，按康缘药业内部网络接口情况提供相应对接接口。两套MEC服务器本身具备保护，同时2台交换机作为1+1链路备份保护。

（3）平台建设方面：园区建设AGV平台、智能仪表、园区智能监控，园区数据中心监控平台。

（4）设备改造：5G园区目前规划1 000个5G接入设备改造，包括智能设备接入，园区5G安防改造，智能监控设备新增等。主要涉及5G数据终端、CPE設备、5G边缘网关、园区周界、道闸、智能门禁等设备。

2.5  建设场景和目标

排产调度：基于5G“新基建”，实现固体制剂车间全智能化数据采集和管理，建设数字沙盘系统，结合MES和APS系统等实现对生产的过程管理，生产智能化、自动化水平可提升30.0%以上。

安防监控：针对园区现有的安防监控系统进行升级，通过5G专用网络进行承载，实现园区智能化安防系统全覆盖。

生产控制：生产线PLC、工业机器人等设备通过5G网络进行数据采集终端改造，并结合SCADA实现生产数据的实时采集、管理和故障预警。总体实现故障预警且处理效率提升30.0%以上。

生产边缘计算：通过建立以5G为网络基础的生产边缘计算网关，整合SRM、PLM、ERP、MES、APS等生产控制管理系统的数据，实现节省人工成本30.0%以上，产品一次性通过率提升到99.5%以上，年产能提升2倍以上;实现生产节拍的自适应平衡调整，自动识别和测试产品，生产作业自动化率达85.0%以上，实现生产过程100.0%可追溯。

仓储物流：针对药品的仓储物流场景，在新建WMS智慧物流仓储基础上，进一步进行智能化改造，通过5G物联网的强大承载、接入能力实现高度智能化的物流仓库，降低人工成本、提升生产效率。

3  结  论

无论是5G商用落地，还是“新基建”的发展，最终都是企业的智能制造价值体现;本着利益最大化、充分利用5G新特点，发挥“新基建”优势，利用5G+MEC技术实现生产网、办公网、监控网三网逻辑隔离;助力打造现代化、高效率、数据安全的自动化制药生产数据采集、智慧仓储物流管理、AGV智能调度、5G-VR车间参观导览等。后期将继续加强智慧园区建设（5G+智能电表、仪表监控、人员劳效、无人安检、人脸识别考勤、智慧食堂、道闸、门禁、体温监测）做到切切实实的落地应用;相信在未来利用5G网络能力优势会有更多的场景通过5G+场景来进行实现，实现降低企业成本，提升生产效率的目标，实现优质、保量、低耗、高效能智慧制药，是中药智慧制药的必然趋势。

参考文献：

[1] 吴英娜，余永聪，佟巍.MEC打通5G应用场景的“经络” [J].通信世界，2019（22）：48-49.

[2] 李晨.5G对通信基础设施的影响分析 [J].现代信息科技，2020，4（9）：59-60+63.

[3] 张佩玉.5G来临  揭开“标准”面纱 [J].中国标准化，2020（3）：20-27.

作者简介：江明（1977.05—），男，汉族，江苏连云港人，信息中心副经理，电子信息工程师，本科，研究方向：5G、智能制造、新基建等。