钢铁企业5G应用场景与5G性能指标相关性的探讨

宋海洋 陈成 董帆 郭亮 陈伟刚 许建强

(首钢京唐钢铁联合有限责任公司信息计量部,河北唐山 063200)

0 概述

5G作为新一代信息通信技术发展的主要方向,代表了信息通信技术的发展方向和战略制高点,是构筑经济数字化转型的重要基础设施。为钢铁企业在数字化转型中,通过智能化、无人化项目建设,探索智能化钢铁厂创新发展新路径,提供了新的发展机遇。但钢铁企业各类应用场景对5G带宽、时延、可靠性等性能指标没有权威的规范,一直是困扰5G推广应用的一个重要因素。

1 钢铁企业典型5G应用场景

钢铁企业各类应用场景很难穷尽,本文结合首钢京唐公司在数字化转型中,建设智能化钢铁厂的业务需求,总结了10种典型的应用场景,分别是:无人天车、智能物流、智能料场、无人驾驶、高清视频监控、钢材表面质检、智能安防、智能工厂、远程运维、交通监控。通过研究探讨典型的应用场景与5G带宽、时延、可靠性等性能指标的相关性,明确各应用场景重点关注的5G性能指标,以指导钢铁企业5G技术的推广应用[1]。

(1)无人天车:钢铁企业生产制造、产品销售等环节涉及各类库区的天车作业,尤其炼钢以后的工序,涉及炼钢坂坯库,热轧坂坯库、成品库;冷轧原料库、中间库、成品库,集港集站区域物流暂存库等,库区天车作业无人化是钢铁行业的发展趋势。无人天车系统由检测感知系统(鞍位形状扫描仪、夹具对位传感器、夹具加紧传感器等)、定位系统(X轴定位:激光定位、格雷母线定位,Y轴定位:编码器等)、视频监控系统(摄像头)、调度决策系统(发布指令、指挥天车运行)、执行机构(PLC控制系统)、网络(有线无线)构成。应用5G网络打通地面控制系统与移动天车的通信通道,建立天车运行作业模型控制策略,实现天车运行作业中的推理分析、调度决策优化、任务协同等实现库区天车无人作业。

(2)智能物流:钢铁企业物流涉及采购、生产、销售等整个供应链环节,业务涉及原燃料采购销售、退货,能源介质采购销售,资材备件采购销售,备件修复,危废旧品销售,产成品销售自提、直发、集港、集站,厂内上下游工序物料倒运等。基于5G网络,建设协同高效的物流智能管控平台,与产销管控系统、MES系统、门禁管理系统、交通监控系统等紧密集成,基于GIS地图和定位技术实现车辆信息在线管控,对车辆行驶状态、司机状态、位置状态、车况状态、行车路线等实时监控,路线偏离、中途停靠等异常情况及时报警;基于生产库存动态,结合生产计划,实现转储计划智能编排,全厂运力资源的智能调度、转储路线动态规划,上下游库存动态平衡,基于待运材料规格、位置,车辆标载等。实现原燃料进厂、生产制造、仓储运输、销售发货等物流信息的可视化、仓储作业的无人化、物流调度的一体化、监控管理的集中化。加快库存周转、提高仓库利用率、缩短产品制造周期。

(3)智能料场:建设基于5G的堆取料机无人驾驶作业智能控制系统,实现堆取料机作业的无人化及供料计划、储存、盘库,数字一体化管理,确保源、终点品种匹配,避免混料,提高精细化管理水平。

(4)无人驾驶:钢铁企业下游工序物料汽车倒运无人驾驶是智能制造的发展趋势,一般重卡AGV无人驾驶系统由重载AGV运输车、GPS导航系统与激光导航、车辆识别和道杆控制系统、视频监控系统、重型AGV专用车道等系统和设备、车辆调度系统、自动化系统控制系统、安全管理系统、无线网络等组成。室外采用GPS导航,室内采用激光导航(精准定位)的复合导航方式。应用机器视觉技术进行无人驾驶车辆牌照号码自动识别,在无人驾驶车辆活动区域增加视频监控,远程监控人员实时监控车辆运行时的工作状态,无人驾驶车辆活动区域覆盖无线网络,车辆定位信息、视频监控信息、车牌视频信息等自动上传车辆调度系统,车辆调度系统下达车辆自动运行指令,自动化系统控制系统执行指令,实现车辆的驾驶运行无人化、调度指挥智能化、作业监控可视化[2]。

(5)高清视频监控:园区内高清监控部署在生产线现场和厂区道路内,前端摄像头采用内置5G模组或通过CPE连接摄像头的形式,减少IT基础投资,实现整个园区的集中监控。

(6)钢材表面质检:通过部署工业相机采集质检数据,利用5G网络进行8K/4K等高清图像传输至搭载视觉AI分析能力的平台,对图像和视频进行处理,实现质量检测。

(7)智能安防:在工厂生产作业区域内,利用前端摄像头采集现场视频,通过5G网络实现视频的高速实时回传,结合AI技术,可实现工人行为高精度识别,危险设备工作状况检测,自定义报警区域监控,也具备视频追溯功能,从而为厂区的安全生产管理提供保障基础。

(8)智能工厂:工厂内感知层的数据通过5G网络传输,实现驱动器、传感器、可编程逻辑控制器(PLC)、面板仪表和其他自动化设备的通讯传输。通过数据的处理运算最终在展示层进行展示,形成工厂视频监控、运行调度、机器人数据回传、设备数据采集、能耗的盘点、资产盘点等。

(9)远程运维:基于5G的高安全、高稳定、低时延大数据回传能力,采用无人机、机器人等自动化设备、AR眼镜等人工辅助设备、物联网控制器传感器等,对远端设备,如输电线路、立体停车场、工厂内设备、机械车辆等进行实时数据采集、点巡检运、故障排除远程辅助。

(10)交通监控:钢铁企业厂区道路纵横交错,乘用车、货运车时常违章运行,影响道路交通秩序,货运物品种类繁多,包括原燃料、在制品、散货、产成品等几十种,货运承运商多达几十家,存在重复计重、样品以次充好、偷梁换柱、夹带物品出厂等各种隐患。货运车辆存在随意偏离规定路线、超速、乱停、占道、套牌等现象。基于5G技术,建设道路交通监控系统,对道路交通进行有效地管控势在必行。在物料装卸、质检取样、称重计量、车辆等候相关区域加装视频监控摄像头,进行定点监控,重要路口双向加装视频测速摄像头,运输道路加装自动跟踪、行为分析、人脸检测、报警推送、红外夜视等视频监控摄像头,覆盖运输、取样、计量、装卸全过程。关键视频信息实时汇集到交通监控平台,应用生物识别技术、图像识别技术,识别车号、车型、颜色及驾乘人员,运营车辆GPS定位信息实时上传交通监控平台;实现行车路径偏离报警、超时预警、车辆停驶和聚集报警、违章报警、车辆比对异常报警、道路拥堵报警等监控与信息推送;实现车辆与承担的作业任务、车载货物信息的匹配,实现车辆进行轨迹追踪。

表1 5G应用场景与5G性能指标的关系Tab.1 Relationship between 5G application scenarios and 5G performance indicators

2 5G应用场景与5G性能指标相关性探讨

5G作为新一代信息通信的前沿技术,为智能化钢铁厂创新发展提供了新的发展机遇。在钢铁行业的应用还处于探索阶段,各类5G应用场景很难穷尽,每个应用项目的可行性与5G带宽、时延、可靠性等性能指标密切相关,但钢铁企业各类应用场景对5G带宽、时延、可靠性等性能指标没有权威的规范,一直困扰5G应用推广[3]。

首钢京唐公司在5G应用实践中,将应用场景归并为不同的应用类型,按照应用类型,归纳出5G网络的承载数据类型,根据5G网络的承载数据类型提出5G性能指标要求,通过测试相关指标的实际表现,评价项目的风险、可行性等,大大简化评价项目可行性研究的复杂性,5G应用场景、应用类型、5G网络的承载数据类型、5G性能指标关系如表1所示。

综合各应用场景的应用类型、5G网络承载的数据类型不难发现,钢铁企业5G应用场景的应用类型大致可以归并为:自动化控制、机器视觉、视频监控、数据采集等。5G网络承载的数据类型大致可以归并为:音频、视频、图像、数据等。

自动化控制类的应用场景更关注5G网络的时延、可靠性指标;机器视觉类、视频监控类的应用场景更关注5G网络的上行带宽、下行带宽指标。一般来说,数据采集类的应用,5G带宽、连接密度等性能指标不会成为5G的应用瓶颈。

3 总结

钢铁企业应用场景很难穷尽,但应用场景的应用类型是有限的,在推进5G应用中,只要明确应用类型,便可以发现对应的5G性能指标,该性能指标的可行性决定了项目的可行性。