基于5GSA的智慧钢厂解决方案

苏艳涛 甄仲强 区林波

（广东省电信规划设计院有限公司，广东 广州 510630）

1 引言

随着5G的商用和规模化部署，5G逐渐走向每个人和社会的每个角落[1]。5G具有高速率、低时延、大链接三大特点，同时采用NFV（网络功能虚拟化）/SDN（软件定义网络）的服务架构，除了满足传统的数据语音通信外，还可以很好地应用于社会垂直行业[2]。随着5G网络的逐步普及，5G将重塑行业应用场景，推动社会数字化转型。

钢铁工业是我国的战略性基础行业，技术难度大，安全要求高。目前我国钢铁工业遭遇产能过剩、安全隐患、环境污染等问题，同时面临数据采集、远程操控、实时数据交互等行业共性问题[3]。5G SA网络具有速率高、链接大、时延低的特点，同时可以实现虚拟化的网元定义和灵活的切片应用，因此5GSA网络可以很好地解决上述问题。

本文以A钢厂为例，通过建设5G核心专网，进行5G+工业互联网领域的创新应用研究，打造基于5G SA的智慧钢厂，可有效促进A钢厂智能制造，实现互联网数字化应用转型。同时对全国钢铁行业产生龙头和示范效应，推动行业数字化转型，钢铁行业将会更加绿色、环保、节能。

2 基于SA的网络解决方案

在5G时代，向工业互联网转型已成为必然趋势[4]。通过建设5G核心专网，可有效促进A钢厂5G数字化应用场景的实现。

2.1 总体网络结构

A钢厂5G SA网络既要满足工业互联网需求，又要满足公众用户需求。同时工业互联网需要安全隔离、资源保障，公众用户需满足语音、数据通信等服务需求。总体网络架构如图1所示。

图1 总体网络架构示意图

A钢厂专网具有以下两个特点：（1）可完全兼顾公众网用户需求及企业网的安全性和自主控制性；（2）企业专网可以充分利用5GSA网络架构演进优势，如网络切片。

2.2 核心网方案

基于5GSA部署的A钢厂核心专网，可以使工业应用全部接入专网，普通用户继续接入联通大网，实现人/物两张网络物理隔离，专网内部支持网络切片服务，核心网方案示意图如图2所示。

图2 核心网方案示意图

A钢厂5G核心网采用支持SA组网的5G Common Core融合版本，基于云化架构实现，具有高度安全性、灵活性、可控性和可靠性。

本方案建设1套5G核心网，包含AMF、SMF、UPF、UDM、PCF、NRF、EMS、NSSF等遵循3GPP5G协议标准的网元设备，并支持相关网元功能要求。A钢厂核心机房新建1个电信云资源池，其中管理域网元设备各部署1套；控制面网元设备各部署1套，用户面UPF部署1套。采用8台服务器配置，2台汇聚交换机，2台防火墙，部署2个机柜。

2.3 传输网方案

为了实现A钢厂核心专网的能力要求，在A钢厂园区升级部署IPRAN2.0网络，共部署6台6180H传输分组设备，安装完毕后具备业务接入能力。现有二层分组网升级为三层分组网，该传输环专门为A钢厂5G网络而搭建，具有大容量、三层分组交换能力，为后期A钢厂5G业务接入提供有力保障。传输网方案示意图如图3所示。

图3 传输网方案示意图

2.4 无线网方案

A钢厂规划建设5G站点73个，其中宏站68个，室分系统5个，如图4所示。

图4 无线网方案示意图

目前A钢厂已建成5G站点49个，其中宏站44个，室分系统5个，覆盖面积12.5平方公里，平均上行速率：108Mbps，平均下行速率：824 Mbps，日均流量：1575 GB，总体感知行业领先。

3 5G赋能智能制造

A钢厂是国内首例采用独立5G核心网的工业专网，实现了真正的物理隔离，信息安全，自主独立运营，全权管控，具有高度的智能化、网络化、集成化等特点。

3.1 基于SA的5G应用创新

集成基于SA网络开展智能制造应用创新，截至目前已通过5G技术论证应用32个，主要覆盖智慧设备、智慧安保、智慧能环、智慧物流和智慧生产五大板块，如表1所示。

表1 基于SA的5G创新应用

基于SA的已上线智慧应用包括数据采集类、监控管理类、生产控制类三大类别。截至目前已连续稳定运行一年多，实现机器故障预警、安全事故预警、产品故障排除等多项功能，极大提高了A钢厂的生产效率和产品质量。部分已上线应用案例如表2所示。

表2 基于5GSA的已上线应用案例

3.2 效益前景

A钢厂5G专网以SA为目标架构建设，新建核心专网、传输路由、无线基站，保障园区网络的良好覆盖和切片的灵活应用。通过建设5G核心专网，A钢厂形成特大企业网络专供模式。网络方面，独立专享，私有定制的高质量专供网络；安全方面，数据不出园区，大网硬隔离安全保障；应用方面，覆盖智慧设备、智慧安保、智慧能环、智慧物流和智慧生产五大板块；终端方面，提供标准化高温高粉尘等场景化终端。部署5G专网后，A钢厂可实现优化人员500人次，降低残次率5%，节省人力成本大于1亿元，降低故障损失6100万元。

2020年，我国钢铁产量突破10亿吨“天量”大关，远超世界其他国家，位居世界第一。全国有钢铁企业四千多家，由于生产场景契合度高，因此可快速复制，形成规模推广。如果推广本解决方案，基于5G SA打造数字化智慧钢厂，将在全国范围内大大降低安全事故的发生，极大节省人工成本，大幅度减少故障造成的损失，从而实现我国钢铁行业绿色可持续发展。

4 结语

我国钢铁工业遭遇产能过剩、安全隐患、环境污染等问题，急需数字化转型升级。本文基于5GSA给出智慧钢厂解决方案，可有效促进钢铁行业向互联网数字化应用转型，实现智慧钢铁制造。此外，本文方案将推动5G产业发展、5G应用突破、5G终端发展等工业互联网产业化成熟，拉动5G全产业链快速增长，加速构建全行业发展新动能。由于项目模式生产场景契合度高，因此可快速复制，实现钢铁行业规模推广。基于5G SA智慧钢厂解决方案的打造与技术突破将大力驱动中国制造水平，助力中国制造高质量发展。