基于工业互联网的2B应用5G网络保障方案研究

范石勇 江西省邮电规划设计院有限公司 南昌市 330002

0 引言

第四次工业革命正在蓬勃兴起，与世界经济新旧动能转换形成了历史性的交汇。《中国制造2025》中明确指出“加快推动新一代信息技术与制造业深度融合，把智能制造作为两化深度融合的主攻方向，着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业研发、生产、管理和服务的智能化水平”。而移动通信经历了第一代到第四代发展，现已步入第五代移动通信（5G）商用。5G作为新一代信息技术，将从移动互联网扩展到移动物联网，与各领域深度融合，全面构筑经济社会发展的关键信息基础设施，将培育经济发展新动能、打造社会治理新模式、拓展民生福祉新内涵。本文针对本地某一化工企业的实际2B应用需求，研究5G网络有效保障方案，为5G网络在工业制造业上2B应用提供信息管道，输出有价值的行业标准和经验。

1 2B应用需求与目标

1.1 化工企业的2B应用需求

现代化工企业为推动企业向数字化、智能化、精细化、国际化和可持续化的高质量转型升级中，实际提出了以下需求：

（1）企业内网改造升级，满足海量接入、安全性和扩展性的需要。

海量接入：在企业智能化的进程中，连接入网设备数量的暴增，现有以DCS、工业总线为主的工业内网难以满足需要。同时数据量的暴发式增长和“池”式的计算处理也对网络和资源的消耗成为了瓶颈。安全性：首先是数据的安全性，企业内网的扩展尤其是无线网络的引入要满足企业数据不出园区的需要。其次是网络的安全性，要减少如雷击等的外部因素影响。扩展性：需要灵活适配不同应用场景的网络需要（如设备控制的低时延、视频传输的大带宽、穿戴设备的可移动性等）。

（2）安全管理的需求，实现对作业区域“人机环境”的实时监测。

安全生产是第一个企业发展的永恒主题，也是行业发展的生命线，据统计，在发生过的化工企业安全事故中，由人为因素造成的事故占总事故的比例80%左右。其次物的不安全状态以及管理者的管理缺陷也是安全生产的不确定因素。需要通过新技术应用实现对作业人员、设备装置和作业管理等安全隐患排查的全面性、实时性和预见性，实现安全生产的可防可控。

人员管理：作业环境和人员位置的实时监测。设备管理：实时采集设备的运行状态，并同时对采集数据分析和设备监测。环境管理：安全隐患排查的实时性，如对作业规范和行为规范。

（3）效率提升的需求，提高生产运营效率，减少人员参与。

高效、安全、智能化的管理手段使得化工企业的生产运营管理更全面。如：巡检的智能化：在厂区的巡检过程中涉及大量设备运营数据的采集，通过人工读数存在漏检、误检等情况；在环境复杂区域、危险区域（如管道、高塔等）采用人工攀爬的方式进行巡检，存在极大的安全隐患和效率低下的问题。送检的自动化：在产品质检的过程中每隔一定时间要抽样送检，以往是采用传统的人工骑自行车的方式来取样送检，费时费力。

1.2 化工企业的2B应用目标

以2B应用需求为牵引，联合行业内合作伙伴，利用5G、物联网、大数据、边缘计算、人工智能等技术打造基于边缘云的5G智慧企业应用。聚焦企业安全、质量和效率等领域，以5G+MEC构建高质量的企业专网为基础，引入云计算技术，建设基于数据孪生的5G+智能化工应用平台，实现基于人工智能的5G+AI安防监测、基于NB-IOT的在线设备监测、基于边缘计算的5G智能巡检和无人机送样等场景化应用。如图1所示。

（1）基于5G+MEC 的高质量企业内网。通过5G+MEC的部署，构建5G/4G/NB的无线企业专网，并与内网进行安全可靠互联，实现运营商网络与企业内网的深度融合。实现授权终端在企业专网环境下与内网的互联，满足不同场景的网络需要；实现企业数据不出园区，保证安全连接5G专网与企业内网；在数据源侧计算，大量减少了数据集中处理的网络消耗，降低了传输时延；实现天翼去与边缘计算的互联，实现弹性云计算。

（2）基于数据孪生的5G+智能化工应用平台。通过数字孪生技术，打造可视化、集中化、智能化的“5G+智能化工”中央控制台。实现人员、设备、环境等生产要素的全数据采集与汇聚，并对采集数据的智能化分析，同时实现采集数据与三维地图可视化关联并呈现出来。

（3）基于精准定位的5G智能手环。以智能手环为载体，利用精准定位技术以及物联网采集技术，对员工作业环境、健康状态等进行实时定位与监测，确保人员的安全。包括防爆功能、室内外的高精度定位、健康信息检测（心率）、作业区域限制。

（4）基于5G+AI安防监测。以视频监控为载体，运用5G+机器视觉分析技术，对作业区域进行大数据分析，实时监测、实时告警，确保作业流程的规范化和可控化。如作业规范监测、操作过程记录和指导和不规范行为的实时告警。

图1 企业2B应用目标

（5）基于窄带物联网NB-IOT的在线设备监测。运用物联网传感技术，将设备大量关键数据上传到统一管理平台进行数据分析，实时监测设备的运行状态，保证设备的正常、安全、稳定运行。运行状态、工艺参数、运行能耗等关键数据的采集，如DCS、PLC、NB等多系统数据的采集接入，采集设备的防爆功能。

（6）基于边缘计算的5G智能巡检。以防爆手机为载体，利用5G的大带宽和低时延特性，综合运用图像识别、热成像、AR等技术，实现对化工装置的多维度安全监测、防爆功能、测温、热成像测漏。

（7）基于MEC的5G无人机送样和巡检。通过无人机使能平台与视频AI技术，实现无人机的自动化送样和巡检。比如无人机的自动化飞控，平台一键送样。

2 5G网络保障方案

2.1 部署原则

方案将为化工企业构建先进、高效的5G网络，支撑企业数字化、智能化发展。方案设计整体遵循以下原则：

◎安全性原则：企业生产、管理等信息数据通过5G网络承载，在网络、平台建设规划时需注重用户数据的安全性及网络的安全性。

◎可靠性原则：保证5G网络的信号质量、设备的运行稳定、排除故障，为企业提供可靠的连接业务。

◎易维护性原则：系统设备应能够方便管理，便于维护，易于进行系统配置，可监控设备参数、数据流量、系统性能等，并且可以进行远程管控以及故障诊断。

◎可扩展性原则：系统设备不但要满足当前需要，而且网络的扩展性方面也要满足将来需求。比如带宽和设备的扩展，应用的扩展，生产、办公地点的扩展等。

2.2 部署思路

根据现阶段化工企业工厂建设存在如下几方面需求：

（1）厂区及园区面积大，环保、安防、安全生产等要求高，涉及大量视频监控系统部署，以及人员、车辆、装备等精准定位。

（2）工厂内外部各类设备装备、仪器仪表等实时、精准数据采集是自动化、智能化基础，大量数据需要无线/移动传输保障。

（3）工厂内自动化程度高，如采用机器人进行样品质量检测、工业视觉检测等应用，需灵活的网络部署支持，以及高可靠、高性能保障。

（4）生产环境无污染要求高，人员现场工作难度大，急需远程操控，对网络有高可靠、低时延需求。

结合当前5G技术的发展进展与预期，同时考虑业务开展的实际需求，5G网络保障方案可以按照三个阶段实施开展：

◎阶段一：基于eMBB典型应用场景视频、网络备份类业务部署，满足以下业务需求：

业务1：视频监控类，高带宽、海量存储类业务，有移动性需求或节点分布零散场景，如厂区的视频监控。

业务2：数据检测三维工厂等数据检测，5G作为各类工业数据实时、高可靠回传保障，可引入AR等应用试点。

业务3：5G+MEC，针对工业视觉检测、AI视频监控等应用，部署MEC与5G协同，实现对于化工园区无人机巡检业务，提升安全性及业务体验。

◎阶段二：远程控制类、精准定位类、规模业务部署应用，满足以下业务需求：

业务1：远程控制，基于5G网络覆盖提升、MEC部署，以及生产装备等改造，在一般实时性要求场景规模应用。

业务2：精准定位，基于5G标准和产品成熟，在厂区部署5G精准定位协同（亚米级），进行人、车、物管控、保障安全生产。

◎阶段三：5G网络广覆盖、uRLLC成熟，5G+云+AI智能工厂

高可靠性低时延类业务uRLLC 技术完善并规模部署，支持超低时延，支撑大部分工业实时控制场景需求，通过5G+云+AI能力，构建可灵活部署、泛在接入、智能分析的全云化、数字化工厂。

2.3 部署方案

5G 网络部署方案采用5G SA 网络+MEC 为核心架构，为化工企业构建一张高质量无线网络，实现生产、办公的统一接入。

（1）采用先进的5G 融合5GC：5GC 采用SA 架构，融合4G EPC与NB网络功能，不仅能提供更宽的上行带宽、更低的网络时延，更好支撑切片、MEC等新能力，还能兼容传统4G与NB的模组，为企业提供全连接的物联网安全专网。

（2）MEC实现安全及性能提升：根据5GC控制面和用户面分离的特点，将用户面UPF下沉到园区实现数据分流，保障化工企业的数据安全，并进一步降低网络时延，提升核心业务性能与体验。R15/R16协议的冻结，引入切片技术来构建网络差异化，如SLA保证、安全性隔离等。并实现对于企业新5G终端设备进行管理（如了解其上线信息，位置信息），对网络时延、带宽等KPI进行监控，并将这些信息嵌入到工厂业务系统，支持其业务系统进一步智能化、自动化。

（3）优质的无线SA网络覆盖：结合工厂具体业务场景和环境，以室外宏基站（64T64R）+室内数字化方式灵活组网，保障整体无线覆盖质量。同时结合实际场景需要，进一步提升5G网络上行带宽、降低实验、优化覆盖质量。超级上行降低约30%空口时延、显著提升上行吞吐率（近中点提升20%-60%，远点提升1-3倍）。

2.3.1 物理组网

由终端设备采集的企业数据通过5G基站接入无线网络，通过网关截断数据，并进行本地分流到部署的边缘云平台，实现数据不出园区，保证数据生产和使用的全业务流程均在园区内完成，保证了数据的安全。实现公网数据与专网数据的隔离，保证数据传输的速率和时延性能保证，并配合边缘计算技术实现高速率、低时延的应用，赋能信息化系统升级。

核心网：采用商用5GC核心网。无线侧：对室外区域采用BBU集中部署+AAU拉远方式进行信号覆盖，室内场景使用分布系统进行覆盖。媒体面：UPF/MEP下沉至园区边缘机房。

为满足数据不出园区需求，在园区部署UPF，实现本地流量分流。当UPF部署在客户机房时，需在传输端设置内部防火墙。通过UPF将办公终端和生产终端5G业务流量分流到本地信息化网络，并实现安全隔离。

（1）终端通过5G基站接入到网络中。

（2）UPF部署在园区内机房，与园区就近的传输设备相连。对园区终端的数据业务，数据直接通过UPF本地分流功能传送到园区的数据中心。

（3）通过防火墙对UPF和园区数据中心之间进行隔离，保证了园区数据的安全。

2.3.2 UPF分流

2B UPF根据客户特殊DNN进行分流。用户携带特殊DNN 上线后，SMF 直接选取2B UPF 提供数据服务。2B UPF 在该DNN 下配置静态路由数据，实现对企业分流。

2.3.3 UPF计费

UDM为企业专网终端签约专用DNN。SMF通过CGF向营帐系统上报计费话单，营帐根据话单中的DNN标识实现差异计费。

3 结束语

《“十四五”智能制造发展规划》明确指出，发展智能制造立足制造业本质，紧扣智能特征，以数据为基础，以工艺、装备为核心，以5G新一代信息技术与先进智能制造技术深度融合。第四次工业革命正蓬勃兴起，而利用5G新技术、新应用不断提升工业的智能化水平，实现工业行业的可持续发展对于我国经济和社会发展都具有十分重要的现实意义。本文结合了本地实际化工企业的2B应用需求，对5G网络保障方案进行了研究，通过对企业的应用需求与目标分析，遵从5G新技术的网络部署原则，制定了行之有效的部署方案，打造基于边缘云的5G智慧工业应用，实现5G与工业内网的深度融合，构建工业的数字化孪生工厂，提升工业企业在安全、环保、质量和经营等方面的管理水平，最终输出有价值的行业标准和经验。