“5G+工业互联网”引领企业变革的应用研究

张巍

摘要：在政策引导和ICT技术快速发展的双重推动下，“5G+工业互联网”步入了快速发展的轨道。嘉峪关移动通过西沟矿5G+智能装备建设探索研究，提升了西沟矿矿山企业的生产和管理模式，实现了穿孔、采掘、运输及溜井口大块处理的远程控制及自动驾驶，同时解决安全生产问题并提高了劳动生产率。通过5G+工业数据中台决策分析后的数据，企业得以进行数字化转型、智能化演进和绿色化发展。“5G+工业互联网”在数据采集类、控制类及图像信息传输类应用场景还有很大的探索空间，将与合作伙伴一起为本地龙头企业酒钢集团的数字化和智能化发展提供更大支持。

关键词：5G；工业互联网；露天矿；智能化；智能装备；数据中台

近年来，我国高度重视“5G+工业互联网”融合创新发展。2019年11月，工业和信息化部印发了《“5G+工业互联网”512工程推进方案》，在政策引导和ICT技术快速发展的双重加持下，“5G+工业互联网”进入了大力推进模式。为了满足智能制造发展的需要，工业互联网迫切需要具有高速率、低时延、高可靠、广覆盖的基础信息网络，5G网络正当其时。5G是助力工业互联网发展的关键使能技术，而工业互联网则是加快5G商用规模部署的关键因素。5G与工业互联网的联动，将成为驱动企业变革的强力引擎和助燃剂。酒钢集团作为我国西北地区最大的碳钢与不锈钢生产基地，瞄准“产业数字化、数字产业化”战略目标，经过三个阶段的发展，已经形成了多元化产业格局（见图1），主体技术装备水平居国内领先行列。在商业及技术双重驱动下，“5G+工业互联网”正在逐渐影响酒钢企业的发展。

一、5G+智能装备

2019年起，嘉峪关移动率先与酒钢集团西沟矿业公司积极开展5G+智能装备建设的探索和研究。利用5G+远程控制，提升西沟矿业公司的生产和管理模式，实现穿孔、采掘、运输及溜井口大块处理的远程控制和自动驾驶，有效地解放了职工，使他们从劳动强度大、安全风险高的恶劣环境中解脱出来。人机分离实现了本质安全，打破了传统采矿“劳动密集、资本密集”的模式，达成了降本增效目标。

（一）5G专网建设

为实现现场无人化、生产可视化、管理智能化的5G+智能装备建设目标，支撑矿山业务需求，嘉峪关移动通过5G专网保障了网络质量，满足大上行、低时延、高可靠和安全隔离四个方面的要求。

1.大上行带宽方案

矿用装备升级后，5G网络需要支撑多类流量的通信，如实时视频、控制指令、运行状态、高精定位、心跳检测、任务下发、位置广播等。其中，远程操控需要给操控人员提供多方位的实时高清视频支持。通过以车载设备为单位的画像建模，满足上行要求。

2.低时延方案

大型生产装备和控制系统的远程操控对时延要求高（最佳＜30ms），且要求高可靠和低丢包。智能装备端到端低时延需要从架构、空口、设备、业务四方面考虑，架构和空口的优化是关键。另外，矿山应用部署位置离现场越远，传输距离越长，通过MEC下沉在满足多业务时延要求的同时，保证数据不出园区。

3.高可靠方案

自动驾驶和远程操控等关键业务的网络高可靠需求从业务和网络两个层面考虑。在业务层面，为保障装备运行的安全可靠，各类数据流需要不同的可靠性保障等级，如操控指令、视频流数据、装备和系统侧的心跳消息以及机器之间的广播消息等。在网络层面，装备侧、无线网、承载网和核心网各环节设备和链路均存在故障可能，需明确设备选型和双节点主备。

4.安全隔离方案

通过5G网络切片实现用户数据隔离，包括无线网切片、承载网切片和核心网切片，三部分分别采用不同的切片技术方案，同时进行前后衔接，形成端到端切片通道。

（二）智能装备改造

1.电铲远程控制

通过对电铲的电气化改造，实现了电铲的远程操控，操作人员可以在远程操控室通过手柄操控单元控制电铲的各种动作，完成铲装作业。

2.矿卡自动驾驶

矿卡可以通过自动模式、手动模式、远程模式驾驶。在自动驾驶模式下，矿卡可以按照静态录制+动态规划的方式实现自动驾驶；在远程操作模式下，矿卡可在遥控操作台实现对车辆的控制和状态监控。

3.牙轮钻远程控制

通过电气系统改造，完成对牙轮钻机的基本控制，操作人员可以在远程控制室实现加压打孔、行车、取杆、夹杆等钻孔动作。

二、5G+数据中台

企业智能化发展不断迭代更新，数据在发展中起到了无法替代的作用。工业数据在整个工业生产流程中也成为智能化改造至关重要的环节，随着工业互联网创新应用的发展演进，工业数据已被赋予新的使命，成为企业数字化转型和智能化发展中不可缺少的基础动力。酒钢集团非常重视“数据”在企业发展中的作用。自企业发展信息化建设以来推倒并重建了很多套信息化系统相伴，也产生了大量数据。大数据分析平台在经营管理数据分析方面做了一些探索和实践。目前，嘉峪关移动正联合华为进行5G+数据中台可研分析，以使数据资产的业务价值最大化，使能业务模式升级。

（一）5G支撑数据采集

数据采集主要分为结构化、非结构化数据，主要以批量、实时、流式等方式进行采集，采集数据经过处理后入到数据湖。5G转网模式可以满足工业设备的大量数据、低延时、高可靠的抓取需求。

数据采集过程涉及多种类型的工业设备，以酒钢西沟矿业公司为例，包括钻、铲、车、破碎机、皮带机等。存在大量设备数据采集后难以与生产系统对接，以及跨厂商数据对接效率低下等问题。

通过构建5G云网关，承上启下，实现了OT与IT域间数据流转，以及不同的数据源（视频、圖片、接口、协议等数据）的协议转换（见图2）。

（二）数据中台建设

数据中台包含从数据采集到存储的端到端服务，经过数据治理形成分类主题，治理后的数据可用于各类数据服务，包括数据集成、数据分析、数据可视、数据共享等。通过建设基于工业互联网大数据的创新平台，统筹集团下属二三级厂区，构建数据资源库、先进数字化工具、虚拟仿真环境等一体化的协同创新体系。以酒钢西沟矿业公司为例，打通了矿山地质、测量、采矿、选矿等数据通道、助力基于数据分析的生产智能控制、运行优化、决策优化和生产现场能力优化。

1.规范数据治理

对矿山地质、测量、采矿、选矿等全流程各环节所产生的数据实现实时抓取、分析、清洗，将生产数据与历史数据进行统一存储管理，为开展大数据的全面分析、深度挖掘、情报检索，可视化展示提供数据基础。

2.数据应用创新

针对生产到运营的各个环节进行了场景细化模拟分析，以迭代创新的管理应用服务于生产全流程各环节，实现对生产指标趋势分析、成本细化和趋势分析、设备管理分析、采购分析、品位变化趋势、工艺数据分析等，提供灵活的指标监控、报表查询、多维图形展示和综合分析，为企业提供实时状态分析并赋能企业发展决策支持。

三、“5G+工业互联网”应用场景

作为新一代信息通信技术与制造技术融合的创新应用技术，“5G+工业互联网”将赋能酒钢集团数字化转型、智能化制造、绿色化发展，为酒钢集团提供生产优化、节能减排、降本增效、运营管理等创新应用，打造绿色化安全化的酒钢5G全链接工厂。通过5G技术改造企业原有生产网络，形成IT、CT和OT融合的工业网络部署方案，综合运用大数据、MEC边缘计算等新兴技术构建基础能力，后续将聚焦数据采集类、控制类及图像信息传输类等应用场景，持续为酒钢集团发展赋能（见表1）。

（一）能源与环保管理

利用5G网络在厂区广泛收集能源消耗和污染排放等仪表数据，减少有线网络布置成本，同时扩大监测范围（覆盖原有线盲区），促进生产工艺优化与设备改造升级，实现降低能耗成本的同时做到绿色环保，打造绿色低碳的生产模式。

（二）生产现场作业监控

5G无线技术增强了监控点可移动性和监控人员的可移动性，实时传输生产现场高清图像视频，能直观高效地展示人员、设备的作业情况，提升生产现场全局化和精细化管控水平。

（三）质量管理

通过部署工业相机对产品进行高清拍摄，将数据回传致边缘云服务器进行智能分析处理，通过对比合格产品模型数据，对产品合格率提供有力的参考决策。

（四）安全管理

传统安全监控管理基于固定的支架摄像头，而通过5G网络，摄像头可以实现移动场景无延迟的抓拍监控。同时，能够实现多路多视野的超高视清视频实时传送到服务器端。另外，通过5G网关使用先进的巡检机器人也能对园区进行实时巡检。

四、结语

工业互联网通过近几年发展得到了成熟的信息技术支持。而5G通信技术作为基础能力来辅助工业互联网，为其注入灵魂，使“5G+工业互联网”具备更灵活的应用场景，对工业物联网应用更是得到了质的提升。工业互联网应用因网络限制无法实现全流程全场景赋能，而5G的应用恰好帮助工业互联网解决了这一难题，也证明了“5G+工业互联网”发展的广阔前景。“5G+工业互联网”在酒钢集团的探索已经进入深水区，后续将继续认真贯彻落实集团关于5G新基建的部署要求，大力推动产业高质量发展，服务好本地企业，以“网络+服务”为基础，以“平台+生态”为关键，携手华为等伙伴抓紧5G机遇，共同谱写“5G+工业互联网”新篇章。

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