“5G+智慧工廠”來(lái)襲，上海煙草機(jī)械煥發(fā)新活力
上海煙草機(jī)械為上海傳統(tǒng)的機(jī)械制造企業(yè)，近年來(lái)也逐步開(kāi)展了智能制造探索，但是工廠在生產(chǎn)、售后運(yùn)維及數(shù)據(jù)安全等方面均遇到一定困難。針對(duì)客戶問(wèn)題，中國(guó)移動(dòng)（上海）產(chǎn)業(yè)研究院利用5G高帶寬、低時(shí)延的特點(diǎn)，提供端到端解決方案，實(shí)現(xiàn)了AGV機(jī)器人無(wú)線控制、5G數(shù)字孿生產(chǎn)線、5G+AR維修、高精度室內(nèi)定位等業(yè)務(wù)。
一、 項(xiàng)目概況
1. 項(xiàng)目背景
上海煙草機(jī)械為上海傳統(tǒng)的機(jī)械制造企業(yè)，近年來(lái)逐步開(kāi)展了智能制造探索，但是工廠在生產(chǎn)、售后運(yùn)維及數(shù)據(jù)安全等方面均遇到一定困難。一是AGV機(jī)器人基本通過(guò)WiFi進(jìn)行控制信號(hào)和數(shù)據(jù)傳輸，存在著WiFi信號(hào)同頻干擾、漫游切換易掉線（重連）、覆蓋死角等問(wèn)題。二是作為一家設(shè)備制造商，上海煙機(jī)在傳統(tǒng)的售后模式中，需要工程師上門(mén)檢測(cè)設(shè)備，加上上海煙草機(jī)械的設(shè)備遍布全國(guó)，存在售后周期長(zhǎng)、成本高、響應(yīng)速度慢的問(wèn)題。三是制造型企業(yè)的核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以說(shuō)是企業(yè)中最重要的部分，在過(guò)去海量數(shù)據(jù)不能得到有效的保存，存在著數(shù)據(jù)安全問(wèn)題。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
5G具備更低的時(shí)延，更高的速率，更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點(diǎn)。利用5G技術(shù)讓制造型企業(yè)快速提高生產(chǎn)力，破解5G在垂直行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的難題，中國(guó)移動(dòng)（上海）產(chǎn)業(yè)研究院致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)建設(shè)，開(kāi)展工業(yè)及能源領(lǐng)域平臺(tái)及端到端解決方案研發(fā)，打造上海煙機(jī)5G+離散制造業(yè)的示范項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了AGV機(jī)器人無(wú)線控制、5G數(shù)字孿生產(chǎn)線、5G+AR維修、高精度室內(nèi)定位等業(yè)務(wù)，未來(lái)還將部署5G+邊緣計(jì)算、5G+CPS實(shí)現(xiàn)自然導(dǎo)航的人機(jī)協(xié)作移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用等業(yè)務(wù)。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)工廠多設(shè)備、多車(chē)間統(tǒng)一管理，統(tǒng)一運(yùn)維，安全隔離，從而帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
一方面，使用5G替代局域網(wǎng)走線，減少現(xiàn)場(chǎng)有線組網(wǎng)的建設(shè)難度和管理難度，大幅降低了走線布設(shè)的成本和后期運(yùn)維的難度。
另一方面，降低用工成本，提高生產(chǎn)效率。5G+機(jī)器人的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)工廠無(wú)人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規(guī)范性，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全性。將所有生產(chǎn)步驟程序化，提高了生產(chǎn)的效率。
最終，通過(guò)5G在智能工廠的應(yīng)用探索出智能工廠的新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)和新模式，推動(dòng)行業(yè)制造技術(shù)進(jìn)步，為5G在其他行業(yè)的垂直應(yīng)用提供典范，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活帶來(lái)革命性的影響。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
1. 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和具體場(chǎng)景
（1）總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
針對(duì)5G 網(wǎng)絡(luò)改造，原則上充分利用現(xiàn)有站址、傳輸、管線、動(dòng)力資源，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，5G網(wǎng)絡(luò)部署原則參考中國(guó)移動(dòng)集團(tuán)規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)原則。
上海煙草機(jī)械工業(yè)及能源領(lǐng)域平臺(tái)及端到端解決方案選取上海煙草機(jī)械西廠區(qū)的智能車(chē)間進(jìn)行業(yè)務(wù)的示范測(cè)試，整體網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案采取5G BBU+皮基站（pRRU）的形式。5G基站的BBU安裝在東廠區(qū)，通過(guò)光纖接入西廠區(qū)的第一個(gè)RHUB，第一個(gè)RHUB負(fù)責(zé)了AGV活動(dòng)區(qū)域的7臺(tái)pRRU，同時(shí)串聯(lián)了第二臺(tái)RHUB，也就是ZB415區(qū)域的兩臺(tái)
pRRU，并對(duì)各項(xiàng)應(yīng)用的重點(diǎn)活動(dòng)區(qū)域做了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。
圖1 上海煙機(jī)車(chē)間5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D
（2）AGV機(jī)器人無(wú)線控制
在設(shè)備側(cè)，AGV機(jī)器人改用5G網(wǎng)絡(luò)取代WiFi組網(wǎng)。利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)MES服務(wù)器與車(chē)間AGV機(jī)器人的實(shí)時(shí)通信，MES服務(wù)器可通過(guò)AGV機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物料實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。同時(shí)，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時(shí)延、抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)人員可對(duì)AGV機(jī)器人及生產(chǎn)線進(jìn)行指令實(shí)時(shí)下達(dá)和操控，完成對(duì)AGV機(jī)器人和生產(chǎn)線的精準(zhǔn)遠(yuǎn)程管控。
圖2 上海煙草機(jī)械5G智慧工廠AGV機(jī)器人
（3）5G數(shù)字孿生產(chǎn)線
ZB415煙機(jī)產(chǎn)線由主機(jī)加輔機(jī)組成，體積龐大。該智能機(jī)組內(nèi)置超過(guò)400個(gè)采集點(diǎn)位，每個(gè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集頻率均為毫秒級(jí)。因此系統(tǒng)每秒會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中就需要5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬的加持，通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，如開(kāi)機(jī)、停機(jī)、復(fù)位、包裝速度調(diào)整等。5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延、高可靠性確保了這些控制指令下發(fā)的實(shí)時(shí)性和可靠性。當(dāng)機(jī)組某一個(gè)零部件出現(xiàn)故障時(shí)，數(shù)字孿生系統(tǒng)會(huì)通過(guò)布置在機(jī)組內(nèi)部的傳感器檢測(cè)到該零件，并立即在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行報(bào)警；同時(shí)會(huì)聯(lián)動(dòng)監(jiān)控?cái)z像頭定位到出現(xiàn)故障的零部件的位置，并放大監(jiān)控畫(huà)面以便于控制中心的專(zhuān)家進(jìn)行進(jìn)一步的故障診斷和確認(rèn)。
圖3 5G數(shù)字孿生系統(tǒng)及實(shí)景
（4）5G+AR輔助維修
通過(guò)AR技術(shù)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，遠(yuǎn)程的維修工程師可通過(guò)AR眼鏡或者手機(jī)、平板上的攝像頭看到設(shè)備的故障情況，并通過(guò)AR眼鏡或者平板的顯示器對(duì)設(shè)備附近的工人進(jìn)行維修作業(yè)指導(dǎo)，從而減少了工程師出差前往設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的人力成本，也減少了煙機(jī)的維修時(shí)間。
圖4 5G+AR輔助維修
（5）高精度室內(nèi)定位
通過(guò)UWB高精度實(shí)時(shí)定位首先能直觀地顯示貨物托盤(pán)的精準(zhǔn)位置，方便現(xiàn)場(chǎng)原材料的管理和監(jiān)督，同時(shí)通過(guò)位置信息形成各類(lèi)軟件應(yīng)用方面的功能進(jìn)一步提升了管理和監(jiān)督的便捷性、實(shí)時(shí)性和智能化，而基于長(zhǎng)時(shí)間、大量位置數(shù)據(jù)形成的人員和托盤(pán)原材料位置、軌跡能作為工序效率提升的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，為智慧工廠領(lǐng)域帶來(lái)突破性的信息化變革。
圖5 室內(nèi)高精度定位工廠
2. 安全及可靠性
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由于涉及到工廠內(nèi)和工廠外的網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，因此其安全體系主要從工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個(gè)方面來(lái)構(gòu)建。從工業(yè)視角考慮，安全的重點(diǎn)是保障智能化生產(chǎn)的連續(xù)性、可靠性，關(guān)注智能裝備、工業(yè)控制設(shè)備及系統(tǒng)的安全；從互聯(lián)網(wǎng)視角考慮，安全主要保障個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同以及服務(wù)化延伸等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全運(yùn)行以提供持續(xù)的服務(wù)能力，防止重要數(shù)據(jù)的泄露，重點(diǎn)關(guān)注工業(yè)應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全、工業(yè)數(shù)據(jù)安全以及智能產(chǎn)品的服務(wù)安全。因此，本項(xiàng)目依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)》，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障體系總體框架，如下圖所示，具體包括設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全等五大重點(diǎn)。
圖6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全解決方案總體框架
本項(xiàng)目中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全解決方案覆蓋安全技術(shù)防護(hù)的全場(chǎng)景，涵蓋了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)、生產(chǎn)制造、后期運(yùn)維服務(wù)等階段，重點(diǎn)聚焦工業(yè)控制層面、內(nèi)網(wǎng)層面和互聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)等多個(gè)層面，重點(diǎn)構(gòu)建了工業(yè)防火墻、工業(yè)隔離系統(tǒng)（工業(yè)網(wǎng)閘）、網(wǎng)絡(luò)防火墻和虛擬防火墻等工業(yè)安全產(chǎn)品或解決方案，實(shí)現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、邊界安全防護(hù)、接入認(rèn)證、通信內(nèi)容防護(hù)、通信設(shè)備防護(hù)、安全監(jiān)測(cè)審計(jì)等多種防護(hù)措施，構(gòu)筑立體化的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。
三、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目先進(jìn)性及創(chuàng)新點(diǎn)
通過(guò)5G實(shí)現(xiàn)工廠多設(shè)備、多車(chē)間統(tǒng)一管理，統(tǒng)一運(yùn)維，安全隔離，能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
一方面，減少現(xiàn)場(chǎng)有線組網(wǎng)的建設(shè)難度和管理難度，使用 5G替代工廠局域網(wǎng)，大幅降低了走線布設(shè)的成本和后期運(yùn)維的難度。另一方面，降低用工成本，提高生產(chǎn)效率。5G+機(jī)器人的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)工廠無(wú)人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規(guī)范性，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的安全性。將所有生產(chǎn)步驟程序化，提高了生產(chǎn)的效率。
最終，通過(guò)5G在智能工廠的應(yīng)用探索出智能工廠的新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)和新模式，推動(dòng)行業(yè)制造技術(shù)進(jìn)步，為5G在其他行業(yè)的垂直應(yīng)用提供典范，給社會(huì)經(jīng)濟(jì)與生活帶來(lái)革命性的影響。
（1）率先實(shí)現(xiàn)5G在工業(yè)離散行業(yè)的應(yīng)用
中國(guó)明確5G時(shí)代的引領(lǐng)戰(zhàn)略，從5G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)到國(guó)內(nèi)5G產(chǎn)業(yè)推動(dòng)，我國(guó)在政策引領(lǐng)、研究布局和試驗(yàn)驗(yàn)證方面均處領(lǐng)先地位，因此有必要率先開(kāi)展規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行5G典型的業(yè)務(wù)驗(yàn)證，提升我國(guó)5G在國(guó)際上的影響力。本項(xiàng)目以工業(yè)離散行業(yè)為應(yīng)用場(chǎng)景，迅速部署5G預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)，盡早開(kāi)展真實(shí)環(huán)境下5G規(guī)模組網(wǎng)驗(yàn)證，探索5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)及優(yōu)化理論方法，推動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)部署進(jìn)程以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟，完成典型業(yè)務(wù)場(chǎng)景的5G規(guī)模組網(wǎng)。
（2）部署MEC邊緣計(jì)算，提升網(wǎng)絡(luò)效率，支撐靈活行業(yè)應(yīng)用
MEC使得傳統(tǒng)無(wú)線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化和近距離部署的條件，從而提供了高帶寬、低時(shí)延的傳輸能力，同時(shí)業(yè)務(wù)面下沉形成本地化部署，可以有效降低對(duì)網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的要求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。
另一方面，MEC把無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)兩者有效融合在一起，并在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加計(jì)算、存儲(chǔ)、處理等功能，構(gòu)建了開(kāi)放式平臺(tái)以植入應(yīng)用，并通過(guò)無(wú)線API開(kāi)放無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的信息交互，對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)進(jìn)行融合，將傳統(tǒng)的無(wú)線基站升級(jí)為智能化基站。面向業(yè)務(wù)層面，移動(dòng)邊緣計(jì)算可向行業(yè)提供定制化、差異化服務(wù)，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)利用效率和增值價(jià)值。
工業(yè)大企業(yè)客戶對(duì)于通過(guò)運(yùn)營(yíng)商移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)這類(lèi)公網(wǎng)進(jìn)行車(chē)間制造、控制管理等通信具有一定程度顧慮，而利用MEC技術(shù)可以完美地解決這個(gè)問(wèn)題。在覆蓋企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)基站處部署MEC邊緣計(jì)算云，可實(shí)現(xiàn)將指定的內(nèi)網(wǎng)通信進(jìn)行旁路，直接終結(jié)在企業(yè)內(nèi)部，而不再上傳至運(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò)，既提升了網(wǎng)絡(luò)速度、降低了處理時(shí)延，也從物理網(wǎng)絡(luò)上確保了企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的信息安全。
（3）實(shí)現(xiàn)示范模式創(chuàng)新
將CPS系統(tǒng)引入機(jī)床設(shè)備制造，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)工藝與信息系統(tǒng)融合，體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉(zhuǎn)變，將5G技術(shù)引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，利5G具備更低的時(shí)延，更高的速率，更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點(diǎn)，在信息物理融合系統(tǒng)CPS的支持下，實(shí)現(xiàn)了離散制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無(wú)紙化、生產(chǎn)過(guò)程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人化等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，做到縱向、橫向和端到端的集成。
圖7 基于CPS的遠(yuǎn)程控制與故障檢測(cè)
2. 實(shí)施效果
AGV機(jī)器人改用網(wǎng)關(guān)加5G CPE的方式取代WiFi，大幅提升生產(chǎn)效率，降低運(yùn)維成本。
ZB415包裝機(jī)聯(lián)網(wǎng)改造及視頻監(jiān)控組網(wǎng)，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)提升遠(yuǎn)程故障定位可行性，有效提升了企業(yè)智能化，為企業(yè)降本增效。
上海煙草機(jī)械生產(chǎn)的煙機(jī)遠(yuǎn)銷(xiāo)全國(guó)各地，通過(guò)AR拆解設(shè)備賦能遠(yuǎn)程輔助維修，無(wú)需專(zhuān)家出差到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)，且大幅提升售后效率，降低售后成本。
通過(guò)UWB技術(shù)對(duì)倉(cāng)庫(kù)內(nèi)叉車(chē)及物料托盤(pán)進(jìn)行高精度定位，實(shí)現(xiàn)物流倉(cāng)儲(chǔ)的自動(dòng)化和智能化。
總體來(lái)說(shuō)，通過(guò)對(duì)設(shè)備的5G網(wǎng)絡(luò)改造，利用5G組網(wǎng)，打通了云端服務(wù)器與車(chē)間設(shè)備的實(shí)時(shí)通訊，云端服務(wù)器可通過(guò)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物料實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度。同時(shí)，利用移動(dòng)5G網(wǎng)絡(luò)抗干擾、低時(shí)延、大帶寬的優(yōu)勢(shì)，技術(shù)人員可對(duì)設(shè)備及生產(chǎn)線進(jìn)行指令實(shí)時(shí)下達(dá)和操控，完成對(duì)設(shè)備和生產(chǎn)線的精準(zhǔn)遠(yuǎn)程管控。同時(shí)，設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)中所有傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)5G傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，設(shè)備及機(jī)械臂的所有動(dòng)作實(shí)時(shí)的在數(shù)字模型中呈現(xiàn)，以5G的高帶寬低時(shí)延特性，助力CPS系統(tǒng)的打造。
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