肖 羽,王 帥(.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團(tuán)有限公司,北京 0003;.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司,河南鄭州 450007)
中國的工業(yè)規(guī)模位居世界前列,門類齊全、體系完整,在支撐中國經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。但中國仍處于工業(yè)化進(jìn)程中,制造業(yè)與先進(jìn)國家相比還有較大差距,特別是在企業(yè)的信息化、智能化方面仍處于起步階段,整體發(fā)展水平不高,制約了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展。
傳統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)制造、組網(wǎng)和企業(yè)信息化等方面存在諸多問題,各工業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)無法互通,形成“信息孤島”,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
a)企業(yè)多采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線進(jìn)行組網(wǎng),傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)傳輸采用盡力而為的機(jī)制,存在丟包、時延、抖動等問題,無法滿足對時延敏感性應(yīng)用的需求。
b)工業(yè)現(xiàn)場總線傳輸速率較低、協(xié)議繁多,各廠家之間不能互通,影響企業(yè)對終端數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、管理和建模。
c)部分工廠采用Wi-Fi、ZigBee 等無線接入技術(shù),但存在速率、穩(wěn)定性、時延、連續(xù)性、安全隱患等問題。
d)隨著工業(yè)企業(yè)信息化、智能化的發(fā)展,柔性生產(chǎn)、工業(yè)機(jī)器人、AGV、遠(yuǎn)程操控等應(yīng)用的越來越廣泛,對移動終端的接入需求也越來越多。
e)工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)有安全私密性要求,希望業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。
f)OT 與IT 域既有隔離又有互通需求,安全性無法全面保障。
隨著5G 在中國規(guī)模商用的推進(jìn)、5G 新基建的提出,5G 已經(jīng)成為了中國數(shù)字經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施之一。5G 的大帶寬、低時延、海量連接的特性可以滿足工業(yè)場景下高速率數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性、業(yè)務(wù)連續(xù)性等需求。5G 對工業(yè)的賦能正推動著工業(yè)企業(yè)由“制造”向“智造”發(fā)展,為工業(yè)企業(yè)的提質(zhì)升級、高水平發(fā)展注入了強(qiáng)大動力。
新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)的融合逐漸從理念普及走向應(yīng)用推廣,制造業(yè)智能化、柔性化、服務(wù)化、高端化轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯,對高性能、具有靈活組網(wǎng)能力的無線網(wǎng)絡(luò)需求日益迫切。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中,網(wǎng)絡(luò)、平臺和安全是3 個關(guān)鍵要素,其中網(wǎng)絡(luò)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ),平臺是體系的核心,安全是重要保障,而邊緣計算MEC 既是5G 網(wǎng)絡(luò)的錨點,又是工業(yè)邊緣應(yīng)用的承載者,在整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中起到不可替代的重要作用。
邊緣計算MEC 的出現(xiàn),成為了助力5G 網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和差異化創(chuàng)新應(yīng)用服務(wù)的強(qiáng)力助推技術(shù),MEC平臺是網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)融合的橋梁,是應(yīng)對5G 大帶寬、低時延、本地化垂直行業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵。制造型企業(yè)更容易成為邊緣計算技術(shù)發(fā)展的受益者。在工廠內(nèi)部,很多生產(chǎn)任務(wù)都需要利用IT 系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進(jìn)行全程監(jiān)測,以便及時發(fā)現(xiàn)問題,降低次品率,在規(guī)定時間內(nèi)完成產(chǎn)品交付。引入邊緣計算后,工廠可以通過在流水線中部署的邊緣設(shè)備收集和分析數(shù)據(jù),實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全程監(jiān)測,大幅度縮短時延,促進(jìn)工廠提質(zhì)增效。
在中國排名前十的邊緣計算應(yīng)用場景中,兩項來自制造領(lǐng)域,即現(xiàn)場工業(yè)機(jī)器人和柔性制造。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算可以應(yīng)用在多個場景,而不同的場景對計算能力需求不同,包括流式數(shù)據(jù)分析,數(shù)據(jù)挖掘,智能計算和實時控制等。MEC 和5G 的融合為工業(yè)智能化改造提供了充分的想象空間,MEC 可以實現(xiàn)對工業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的本地分流卸載、對業(yè)務(wù)的近端處理,在滿足企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)的安全隱私性需求的同時,也進(jìn)一步降低了業(yè)務(wù)時延,提升了諸如遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程協(xié)作等業(yè)務(wù)的體驗。MEC 結(jié)合工業(yè)PaaS 能力或SaaS 應(yīng)用可以打造面向工業(yè)領(lǐng)域的工業(yè)邊緣云平臺,通過工業(yè)邊緣云平臺的部署可快速為工業(yè)企業(yè)提供更多工業(yè)邊緣應(yīng)用,同時平臺通用工業(yè)能力的共享可以降低企業(yè)的信息化改造成本,加速中國工業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)中,邊緣計算主要關(guān)注邊緣設(shè)備、邊緣智能、能力開放等領(lǐng)域,通過和其他技術(shù)如標(biāo)識解析、平臺與數(shù)據(jù)、工業(yè)APP 等的協(xié)作,共同為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展提供助力。
基于5G 的智慧工廠信息化基礎(chǔ)設(shè)施一般包括OT域、IT 域、CT 域。而CT 域作為連接IT 域和OT 域的紐帶和橋梁,為工廠的智能化運轉(zhuǎn),提供網(wǎng)絡(luò)承載和業(yè)務(wù)質(zhì)量保障,因此CT域的網(wǎng)絡(luò)性能直接決定了工廠智能化水平的高低。
OT域設(shè)備通常包括:現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線等通信方式,通過PLC、RTU、DCS、工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)等設(shè)備采集、控制、監(jiān)測生產(chǎn)過程。
IT 域設(shè)備通常包括:MES 系統(tǒng)、CRM 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)、OA 系統(tǒng)、WMS 系統(tǒng)、遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)等。
CT 域設(shè)備通常包括:移動通信核心網(wǎng)(如5GC)、邊緣計算MEC(含UPF 或分流模塊)、基站、工業(yè)CPE等。
工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)一般由工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)組成,需要探索5G、IPv6、TSN、工業(yè)PON、工業(yè)SDN、NB-IoT、邊緣計算、無線專網(wǎng)等新技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用的成熟模式,推動工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的IT 化、扁平化、柔性化,打通信息孤島,促進(jìn)企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的工業(yè)內(nèi)網(wǎng)一般由工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、工業(yè)Wi-Fi、Zig-Bee、普通以太網(wǎng)等組成,傳統(tǒng)的工業(yè)外網(wǎng)一般由專線、互聯(lián)網(wǎng)等組成。而隨著5G、SDN、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、AI 等新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用越來越多,工業(yè)企業(yè)應(yīng)用的組網(wǎng)技術(shù)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了重大變化。
在工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方面,通過5G宏站和室內(nèi)分布基站對工業(yè)園區(qū)和工廠車間內(nèi)部進(jìn)行無線信號覆蓋,逐步替代Wi-Fi、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線滿足工業(yè)終端的接入。傳統(tǒng)的工業(yè)終端不具備5G通信能力,終端改造成本也比較高,可以通過工業(yè)CPE 和工業(yè)融合網(wǎng)關(guān)接入5G網(wǎng)絡(luò)。對于工廠內(nèi)有移動性訴求的終端,如AGV、天車、叉車等設(shè)備可以優(yōu)先考慮采用5G 進(jìn)行接入,其他基本固定不動的設(shè)備可以后期進(jìn)行5G接入改造。
在工業(yè)企業(yè)外網(wǎng)組網(wǎng)方面,傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)無法滿足工業(yè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和安全性,而傳統(tǒng)的專線受制于網(wǎng)絡(luò)技術(shù)因素,開通周期較長、價格昂貴、帶寬相對固定,無法滿足工業(yè)智能化過程中業(yè)務(wù)靈活部署和調(diào)度、多云之間協(xié)同、多廠區(qū)間互聯(lián)互通、各地辦事機(jī)構(gòu)隨時便捷接入等需求。SDN和軟件定義廣域網(wǎng)(SD-WAN)技術(shù)實現(xiàn)了承載網(wǎng)絡(luò)的集中控制和統(tǒng)一調(diào)度,可以為工業(yè)企業(yè)快速開通帶寬靈活、個性化、低成本的外部業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)領(lǐng)域的云邊協(xié)同方面,為了對現(xiàn)場多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)歸一化處理,同時兼顧計算和網(wǎng)絡(luò)資源以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行缘龋枰纬稍贫撕瓦吘売嬎阗Y源的合理和優(yōu)化配置。工業(yè)企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。
MEC工業(yè)邊緣云平臺可以采用軟硬件解耦的3層云計算架構(gòu),底層為IaaS 層,由服務(wù)器、交換機(jī)、防火墻、FPGA 卡、GPU 卡等硬件資源和虛擬化層組成;中間是工業(yè)PaaS 層,由數(shù)據(jù)清洗、工業(yè)協(xié)議解析庫、時序數(shù)據(jù)庫等工業(yè)原子能力組成;上層是工業(yè)SaaS 層,由機(jī)器視覺、AR 遠(yuǎn)程協(xié)助、預(yù)測性維護(hù)、WMS 智慧倉儲系統(tǒng)等各種工業(yè)應(yīng)用組成。
隨著5G技術(shù)的進(jìn)一步推動,多元化的應(yīng)用將促進(jìn)邊緣計算的快速迭代升級,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心會越來越向邊緣側(cè)延伸,邊緣側(cè)承擔(dān)的計算任務(wù)也將持續(xù)增加,同時與通用服務(wù)器相比,邊緣計算服務(wù)器可面向5G和邊緣計算特定場景進(jìn)行個性化、差異化定制,能耗更低、溫度適應(yīng)性更寬、運營維護(hù)管理更方便。工業(yè)邊緣計算平臺可以在通用的邊緣計算平臺基礎(chǔ)上進(jìn)行功能增強(qiáng),以更加適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理的需要。對于硬件設(shè)備,可以采用一體化機(jī)柜,使之具備更好的散熱、防塵、抗震、防電磁等功能,而服務(wù)器和交換機(jī)等設(shè)備可以采用寬溫、電源冗余配置等手段增強(qiáng)設(shè)備的工業(yè)環(huán)境適應(yīng)能力。對于軟件系統(tǒng),除需要具備通用的平臺能力外,還需要根據(jù)工業(yè)行業(yè)的特點進(jìn)行針對性的能力部署和應(yīng)用開發(fā),如工業(yè)協(xié)議解析能力、預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)等。
從3GPP 和ETSI 對邊緣計算的架構(gòu)設(shè)計看,邊緣計算平臺是一個IT 和CT 融合的平臺,應(yīng)當(dāng)具備編解碼、渲染、AI推理、機(jī)器視覺、圖像識別等IT 能力,同時也應(yīng)具備分流能力、分流策略制定下發(fā)能力、RNIS(可以提供小區(qū)ID、用戶位置、小區(qū)負(fù)載和吞吐量等信息)、QoS、LBS 等CT 能力。MEC 的計算能力和存儲能力可為以下5個方面提供服務(wù):業(yè)務(wù)的匯聚及分發(fā)、設(shè)備消息的分析、基于上述分析結(jié)果的決策邏輯、數(shù)據(jù)庫登錄、對于終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制和接入控制。因此基于MEC 平臺還可以為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的接入、全連接工廠的打造提供基礎(chǔ)能力。
圖1 工業(yè)企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)
平臺應(yīng)采用開放式架構(gòu),通過標(biāo)準(zhǔn)的API 網(wǎng)關(guān)對外開放平臺的各種能力。平臺的IT 增值服務(wù)和CT 增值服務(wù)可以通過平臺的API 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)注冊、上線、鑒權(quán)、發(fā)布、流控、下線和計量等生命周期管理。平臺能力的對外開放將大大降低工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)難度、開發(fā)成本、應(yīng)用的上線周期,增強(qiáng)了應(yīng)用間的協(xié)同性,推動了工業(yè)應(yīng)用開發(fā)生態(tài)的建立。
在該系統(tǒng)架構(gòu)中,機(jī)器人、PLC、天車等工業(yè)終端通過5G 模組或CPE 等接入至5G 基站,邊緣計算平臺的分流模塊(DP 分流或UPF 分流)在提前配置好的分流規(guī)則控制下把工業(yè)企業(yè)相關(guān)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)本地分流至平臺對應(yīng)的模塊(如數(shù)據(jù)清洗模塊)或系統(tǒng)(如遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)),平臺模塊或系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后上傳至數(shù)據(jù)中心或生成對終端的控制指令下發(fā)至終端,從而實現(xiàn)云邊協(xié)同(中心云和邊緣云)和對業(yè)務(wù)的近端實時處理。在5G SA 組網(wǎng)架構(gòu)下,MEC 支持的分流方式主要包括ULCL、LADN、IPv6 Multi-homing,其中IPv6 Multi-homing 方式需要終端支持,目前還不具備商用條件,在工業(yè)組網(wǎng)中主要采用ULCL和LADN的分流方式。
5G+MEC 和工業(yè)融合催生了諸多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應(yīng)用場景,如預(yù)測性維護(hù)、AR 遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程駕駛、遠(yuǎn)程控制、機(jī)器視覺質(zhì)檢等。上述典型應(yīng)用場景對大帶寬、低時延、高可靠性和數(shù)據(jù)的安全隱私性有較高的要求。下面選取幾個工業(yè)領(lǐng)域常用的且對5G+MEC有較高依賴性的典型場景進(jìn)行描述。
機(jī)器視覺:通過4K、8K 等高清攝像頭、工業(yè)相機(jī)采集生產(chǎn)線上產(chǎn)品的圖像信息,通過5G的高上行帶寬進(jìn)行圖像信息的傳送,結(jié)合MEC 平臺保障業(yè)務(wù)路徑最短。MEC 平臺部署的機(jī)器視覺AI 算法對圖像進(jìn)行處理、分析和理解,以識別各種場景下的目標(biāo)和對象,實時檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量,包括外觀缺陷檢測、尺寸檢測、圖案檢測等,以達(dá)到對產(chǎn)品質(zhì)量檢測的高精度、實時性、高效率的目的,可以最大程度替代人工質(zhì)檢,降低企業(yè)成本,提升質(zhì)檢的效率和效果。
AR 遠(yuǎn)程協(xié)助:基于AR 技術(shù)可以進(jìn)行AR 遠(yuǎn)程協(xié)助、遠(yuǎn)程維修、遠(yuǎn)程指導(dǎo)等,以支持員工學(xué)習(xí)、培訓(xùn)、交流,提供操作示范、導(dǎo)引,提醒生產(chǎn)過程注意事項及操作細(xì)節(jié);將工人看到的場景直接傳遞給工藝人員,工藝人員通過視頻、語音、標(biāo)記等交互手段對工人進(jìn)行直觀指導(dǎo)。MEC 平臺通過提供轉(zhuǎn)碼、渲染、三維重建、物體識別、AR 內(nèi)容管理等能力為AR 遠(yuǎn)程協(xié)助提供業(yè)務(wù)的近端實時處理和低時延保障。
遠(yuǎn)程駕駛:越來越多的工業(yè)場景會用到遠(yuǎn)程駕駛,如鋼鐵廠的天車遠(yuǎn)程駕駛、地下礦井的采掘車遠(yuǎn)程駕駛等。通常企業(yè)在中央控制室設(shè)置遠(yuǎn)程駕駛裝備(監(jiān)控屏和控制設(shè)備),通過遠(yuǎn)程駕駛裝備遠(yuǎn)程操控前端設(shè)備。該場景需要精準(zhǔn)控制生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備,對業(yè)務(wù)時延有較高要求(通常小于20 ms),通過5G 接入和MEC 的本地分流可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程駕駛的業(yè)務(wù)保障。
XX工廠為我國著名的汽車生產(chǎn)廠商,總裝生產(chǎn)車間電機(jī)數(shù)量眾多,電機(jī)作為生產(chǎn)線的動力心臟,如果出現(xiàn)故障將直接影響到生產(chǎn)線正常的生產(chǎn)運行,為企業(yè)帶來不可估量的損失。目前對電機(jī)采用人工點檢或維修點檢的方式,無法實時了解設(shè)備的運行情況以及掌握設(shè)備運行的歷史數(shù)據(jù)。因此,需要通過在電機(jī)上安裝傳感器來實時采集電機(jī)的運行數(shù)據(jù),并通過5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行回傳。
基于5G+MEC 為該工廠構(gòu)建一張5G虛擬專網(wǎng),并在MEC 平臺上部署一套預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng),以實現(xiàn)如下功能。
a)通過邊緣計算平臺對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,處理后的數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)中心云,以防止無效數(shù)據(jù)過大。
b)工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)涉及企業(yè)的商業(yè)機(jī)密,數(shù)據(jù)流量通過MEC 進(jìn)行本地卸載,保障企業(yè)數(shù)據(jù)的安全私密性。
c)部分?jǐn)?shù)據(jù)需要進(jìn)行實時采集、判斷,通過MEC的近端處理可以降低數(shù)據(jù)采集和判斷的時延。
“5G+MEC+預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng)”的部署模式實現(xiàn)了IT(預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng))、CT(5G 和MEC)和OT(電機(jī)數(shù)據(jù)采集)的充分融合。前端傳感器采集電機(jī)運行數(shù)據(jù),通過CPE 接入至5G 基站,再送至MEC 平臺的預(yù)測性維護(hù)系統(tǒng),實現(xiàn)對車間生產(chǎn)設(shè)備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和可視化,基于采集的歷史數(shù)據(jù)對AI 算法進(jìn)行訓(xùn)練,根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)對設(shè)備故障進(jìn)行預(yù)測、智能排定檢修計劃、對故障進(jìn)行精準(zhǔn)定位、制定備品備件計劃等,避免重大故障帶來的安全風(fēng)險。
對云VR、AR 遠(yuǎn)程維修、AGV 等業(yè)務(wù)在固網(wǎng)到公有云、5G到公有云、4G到公有云、5G+MEC等不同的組網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行對比測試,取多組數(shù)據(jù)的平均值。
云VR 測試結(jié)果如表1所示。AR 遠(yuǎn)程維修測試結(jié)果如表2所示。AGV測試結(jié)果如表3所示。
表1 云VR測試結(jié)果
表2 AR遠(yuǎn)程維修測試結(jié)果
表3 AGV測試結(jié)果
從上述業(yè)務(wù)的測試結(jié)果可知,5G+MEC 在業(yè)務(wù)帶寬、時延等方面和其他網(wǎng)絡(luò)組合方式相比具有無可比擬的優(yōu)勢,因此在工業(yè)企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)化進(jìn)程中,5G+MEC 將為企業(yè)提供巨大的助力,協(xié)助工業(yè)企業(yè)各種智能化場景的業(yè)務(wù)體驗保障。
目前,在工業(yè)領(lǐng)域一些特定的場景無法做到質(zhì)量的保證,這就需要在IP 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上應(yīng)用一些“確定性”的技術(shù),在時延、抖動、帶寬等方面滿足特定場景的需要。因此未來5G+MEC 需要結(jié)合TSN、DetNet 等技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)提供更高質(zhì)量、確定性更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)。
可以預(yù)見,在未來“5G+MEC+行業(yè)智能化應(yīng)用”的新技術(shù)、新網(wǎng)絡(luò)模式將在千行百業(yè)落地生根,融入到行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展過程中,為企業(yè)帶來真正價值的提升。而隨著5G+邊緣計算與5G LAN、5G+TSN 等新技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的融合應(yīng)用,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化、智能化也必將繼續(xù)朝著縱深方向發(fā)展,推動中國實體經(jīng)濟(jì)的高質(zhì)量、高水平發(fā)展。