5G+MEC專網智能制造工廠
發布時間：2021-02-04 17:37:10
5G網絡憑借大帶寬、低時延、廣連接的特性架構為當代工廠生產進一步提升自動化程度及效率。傳統制造業隨其自身業務發展規劃需要引入新技術增長引擎來進一步提高其生產效率。結合當前中國電信5G通信為基礎，結合華為技術支持、吉利全套自動化產線，利用5G、邊緣/云計算專網技術深度探索5G專網與汽車整車制造領域深度融合解決方案，實現智慧工廠改造，并實施廣泛推廣可行性。
內容目錄：
0 引 言
1 汽車工業生產通信分析
1.1 制造車間有線通信連接
1.2 跨廠區車間信息通信
2 5G+MEC汽車制造專網覆蓋
2.1 5G MEC專網組網架構
2.2.2 專網與公網之間RAN共享
2.2.3 公網與專網端到端共享
2.2.4 企業數據本地化，語音業務共享
2.3 5G MEC專網融合汽車制造通信
2.3.1 制造車間5G MEC專網搭建
2.3.2 跨廠區通信辦公專網
3 結 語
當前5G全國三大運營商站點部署已達40萬座，TOC應用場景已經比較成熟，TOB企業應用場景當前受制于智慧改造進展緩慢、5G生產效益顯現周期長、企業對5G業務感知力差等因素，導致當前5G在工業制造方面進展緩慢。汽車制造工業是全國乃至全球為數不多的市場存量超過萬億級別的分類市場，而工業信息化生產是汽車制造業不斷降低成本，提升生產效率比的關鍵舉措。傳統固網專線憑借其穩定可靠的模式受到各種制造業追捧，但隨著制造業信息化改造進步以及各個生產設備接入內網需求量增加，傳統拉網線式布局已經很難滿足設備接入需求的靈活增長。因此，汽車制造領域極度需要能夠滿足大數據傳輸、穩定可靠、海量接入、生產數據可控的網絡信息化方式。5G憑借其獨有的eMBB（Enhanced Mobile Broadband增強移動寬帶）、mMTC（Massive Machine-Type Communications海量機器類通信）和uRLLC（ultra-Reliable Low-Latency Communication超可靠低時延通信）功能特性直接塑造其在汽車制造行業的適用性，隨著5G專網技術的引入，進一步提升整個環節的生產效率。同時借鑒其成功案例經驗，可在多個領域復制推廣，進一步加快5G專網在垂直行業實際應用進展。
1、汽車工業生產通信分析
汽車生產制造對通信有著極其嚴格的要求，不僅需要信息內部流動，多端口接入，穩定可靠，還要承接大容量傳輸帶來極其復雜的架構，傳統生產通信為專網固線、無線AP、運營商通信集合，維護和使用都存在短板，極大限制了產能效益進一步增長。
1.1 制造車間有線通信連接
以一座標準化汽車制造工廠為例，專線BOSCH群控系統，4個群控HMI（2備），每個HMI管理13臺焊槍。調試焊槍時HMI需要移動，當前所有焊槍調試全部為有線接入，且每次只能同時調測3臺設備，每次需要耗時10分鐘，整個HMI調測完畢需要接近1個小時，靈活性表現很差，使用成本遲遲無法降低。為實現KUKA\ABB機器人數據實時采集預測性維護，需要實時采集每個機器人每日生產日志及時回傳分析，進行生產預判，避免長時間生產帶來的工分誤差。以完整的脈動式生產線為例，整個試制車間370臺機器人需要加入聯網，聯網密度很高，專網布線對機器人移動帶來不必要困境。
同時改善后裝系統布線困難，當前大型AGV移動化控制焊接車間大型搬運AGV無法使用有線傳輸，傳統無線網接入有時延卡頓和數據丟失風險，無法進一步避免其特殊使用環境。傳統廠房焊接車間有較強的電火花干擾，MOXA 工業WiFi不穩定，無法進行有效穩定傳輸。為實現機器人夾具快速切換，夾具上各IO控制器機器人Master PLC為有線接入，在換裝不同IO控制器時各個網絡需要重新配置和連接。
傳統制造臺車運行到各個工位時，臺車上各IO控制器與機器人Master PLC，如需實現快速插拔端子，必須實現通信無線化來減少斷針概率和降低成本。例如一個普通車型約22個快插端子，實際現場生產線約22*7=154個，實現無線通信入網之后可以減少30%左右的斷針幾率以及28%左右的維護采購成本。
1.2 跨廠區車間信息通信
由于制造與裝配產線分離，車輛軟件刷寫車輛裝配完成后，需進行車輛軟件刷寫，而車輛軟件刷寫環節嚴重影響生產節拍，且售后軟件升級困難，當前生產手段只能駐場刷寫且效率低于10輛/h。裝配車輛采用PTL物流系統需實時連接10臺搬運AGV，300個PTL工裝，AGV上位機系統目前主流采用WiFi實現AGV調度和控制，PTL實時反饋工裝數量、位置等狀態信息到WMS系統物流，減少人員實時反饋物流料信息提升生產效率。
由于WiFi移動場景下是瓶頸，終端AGV進入物流倉庫與堆垛機信息交互，堆垛機上RFID讀寫器數據回傳速度低下，堆垛機控制器在WiFi信號覆蓋弱區域難以實時控制導致數據無法實時回傳。EMS空中輸送系統主要與地面MasterPLC控制器實現信息交互，WiFi有限帶寬控制有軌22臺輸送小車能力不足，導致大量信息無法及時回傳，故障后需要人員登高作業故障，維護周期長，效果不佳。
2、5G+MEC汽車制造專網覆蓋
5G MEC融合專網應用于汽車制造方面的突出特點是在沒有采用融合網絡之前，每個應用的現狀都是獨立的網絡系統，通過融合專網，在“一張網”下把所有的應用連接管理起來。憑借運營商在現有網絡基礎上部署5G網絡資源向制造廠區提供融合定制化網絡服務，融合專網憑借其獨特廣接入、大帶寬、低時延、定制化數據運維方案等特性替代現有有線無線網絡，規避原有網絡在工業生產現場環節存在的種種弊端。
2.1 5G MEC專網組網架構
圖1 5G MEC專網架構示意圖
如圖1所示5G+MEC網絡拓撲圖如下：
（1）UDM（Unified Data Management統一數據管理），管理用戶數據，包括用戶標識、用戶簽約數據、鑒權數據等。
（2）5GC CP（5G Core Network Control point
5G核心網控制面），5G核心網控制面包括AMF、SMF等多種功能，本文簡化統稱為控制面，其主要負責處理連接管理、會話管理、移動性管理，承載信令或控制消息。
（3）UPF（User Plane Function用戶面功能），指5G核心網的用戶面，承載數據流量，負責在無線接入網和Internet之間轉發流量、報告流量使用情況、QoS策略實施等。
（4）MEC（Mobile Edge Computing多接入邊緣計算），5G核心網用戶面UPF下沉與MEC可組成邊緣節點，將千里之外的云計算能力下沉到靠近數據源的邊緣，讓數據在本地就能實現存儲和處理，從而可降低網絡時延，更好地保護本地數據的安全性和隱私性，使能各種5G專網應用。
（5）gNB（5G基站）實現5G用戶的接入和用戶數據的空口傳輸。包含基帶單元BBU、射頻單元AAU（或pRRU）。BBU主要作用是集中管理整個基站系統，包括操作維護、信令處理，并完成上、下行用戶數據基帶處理功能，提供基站與傳輸網絡的接口，完成信息的交互。
（6）5G終端，5G終端采用CPE設備（前期試驗局）、5G AR路由器或者5G模組，實現5G網絡的接入。應用終端包括5G攝像頭、5G工業相機、AGV物流車、PTL控制等通過和5G模組實現應用終端通過5G網絡和應用服務器的連接。
2.2 5G MEC專網模式
2.2.1 企業基于專網頻段獨立自建與公網完全隔離
圖2 5G 獨立專網架構
如圖2所示，企業5G專網規模雖然小于5G運營商公網，但是依然保持由UDM、5GC CP、UPF、MEC和gNB組成架構。如圖2所示，5G專網部署方式是垂直行業基于5G專網頻段，自建一張包括UDM、5GC CP、UPF、MEC和gNB的5G移動專網，并與5G公網完全隔離。能夠部署企業級5G 專網的前提是垂直行業分配專門的5G頻段，且不受公網頻段干擾限制，例如當前德國分配的3.7-3.8GHz頻段，英國分配的3.8-4.2GHz頻段、日本分配的2575-2595MHz、28.2-28.3GHz、4.6-4.8GHz和28.3-29.1GHz頻段5G行業專網頻段。
這種部署方式具備可保障企業數據的絕對安全、超低網絡時延、網絡自主可控等優點，因為網絡完全與公網隔離且核心網部署本地化構成一套獨立的物理專網。當然此類部署模式缺點也很突出，主要是部署、后期運維成本方面過于高昂，使一般企業無法獨立承受。
如圖2所示，專網頻率資源不足情況下，企業依舊獨立建設一套小型網絡架構模式，且建設基站采取和公網一樣的頻段，即共享頻段方式。如何實現公專分離，數據不受公網影響，當前比較成熟的方式包括使用不同PLMN隔離、定制專網卡、特殊TAC、固定IP等方式實現。此類部署方式基于大網控制面,企業獨享基站，獨占UPF/UEG+提供高可靠局域專網，滿足嚴格資源隔離，局域網絡不依賴大網運行等定制化專網需求。此類場景是用戶對數據安全性的要求較高，需要滿足各類生產數據不出園區，保證目標終端只在園區內移動和使用，不能接入大網以及外網接入特性。
2.2.2 專網與公網之間RAN共享
圖3 5G 部分共享RAN專網架構
如圖3所示，企業專網依然部署UDM、5GC CP、UPF和MEC，但5G基站（gNB）與公網共享。在這種部署方式下，無線數據流量在5G基站上實現分流，屬于公網的數據流量將傳送到公網UPF，而屬于專網的數據流量則傳送到專網UPF。而此類專網基站側數據分流方式主要采用不同PLMN( Public Land Mobile Network)碼接入、獨立載波方式接入等方式實現。這種部署方式的優點與第一種和第二種有相同之處，都能保證企業數據的絕對安全和網絡低時延。不同的是，由于共享RAN（無線側基站），企業可節省一些部署成本和維護成本。
如圖3所示，不僅5G基站（gNB）與公網共享，而且控制面也與5G公網實現共享。而所謂控制面共享，就是專網和公網的控制面功能（目標用戶身份驗證、移動性管理等）均由公網中的5GC CP和UDM執行，即需要實現DU（Distributed Unit控制業務）和CU（Centralized Unit數據業務）分離。在這種部署方式下，企業專網的gNB和UPF分別由N2和N4接口連接5G公網的5GC CP，企業專網里設備的用戶信息也存儲在運營商的5G公網里，而不是存儲在企業內部。當前主要考慮部署運維成本，在數據安全性和隱私保護方面需要犧牲一部分。但由于MEC和UPF仍然部署于企業內部，故仍然可以保障網絡低時延。
2.2.3 公網與專網端到端共享
圖4 5G 全共享專網架構
如圖4所示，企業專網架構從UDM、5GC CP、UPF、MEC到5G基站，包括控制面和用戶面，5G專網與公網端到端共享。實現企業專網方式實際采用端到端網絡切片的一種虛擬專網方案，即需要E2E(End To End)切片在無線/承載/核心網側可基于企業需求靈活配置軟隔離和硬隔離。
在這種部署方式下，用戶信息和數據流量的安全性取決于網絡切片能力。而低時延保障取決于運營商的邊緣云（UPF和MEC）的部署位置。如果運營商的邊緣云的位置離企業很近，那么網絡時延也就很低，反之時延相對會提高，同時大流量業務亦會受到相應影響。此類部署方式優勢在于部署和運維成本低廉，且小型企業對業務數據安全性需要不高，但是對網絡質量，運維服務要求較高的企業比較有針對性。
2.2.4 企業數據本地化，語音業務共享
圖5 5G 語數分離專網架構
如圖5所示，專網中的新設備MEC DP，即MEC的數據面，負責在無線接入網及核心網之間提供數據轉發通路，實現數據流量的本地卸載。為實現數據分流，企業需要規劃獨立的TA（Tracking Area）區，且目標用戶簽約至公網DNN(Data Network Name)包含IMS和CTNET，根據目的IP+端口進行分流，其中IMSDNN不啟用ULCL，直接接入電信UPF，MEC DP具備對N3 GTP數據流的解析處理能力，對來自基站的GTP分組數據包的目標IP地址進行解析，如果IP數據包是本地流量，則將其路由到內部專網。因此，通過MEC DP，可以將公網流量和專網流量分開，從而保障專網數據的安全。此種專網部署方式未在企業專網中部署UPF，導致部署和運維成本得到一定下降，但是企業數據業務安全性依舊可以得到保障，語音辦公業務采用公網。
如圖5-7所示，無線側5G基站劃分為CU、DU和RU三部分。CU中央單元處理RRC、PDCP等高層協議，負責非實時的配置和控制決策。DU分布式單元處理對實時性較高的層2功能和部分物理層功能。RU天線單元指部分物理層和RF、天線部分。
其中，CU可采用云化部署方式，可以與核心網UPF和MEC融合部署。DU/RU通過F1接口連接CU。其中數據分流方案采用ULCL分離方式，業務流程為：在園區基站覆蓋區劃分獨立TA區，終端在進入園區獨立TA后指定本地ULCLUPF。對比可知，F1 LBO分流與N3 LBO分流的差別在于，5G基站采用了CU與DU、RU(Rack Unit)分離的架構，其中CU與UPF和MEC部署于運營商的邊緣云中，而DU/RU部署于企業內部，這樣一來，專網流量不再是通過N3接口而是通過F1接口至邊緣云，數據安全性可以進一步提高，同時整體運維成本得到相應控制。
2.3 5G MEC專網融合汽車制造通信
2.3.1 制造車間5G MEC專網搭建
在傳統汽車量產制造環節中，如零件制造、裝配、涂裝、加工等具有工種、工藝、物料多種多樣及規模大的特性，人工生產已經難以滿足要求，引入自動化、信息化制造及全過程監控技術是非常必要的。一方面，汽車生產車間面積巨大，一般可達到10000 平方米的范圍，若采用AGV 小車協助生產，有線技術無法滿足大面積車間內的行走覆蓋需求且線纜錯綜復雜，難以進行梳理和維護。另一方面，無線工業WiFi接入雖易于部署，免于部署物理線纜節省線路布設及維護的投入，然而在實際生產過程中，WiFi由于其自身通信協議缺點導致其移動性、安全性、可靠性存在天然缺陷。因此，為追求網絡安全、可靠、高效，引入蜂窩通信專網技術，通過數據下沉、一網多用、互通互聯方式加快無線通信向實用性方向發展。
圖6 5G數據信息采集專用網絡
以吉利汽車廠區為例，如圖6所示，當前生產情況進行專網部署強調數據高安全性，數據不出廠區，所有數據終端能夠滿足廠區內無線移動，普通5G用戶無法訪問專網，形成單獨數據采集網絡,專網需求規劃獨立TA區，規劃獨立廠區MEC DNN，數據采集網采用獨立UPF切片。通過采用專網與公網之間部分RAN共享方式，實現用戶生產數據與控制信令分流方案，即UPF主錨點下沉，在廠區內部署MEC，廠區用戶附著激活后由SMF根據獨立DNN選擇廠區MEC為UPF主錨點，對邊緣業務進行廠區本地流量卸載。
同時為實現群控采用固定IP和動態IP相結合的IP地址分配方式。固定IP用戶IP地址由UDM分配，動態IP地址用戶IP地址由UPF分配，能夠滿足AGV小車群控、焊裝機器人調控動態IP分配，生產線數據采集、夾具聯動、代碼刷寫等固定IP分配功能，實現生產車間所有聯動組網，一套網絡整合降低運維成本，提高各個應用場景的部署靈活性。
2.3.2 跨廠區通信辦公專網
圖7 5G跨廠區通信專用網絡
如圖7所示，為達到一張網絡覆蓋整個園區，包含數據通信、日常辦公、設備生產控制需要一個終端同時支持本地辦公，語音、短信和5G數據業務，且保證本地辦公業務、生產數據業務不出園區。按照需求規劃獨立TA區，用戶簽約至公網DNN（IMS和CTNET），其中CTNET啟用ULCL功能，采用ULCL分流方案。在廠區基站覆蓋區劃分和運營商大網獨立的TA區，廠區辦公人員進入園區后接入指定本地機房部署的ULCL UPF，同時根據目的IP+端口進行分流。
而當前所有跨廠房或者園區的移動數據通信包括PTL物料小車、智能AGV控制、C2C控制、焊裝群控IPC無線化、機器視覺等工業應用通過本地UPF數據下沉至廠區生產監控平臺、廠區生產操控平臺，完成共用一張網絡對廠區內通信問題方案解決。通過實際測試結果分析來看，相較于無線WiFi通信方案，5G專網擁有無可比擬的優勢。
表1 PTL\AGV\焊裝對通信大并發和高可靠性的需求對比
3、結 語
工業互聯網是第四次工業革命的關鍵支撐，5G是新一代信息通信技術演進升級的重要方向，二者都是實現經濟社會數字化轉型的重要驅動力量。5G與工業互聯網的融合創新發展，將推動制造業從單點、局部的信息技術應用向數字化、網絡化和智能化轉變，也為5G開辟更為廣闊的市場空間，從而有力支撐制造強國、網絡強國建設。當前，我國產業界推進5G與工業互聯網融合創新的積極性不斷提升，“5G+工業互聯網”內網建設改造覆蓋的行業領域日趨廣泛，應用范圍向生產制造核心環節持續延伸，疊加倍增效應和巨大應用潛力不斷釋放。通過課題技術疊加創興推廣，不但能促進汽車制造行業降本增效，還能為各行各業賦能，最終帶動整個經濟提速。
來源：信息安全與通信保密雜志社
