基于5G+區塊鏈技術+邊緣計算的低時延解決方案
發布時間：2021-03-12 17:03:43
隨著5G和工業互聯網的快速發展，超高清視頻、AR/VR、機器視覺、遠程控制、無人機、云化AGV、云端機器人等技術在智能制造領域不斷快速落地應用，龐大的業務量對終端的算力和時延提出了更高的要求。但因智能制造場景復雜,傳統的云計算技術已經無法滿足終端側“大連接，低時延，大帶寬”的需求，如果用常規模式構建物聯網，隨著設備的迅速增加，網絡邊緣側所產生的數據量級將非常巨大。這些數據如果都交由云端的管理平臺來處理，將會造成①現實網絡流量壓力巨大、②設備運行時延性拉長、③實施協同工作難以保證、④特殊信息的數據安全風險大增。而邊緣計算恰好可以為這些問題帶來解決方案。
解決方案名稱：基于5G+區塊鏈技術+邊緣計算的低時延解決方案
申報單位或企業：中國移動通信集團浙江有限公司
一、行業所面臨的挑戰
隨著5G和工業互聯網的快速發展，超高清視頻、AR/VR、機器視覺、遠程控制、無人機、云化AGV、云端機器人等技術在智能制造領域不斷快速落地應用，龐大的業務量對終端的算力和時延提出了更高的要求。但因智能制造場景復雜,傳統的云計算技術已經無法滿足終端側“大連接，低時延，大帶寬”的需求，如果用常規模式構建物聯網，隨著設備的迅速增加，網絡邊緣側所產生的數據量級將非常巨大。這些數據如果都交由云端的管理平臺來處理，將會造成①現實網絡流量壓力巨大、②設備運行時延性拉長、③實施協同工作難以保證、④特殊信息的數據安全風險大增。而邊緣計算恰好可以為這些問題帶來解決方案。
5G通信的超低時延與超高可靠要求，使得邊緣計算成為必然選擇，從技術角度看，邊緣計算是IT和CT深度融合的產物；從市場角度看，邊緣計算是5G面向垂直行業發力的重要利器。邊緣計算可解決集中部署的云計算帶來的時延過長、帶寬占用問題，更好地服務于實時性要求較高和帶寬要求較高的業務。同時，邊緣計算也面臨身份認證、數據安全、隱私保護等難題，而區塊鏈技術的特性可以實現邊緣計算的安全體系。
因此，引入5G邊緣計算、區塊鏈、網絡切片等新技術，運營商可以為行業客戶提供更專業、更安全的云網一體化新型智能基礎設施和輕量級、易部署、易管理的解決方案，助力行業企業向數字化、自動化生產、智能化方向演進。
二、解決方案總體概述
為助力企業實現生產設備更智能以及生產管理更智能，打造更柔性的生產線，并將分布廣泛的人、機器和設備連接起來，構建統一的工業互聯網絡。同時，在新的網絡架構下，除了要保障智能化生產的連續性、可靠性，以及關注智能設備、控制設備的安全性以外，還要加強對云端網絡、應用和工業大數據的安全防護。
基于此背景下，浙江移動提出了基于5G+區塊鏈技術+邊緣計算的低時延解決方案，打造5G精品虛擬專網，用于工業控制、指導生產的SCADA、MES等生產系統部署到統一的邊緣計算環境中，為工控設備安裝5G模組，實現工業設備的無線化部署及遠程管理，工控設備及邊緣云之間通過5G互聯，實現數據傳輸。同時，邊緣計算環境中可部署大數據服務，質量檢測、預測性維護、圖像識別等AI應用能力，實現數據的邊緣分析處理，減短由數據傳輸速度和帶寬限制所帶來的延時，滿足工業處理時延訴求。此外，運用區塊鏈、標識體系等先進技術手段，打造以標準專利、產品溯源為全程保障的全要素工業互聯網區塊鏈服務平臺。該解決方案當前已應用于某集團5G云鏈智慧園區項目等。
三、解決方案實現功能
1、構建5G虛擬企業專網
采用5G虛擬企業專網，借助MEC技術實現園區數據資產私有化及創新環境搭建。
2、5G+機器視覺應用
在生產線安裝各類工業高速攝像機、高靈敏度傳感器，借助視覺算法在邊緣云端部署，發展缺陷識別、圖像檢測、視覺定位、物體測量、物體分揀等智能化應用。
3、5G云化AGV應用
利用5G低時延特性，實現 AGV管理平臺實時下發控制指令，確保產線上AGV機器人按照指令進行貨物收貨、分揀、入庫、搬運、出庫等操作。
4、邊緣云基礎平臺
提供邊緣基礎云平臺，根據需求進行彈性分配，并確保資源使用的安全與隔離，為用戶提供完善邊緣云基礎設施服務。通過實時監控邊緣云微服務的業務變化，結合相應的調度算法為微服務分配相應的底層資源，從而使邊緣云服務可以自動適應業務量的變化。
5、邊緣計算管理平臺
提供邊緣計算資源管理，終端設備（網關）管理，數據管理，業務可視化編排，策略管理，告警及事件管理。
6、多鏈多應用構筑新型供應鏈平臺
由傳統供應鏈模式轉變為區塊鏈多鏈多應用模式結合溯源鏈，塑造跨廠家、跨應用、多用途、安全可溯、高效便捷的企業工業互聯網支撐平臺。
該解決方案為客戶提供了端到端切片的企業專網。通過在公司核心網之上部署公司私有云，借助5G的高性能無線傳輸功能，實現各邊緣端與私有云信息同步，進而實現聚酯長絲生產過程訂單數據、工藝數據、設備數據、產品數據、檢測數據的云端統一管理。同時，運用區塊鏈、標識體系等先進技術手段，打造以標準專利、產品溯源為全程保障的全要素工業互聯網區塊鏈服務平臺。
代表性及推廣價值：
一、解決方案應用情況及效果
某集團積極推動自身上云建設，通過云計算、自主控制和聯網以及人、機器與信息的互相聯接將制造系統融為一體，實現化纖制造業與云平臺的融合。目前，集團在基礎設施、生產制造、經營管理三個方面開展上云工作，實現云上作業。
1、基礎設施（5G組網+切片+邊緣計算資源）
（1）5G組網搭建，保障業務流轉
搭建5G組網，支撐數據流轉，消除信息孤島，確保數據及生產穩定運行。擴展宿主機服務器，一期建設容量超500T,有效滿足企業上云的設備需求。
（2）與浙江移動嘉興分公司合作打造 “專有私網”
5G基站+邊緣計算建設可實現5G信號園區全覆蓋，將5G核心網中的UPF網元下沉至園區和匯聚機房，在園區機房內部署MEC邊緣計算服務器。此外強化網絡切片建設，根據不同業務需求做網絡切片，根據保密等級不同進行分流處理，保障數據安全與業務穩定。
2、生產制造（產線溯源、運輸線路優化、工業AI視覺、智慧倉儲、機床上云）
（1）產線上云智能化，降本增效，安全生產
將產線智能化，以產品標識解析為主線，全面打通生產和經營的信息鏈，通過數據+裝備實現生產全鏈條的智能化，進一步提升柔性、綠色的智能生產能力，降本增效，安全生產。
（2）云平臺自動進出廠車輛數據采集
集成各公司地磅系統，對液體及固體原料、輔料進廠操作按事件進行記錄與管理，數據準確性提高10%以上。
（3）云平臺計算自動配載服務
優化線路，產品配送速率提升20%
（4） 飄絲智能監控上云創新應用
5G智能監控機器人解決飄絲飄雜問題，改變了眼觀手摸檢測方式，降低了勞動強度，填補了行業空白，全面應用預期提升優品率0.3%，直接受益年超千萬元。
（5）倉儲物流上云
解決傳統的倉庫存儲以及簡單的倉儲系統的不足，增加庫存存儲量，貨物出庫效率，以及加強系統管控能力，人力減少15人，效率提升40%，安全得到保障。
（6）企業生產機械設備上云
智能裝備投入，車間自控投用率達90%以上，自動落絲系統使得設備利用率提升5-25%,人力資源減少1-10%，維修維修效率提升5-30%，交貨速度提升1-2倍，庫存減少10-50%。
3、經營管理（工業大腦+為經營管理提供科學的決策支持）
通過5G+工業大數據一體化智慧云平臺，加快5G網絡部署應用，為平臺賦能、產業賦能，促進化纖主業生產制造轉型升級，助力發展智慧物流（絲路易達）、電子商務（敦煌易購）新業態，實現辦公、經營、銷售物流全流程智能化管控，示范和引領5G+化纖行業產業發展。
（1）經濟效益
化纖行業5G+工業大數據一體化智慧云平臺應用大大的提高了企業產品產量和生產效率，降低生產成本，增強生產制造柔性化，滿足多變緩急的訂單需求。我國化纖產能接近3000萬噸，按照客戶的市場占有率30%來計算，可以推廣50-80套系統，預計智能改造形成產值100億元以上，可以帶動行業2000億化纖傳統產能轉型升級，快速發展。
基于邊緣云的工業區塊鏈融合服務平臺，將采購、生產、銷售、物流進行一體化管理和運營，通過該平臺新模式應用帶來更高效的企業生產聯動和快速精準的異常響應，將有效產能提升30%以上，帶來的運維成本的降低15%，大大提升企業競爭力。
（2）國家經濟效益
高分子材料在未來將會成為基礎材料行業的發展重點和熱點。本項目將大幅度提高聚酯纖維類高分子材料的生產質量和效率，滿足我國功能性高分子材料市場需求，推動國家功能性高分子材料工業政策的實施進程，為我國高分子材料企業樹立一個智能制造新模式應用的模板和標桿，還可為各類智能工廠所涵蓋的智能化技術提供應用示范平臺，全方位推動國家功能性高分子材料工業經濟效益的提升。
（3）社會效益
為客戶建成浙江省乃至全國功能性纖維新材料制造業智能化發展的先行區、智能裝備產業應用的示范區，打造成具有國際競爭力的功能性纖維新材料智能制造標桿領軍企業。
二、解決方案創新點
創新點如下：
（1）5G組網+工業大數據創新
化纖行業5G+工業大數據一體化智慧云平臺首次實現了移動云鏈業務與5G MEC組網方案融合，是浙江移動目前較大規模的私有云組網架構。結合5G組網技術與化纖企業工廠布局，將整個化纖企業智能工廠的5G網絡環境分為4個區域，分別為前端區域（工控終端）、傳輸區域（無線宏站，室分，MEC）、云平臺區域（企業私有云）、內網區域。
其中，前端包括工控設備，各類傳感器等，傳輸包括無線宏站室分、MEC網絡。通過在公司核心網之上部署公司私有云，借助5G的高性能無線傳輸功能，實現各邊緣端與私有云信息同步，進而實現聚酯長絲生產過程訂單數據、工藝數據、設備數據、產品數據、檢測數據的云端統一管理。
（2）AGV創新云應用
應用5G智能叉車應用實現了靈活調度、高效運行。在集團子公司車間部署了基于5G技術的全自動落絲系統，被央視《新聞聯播》《堅持高質量發展 篤定前行》進行系列報道。智能自動落筒線由AGV自動落筒車、輔助轉運設備、機器人、設備運行調度和信息管理子系統組成。具有根據卷繞頭自動生成絲餅的產品標識并自動記錄絲餅裝載位置，生成絲餅及絲車信息并跟蹤記錄的智能化功能。
（3）AI深度學習飄絲檢測應用
5G智能監控機器人解決飄絲飄雜問題，改變了眼觀手摸檢測方式，降低了勞動強度，填補了行業空白，全面應用預期提升優品率0.3%，直接受益年超千萬元，在紡絲生產過程中，隨著熔體配方、溫度、粘度等工藝參數的變化，纖絲彈性等物理特性也將隨之發生變化，在環境條件出現變化時，紡絲生產過程中容易出現單根絲斷裂，從纖維中飄出（飄絲現象）。飄絲現象在紡絲生產過程中時有發生，會導致品質下降。在日常生產中依賴人工進行巡檢監視，發現飄絲并進行處理，所需時間長，難度大，對個人經驗、能力及責任心要求較高。
飄絲監控系統的主要目的就是利用自動監控來替代人工巡檢。飄絲在線監控系統，主要包括如下功能模塊：視頻流接入服務模塊、深度學習模塊、圖像處理計算資源管理模塊、飄絲監控模塊報警及消息推送模塊。
（4）基于邊緣云的工業區塊鏈融合服務平臺
依托5G+邊緣云高可靠、低時延、大帶寬、廣連接的網絡能力，將工業采購、生產、流通、經營等一系列活動記錄在邊緣云中，采用多鏈多應用模式，結合溯源鏈，塑造跨廠家、跨應用、多用途、安全可溯、高效便捷的基于工邊緣云的工業區塊鏈融合服務平臺。
三、代表性及推廣價值
1、典型性與推廣價值
（1）可復制性
該私有云解決方案已成功在智慧交通等其他行業成功復制，具有較強適用性和推廣性，衍生價值較高。
（2）5G SA切片+邊緣MEC模式具有示范推廣價值和行業復制性
于此項目，通過5G基站+邊緣計算建設可實現5G信號園區全覆蓋，將5G核心網中的UPF網元下沉至園區和匯聚機房，在園區機房內部署MEC邊緣計算服務器。此外強化網絡切片建設，根據不同業務需求做網絡切片，根據保密等級不同進行分流處理，保障數據安全與業務穩定,打造5G精品虛擬專網?？衫玫湫瓦吘売嬎銏鼍暗氖痉缎?，推廣此種模式與更多其他工業制造商用，形成可復制5G SA切片+邊緣MEC模式標桿效應。
（3）區塊鏈技術可多行業或大企業推廣復制
該項目不僅在化纖企業應用取得良好效果，在數字化程度高的機械、能源行業也有良好的適用性和應用價值。
1）在機械行業企業，面對強烈的制造服務化轉型的需求，一方面平臺助力設備管理從人工粗放增長模式。
2）在能源行業，以電力行業為例，企業通過工業互聯網實現企業內外數據匯聚，通過分析市場、發電能力、發電需求、天氣和定價等影響因素，優化發電和交易計劃，實現生產端、電網和消費端的協同和優化。
3）面對數字化轉型挑戰，大企業同時具備建平臺和用平臺的條件和壓力，龍頭企業向產品+服務商轉型的趨勢明顯，該項目能夠成為幫助其轉型的重要推動力量。
2、社會價值
（1）中國移動浙江公司（下稱“浙江移動”）作為浙江省5G網絡建設的引領者，加快工業企業“5G邊緣云+工業互聯網”融合創新應用。目前，浙江移動已于42個行業客戶聯合開展“5G+工業互聯網”的探索，進一步打造更具活力的行業生態體系。
（2）本項目研究成果有力地推動了國家領先的5G無線網絡技術在化纖工業領域落地推廣，推動行業由標準化生產向差別化、定制化方向轉型，為聚酯產業提供一種全新的商業模式，實現數字化、個性化生產，可提高聚酯材料企業的生產效率、質量效益，帶動提升我國聚酯材料工業及其下游織造行業的國際競爭力，助推“中國制造”向“中國智造”的轉型升級。
（3）本項目開展以5G網絡、MEC、區塊鏈、AI工業視覺等先進技術，打造5G+云鏈智慧園區典型商用案例，在獲取傳統流量收入的同時，通過銷售/租賃邊緣IaaS/PaaS能力/區塊鏈服務平臺和設備維護服務獲取額外的收益，為ToB藍海市場創建行業樣板，實現在這一領域的持續領先、持續收益。
解決方案詳細介紹：
一、解決方案系統架構
1、5G業務及MEC組網方案架構
5G基站+邊緣計算建設可實現5G信號園區全覆蓋，將5G核心網中的UPF網元下沉至園區和匯聚機房，在園區機房內部署MEC邊緣計算服務器。此外強化網絡切片建設，根據不同業務需求做網絡切片，根據保密等級不同進行分流處理，保障數據安全與業務穩定。
2、區塊鏈服務平臺架構
運用區塊鏈、標識體系等先進技術手段，打造以標準專利、產品溯源為全程保障的全要素工業互聯網區塊鏈服務平臺。
（1）基礎設施層
通過穩定可靠地基礎設施，實現彈性可伸縮的計算與存儲資源動態增加和刪除區塊鏈節點，滿足日益增長的區塊文件存儲需求，通過容器化資源管理和自動化運維，簡化區塊鏈系統的部署和運維工作。
（2）基礎平臺層
支持開源的Hyperledger Fabric區塊鏈平臺，面向具體應用場景提供深度定制的區塊鏈服務，包含身份認證、加密算法、共識算法、賬本管理、權限控制和智能合約等功能，以滿足不同行業的應用需求。支持上鏈新加密和流式處理，在保證安全的同時高效處理上鏈數據。
（3）接口服務層
通過API的方式，開放平臺管理能力，具備聯盟管理、鏈管理、證書管理等在線接入管理功能。
二、解決方案的系統平臺
1、硬件平臺
邊緣云平臺
連接資源：云專線、VPN；
端側設備：5G CPE、攝像頭。
2、軟件平臺
MEC（Cloud OS、UPF、MEP等）；
ECP（包括云邊協同、云網協同、邊緣自治等基礎能力）。
三、解決方案的數據通訊
浙江移動面向企業提供云網融合一站式開通體驗。
云專線——提供尊享型PTN+PS承載網、暢享型PON+CEMMNET、SD-WAN云專線，分別面向政府及行業客戶、中小企業/已開通MPLS VPN專線客戶提供多種云網絡接入質量和使用體驗。
5G切片——5G SA組網提供全棧真5G持續保障業務現場的網絡，對廠區內大量的物聯網設備入網及工業AI攝像機等大流量需求的場景進行網絡切片，確保各業務域低干擾并提升資源利用率。
云間互聯——云專網、多云互聯，滿足企業多云部署、跨云容災場景。
四、解決方案的安全措施
浙江移動擁有獨特的云網融合資源優勢和突出的服務能力，可以滿足不同企業定制化的、安全的、實時的智能化業務需求；通過云邊協同及安全智能，從基礎設施、網絡、數據、應用和管理等多個維度進行安全設計規劃，保障邊緣云端到端安全：①邊緣側安全防護算力最小化，輕量化、可定義安全，打造輕量化邊緣云安全防護體系（4C8G安全防護vm可達1G吞吐流量防護）；②實現多廠家集中管理，策略優化，策略合規檢測和自動化拓撲展現，減輕安全運維工作，將防火墻策略條數降低30%左右，檢測防火墻違規策略20余種；③實現人工滲透測試服務工作自動化、智能化，提高滲透測試全面性、客觀性、重復性、經濟性等，一個web應用滲透測試數小時完成；④增強容器平臺安全性，實現容器應用生態安全，實現容器安全靜態檢測、動態監測的自動化和智能化，靜態監測（版本比對幾分鐘可完成，滲透測試數小時完成）；⑤實現對遠程無人值守或不變維護地點邊緣計算設備的安全防護，降低人工運維成本，達到“攻擊者進不來、非授權信息拿不到、竊取信息看不懂、攻擊行為賴不掉和系統信息改不了”。
