基于 5G+MEC边缘计算平台的智慧料厂建设方案研究

陈 刚

中国联合网络通信有限公司马鞍山市分公司 安徽省马鞍山市 243000

摘要：钢铁作为我国国民经济和国防工业发展的重要基础原料和战略资源，被广泛应用于各个行业。国务院、工信部、发改委等部委先后出台了《关于深化“互联网+先进制造业” 发展工业互联网的指导意见》、《工业互联网发展行动计划》、《关于推动工业互联网加快发展的通知》等一系列文件，提升工业互联网平台核心能力，深化工业互联网行业应用，利用5G与人工智能等技术提升工业互联网全覆盖和行业服务能力，达到为企业提质增效、减员增效、节能减排、转型升级、增强竞争力。

关键词：5G工业互联网；边缘计算平台MEC；减员增效；生产智能化。

5G作为新一代移动通信系统，其百兆以上的传输速率、毫秒级时延、5~6个9的可靠性，保证其能够与工业各环节融合，为工业企业提供了产线柔性化、生产智能化的工具，推动工业向智能化、服务化、高端化转型。通过5G技术实现人员、设备及环境的全方位互联及生产设备的远程实时控制，促使工业生产向着无人化、网络化、智能化和协同化方向发展。

1. 引言

现代钢铁智能制造的产业基础是大数据，云计算，人工智能，物联网，工业互联网等，这些基础就需要一个极快的宽带处理能力，特别是大型移动设备，对无线通信的要求特别迫切，而4G的宽带承载量和运行速度还远远不够。为此，本项目面向钢铁智能制造工业互联网的低时延、高可靠、大带宽要求，建设高质量的5G企业内网基础设施，主要包括以下几个方面：

1. 搭建高速企业虚拟专网，实现网络互联互通和数据互联互通，为工业企业提供开展业务所必须的无线网络环境，支持企业生产设施、设备等工业终端接入。

2. 搭建企业边缘计算平台MEC（Multi-Access Edge Computing），MEC是CT联接和IT计算融合的产物，MEC的价值在于通过CT联接和IT计算承载的业务，加上联通的一体化服务能力，实现最终独特的价值交付。

5G工业互联网的智能化应用。实现钢铁冶金的远程故障诊断、远程控制、智能能耗管理、产品视频检测等业务，为企业业务运行提供安全保障和有效资源调度，突破传统制造在可靠性、智能化等方面的短板，支撑智能制造和产业升级。

2. 意义

从产业价值链定位来看，以项目实际需求为驱动，结合5G、AI、工业互联网等前沿技术，打造有竞争力的解决方案。前期主要依靠政府扶持引导和商业试点、后期通过示范点快速复制和迭代开发，以项目复制推广的方式实现方案价值呈现。

从经济视角，基于5G技术、SDN技术的工业互联网连接管理平台以及云管服务体系，可以快速低成本的部署和使用，有效的提升企业管理和生产效率，降低成本。其次，应用方案采用了创新的SDN工业网关，通过5G无线传输方式替代传统的工业总线，在保证工业现场数据传输交互时延、速度、数据量的同时，提高了工业设备协同操作组网的灵活性。三是基于SDN技术的工业互联网连接管理平台，可以极大的降低了企业设备和应用上云上平台以及企业内部网络改造的建设成本，降低了运营成本。

从运作效率视角，新型工业互联网络的灵活调度配置能力、对服务和安全的提升能力将促使资源流动并得以优化。依靠基于SDN技术的非蜂窝管理平台应用能够将所有参与的工业现场设备、工业内网网络、5G网络、骨干网络和系统平台云管服务汇聚在一起，将提供更全面、安全可靠、快捷的服务和应用业务流程。

2019年4月24日，马钢集团与中国联通签订5G战略合作协议，围绕进一步加快工业转型升级，提高信息化管理水平和市场拓展能力展开全面、深入的合作。中国联通、马钢集团、华为和飞马智科作为联合体单位，负责项目总体方案的制定及实施，针对钢铁行业智慧料厂场景深入探索，致力于联合打造钢铁行业5G创新应用示范项目。

马钢港务原料总厂占地面积约115万平方米，主要承担马钢所有原燃料的输入、储存、加工和输送任务，是马钢的“粮仓”。料厂现场设备有桥机6 台、大型移动机26 台、16个矿槽内移动布料小车36 台、9个集中转运站内移动卸料小车26 台、高低配房所53 座、远程站39 座、胶带机427 条，水平机长70 公里，视频监控点有1000 多个，分布在南北跨度10公里左右的区域内，点多、面广、战线长、工况复杂。

围绕马钢港务原料总厂亟需迫切解决智能化水平低、运行效率不高等发展现状的难点、痛点问题，建设了基于5G网络环境的工业融合应用，运用边缘云、AI计算、FlexE、SDN等技术，对马钢智慧料场进行了5G+堆取料机无人驾驶、5G+3D数字料场、5G+智能视频巡航、5G+AI安全行为监管、5G+矿槽远程操作、5G+AR智能巡检等6项应用。助力马钢港务原料总厂解决了工厂操作人员多、运行成本高、工作效率低、劳动强度大、作业环境差、监管手段少、运维评估难、网络部署杂8类问题。

3. 项目内容

3.1 5G行业专网建设

根据国家网信办关于《工业互联网发展行动计划（2018-2020年）》、《中国制造2025》的发展规划，工信部关于《“5G+工业互联网”512工程推进方案》的要求，结合公司“绿色发展，智慧制造”战略规划，在本次项目中，根据应用需要，实现对主要区域的5G专用网络覆盖，使其成为对有线基础网络的有效补充及双网络备份。

马钢5G工业应用联合实验室已在SA模式下，成功在进行了工业部署，实现了以下功能：

• 远端PLC和中控PLC进行双向远程通讯

• 在控制室对网络设备的远程操作

• 网络控制系统的报警和故障信号发送给控制室

• 控制室对网络的实时视频监控

• 将有线和5G进行汇聚，实现了传输网络的冗余备份

根据5G网络的特性，为满足现场数据回传的低延时性、可靠性、安全性要求，保证工业现场数据不出园区，工业企业数据中心部署一套MEC设备，实现对接入前端的应用识别，同时MEC交换设备作为企业BGP MPLS承载网的CE接入企业承载网，满足企业承载网数据传输要求。终端设备通过有线或无线的方式连接CPE设备，与5G基站进行通讯，将终端设备数据汇聚到边缘服务器，通过MEC进行解析，把数据传送到上层云平台进行存储和展示。上层组态数据需要反馈到终端设备时，可以直接下达指令，5G网络完成满足其低时延需求。驻外机构也可以通过5G核心网访问企业内部数据。本项目采用5G与NB-IoT互补结合的方式进行组网，各类前端设备通过自带模组或外接CPE的方式无线连接到基站，实现5G+工业互联网的应用，网络拓扑如下：

5G+MEC+NB-IoT工业应用专用网络拓扑图

对带宽需求大、实时性要求高的采用5G传输，如控制系统、视频系统等；对于带宽需求低、实时性要求不是很高的采用NB-IoT传输，如仪表数据采集、设备状态检测等。

本项目根据产线接入需要建设19个基站，在马钢网络边缘处部署MEC，使得该网络成为马钢5G工业专用网络，内部数据不出外网，提高数据安全性。

本次设计根据本项目总体目标涉及的应用分布内容，包括系统集中控制及自动化改造、视频监控数字化升级、智能运维系统、智能维护检测系统，下面的构建是围绕各个系统的实际场景进行的。

(1) 围绕整个港务原料总厂各类应用场景建设19处5G站点，以实现全系统的5G信号覆盖，组网采用SA模式；

(2) 选取港务原料总厂中控机房作为5G汇聚机房，提供5G站点的光缆汇聚以及设备的稳定持续供电；

(3) 在马钢范围内部署MEC等设备，组建5G企业混合专网，与马钢内网完成对接，通过分流技术实现数据不出园区；

(4) 针对不同的应用场景，采用对应技术手段实现5G与有线的互备功能。

3.2. MEC建设

为保证与试点中已建成的基站互联互通，本方案设计5G网络覆盖采用联通5G方案，组网采用SA模式。并采用MEC（多接入边缘计算技术）（Multi-Access Edge Orchestrator）,是ICT融合的产物，同时成为支撑运营商进行5G网络转型的关键技术。本方案在马钢网络边缘侧部署MEC系统，实现企业混合专网，信令与数据分流，保证数据不出园区。通过5G实现端到端通讯时延在15ms以下。

本设计规划19处5G站点，覆盖移动小车智能化改造、胶带状态智能监测、计量对比、智能维检平台、监控系统智能化改造等应用场景。本次设计汇聚机房为料场中控楼6层机房，部署BBU和传输设备，现场各5G站点AAU通过光纤汇聚至中控机房。

网络拓扑结构图

3.3 企业痛点问题分析：

目前马钢料场存在的痛点问题如下：

• 巡检人员劳动强度大、效率低；

• 原料管理手段单一、料场利用率不高；

• 作业环境恶劣、人工成本高；

• 传统巡检易漏检，数据实时性差、缺乏关联，评估不准确。

3.4典型场景应用：

为解决以上企业痛点问题，利用5G网络的优势，结合马钢自身实际需求，开展了以下6大应用的实践：5G+3D料厂、5G+堆取料机无人驾驶、5G+智能巡航、5G+生产行为智能监管、5G+AR智能运维、5G+胶带机智能维检。

4. 设计理念

为满足钢铁行业对业务可靠、安全可信、可管可控的需求，马钢专用网络采用中国联通5G混合专网架构进行建设，实现了5G专网与马钢主干内网的深度融合。通过MEC边缘云的建设实现企业生产和管理数据的本地分流，保障了企业数据的低时延和安全私密性。网络平均时延在10毫秒以内，满足了企业低时延应用场景的需要。

组网拓扑图

根据企业对不同业务流安全隔离的要求，在5G+MEC的基础上结合切片技术为企业构建业务粒度级别的企业专网，如视频类、工控类、办公类等业务可以划分为不同切片。

5G+MEC+切片构建企业专网

5. 项目特色

2020年12月14日，马钢港务原料总厂5G+MEC智慧料厂完成项目建设、开通，宝武马钢联合中国联通，携手飞马智科信息化公司、华为公司在马钢开通安徽首个商5G_SA 企业专网和MEC边缘计算平台，本项目通过建设5G+MEC企业混合专网与马钢高质量工业内网深度融合，充分发挥5G+MEC专网优势，经在项目现场实际测试，5G网络平均时延7.21ms，下行速率1Gbps,上行速率在234Mbps。

项目涉及的技术均为主流成熟技术，项目技术路线清晰，公司内部技术力量储备充分，技术可行；且方案具有一定的超前性，构建马钢多业务、多应用承载网络，可与多套系统融合，大大减少今后公司在线路和设备上的投资。

• 各个层级的网络设备各司其职又相互协同工作，简化了网络架构的可靠性与性能成倍提升；

• 针对业务系统的不断发展和变化，网络应当能够作出快速和有效的反应；

• 架构先进、设备成熟，支撑现有的与未来5-10年的主流网络应用；

• 每一层级网络均具备自愈能力，达到99.999%的高可用性目标；

• 完善的安全体系，满足IT与OT融合需要；

• 综合考虑未来发展、性能与建设投资的合理平衡；

• 提升各个生产环节的效率，缩短业务上线周期；

• 集中化运维、智能运维降低运维成本，提升运维效率，释放信息部门工作量；

• 国产优质品牌，案例众多，建设经验丰富，响应国家针对重点行业的政策化趋势改造；

6. 产业效应

（1）马钢智慧料厂基于5G+MEC混合专网架构进行建设，随着智能制造推进，结合工艺设备升级，加速推进智慧料厂实施，满足钢铁行业对业务可靠、安全可信、可管可控的需求的同时，进一步减员增效，预计最终马钢港务原料总厂将由900人减到450人，生产效率大幅提升。马钢港务原料总厂通过该应用创新项目的落地，实现了减员增效和生产智慧化，树立了钢铁行业料厂场景5G创新应用的标杆。

（2）马钢智慧料厂的5G网络建设、边缘计算（MEC）、AI技术、工业互联网平台、工业网络安全等解决方案的设计可覆盖到钢铁企业全流程，复制到其他钢铁行业应用，乃至推广至其他流程行业。同时，未来将拉动通信、仪器仪表、检测及其他工业生产领域的上下游产业链协同发展，促进产业链内循环，增加职业健康安全，让员工有尊严工作的同时做大产业生态。

（3）钢铁行业的能耗和环保问题日益突出，钢铁企业可采集各生产环节的能源消耗和污染物排放数据，找出问题严重的环节，后续通绿色化生产等系列应用的实施，并进行工艺优化和设备升级，降低能耗成本和环保成本，实现清洁低碳的绿色化生产，为国家的碳中和及碳达峰做出贡献。

参考文献

[1] 国务院.关于深化“工业互联网+先进制造业”发展工业互联网的指导意见[Z]，2017.

[2]5G移动通信的应用现状及发展趋势探析.康建中.通信技术与应用. 2016

[3] 5G移动通信技术的应用及其发展趋势探讨[J]. 吉力,晏雷,张浩.信息与电脑,2019(9):175-176.