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深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司

1 目標(biāo)和概述

傳統(tǒng)構(gòu)件工廠存在固定連接成本高、自動化程度低、人工質(zhì)檢效率低、安全生產(chǎn)監(jiān)管難等難點(diǎn)痛點(diǎn)。深圳艾靈網(wǎng)絡(luò)有限公司（以下簡稱：艾靈網(wǎng)絡(luò)）提出基于5G的裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件智慧工廠解決方案包括：引入工業(yè)5G邊緣智能中心，通過5G核心網(wǎng)+5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)打通生產(chǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)接口，完成IT與OT的跨網(wǎng)互通，終端設(shè)備如傳感器、機(jī)器視覺、機(jī)械臂、AGV與PLC形成閉環(huán)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)全要素的無線連接、遠(yuǎn)程數(shù)采與設(shè)備交互。

在應(yīng)用層部署制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、板材質(zhì)量檢測、安全監(jiān)控等工業(yè)應(yīng)用，通過5GLAN將智能應(yīng)用和生產(chǎn)設(shè)備之間的路徑打通，實(shí)現(xiàn)排產(chǎn)-澆筑-養(yǎng)護(hù)-質(zhì)檢-轉(zhuǎn)運(yùn)等全流程的自動化、智能化作業(yè)。部署該解決方案之后，該企業(yè)當(dāng)年降低人工成本36萬元，生產(chǎn)效率提升30%以上，安全風(fēng)險降低40%。

2 方案介紹

解決方案包括設(shè)備域、網(wǎng)絡(luò)域和計算域，如圖1所示。

圖1 解決方案架構(gòu)圖

設(shè)備域包括各種生產(chǎn)設(shè)備，如傳感器、執(zhí)行器、自動控制系統(tǒng)、工業(yè)相機(jī)/攝像機(jī)等。生產(chǎn)設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)層和部署在邊緣計算平臺上的應(yīng)用進(jìn)行交互。交互的信息包括設(shè)備采集上報的信息，以及應(yīng)用下發(fā)給設(shè)備的控制信息。具備5G能力的設(shè)備可以直接接入5G網(wǎng)絡(luò)，不具備5G能力的設(shè)備通過5G終端設(shè)備接入5G網(wǎng)絡(luò)，5G終端設(shè)備有5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、5G工業(yè)路由器、5GCPE、5GDTU等多種形式。

網(wǎng)絡(luò)域采用5G技術(shù)構(gòu)建。5G支持連續(xù)覆蓋，具備高安全性及高可靠性特點(diǎn)，上下行均支持高速率的數(shù)據(jù)傳輸、毫秒級時延的實(shí)時控制，支持局部區(qū)域內(nèi)海量高并發(fā)、中高數(shù)據(jù)速率的物聯(lián)網(wǎng)連接。

計算域包括邊緣計算平臺，由單個或者多個分布式協(xié)同的服務(wù)器組成，提供彈性擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)、計算、存儲能力，滿足可靠性、實(shí)時性、安全性等需求。邊緣計算平臺上部署MES、DCS、智能質(zhì)檢應(yīng)用、智能安監(jiān)應(yīng)用和其他工廠定制的應(yīng)用。

（1）采用5G打通工廠OT網(wǎng)絡(luò)

采用獨(dú)立專網(wǎng)的方式構(gòu)建工廠5G網(wǎng)絡(luò)，獨(dú)立部署專有的無線和核心網(wǎng)設(shè)備，為工廠提供與運(yùn)營商公網(wǎng)絡(luò)隔離的、滿足工廠特殊需求的超大帶寬、超低時延、超高可靠的基礎(chǔ)OT網(wǎng)絡(luò)。該5G專網(wǎng)只服務(wù)于簽約的專網(wǎng)用戶終端，外部終端無法接入，保證網(wǎng)絡(luò)安全。

5G無線設(shè)備包括基帶處理單元、遠(yuǎn)端匯聚單元和遠(yuǎn)端射頻單元。在工廠車間內(nèi)多部署室內(nèi)遠(yuǎn)端射頻單元，在大型廠區(qū)也可部署室外遠(yuǎn)端射頻單元。基帶處理單元和遠(yuǎn)端匯聚單元部署在工廠機(jī)房。在車間產(chǎn)線現(xiàn)場，兼顧考慮現(xiàn)場的情況和散熱，室內(nèi)遠(yuǎn)端射頻單元宜部署在軌道梁側(cè)面，如圖2紅色標(biāo)記所示。

圖2 室內(nèi)遠(yuǎn)端射頻單元部署位置

工廠需要超大的上行帶寬，通過增強(qiáng)上行覆蓋、優(yōu)化基站上下行資源配比的方式提升上行吞吐量。經(jīng)過優(yōu)化，單用戶上行速率可達(dá)200Mbps。

5G核心網(wǎng)控制面和用戶面功能均下沉到工廠機(jī)房，確保用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，有效降低端到端網(wǎng)絡(luò)時延，聯(lián)合空口預(yù)調(diào)度技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)的端到端往返時延可以達(dá)到10ms。

工廠采用基于TCP/IP的PROFINET工業(yè)通訊協(xié)議，生產(chǎn)線上的設(shè)備均支持網(wǎng)絡(luò)通訊方式。借助核心網(wǎng)提供的5GLAN功能，支持終端設(shè)備如PLC與上位機(jī)在局域網(wǎng)內(nèi)的互通數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)不再依靠物理硬線，通過5G網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)互通。該技術(shù)使數(shù)據(jù)不出用戶，免除了數(shù)據(jù)在N6接口外的路徑傳輸和應(yīng)用服務(wù)器處理帶來的延遲。同時，端到端的數(shù)據(jù)路徑都在5G網(wǎng)絡(luò)的管理之下，能夠保障端到端QoS。

（2）5G+邊緣計算構(gòu)建全流程自動化產(chǎn)線

針對產(chǎn)線人工操作導(dǎo)致智能化程度低、效率不高的問題，引入邊緣計算平臺。在邊緣計算平臺上部署MES和DCS等智能應(yīng)用系統(tǒng)，并通過5G系統(tǒng)提供的高可靠、低時延的連接將智能應(yīng)用和生產(chǎn)設(shè)備之間的路徑打通。

邊緣計算平臺對CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件方面進(jìn)行整合，提供計算虛擬化、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、存儲虛擬化等功能，靈活地將物理服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬成計算資源池及存儲資源池，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)的計算資源和存儲資源的動態(tài)伸縮和分配管理，可以按上層業(yè)務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)需求靈活分配資源，從而提高資源的利用率，簡化系統(tǒng)管理。如圖3所示。

圖3 邊緣計算平臺層次架構(gòu)圖

邊緣計算平臺的平臺層采用微服務(wù)架構(gòu)，提供應(yīng)用編排能力，支持應(yīng)用生命周期管理、應(yīng)用模板管理等。提供各種中間件服務(wù)，如實(shí)時數(shù)據(jù)庫、AI算法庫，以積木的形式支撐各種上層應(yīng)用。平臺層提供面向開發(fā)者的友好界面，并集成了應(yīng)用發(fā)布、測試、管理流程等便捷功能，可為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供開放能力，也可作為應(yīng)用二次開發(fā)中心使用。

應(yīng)用層包含各種工業(yè)應(yīng)用，如MES、DCS、板材質(zhì)量檢測應(yīng)用、安全監(jiān)控應(yīng)用。

智能應(yīng)用按工藝流程控制生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)活動，并實(shí)時監(jiān)測設(shè)備的執(zhí)行情況，實(shí)現(xiàn)全流程的自動化作業(yè)：

·智能排產(chǎn)

MES按照訂單生成構(gòu)件排產(chǎn)計劃，將構(gòu)件定位尺寸信息發(fā)送給DCS。DCS將構(gòu)件定位尺寸信息發(fā)送至工廠內(nèi)的智能設(shè)備。

·智能澆筑混凝土

DCS指示布料系統(tǒng)按照構(gòu)件尺寸準(zhǔn)備混凝土方量并在布模區(qū)域定量澆筑混凝土，視覺系統(tǒng)通過5G網(wǎng)絡(luò)反饋給邊緣云平臺，實(shí)時分析布料情況，反饋給DCS，調(diào)整下料量保證澆筑效果。

·智能養(yǎng)護(hù)

DCS控制養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)對構(gòu)件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器通過5G網(wǎng)絡(luò)向DCS上報環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，DCS調(diào)整養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)參數(shù)、穩(wěn)定養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)環(huán)境。

·智能質(zhì)檢

5G視覺質(zhì)檢應(yīng)用部署于成品取碼區(qū)，完成成品構(gòu)件的質(zhì)量自動化檢測。

·智能轉(zhuǎn)運(yùn)

邊緣云分析碼垛結(jié)果，指示DCS控制自動運(yùn)輸車AGV將質(zhì)檢合格的成品構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)到倉儲區(qū)。

（3）5G工業(yè)視覺提升質(zhì)檢效率、保障生產(chǎn)安全5G工業(yè)視覺系統(tǒng)由工業(yè)相機(jī)/工業(yè)攝像機(jī)、5G網(wǎng)絡(luò)、圖像識別應(yīng)用、模型訓(xùn)練系統(tǒng)構(gòu)成。工業(yè)相機(jī)/工業(yè)攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場圖像或視頻采集，5G網(wǎng)絡(luò)提供高速上行通道，圖像識別應(yīng)用根據(jù)確定的訓(xùn)練模型，對采集圖像進(jìn)行推理預(yù)測，實(shí)現(xiàn)成品構(gòu)件質(zhì)量檢測或生產(chǎn)/員工安全監(jiān)測，模型訓(xùn)練系統(tǒng)基于計算機(jī)視覺模型、算法庫及樣本圖像，結(jié)合深度學(xué)習(xí)AI算法，完成數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)標(biāo)注及訓(xùn)練生成數(shù)據(jù)模型的功能。

起板機(jī)完成起板后，DCS通過5G網(wǎng)絡(luò)指示工業(yè)相機(jī)對待檢測部品部件拍照并將照片通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給

部署在邊緣計算平臺上的智能質(zhì)檢應(yīng)用。智能質(zhì)檢應(yīng)用對拍攝的圖像進(jìn)行分析，輸出質(zhì)檢結(jié)果。智能質(zhì)檢應(yīng)用可以檢測部品部件的尺寸是否符合質(zhì)量要求，也可以檢測其表面質(zhì)量是否符合要求。智能質(zhì)檢應(yīng)用將質(zhì)檢結(jié)果發(fā)送給DCS，DCS指示傳送裝置將質(zhì)檢合格的成品傳送到出貨區(qū)。如圖4所示。

圖4 傳送裝置

部署在出貨區(qū)的工業(yè)攝像機(jī)實(shí)時采集視頻發(fā)送給部署在邊緣計算平臺上的出貨區(qū)負(fù)荷檢測智能應(yīng)用。出貨區(qū)負(fù)荷檢測智能應(yīng)用對視頻進(jìn)行分析，當(dāng)檢測到出貨區(qū)積累的成品數(shù)量即將到達(dá)極限值的時候，通知DCS指示自動運(yùn)輸車AGV盡快將質(zhì)檢合格的成品構(gòu)件轉(zhuǎn)運(yùn)到倉儲區(qū)。

在車間部署若干高清攝像機(jī)，對車間內(nèi)員工的生產(chǎn)活動進(jìn)行監(jiān)督。攝像機(jī)將采集的視頻通過5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給部署在邊緣計算平臺上的智能安監(jiān)應(yīng)用。智能安監(jiān)應(yīng)用可以實(shí)時監(jiān)測員工著裝規(guī)范、安全生產(chǎn)區(qū)域人員的不安全行為、是否違規(guī)進(jìn)入危險區(qū)域、是否擅自離崗等。如圖5所示。

圖5 安全生產(chǎn)區(qū)域?qū)崟r監(jiān)測

3 代表性及推廣價值

裝配式建筑預(yù)制構(gòu)件5G智慧工廠解決方案以5G作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，以邊緣計算平臺作為智能計算基礎(chǔ)設(shè)施，通過通用的人工智能算法庫與裝配式建材生產(chǎn)進(jìn)行深度融合，成功地應(yīng)用在預(yù)制混凝土墻板類構(gòu)件生產(chǎn)工廠，提供大帶寬、高可靠的網(wǎng)絡(luò)連接和超強(qiáng)的計算能力，滿足工廠的網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級轉(zhuǎn)型需求，為提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平、降低生產(chǎn)成本、提升市場競爭力提供有力的支持，證明了該解決方案的先進(jìn)性和實(shí)用性。

該解決方案將加快提升裝配式建材工業(yè)智能制造水平，助力裝配式建材工廠的轉(zhuǎn)型升級，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式和企業(yè)形態(tài)根本性變革，引領(lǐng)裝配式建材生產(chǎn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。艾靈網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合中國建材集團(tuán)有限公司，正在將該解決方案在集團(tuán)中的裝配式建筑部品部件生產(chǎn)工廠中進(jìn)行推廣，后續(xù)將推廣到建材領(lǐng)域的其它細(xì)分行業(yè)。同時，基于該解決方案的建材行業(yè)聯(lián)盟團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)也在制定中，該方案得到了中建材總部的認(rèn)可，已在中建材旗下下屬分公司應(yīng)用，正逐步向建材行業(yè)其他企業(yè)推廣。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊