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深圳艾靈網絡有限公司

1 目標和概述

傳統構件工廠存在固定連接成本高、自動化程度低、人工質檢效率低、安全生產監管難等難點痛點。深圳艾靈網絡有限公司（以下簡稱：艾靈網絡）提出基于5G的裝配式建筑預制構件智慧工廠解決方案包括：引入工業5G邊緣智能中心，通過5G核心網+5G工業網關打通生產設備的數據接口，完成IT與OT的跨網互通，終端設備如傳感器、機器視覺、機械臂、AGV與PLC形成閉環組網，實現了生產全要素的無線連接、遠程數采與設備交互。

在應用層部署制造執行系統（MES）、分布式控制系統（DCS）、板材質量檢測、安全監控等工業應用，通過5GLAN將智能應用和生產設備之間的路徑打通，實現排產-澆筑-養護-質檢-轉運等全流程的自動化、智能化作業。部署該解決方案之后，該企業當年降低人工成本36萬元，生產效率提升30%以上，安全風險降低40%。

2 方案介紹

解決方案包括設備域、網絡域和計算域，如圖1所示。

圖1 解決方案架構圖

設備域包括各種生產設備，如傳感器、執行器、自動控制系統、工業相機/攝像機等。生產設備通過網絡層和部署在邊緣計算平臺上的應用進行交互。交互的信息包括設備采集上報的信息，以及應用下發給設備的控制信息。具備5G能力的設備可以直接接入5G網絡，不具備5G能力的設備通過5G終端設備接入5G網絡，5G終端設備有5G工業網關、5G工業路由器、5GCPE、5GDTU等多種形式。

網絡域采用5G技術構建。5G支持連續覆蓋，具備高安全性及高可靠性特點，上下行均支持高速率的數據傳輸、毫秒級時延的實時控制，支持局部區域內海量高并發、中高數據速率的物聯網連接。

計算域包括邊緣計算平臺，由單個或者多個分布式協同的服務器組成，提供彈性擴展的網絡、計算、存儲能力，滿足可靠性、實時性、安全性等需求。邊緣計算平臺上部署MES、DCS、智能質檢應用、智能安監應用和其他工廠定制的應用。

（1）采用5G打通工廠OT網絡

采用獨立專網的方式構建工廠5G網絡，獨立部署專有的無線和核心網設備，為工廠提供與運營商公網絡隔離的、滿足工廠特殊需求的超大帶寬、超低時延、超高可靠的基礎OT網絡。該5G專網只服務于簽約的專網用戶終端，外部終端無法接入，保證網絡安全。

5G無線設備包括基帶處理單元、遠端匯聚單元和遠端射頻單元。在工廠車間內多部署室內遠端射頻單元，在大型廠區也可部署室外遠端射頻單元。基帶處理單元和遠端匯聚單元部署在工廠機房。在車間產線現場，兼顧考慮現場的情況和散熱，室內遠端射頻單元宜部署在軌道梁側面，如圖2紅色標記所示。

圖2 室內遠端射頻單元部署位置

工廠需要超大的上行帶寬，通過增強上行覆蓋、優化基站上下行資源配比的方式提升上行吞吐量。經過優化，單用戶上行速率可達200Mbps。

5G核心網控制面和用戶面功能均下沉到工廠機房，確保用戶業務數據不出廠區，有效降低端到端網絡時延，聯合空口預調度技術，網絡的端到端往返時延可以達到10ms。

工廠采用基于TCP/IP的PROFINET工業通訊協議，生產線上的設備均支持網絡通訊方式。借助核心網提供的5GLAN功能，支持終端設備如PLC與上位機在局域網內的互通數據，使數據不再依靠物理硬線，通過5G網絡即可實現互通。該技術使數據不出用戶，免除了數據在N6接口外的路徑傳輸和應用服務器處理帶來的延遲。同時，端到端的數據路徑都在5G網絡的管理之下，能夠保障端到端QoS。

（2）5G+邊緣計算構建全流程自動化產線

針對產線人工操作導致智能化程度低、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等智能應用系統，并通過5G系統提供的高可靠、低時延的連接將智能應用和生產設備之間的路徑打通。

邊緣計算平臺對CPU、內存、磁盤、I/O等硬件方面進行整合，提供計算虛擬化、網絡虛擬化、存儲虛擬化等功能，靈活地將物理服務器、存儲、網絡設備虛擬成計算資源池及存儲資源池，實現各子系統的計算資源和存儲資源的動態伸縮和分配管理，可以按上層業務應用系統需求靈活分配資源，從而提高資源的利用率，簡化系統管理。如圖3所示。

圖3 邊緣計算平臺層次架構圖

邊緣計算平臺的平臺層采用微服務架構，提供應用編排能力，支持應用生命周期管理、應用模板管理等。提供各種中間件服務，如實時數據庫、AI算法庫，以積木的形式支撐各種上層應用。平臺層提供面向開發者的友好界面，并集成了應用發布、測試、管理流程等便捷功能，可為工業互聯網應用提供開放能力，也可作為應用二次開發中心使用。

應用層包含各種工業應用，如MES、DCS、板材質量檢測應用、安全監控應用。

智能應用按工藝流程控制生產設備進行生產活動，并實時監測設備的執行情況，實現全流程的自動化作業：

·智能排產

MES按照訂單生成構件排產計劃，將構件定位尺寸信息發送給DCS。DCS將構件定位尺寸信息發送至工廠內的智能設備。

·智能澆筑混凝土

DCS指示布料系統按照構件尺寸準備混凝土方量并在布模區域定量澆筑混凝土，視覺系統通過5G網絡反饋給邊緣云平臺，實時分析布料情況，反饋給DCS，調整下料量保證澆筑效果。

·智能養護

DCS控制養護系統對構件進行養護，養護系統的環境監測傳感器通過5G網絡向DCS上報環境監測數據，DCS調整養護系統參數、穩定養護系統環境。

·智能質檢

5G視覺質檢應用部署于成品取碼區，完成成品構件的質量自動化檢測。

·智能轉運

邊緣云分析碼垛結果，指示DCS控制自動運輸車AGV將質檢合格的成品構件轉運到倉儲區。

（3）5G工業視覺提升質檢效率、保障生產安全5G工業視覺系統由工業相機/工業攝像機、5G網絡、圖像識別應用、模型訓練系統構成。工業相機/工業攝像機實現現場圖像或視頻采集，5G網絡提供高速上行通道，圖像識別應用根據確定的訓練模型，對采集圖像進行推理預測，實現成品構件質量檢測或生產/員工安全監測，模型訓練系統基于計算機視覺模型、算法庫及樣本圖像，結合深度學習AI算法，完成數據預處理、數據標注及訓練生成數據模型的功能。

起板機完成起板后，DCS通過5G網絡指示工業相機對待檢測部品部件拍照并將照片通過5G網絡發送給

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

圖4 傳送裝置

部署在出貨區的工業攝像機實時采集視頻發送給部署在邊緣計算平臺上的出貨區負荷檢測智能應用。出貨區負荷檢測智能應用對視頻進行分析，當檢測到出貨區積累的成品數量即將到達極限值的時候，通知DCS指示自動運輸車AGV盡快將質檢合格的成品構件轉運到倉儲區。

在車間部署若干高清攝像機，對車間內員工的生產活動進行監督。攝像機將采集的視頻通過5G網絡發送給部署在邊緣計算平臺上的智能安監應用。智能安監應用可以實時監測員工著裝規范、安全生產區域人員的不安全行為、是否違規進入危險區域、是否擅自離崗等。如圖5所示。

圖5 安全生產區域實時監測

3 代表性及推廣價值

裝配式建筑預制構件5G智慧工廠解決方案以5G作為網絡基礎設施，以邊緣計算平臺作為智能計算基礎設施，通過通用的人工智能算法庫與裝配式建材生產進行深度融合，成功地應用在預制混凝土墻板類構件生產工廠，提供大帶寬、高可靠的網絡連接和超強的計算能力，滿足工廠的網絡化、智能化升級轉型需求，為提高生產效率和質量水平、降低生產成本、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性和實用性。

該解決方案將加快提升裝配式建材工業智能制造水平，助力裝配式建材工廠的轉型升級，實現生產方式和企業形態根本性變革，引領裝配式建材生產行業高質量發展。艾靈網絡聯合中國建材集團有限公司，正在將該解決方案在集團中的裝配式建筑部品部件生產工廠中進行推廣，后續將推廣到建材領域的其它細分行業。同時，基于該解決方案的建材行業聯盟團體標準也在制定中，該方案得到了中建材總部的認可，已在中建材旗下下屬分公司應用，正逐步向建材行業其他企業推廣。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊