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深圳艾靈網(wǎng)絡有限公司

1 目標和概述

傳統(tǒng)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(chǎn)監(jiān)管難等難點痛點。深圳艾靈網(wǎng)絡有限公司（以下簡稱：艾靈網(wǎng)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(yè)5G邊緣智能中心，通過5G核心網(wǎng)+5G工業(yè)網(wǎng)關打通生產(chǎn)設備的數(shù)據(jù)接口，完成IT與OT的跨網(wǎng)互通，終端設備如傳感器、機器視覺、機械臂、AGV與PLC形成閉環(huán)組網(wǎng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)全要素的無線連接、遠程數(shù)采與設備交互。

在應用層部署制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、板材質量檢測、安全監(jiān)控等工業(yè)應用，通過5GLAN將智能應用和生產(chǎn)設備之間的路徑打通，實現(xiàn)排產(chǎn)-澆筑-養(yǎng)護-質檢-轉運等全流程的自動化、智能化作業(yè)。部署該解決方案之后，該企業(yè)當年降低人工成本36萬元，生產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)設備，如傳感器、執(zhí)行器、自動控制系統(tǒng)、工業(yè)相機/攝像機等。生產(chǎn)設備通過網(wǎng)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(fā)給設備的控制信息。具備5G能力的設備可以直接接入5G網(wǎng)絡，不具備5G能力的設備通過5G終端設備接入5G網(wǎng)絡，5G終端設備有5G工業(yè)網(wǎng)關、5G工業(yè)路由器、5GCPE、5GDTU等多種形式。

網(wǎng)絡域采用5G技術構建。5G支持連續(xù)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(shù)據(jù)傳輸、毫秒級時延的實時控制，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)同的服務器組成，提供彈性擴展的網(wǎng)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(jiān)應用和其他工廠定制的應用。

（1）采用5G打通工廠OT網(wǎng)絡

采用獨立專網(wǎng)的方式構建工廠5G網(wǎng)絡，獨立部署專有的無線和核心網(wǎng)設備，為工廠提供與運營商公網(wǎng)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(wǎng)絡。該5G專網(wǎng)只服務于簽約的專網(wǎng)用戶終端，外部終端無法接入，保證網(wǎng)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(nèi)多部署室內(nèi)遠端射頻單元，在大型廠區(qū)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(chǎn)線現(xiàn)場，兼顧考慮現(xiàn)場的情況和散熱，室內(nèi)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(nèi)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(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200Mbps。

5G核心網(wǎng)控制面和用戶面功能均下沉到工廠機房，確保用戶業(yè)務數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，有效降低端到端網(wǎng)絡時延，聯(lián)合空口預調度技術，網(wǎng)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(yè)通訊協(xié)議，生產(chǎn)線上的設備均支持網(wǎng)絡通訊方式。借助核心網(wǎng)提供的5GLAN功能，支持終端設備如PLC與上位機在局域網(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)絡即可實現(xiàn)互通。該技術使數(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用服務器處理帶來的延遲。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(chǎn)線

針對產(chǎn)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(tǒng)，并通過5G系統(tǒng)提供的高可靠、低時延的連接將智能應用和生產(chǎn)設備之間的路徑打通。

邊緣計算平臺對CPU、內(nèi)存、磁盤、I/O等硬件方面進行整合，提供計算虛擬化、網(wǎng)絡虛擬化、存儲虛擬化等功能，靈活地將物理服務器、存儲、網(wǎng)絡設備虛擬成計算資源池及存儲資源池，實現(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)務應用系統(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(shù)據(jù)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(fā)者的友好界面，并集成了應用發(fā)布、測試、管理流程等便捷功能，可為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用提供開放能力，也可作為應用二次開發(fā)中心使用。

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

智能應用按工藝流程控制生產(chǎn)設備進行生產(chǎn)活動，并實時監(jiān)測設備的執(zhí)行情況，實現(xiàn)全流程的自動化作業(yè)：

·智能排產(chǎn)

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

·智能澆筑混凝土

DCS指示布料系統(tǒng)按照構件尺寸準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(yǎng)護

DCS控制養(yǎng)護系統(tǒng)對構件進行養(yǎng)護，養(yǎng)護系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測傳感器通過5G網(wǎng)絡向DCS上報環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，DCS調整養(yǎng)護系統(tǒng)參數(shù)、穩(wěn)定養(yǎng)護系統(tǒng)環(huán)境。

·智能質檢

5G視覺質檢應用部署于成品取碼區(qū)，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(qū)。

（3）5G工業(yè)視覺提升質檢效率、保障生產(chǎn)安全5G工業(yè)視覺系統(tǒng)由工業(yè)相機/工業(yè)攝像機、5G網(wǎng)絡、圖像識別應用、模型訓練系統(tǒng)構成。工業(yè)相機/工業(yè)攝像機實現(xiàn)現(xiàn)場圖像或視頻采集，5G網(wǎng)絡提供高速上行通道，圖像識別應用根據(jù)確定的訓練模型，對采集圖像進行推理預測，實現(xiàn)成品構件質量檢測或生產(chǎn)/員工安全監(jiān)測，模型訓練系統(tǒng)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(shù)據(jù)預處理、數(shù)據(jù)標注及訓練生成數(shù)據(jù)模型的功能。

起板機完成起板后，DCS通過5G網(wǎng)絡指示工業(yè)相機對待檢測部品部件拍照并將照片通過5G網(wǎng)絡發(fā)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(fā)送給DCS，DCS指示傳送裝置將質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)攝像機實時采集視頻發(fā)送給部署在邊緣計算平臺上的出貨區(qū)負荷檢測智能應用。出貨區(qū)負荷檢測智能應用對視頻進行分析，當檢測到出貨區(qū)積累的成品數(shù)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(qū)。

在車間部署若干高清攝像機，對車間內(nèi)員工的生產(chǎn)活動進行監(jiān)督。攝像機將采集的視頻通過5G網(wǎng)絡發(fā)送給部署在邊緣計算平臺上的智能安監(jiān)應用。智能安監(jiān)應用可以實時監(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)域實時監(jiān)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(wǎng)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(chǎn)進行深度融合，成功地應用在預制混凝土墻板類構件生產(chǎn)工廠，提供大帶寬、高可靠的網(wǎng)絡連接和超強的計算能力，滿足工廠的網(wǎng)絡化、智能化升級轉型需求，為提高生產(chǎn)效率和質量水平、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性和實用性。

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型升級，實現(xiàn)生產(chǎn)方式和企業(yè)形態(tài)根本性變革，引領裝配式建材生產(chǎn)行業(yè)高質量發(fā)展。艾靈網(wǎng)絡聯(lián)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(chǎn)工廠中進行推廣，后續(xù)將推廣到建材領域的其它細分行業(yè)。同時，基于該解決方案的建材行業(yè)聯(lián)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(yè)其他企業(yè)推廣。

摘自《自動化博覽》2022年2月刊