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★內蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司潘新剛，胡劍

★湖南大學電氣與信息工程學院宋天棋，雷捷維

隨著全球市場競爭的加劇，制造行業面臨著更高要求，包括提高產品質量、增加生產效益、降低成本和減少資源消耗等。為了應對這些挑戰，制造企業借助新興技術如物聯網、大數據、3D打印和云計算等不斷革新制造技術，實現生產過程的透明化、智能化和全局優化。這引發了智慧制造浪潮，以全球化、信息化、智能化和綠色化為發展方向，得到世界主要制造國家的高度重視。在歐美發達國家，智能工廠作為產業革命的核心受到廣泛研究和重視[1-4]。德國通過“工業4.0”計劃，研究智能化生產系統和網絡化分布式生產設施，以實現制造業智能化轉型。美國政府提出一系列制造業振興計劃，大企業如通用電氣、思科等也成立工業互聯網聯盟，推動了物理世界和數字世界的融合。在中國，面對成本上升和傳統比較優勢減弱的挑戰，政府提出了“中國制造2025規劃”，推進了信息化與工業化的深度融合。以云計算、物聯網和大數據等新一代信息技術為代表，提升了中國制造業水平[5~6]。學術界也有相關研究，如云制造、制造物聯等，但仍存在局限性。

智能工廠是新一輪產業革命的最終成果，不同于云制造和制造物聯，它是對工廠自身運行狀況的深入了解，并自發形成新的生產運行模式的智慧存在。智能工廠需要在制造物聯基礎上，通過數據分析發現工廠運行規律，實現智能化決策，并將其封裝為智能化服務，最后通過云端敏捷配置實現服務協同，形成工廠的新產物。

智能工廠在發展過程中面臨著一系列問題，其中以設備之間的通信速度問題為主要挑戰[7-10]。就設備通信速度而言，目前大多數智能工廠的網絡通信能力較差，仍有超過90%的工廠在使用4G網絡。這導致在一些智能工廠中，工廠網絡問題可能會導致生產速度放緩甚至暫停生產線。特別是對于那些依賴機器人和機械臂進行生產搬運的工廠，對網絡通信速度的要求更為苛刻。

本文以呼鋁電智能工廠為研究對象，在研究過程中，首先分析了智能工廠的發展現狀，了解到存在設備通信速度慢、生產信息獲取水平不足等問題。針對這些問題，本文提出了一種結合5G通信技術與物聯網技術的智能工廠實現方案，以此來提高設備之間的通信質量和通信效率，從而促進智能工廠相關研究的發展。

1 相關技術概述

1.1　5G通信技術

5G通信技術是第五代移動通信技術，具有體積小、速度快、功能強大、可靠性高的特點。如表1所示，相比于4G的通信技術，它具有更高的傳輸速度、更低的延遲、更大的網絡容量以及更好的連接穩定性[11]。這使得5G技術能夠支持更多的智能設備和物聯網應用，包括智慧城市、自動駕駛、遠程醫療、工業自動化等領域[12,13]。5G通信技術的特點包括內容分發、軟件定義、全雙工和共頻、網絡自組織以及多輸入多輸出等。這些特點使得5G技術能夠更好地適應不同場景下的通信需求，并提供更加穩定和高效的通信服務。在全球范圍內，各個國家和地區都在積極推動5G網絡的建設和應用，以推動數字經濟的發展，促進社會信息化進程?？偟膩碚f，5G通信技術作為下一代移動通信技術，將對人們的生活、工作和社會發展產生深遠影響，為構建智能互聯的未來社會打下基礎。

表1 4G/5G性能對比

1.2　物聯網技術

物聯網技術是指通過互聯網將各種實體對象互相連接起來，形成一個互相關聯的網絡[14,15]。近30年來，隨著物聯網技術在學術界的迅速發展，人們開始理解并接受了物聯網的概念。其核心在于感知、通信和智能化處理。感知層負責采集各種物理量和環境信息，如溫度、濕度、光照等；通信層將這些信息傳輸到云端或其他設備進行進一步處理；智能化處理層對數據進行分析和加工，提取有用信息并做出相應決策，其通信協議包括Zigbee、藍牙、GPRS和NBIoT。常見應用包括煙霧傳感器、智能路燈、智能水電表、溫度傳感器等設備。到目前為止，物聯網技術已在智慧城市、工業自動化、智能交通、智能醫療、智能家居等領域得到廣泛應用。

1.3　智能工廠

智能工廠是指利用先進的信息技術、自動化技術和智能化設備，實現生產流程的智能化、柔性化和高效化的工廠。它充分整合了物聯網、大數據、人工智能等新一代信息技術，并通過數字化、網絡化和智能化手段來優化生產過程和管理模式。智能工廠的建設旨在提高生產效率、質量和靈活性，降低成本，實現可持續發展和市場競爭力。

智能工廠的技術架構體系應包括五個層次（如圖1所示），即應用層、應用接口層、核心服務層、資源層和數據采集層。智能工廠的原理是通過將傳感器、執行器、控制系統和信息系統相互連接，實現設備之間的實時數據傳輸、信息共享和智能決策。通過實時監測和分析設備運行數據，可以實現設備狀態預測、故障診斷和自動調節，提高了生產效率和產品質量。同時，智能工廠還可以實現生產過程的柔性調度和自適應控制，以適應市場需求的變化和個性化定制的要求。

智能工廠的特點主要包括以下幾個方面：

自動化生產：智能工廠采用先進的機器人、自動化裝備和智能化生產線，實現生產過程的自動化和智能化。通過自動化設備的應用，可以提高生產效率、降低勞動強度，并且適應多品種、小批量、快速變化的生產需求。

數據驅動決策：智能工廠實現了生產過程的數字化和信息化，并通過大數據分析和人工智能技術，對生產數據進行實時監測、分析和預測，實現了智能決策和優化控制，提高了生產效率和產品質量。

資源高效利用：智能工廠通過設備狀態監測和故障預測，實現了設備維護的精準化和預防性維護，最大限度地提高了設備利用率和生產資源的利用效率。

2　呼鋁電智能工廠控制系統的需求分析

為滿足工業生產智能化的需求，呼鋁電公司需要建設一套智能工廠控制系統，用于管理生產、巡檢、測試、故障處理等工作事務。其中，智能工廠控制系統包括建設廠區范圍內5G定制網、智能工廠管控平臺、巡檢管理系統、廠區GIS管理平臺等。

（1）建設5G定制網

建設內容包括新建5G基站覆蓋全廠區工作區域，實現廠區的生產專網業務與大網隔離，保證生產數據安全。搭建廠區范圍內5G定制網，通過專用接口與新建智能工廠管控平臺相連接。

（2）智能工廠管控平臺

智能工廠管控平臺是一個綜合管理系統，其支持多種功能和模塊，可以提高工廠的安全性、生產效率和管理效能。其中視頻監控功能，通過攝像頭實時監測工廠內的各個區域，幫助管理人員及時發現異常情況并進行處理。此外，平臺還支持安全告警信息的展示與管理，當出現安全隱患或緊急事件時，可以通過系統發送告警信息給相關人員，以便及時采取應對措施。巡檢管理模塊可以幫助管理人員制定巡檢計劃、記錄巡檢情況，并提供巡檢報告，以確保設備和設施的正常運行。最后，平臺還提供綜合分析報表功能，通過數據統計和分析，幫助管理人員了解工廠運營情況，發現問題并進行決策和改進。

（3）巡檢管理系統

巡檢管理系統是智能工廠管控平臺的重要組成部分。巡檢管理系統具有語音視頻對講功能，可滿足PC客戶端、手機客戶端通過前端攝像頭進行語音或視頻溝通的需求，系統每月定期生成設備巡檢及技術測試任務，并管理巡檢人員的操作規范。

（4）廠區GIS管理平臺

廠區GIS管理平臺可以滿足智能工廠管控平臺對地理數據進行各種維護的需要，包括創建、修改、瀏覽和發布地圖數據元。員工可以使用它來顯示廠區的各種設施、管線、設備和資源，以及周邊環境信息。它還可以集成物聯網、視頻監控和告警消息等功能，并可將這些信息在地圖上展示。

3　呼鋁電智能工廠控制系統的設計與實現

呼鋁電智能工廠控制系統架構如圖2所示，分為兩部分：（1）硬件部分是搭建一套適用于工廠內部通信需求的5G定制網；（2）軟件部分是構建一套結合5G相關技術的智能工廠管控平臺。

3.1　5G定制網

5G定制網的構建包含如下模塊：5G基站、UPF服務器和MEC服務器。

3.1.15G基站

5G基站是指用于支持第五代移動通信技術（5G）的基礎設施[16,17]。它是一種無線通信系統，用于連接移動設備（如智能手機、平板電腦和物聯網設備）與互聯網?；就ǔＳ商炀€、傳輸設備和網絡控制單元組成，負責接收和發送無線信號，并將數據傳輸到核心網絡中。與4G基站相比，5G基站具有更高的帶寬、更低的延遲和更大的容量；并且它使用了更高頻率的無線頻譜，以實現更快的數據傳輸速度和更好的網絡性能。BBU（基帶單元）和AAU（無線訪問單元）是5G基站中兩個重要的組成部分。

5G基站BBU：BBU負責數字信號處理和基帶處理，其中包括對信號的解調、調制、編碼、解碼等處理。BBU一般位于基站室內，負責處理基站的數字信號，然后將處理后的信號通過光纖傳輸到室外的無線訪問單元。本文選用的BBU支持TDDNR制式，滿足環境溫度和濕度要求，能夠防水防塵，并且支持網絡管理功能，包括配置管理、故障管理、性能管理、版本管理、通信管理和安全管理等。

5G基站AAU：AAU負責射頻信號處理和天線的驅動控制，包括對射頻信號的放大、濾波、變頻等處理。AAU一般位于基站室外，負責將處理后的射頻信號通過天線發送到用戶設備，或者接收來自用戶設備的射頻信號。本文選用的AAU支持Massive MIMO/3D-MIMO，64T64R，工作帶寬為120MHz，信道帶寬支持20/40/50/60/80/100MHz，天線支持64個天線端口。

3.1.2UPF服務器

UPF服務器是5G網絡中的一個重要組成部分，它主要負責用戶數據的傳輸和處理。UPF服務器位于5G核心網和無線接入網之間，是一種分布式的網絡設備，可以根據網絡負載動態地分配和調度用戶數據。UPF服務器參數如下：CPU為2Inte1 5218R處理器（20Cores，2.30 GHz），內存為384G，硬盤為2.5 SATASSD，UPF功能支持數據轉發與路由功能，支持策略接收與執行功能，包括預定義規則和本地規則的執行。其通過策略執行功能可實現流量門限控制、限速、用量監控、用量上報等。

3.1.3MEC服務器

MEC服務器是部署在移動通信網絡邊緣的服務器，用于提供邊緣計算服務。其主要作用是在網絡邊緣位置為移動用戶設備提供更低延遲、更高帶寬和更可靠的應用和服務。

MEC平臺PaaS服務：支持MEC平臺與中心云間的網絡貫通和管理、數據協同，為應用提供云邊AI協同、存儲協同等定制能力；同時具有智能網關、工業設備、物聯網終端的管理能力，支持從主頁面切換到不同的分廠區，對各分廠區進行邊緣云網資源、PaaS能力和SaaS應用的部署加載、運營運維等。

MEC平臺NaaS服務：能夠對5G邊緣網絡IP地址、5G邊緣網絡帶寬進行分配和管理；支持查詢UPF所在虛擬機的CPU、內存、運行狀態等信息；能對邊緣終端信息進行查詢及管理，包括終端手機號、終端IMSI、終端IP地址、終端在線狀態、上線時間、在線時長、上下行速率、上下行流量統計等；實現基于用戶級的系統賬號/企業信息管理、終端管理、應用管理。

3.2　5G智能工廠管控平臺

3.2.1底層算法服務

（1）基礎服務集成架構

基礎服務集成框架是一個支撐系統運行和管理的基礎架構，包括應用管理、開放接口、算法倉庫和集群容災等功能。應用管理提供了應用生命周期管理和應用日常運維兩個方面的支持，包括資源管理、應用部署、服務治理、彈性伸縮、安全管理、配置管理、監控和日志管理等。開放接口分為南向接口和北向接口，用于與前端設備和第三方平臺進行接入和對接。算法倉庫用于存儲和管理各種算法模型，以供業務應用調用和使用。集群容災要求系統能夠啟用云化集群工作模式，保證在任意節點故障的情況下，其他節點能夠迅速接管其工作，并在故障節點恢復后將工作交還給原有節點，以確保系統的高可用性和數據的可靠性和連續性。通過以上功能的支持，基礎服務集成框架能夠提供一個穩定、高效、可靠的運行環境，為上層業務應用提供了良好的支持和保障。

（2）視頻圖像管理服務

視頻圖像管理服務提供系統管理、實時監控、錄像管理、電視墻管理、智能前端管理和圖片管理等能力，保障了視頻圖像數據的高效管理和安全存儲。同時它還具備平臺互聯和開放服務功能，支持與第三方平臺的連接和業務集成，這意味著用戶可以將該服務與其他系統或平臺進行無縫集成，實現了數據共享和業務協同。該服務采用云化集群工作模式，使其具有集群容災能力，確保了系統的可靠性和連續性。

（3）視頻圖像解析與檢索服務

視頻圖像解析與檢索服務是智能工廠管控平臺中不可或缺的組成部分。它由多個服務組件構成，包括GPU加速分析、軟解碼分析、非結構化數據存儲檢索、結構化數據存儲、數據推送與告警發布、NoSql服務、消息中間件服務、分布式一致性服務、能力開放服務、負載均衡器服務和運維管理服務等。這些服務支持深度特征提取計算、行為分析、視頻搜索等功能，并提供人臉、人體以圖搜圖特征檢索等能力。

3.2.2巡檢管理系統

巡檢管理系統是一款基于智能終端、語音視頻對講和云計算技術的專業巡檢管理服務。該服務通過自定義配置生產設備的巡檢檢查項，自定義配置生產設備的巡檢路徑，制定巡檢計劃，從而實現對生產設備及物資的全面巡檢和管理。同時，該系統還能夠通過智能終端實現與智能工廠管控平臺進行語音視頻對講的功能，從而滿足PC客戶端、手機客戶端通過前端攝像頭進行語音或視頻溝通的需求。系統能夠監控巡檢任務進度，實現全流程閉環管理，并支持日志記錄和數據查詢，能夠對數據流量記錄、電池電量記錄、通話信息、媒體上傳記錄、模塊運行、系統統計記錄進行查詢。此外，系統還提供實時更新并顯示人員當前運行狀態，包括速度、方向、經度、緯度、定位時間等信息。通過以上功能的支持，巡檢管理系統能夠提高巡檢效率和管理水平，為企業的生產管理提供了良好的支持和保障。

3.2.3廠區GIS管理平臺

廠區GIS管理平臺是功能強大的地理信息管理系統，它提供了豐富的功能，包括地圖數據元的創建、修改、瀏覽和發布等操作。這個系統平臺允許用戶創建點、線和面三種類型的圖層，并且支持自定義符號庫，讓用戶可以根據需要定制攝像機和報警器的符號。此外，該平臺還提供了地圖瀏覽和量算功能，讓用戶可以對地圖進行放大、縮小和平移等操作，并且可以進行距離、面積等測量。

另外，該平臺實現了物聯網的集成，將物聯網監控點的位置信息配置到地圖上，通過點擊標記點能夠快速調用物聯網監控數據。平臺還實現了告警消息的集成，當攝像頭、物聯網設備或用戶APP產生告警時，相關位置信息會與GIS關聯，并在地圖上實時彈窗展示告警信息。

4　呼鋁電智能工廠控制系統的測試與評價

上文介紹了呼鋁電智能工廠控制系統的設計與實現。為了驗證該方案的可行性和有效性，下文對系統進行了功能測試與5G專網性能測試，并分析驗證了系統的實用性和有效性。

4.1　系統功能測試

在智能工廠控制系統實現后，首先進行系統功能測試。測試結果表明系統能夠滿足相關功能需求。主要的測試示例如表2所示。其中，智能工廠控制系統的主要功能包括視頻監控、巡檢管理、安全告警信息展示等。測試結果顯示，智能工廠控制系統已能夠正常運行并進行業務處理操作。

4.2　5G專網性能測試

5G專網性能測試結果如表3所示。其中，測試地點為廠區內部的一廠區工作區、二廠區工作區電解車間，測試指標為PING成功率、PING包平均時延、單用戶下行平均速率、上行平均速率、單用戶下行NR峰值速率、單用戶上行NR值速率。從測試結果可以看出，5G專網的性能達到智能工廠控制系統的建設要求，符合預期目標。

表2 系統功能測試

表3 5G專網性能指標

5　總結

本文聚焦于智能工廠的研究與應用。當前智能工廠在發展過程中仍面臨諸多挑戰，如設備通信速度問題和生產智能化水平不夠等，其中又以通信速度問題為主要瓶頸。針對這個問題，本文以搭建呼鋁電智能工廠控制系統為例，提出了一種結合5G通信技術與物聯網技術的智能工廠控制系統實現方案，并分析驗證了系統的實用性和有效性。測試結果表明，該系統在實際場景中具有良好的應用效果，為智能工廠的相關研究提供了很好的參考案例。

★基金項目：國家自然科學基金資助項目（62171184）。

作者簡介：

潘新剛（1984-），男，山西臨汾人，工程師，學士，現就職于內蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司，主要研究方向為電氣自動化。

胡　劍（1975-），男，山東淄博人，高級工程師，學士，現就職于內蒙古大唐國際呼和浩特鋁電有限責任公司，主要研究方向為冶金工藝優化。

宋天棋（1998-），男，湖北十堰人，碩士，現就職于湖南大學電氣與信息工程學院，主要研究方向為模式識別與復雜算法。

雷捷維（1994-），男，廣東臺山人，博士，現就職于湖南大學電氣與信息工程學院，研究方向為長期時間序列預測。

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摘自《自動化博覽》2024年4月刊