基于5G 边缘计算的浪潮智慧工厂
发布时间：2020-04-29 13:22:10
2019年对50多个国家重点城市调查显示，超过半数城市工业企业利润负增长。原材料价格攀升，用工、用地、环保等生产成本上升，工业品通缩压力双向挤压企业盈利空间。而开年以来，受疫情限制，在使用工人和采用传统生产、管理手段比较多的企业中，由于工人不能如期复工，生产经营受到极大影响。
1 背景介绍
2019年对50多个国家重点城市调查显示，超过半数城市工业企业利润负增长。原材料价格攀升，用工、用地、环保等生产成本上升，工业品通缩压力双向挤压企业盈利空间。而开年以来，受疫情限制，在使用工人和采用传统生产、管理手段比较多的企业中，由于工人不能如期复工，生产经营受到极大影响。
与此同时，传统企业又在生产、运维及安全等方面存在设备互联互通难、数据采集难、无法实时控制、智能性低、安全可靠性有风险等问题。
面临内忧外患双重压力，实体工业亟待5G、边缘计算、人工智能等技术结合落地。5G具有大带宽（eMBB）低时延（uRLLC）、海量连接（mMTC），其中专为大规模物联网应用而发展的mMTC，以及能满足各种实时通信需求且可靠度更高的uRLLC，可以更好满足工业场景的需要。
浪潮作为国内服务器龙头企业，携手山东移动，以国内服务器领域第一条信息化高端装备智能制造产线所在地——浪潮智能工厂为试点，基于运营商5G网络的高速率、低时延、海量连接的特性，结合浪潮边缘计算平台的能力，共同将浪潮产业园打造成“5G+智慧工厂”。
2 案例实施与应用
浪潮智能工厂是服务器领域第一条信息化高端装备智能制造产线，是一座集智能化、自动化、模块化、数字化、精益柔性制造于一体的智能模范工厂。在这里，不同生产单元之间，所有的物料运输都由AGV、RGV和激光叉车完成，可提供100+类型定制化服务器产品。
在浪潮济南产业园服务器生产工厂，建设了5G+边缘计算的新型ICT基础设施，工厂融合了智能制造和互联网+的设计理念，面向客户需求实现了网络下单、定制设计、柔性生产和全流程智能化控制。
浪潮新型ICT基础设施包括5G网络、边缘计算平台、视频网联平台，基于基础设施打造智能巡检、AGV调度系统、一体化智能运营管理系统三大场景，加速工厂智能化生产及自动化运营管理。
打造新型ICT基础设施，支撑上层应用
云网边端一体化架构：针对工业联网设备存在通信协议不统一、协议标准众多且数据传输稳定性及安全性等问题，浪潮智能工厂面向工业现场级边缘计算应用场景，基于X86架构和ARM架构开发定制的通用型设备5G工业互联网网关，可面向不同场景适配不同硬件接口，满足工业差异化的应用需求，封装主流PLC厂家协议，通过平台SDK方式，将数据回传至边缘计算平台，打造云网边端一体化系统架构。
视频网联平台：将视频网联平台部署在边缘计算平台上，利用5G边缘计算能力，丰富了移动视频采集能力，可通过5G网络回传视频。
边缘计算平台：浪潮依托运营商5G网络，将计算能力与网络能力抽象成服务对外开放，实现云网协同、云边协同、云端协同，支撑行业应用灵活、高效地部署到网络边缘，满足高速率、低时延、业务本地化的应用创新需求。
5G SA核心网：浪潮智能工厂5G SA核心网基于SBA服务化架构，使能敏捷高效地创建“网络切片”，不同的切片应对工业的多样化的5G案例，网络切片通过灵活的网络资源组合，为工业的5G应用保障不同的QoS，可大大提升网络服务质量，并可降低部署成本。5G SA核心网的用户面和控制面彻底分离，使能UPF（用户面功能）实现下沉和分布式部署。这种分离架构，使MEC（多接入边缘计算）成为可能，并分布式部署于网络接入侧、本地侧、汇聚侧和核心侧。分布式的UPF/MEC意味着内容和服务将从互联网走进移动内网，使之更接近用户侧，从而减少网络传输时延，并减轻核心网和骨干传输网络负担，可实现工业自动控制、远程控制、AR/VR等低时延、大带宽5G应用。
智能化应用及管理，保障生产高效运行
智能巡检：依托运营商5G网络能力和浪潮边缘计算能力，为巡检机器人提供更稳定的信号连接，并且在边缘侧部署地图共享、路线规划、调度管理等应用能力，实现巡检机器人的远程控制和调度，同时巡检机器人搭载高清摄像头，通过5G网络回传实时高清巡检画面、设备信息等数据，系统通过对采集到的数据进行人工智能分析，判断熟化车间内设备是否存在异常。后台人员可对巡检机器人进行远程实时控制，针对熟化车间设备进行重点巡查，节省大量人力物力。
AGV调度系统：相比于4G和wifi，5G网络能够为AGV运输车提供更稳定的信号连接，而且在边缘侧部署导引定位、路线规划、任务调度、运动控制、信息融合等应用能力，利用边缘计算强大的计算力，部署AGV调度系统，解耦上位机，提供更灵活，更轻量化的AGV解决方案。
一体化智能运营管理系统：浪潮智能工厂利用5G+边缘计算的实时渲染能力建立3D数字沙盘，利用XR平台能力建立工厂大屏，新增高位监控摄像头对全厂进行无盲点监控，可以给巡检机器人提供视频流数据，并作为沙盘视频流采集设备。通过5G网络将实时采集到的数据呈现在工厂大屏上，实现面向工厂数据管理的控制平台，平台能够实现运行PLC系统的各项关键数据进行综合展现，支持从基础设施、数据分析管理等多个维度进行日常运行监测与管理，以及突发事件下的应急指挥调度管理。
3 效益分析
视频网联平台结合5G网络和浪潮边缘计算能力，将视频计算、存储前置到边缘机房处理，使大量数据在本地处理，端到云的访问频率减少80%以上，从而减少了建设成本,提高视频网联服务平台的处理效率和服务能力。边缘计算平台的部署，实现数据不出工厂，有效保证工厂数据安全，同时利用5G低时延的传输能力，结合部署到工厂的边缘计算平台能力，可以在毫秒级完成前端采集到后端数据传输，数据分析处理。
针对5G网络安全问题，5G SA组网架构下UPF可以专注于转发，提升转发效率，另一方面控制面位于核心DC处（安全性可靠性得到保障），而UPF可以下沉到边缘侧，与MEC结合，降低传输时延、减少带宽压力。为解决5G中存在的安全问题，常用的方式是部署安全服务链。安全服务链按照一定的顺序串接各种虚拟（或物理）安全设备，对5G网络切片进行安全防护。根据用户需求，vSF（Virtualized Security Function，虚拟安全功能）部署于5G中的不同位置，可以专属于某一个网络切片，也可以是多个切片共用。当vSF部署于DU和CU之间时，可以处理来自无线侧的DDoS；当vSF部署于UPF和外部网络之间时，可以处理来自外部网络（如Internet）的攻击；当vSF部署于控制面切片内，可以监听网元间的流量。通过在5G网络中引入安全服务链，可以有效了提高整个网络的安全性和可靠性。
以5G技术的高速率、低时延高可靠和移动边缘计算等特性，与大数据、物联网、人工智能技术进行有机的结合，以数据为核心，打造企业大脑，赋能工厂安全、管理、经营和服务环节，加速实现智能制造，全面赋能工业企业数字化转型。
4 结语
在浪潮产业园内，建设基于5G边缘计算的智能工厂，利用5G的高速率、低时延、高可靠特性以及边缘计算平台能力，实现工厂智能化生产及运营管理。自落地实施以来，大大提高自动化管理能力，提高工厂运营效率，资源利用率提升约62.4%，产能提升9.8%，产品下线一次合格率提升0.8%，平均库龄减少一个月。同时自动化设备能够保障24小时稳定生产，节省人员投入成本，人员伤害等生产事故的发生概率降低，保障安全生产，成效显著。
基于5G的边缘计算适用范围广，不仅可用于智慧工厂的智能化建设，其成果可全面应用于新型5G数字化经济建设工作，具有以下效益：
创新：促进技术创新，差异化业务灵活承载，促进工厂制造业等的智能化建设。
降本：实现智能化生产及运维，降低运维人员成本；合理利用资源，降低资源成本。
增效：提高运行效率及运维效率、提升用户应用体验。
安全：边缘计算能力保障数据隐私，提高数据安全性；安全生产，减少生产事故。
2020年2月6日，应国家某疫情防控信息系统建设及部分省市疫情防控应急需求，经山东省工信厅批准，浪潮集团智能工厂紧急复工，生产供国家调度的用于防疫的服务器等信息化产品，为全国疫情防控信息系统建设提供支撑。短短一周时间完成国家1500台服务器订单任务交付，依托5G边缘计算、大数据、人工智能等信息科技手段助力打赢这场防疫阻击战。
5G网络技术领先是5G成功的基础，5G应用技术领先是5G成功的关键。作为有着长期的行业数字化转型实践、能够融合云数智技术和良好的生态整合能力“云+数+AI”新型互联网企业，浪潮将加快5G与行业结合能力，助力行业数字化转型。
摘自《自动化博览》2020年3月刊
