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基于5G+区块链技术+边缘计算的低时延解决方案

发布时间：2021-03-12 17:03:43

随着5G和工业互联网的快速发展，超高清视频、AR/VR、机器视觉、远程控制、无人机、云化AGV、云端机器人等技术在智能制造领域不断快速落地应用，庞大的业务量对终端的算力和时延提出了更高的要求。但因智能制造场景复杂,传统的云计算技术已经无法满足终端侧“大连接，低时延，大带宽”的需求，如果用常规模式构建物联网，随着设备的迅速增加，网络边缘侧所产生的数据量级将非常巨大。这些数据如果都交由云端的管理平台来处理，将会造成①现实网络流量压力巨大、②设备运行时延性拉长、③实施协同工作难以保证、④特殊信息的数据安全风险大增。而边缘计算恰好可以为这些问题带来解决方案。

解决方案名称：基于5G+区块链技术+边缘计算的低时延解决方案

申报单位或企业：中国移动通信集团浙江有限公司 

一、行业所面临的挑战

随着5G和工业互联网的快速发展，超高清视频、AR/VR、机器视觉、远程控制、无人机、云化AGV、云端机器人等技术在智能制造领域不断快速落地应用，庞大的业务量对终端的算力和时延提出了更高的要求。但因智能制造场景复杂,传统的云计算技术已经无法满足终端侧“大连接，低时延，大带宽”的需求，如果用常规模式构建物联网，随着设备的迅速增加，网络边缘侧所产生的数据量级将非常巨大。这些数据如果都交由云端的管理平台来处理，将会造成①现实网络流量压力巨大、②设备运行时延性拉长、③实施协同工作难以保证、④特殊信息的数据安全风险大增。而边缘计算恰好可以为这些问题带来解决方案。

5G通信的超低时延与超高可靠要求，使得边缘计算成为必然选择，从技术角度看，边缘计算是IT和CT深度融合的产物；从市场角度看，边缘计算是5G面向垂直行业发力的重要利器。边缘计算可解决集中部署的云计算带来的时延过长、带宽占用问题，更好地服务于实时性要求较高和带宽要求较高的业务。同时，边缘计算也面临身份认证、数据安全、隐私保护等难题，而区块链技术的特性可以实现边缘计算的安全体系。

因此，引入5G边缘计算、区块链、网络切片等新技术，运营商可以为行业客户提供更专业、更安全的云网一体化新型智能基础设施和轻量级、易部署、易管理的解决方案，助力行业企业向数字化、自动化生产、智能化方向演进。

二、解决方案总体概述

为助力企业实现生产设备更智能以及生产管理更智能，打造更柔性的生产线，并将分布广泛的人、机器和设备连接起来，构建统一的工业互联网络。同时，在新的网络架构下，除了要保障智能化生产的连续性、可靠性，以及关注智能设备、控制设备的安全性以外，还要加强对云端网络、应用和工业大数据的安全防护。

基于此背景下，浙江移动提出了基于5G+区块链技术+边缘计算的低时延解决方案，打造5G精品虚拟专网，用于工业控制、指导生产的SCADA、MES等生产系统部署到统一的边缘计算环境中，为工控设备安装5G模组，实现工业设备的无线化部署及远程管理，工控设备及边缘云之间通过5G互联，实现数据传输。同时，边缘计算环境中可部署大数据服务，质量检测、预测性维护、图像识别等AI应用能力，实现数据的边缘分析处理，减短由数据传输速度和带宽限制所带来的延时，满足工业处理时延诉求。此外，运用区块链、标识体系等先进技术手段，打造以标准专利、产品溯源为全程保障的全要素工业互联网区块链服务平台。该解决方案当前已应用于某集团5G云链智慧园区项目等。

三、解决方案实现功能

1、构建5G虚拟企业专网

采用5G虚拟企业专网，借助MEC技术实现园区数据资产私有化及创新环境搭建。

2、5G+机器视觉应用

在生产线安装各类工业高速摄像机、高灵敏度传感器，借助视觉算法在边缘云端部署，发展缺陷识别、图像检测、视觉定位、物体测量、物体分拣等智能化应用。

3、5G云化AGV应用

利用5G低时延特性，实现 AGV管理平台实时下发控制指令，确保产线上AGV机器人按照指令进行货物收货、分拣、入库、搬运、出库等操作。

4、边缘云基础平台

提供边缘基础云平台，根据需求进行弹性分配，并确保资源使用的安全与隔离，为用户提供完善边缘云基础设施服务。通过实时监控边缘云微服务的业务变化，结合相应的调度算法为微服务分配相应的底层资源，从而使边缘云服务可以自动适应业务量的变化。

5、边缘计算管理平台

提供边缘计算资源管理，终端设备（网关）管理，数据管理，业务可视化编排，策略管理，告警及事件管理。

6、多链多应用构筑新型供应链平台

由传统供应链模式转变为区块链多链多应用模式结合溯源链，塑造跨厂家、跨应用、多用途、安全可溯、高效便捷的企业工业互联网支撑平台。

该解决方案为客户提供了端到端切片的企业专网。通过在公司核心网之上部署公司私有云，借助5G的高性能无线传输功能，实现各边缘端与私有云信息同步，进而实现聚酯长丝生产过程订单数据、工艺数据、设备数据、产品数据、检测数据的云端统一管理。同时，运用区块链、标识体系等先进技术手段，打造以标准专利、产品溯源为全程保障的全要素工业互联网区块链服务平台。  

代表性及推广价值：

一、解决方案应用情况及效果

某集团积极推动自身上云建设，通过云计算、自主控制和联网以及人、机器与信息的互相联接将制造系统融为一体，实现化纤制造业与云平台的融合。目前，集团在基础设施、生产制造、经营管理三个方面开展上云工作，实现云上作业。

1、基础设施（5G组网+切片+边缘计算资源）

（1）5G组网搭建，保障业务流转

搭建5G组网，支撑数据流转，消除信息孤岛，确保数据及生产稳定运行。扩展宿主机服务器，一期建设容量超500T,有效满足企业上云的设备需求。

（2）与浙江移动嘉兴分公司合作打造 “专有私网”

5G基站+边缘计算建设可实现5G信号园区全覆盖，将5G核心网中的UPF网元下沉至园区和汇聚机房，在园区机房内部署MEC边缘计算服务器。此外强化网络切片建设，根据不同业务需求做网络切片，根据保密等级不同进行分流处理，保障数据安全与业务稳定。

2、生产制造（产线溯源、运输线路优化、工业AI视觉、智慧仓储、机床上云）

（1）产线上云智能化，降本增效，安全生产

将产线智能化，以产品标识解析为主线，全面打通生产和经营的信息链，通过数据+装备实现生产全链条的智能化，进一步提升柔性、绿色的智能生产能力，降本增效，安全生产。

（2）云平台自动进出厂车辆数据采集

集成各公司地磅系统，对液体及固体原料、辅料进厂操作按事件进行记录与管理，数据准确性提高10%以上。

（3）云平台计算自动配载服务

优化线路，产品配送速率提升20%

（4） 飘丝智能监控上云创新应用

5G智能监控机器人解决飘丝飘杂问题，改变了眼观手摸检测方式，降低了劳动强度，填补了行业空白，全面应用预期提升优品率0.3%，直接受益年超千万元。

（5）仓储物流上云

解决传统的仓库存储以及简单的仓储系统的不足，增加库存存储量，货物出库效率，以及加强系统管控能力，人力减少15人，效率提升40%，安全得到保障。

（6）企业生产机械设备上云

智能装备投入，车间自控投用率达90%以上，自动落丝系统使得设备利用率提升5-25%,人力资源减少1-10%，维修维修效率提升5-30%，交货速度提升1-2倍，库存减少10-50%。

3、经营管理（工业大脑+为经营管理提供科学的决策支持）

通过5G+工业大数据一体化智慧云平台，加快5G网络部署应用，为平台赋能、产业赋能，促进化纤主业生产制造转型升级，助力发展智慧物流（丝路易达）、电子商务（敦煌易购）新业态，实现办公、经营、销售物流全流程智能化管控，示范和引领5G+化纤行业产业发展。

（1）经济效益

化纤行业5G+工业大数据一体化智慧云平台应用大大的提高了企业产品产量和生产效率，降低生产成本，增强生产制造柔性化，满足多变缓急的订单需求。我国化纤产能接近3000万吨，按照客户的市场占有率30%来计算，可以推广50-80套系统，预计智能改造形成产值100亿元以上，可以带动行业2000亿化纤传统产能转型升级，快速发展。

基于边缘云的工业区块链融合服务平台，将采购、生产、销售、物流进行一体化管理和运营，通过该平台新模式应用带来更高效的企业生产联动和快速精准的异常响应，将有效产能提升30%以上，带来的运维成本的降低15%，大大提升企业竞争力。

（2）国家经济效益

高分子材料在未来将会成为基础材料行业的发展重点和热点。本项目将大幅度提高聚酯纤维类高分子材料的生产质量和效率，满足我国功能性高分子材料市场需求，推动国家功能性高分子材料工业政策的实施进程，为我国高分子材料企业树立一个智能制造新模式应用的模板和标杆，还可为各类智能工厂所涵盖的智能化技术提供应用示范平台，全方位推动国家功能性高分子材料工业经济效益的提升。

（3）社会效益

为客户建成浙江省乃至全国功能性纤维新材料制造业智能化发展的先行区、智能装备产业应用的示范区，打造成具有国际竞争力的功能性纤维新材料智能制造标杆领军企业。

二、解决方案创新点

创新点如下：

（1）5G组网+工业大数据创新

化纤行业5G+工业大数据一体化智慧云平台首次实现了移动云链业务与5G MEC组网方案融合，是浙江移动目前较大规模的私有云组网架构。结合5G组网技术与化纤企业工厂布局，将整个化纤企业智能工厂的5G网络环境分为4个区域，分别为前端区域（工控终端）、传输区域（无线宏站，室分，MEC）、云平台区域（企业私有云）、内网区域。

其中，前端包括工控设备，各类传感器等，传输包括无线宏站室分、MEC网络。通过在公司核心网之上部署公司私有云，借助5G的高性能无线传输功能，实现各边缘端与私有云信息同步，进而实现聚酯长丝生产过程订单数据、工艺数据、设备数据、产品数据、检测数据的云端统一管理。

（2）AGV创新云应用

应用5G智能叉车应用实现了灵活调度、高效运行。在集团子公司车间部署了基于5G技术的全自动落丝系统，被央视《新闻联播》《坚持高质量发展 笃定前行》进行系列报道。智能自动落筒线由AGV自动落筒车、辅助转运设备、机器人、设备运行调度和信息管理子系统组成。具有根据卷绕头自动生成丝饼的产品标识并自动记录丝饼装载位置，生成丝饼及丝车信息并跟踪记录的智能化功能。

（3）AI深度学习飘丝检测应用

5G智能监控机器人解决飘丝飘杂问题，改变了眼观手摸检测方式，降低了劳动强度，填补了行业空白，全面应用预期提升优品率0.3%，直接受益年超千万元，在纺丝生产过程中，随着熔体配方、温度、粘度等工艺参数的变化，纤丝弹性等物理特性也将随之发生变化，在环境条件出现变化时，纺丝生产过程中容易出现单根丝断裂，从纤维中飘出（飘丝现象）。飘丝现象在纺丝生产过程中时有发生，会导致品质下降。在日常生产中依赖人工进行巡检监视，发现飘丝并进行处理，所需时间长，难度大，对个人经验、能力及责任心要求较高。

飘丝监控系统的主要目的就是利用自动监控来替代人工巡检。飘丝在线监控系统，主要包括如下功能模块：视频流接入服务模块、深度学习模块、图像处理计算资源管理模块、飘丝监控模块报警及消息推送模块。

（4）基于边缘云的工业区块链融合服务平台

依托5G+边缘云高可靠、低时延、大带宽、广连接的网络能力，将工业采购、生产、流通、经营等一系列活动记录在边缘云中，采用多链多应用模式，结合溯源链，塑造跨厂家、跨应用、多用途、安全可溯、高效便捷的基于工边缘云的工业区块链融合服务平台。

三、代表性及推广价值

1、典型性与推广价值

（1）可复制性

该私有云解决方案已成功在智慧交通等其他行业成功复制，具有较强适用性和推广性，衍生价值较高。

（2）5G SA切片+边缘MEC模式具有示范推广价值和行业复制性

于此项目，通过5G基站+边缘计算建设可实现5G信号园区全覆盖，将5G核心网中的UPF网元下沉至园区和汇聚机房，在园区机房内部署MEC边缘计算服务器。此外强化网络切片建设，根据不同业务需求做网络切片，根据保密等级不同进行分流处理，保障数据安全与业务稳定,打造5G精品虚拟专网。可利用典型边缘计算场景的示范效应，推广此种模式与更多其他工业制造商用，形成可复制5G SA切片+边缘MEC模式标杆效应。

（3）区块链技术可多行业或大企业推广复制

该项目不仅在化纤企业应用取得良好效果，在数字化程度高的机械、能源行业也有良好的适用性和应用价值。

1）在机械行业企业，面对强烈的制造服务化转型的需求，一方面平台助力设备管理从人工粗放增长模式。

2）在能源行业，以电力行业为例，企业通过工业互联网实现企业内外数据汇聚，通过分析市场、发电能力、发电需求、天气和定价等影响因素，优化发电和交易计划，实现生产端、电网和消费端的协同和优化。

3）面对数字化转型挑战，大企业同时具备建平台和用平台的条件和压力，龙头企业向产品+服务商转型的趋势明显，该项目能够成为帮助其转型的重要推动力量。

2、社会价值

（1）中国移动浙江公司（下称“浙江移动”）作为浙江省5G网络建设的引领者，加快工业企业“5G边缘云+工业互联网”融合创新应用。目前，浙江移动已于42个行业客户联合开展“5G+工业互联网”的探索，进一步打造更具活力的行业生态体系。

（2）本项目研究成果有力地推动了国家领先的5G无线网络技术在化纤工业领域落地推广，推动行业由标准化生产向差别化、定制化方向转型，为聚酯产业提供一种全新的商业模式，实现数字化、个性化生产，可提高聚酯材料企业的生产效率、质量效益，带动提升我国聚酯材料工业及其下游织造行业的国际竞争力，助推“中国制造”向“中国智造”的转型升级。

（3）本项目开展以5G网络、MEC、区块链、AI工业视觉等先进技术，打造5G+云链智慧园区典型商用案例，在获取传统流量收入的同时，通过销售/租赁边缘IaaS/PaaS能力/区块链服务平台和设备维护服务获取额外的收益，为ToB蓝海市场创建行业样板，实现在这一领域的持续领先、持续收益。   

解决方案详细介绍：

一、解决方案系统架构

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1、5G业务及MEC组网方案架构

5G基站+边缘计算建设可实现5G信号园区全覆盖，将5G核心网中的UPF网元下沉至园区和汇聚机房，在园区机房内部署MEC边缘计算服务器。此外强化网络切片建设，根据不同业务需求做网络切片，根据保密等级不同进行分流处理，保障数据安全与业务稳定。

2、区块链服务平台架构

运用区块链、标识体系等先进技术手段，打造以标准专利、产品溯源为全程保障的全要素工业互联网区块链服务平台。

（1）基础设施层

通过稳定可靠地基础设施，实现弹性可伸缩的计算与存储资源动态增加和删除区块链节点，满足日益增长的区块文件存储需求，通过容器化资源管理和自动化运维，简化区块链系统的部署和运维工作。

（2）基础平台层

支持开源的Hyperledger Fabric区块链平台，面向具体应用场景提供深度定制的区块链服务，包含身份认证、加密算法、共识算法、账本管理、权限控制和智能合约等功能，以满足不同行业的应用需求。支持上链新加密和流式处理，在保证安全的同时高效处理上链数据。

（3）接口服务层

通过API的方式，开放平台管理能力，具备联盟管理、链管理、证书管理等在线接入管理功能。

二、解决方案的系统平台

1、硬件平台

2、软件平台

三、解决方案的数据通讯

浙江移动面向企业提供云网融合一站式开通体验。

四、解决方案的安全措施

浙江移动拥有独特的云网融合资源优势和突出的服务能力，可以满足不同企业定制化的、安全的、实时的智能化业务需求；通过云边协同及安全智能，从基础设施、网络、数据、应用和管理等多个维度进行安全设计规划，保障边缘云端到端安全：①边缘侧安全防护算力最小化，轻量化、可定义安全，打造轻量化边缘云安全防护体系（4C8G安全防护vm可达1G吞吐流量防护）；②实现多厂家集中管理，策略优化，策略合规检测和自动化拓扑展现，减轻安全运维工作，将防火墙策略条数降低30%左右，检测防火墙违规策略20余种；③实现人工渗透测试服务工作自动化、智能化，提高渗透测试全面性、客观性、重复性、经济性等，一个web应用渗透测试数小时完成；④增强容器平台安全性，实现容器应用生态安全，实现容器安全静态检测、动态监测的自动化和智能化，静态监测（版本比对几分钟可完成，渗透测试数小时完成）；⑤实现对远程无人值守或不变维护地点边缘计算设备的安全防护，降低人工运维成本，达到“攻击者进不来、非授权信息拿不到、窃取信息看不懂、攻击行为赖不掉和系统信息改不了”。