基于工業互聯網的2B應用5G網絡保障方案研究

范石勇 江西省郵電規劃設計院有限公司 南昌市 330002

0 引言

第四次工業革命正在蓬勃興起，與世界經濟新舊動能轉換形成了歷史性的交匯?！吨袊圃?025》中明確指出“加快推動新一代信息技術與制造業深度融合，把智能制造作為兩化深度融合的主攻方向，著力發展智能裝備和智能產品，推進生產過程智能化，培育新型生產方式，全面提升企業研發、生產、管理和服務的智能化水平”。而移動通信經歷了第一代到第四代發展，現已步入第五代移動通信（5G）商用。5G作為新一代信息技術，將從移動互聯網擴展到移動物聯網，與各領域深度融合，全面構筑經濟社會發展的關鍵信息基礎設施，將培育經濟發展新動能、打造社會治理新模式、拓展民生福祉新內涵。本文針對本地某一化工企業的實際2B應用需求，研究5G網絡有效保障方案，為5G網絡在工業制造業上2B應用提供信息管道，輸出有價值的行業標準和經驗。

1 2B應用需求與目標

1.1 化工企業的2B應用需求

現代化工企業為推動企業向數字化、智能化、精細化、國際化和可持續化的高質量轉型升級中，實際提出了以下需求：

（1）企業內網改造升級，滿足海量接入、安全性和擴展性的需要。

海量接入：在企業智能化的進程中，連接入網設備數量的暴增，現有以DCS、工業總線為主的工業內網難以滿足需要。同時數據量的暴發式增長和“池”式的計算處理也對網絡和資源的消耗成為了瓶頸。安全性：首先是數據的安全性，企業內網的擴展尤其是無線網絡的引入要滿足企業數據不出園區的需要。其次是網絡的安全性，要減少如雷擊等的外部因素影響。擴展性：需要靈活適配不同應用場景的網絡需要（如設備控制的低時延、視頻傳輸的大帶寬、穿戴設備的可移動性等）。

（2）安全管理的需求，實現對作業區域“人機環境”的實時監測。

安全生產是第一個企業發展的永恒主題，也是行業發展的生命線，據統計，在發生過的化工企業安全事故中，由人為因素造成的事故占總事故的比例80%左右。其次物的不安全狀態以及管理者的管理缺陷也是安全生產的不確定因素。需要通過新技術應用實現對作業人員、設備裝置和作業管理等安全隱患排查的全面性、實時性和預見性，實現安全生產的可防可控。

人員管理：作業環境和人員位置的實時監測。設備管理：實時采集設備的運行狀態，并同時對采集數據分析和設備監測。環境管理：安全隱患排查的實時性，如對作業規范和行為規范。

（3）效率提升的需求，提高生產運營效率，減少人員參與。

高效、安全、智能化的管理手段使得化工企業的生產運營管理更全面。如：巡檢的智能化：在廠區的巡檢過程中涉及大量設備運營數據的采集，通過人工讀數存在漏檢、誤檢等情況；在環境復雜區域、危險區域（如管道、高塔等）采用人工攀爬的方式進行巡檢，存在極大的安全隱患和效率低下的問題。送檢的自動化：在產品質檢的過程中每隔一定時間要抽樣送檢，以往是采用傳統的人工騎自行車的方式來取樣送檢，費時費力。

1.2 化工企業的2B應用目標

以2B應用需求為牽引，聯合行業內合作伙伴，利用5G、物聯網、大數據、邊緣計算、人工智能等技術打造基于邊緣云的5G智慧企業應用。聚焦企業安全、質量和效率等領域，以5G+MEC構建高質量的企業專網為基礎，引入云計算技術，建設基于數據孿生的5G+智能化工應用平臺，實現基于人工智能的5G+AI安防監測、基于NB-IOT的在線設備監測、基于邊緣計算的5G智能巡檢和無人機送樣等場景化應用。如圖1所示。

（1）基于5G+MEC 的高質量企業內網。通過5G+MEC的部署，構建5G/4G/NB的無線企業專網，并與內網進行安全可靠互聯，實現運營商網絡與企業內網的深度融合。實現授權終端在企業專網環境下與內網的互聯，滿足不同場景的網絡需要；實現企業數據不出園區，保證安全連接5G專網與企業內網；在數據源側計算，大量減少了數據集中處理的網絡消耗，降低了傳輸時延；實現天翼去與邊緣計算的互聯，實現彈性云計算。

（2）基于數據孿生的5G+智能化工應用平臺。通過數字孿生技術，打造可視化、集中化、智能化的“5G+智能化工”中央控制臺。實現人員、設備、環境等生產要素的全數據采集與匯聚，并對采集數據的智能化分析，同時實現采集數據與三維地圖可視化關聯并呈現出來。

（3）基于精準定位的5G智能手環。以智能手環為載體，利用精準定位技術以及物聯網采集技術，對員工作業環境、健康狀態等進行實時定位與監測，確保人員的安全。包括防爆功能、室內外的高精度定位、健康信息檢測（心率）、作業區域限制。

（4）基于5G+AI安防監測。以視頻監控為載體，運用5G+機器視覺分析技術，對作業區域進行大數據分析，實時監測、實時告警，確保作業流程的規范化和可控化。如作業規范監測、操作過程記錄和指導和不規范行為的實時告警。

圖1 企業2B應用目標

（5）基于窄帶物聯網NB-IOT的在線設備監測。運用物聯網傳感技術，將設備大量關鍵數據上傳到統一管理平臺進行數據分析，實時監測設備的運行狀態，保證設備的正常、安全、穩定運行。運行狀態、工藝參數、運行能耗等關鍵數據的采集，如DCS、PLC、NB等多系統數據的采集接入，采集設備的防爆功能。

（6）基于邊緣計算的5G智能巡檢。以防爆手機為載體，利用5G的大帶寬和低時延特性，綜合運用圖像識別、熱成像、AR等技術，實現對化工裝置的多維度安全監測、防爆功能、測溫、熱成像測漏。

（7）基于MEC的5G無人機送樣和巡檢。通過無人機使能平臺與視頻AI技術，實現無人機的自動化送樣和巡檢。比如無人機的自動化飛控，平臺一鍵送樣。

2 5G網絡保障方案

2.1 部署原則

方案將為化工企業構建先進、高效的5G網絡，支撐企業數字化、智能化發展。方案設計整體遵循以下原則：

◎安全性原則：企業生產、管理等信息數據通過5G網絡承載，在網絡、平臺建設規劃時需注重用戶數據的安全性及網絡的安全性。

◎可靠性原則：保證5G網絡的信號質量、設備的運行穩定、排除故障，為企業提供可靠的連接業務。

◎易維護性原則：系統設備應能夠方便管理，便于維護，易于進行系統配置，可監控設備參數、數據流量、系統性能等，并且可以進行遠程管控以及故障診斷。

◎可擴展性原則：系統設備不但要滿足當前需要，而且網絡的擴展性方面也要滿足將來需求。比如帶寬和設備的擴展，應用的擴展，生產、辦公地點的擴展等。

2.2 部署思路

根據現階段化工企業工廠建設存在如下幾方面需求：

（1）廠區及園區面積大，環保、安防、安全生產等要求高，涉及大量視頻監控系統部署，以及人員、車輛、裝備等精準定位。

（2）工廠內外部各類設備裝備、儀器儀表等實時、精準數據采集是自動化、智能化基礎，大量數據需要無線/移動傳輸保障。

（3）工廠內自動化程度高，如采用機器人進行樣品質量檢測、工業視覺檢測等應用，需靈活的網絡部署支持，以及高可靠、高性能保障。

（4）生產環境無污染要求高，人員現場工作難度大，急需遠程操控，對網絡有高可靠、低時延需求。

結合當前5G技術的發展進展與預期，同時考慮業務開展的實際需求，5G網絡保障方案可以按照三個階段實施開展：

◎階段一：基于eMBB典型應用場景視頻、網絡備份類業務部署，滿足以下業務需求：

業務1：視頻監控類，高帶寬、海量存儲類業務，有移動性需求或節點分布零散場景，如廠區的視頻監控。

業務2：數據檢測三維工廠等數據檢測，5G作為各類工業數據實時、高可靠回傳保障，可引入AR等應用試點。

業務3：5G+MEC，針對工業視覺檢測、AI視頻監控等應用，部署MEC與5G協同，實現對于化工園區無人機巡檢業務，提升安全性及業務體驗。

◎階段二：遠程控制類、精準定位類、規模業務部署應用，滿足以下業務需求：

業務1：遠程控制，基于5G網絡覆蓋提升、MEC部署，以及生產裝備等改造，在一般實時性要求場景規模應用。

業務2：精準定位，基于5G標準和產品成熟，在廠區部署5G精準定位協同（亞米級），進行人、車、物管控、保障安全生產。

◎階段三：5G網絡廣覆蓋、uRLLC成熟，5G+云+AI智能工廠

高可靠性低時延類業務uRLLC 技術完善并規模部署，支持超低時延，支撐大部分工業實時控制場景需求，通過5G+云+AI能力，構建可靈活部署、泛在接入、智能分析的全云化、數字化工廠。

2.3 部署方案

5G 網絡部署方案采用5G SA 網絡+MEC 為核心架構，為化工企業構建一張高質量無線網絡，實現生產、辦公的統一接入。

（1）采用先進的5G 融合5GC：5GC 采用SA 架構，融合4G EPC與NB網絡功能，不僅能提供更寬的上行帶寬、更低的網絡時延，更好支撐切片、MEC等新能力，還能兼容傳統4G與NB的模組，為企業提供全連接的物聯網安全專網。

（2）MEC實現安全及性能提升：根據5GC控制面和用戶面分離的特點，將用戶面UPF下沉到園區實現數據分流，保障化工企業的數據安全，并進一步降低網絡時延，提升核心業務性能與體驗。R15/R16協議的凍結，引入切片技術來構建網絡差異化，如SLA保證、安全性隔離等。并實現對于企業新5G終端設備進行管理（如了解其上線信息，位置信息），對網絡時延、帶寬等KPI進行監控，并將這些信息嵌入到工廠業務系統，支持其業務系統進一步智能化、自動化。

（3）優質的無線SA網絡覆蓋：結合工廠具體業務場景和環境，以室外宏基站（64T64R）+室內數字化方式靈活組網，保障整體無線覆蓋質量。同時結合實際場景需要，進一步提升5G網絡上行帶寬、降低實驗、優化覆蓋質量。超級上行降低約30%空口時延、顯著提升上行吞吐率（近中點提升20%-60%，遠點提升1-3倍）。

2.3.1 物理組網

由終端設備采集的企業數據通過5G基站接入無線網絡，通過網關截斷數據，并進行本地分流到部署的邊緣云平臺，實現數據不出園區，保證數據生產和使用的全業務流程均在園區內完成，保證了數據的安全。實現公網數據與專網數據的隔離，保證數據傳輸的速率和時延性能保證，并配合邊緣計算技術實現高速率、低時延的應用，賦能信息化系統升級。

核心網：采用商用5GC核心網。無線側：對室外區域采用BBU集中部署+AAU拉遠方式進行信號覆蓋，室內場景使用分布系統進行覆蓋。媒體面：UPF/MEP下沉至園區邊緣機房。

為滿足數據不出園區需求，在園區部署UPF，實現本地流量分流。當UPF部署在客戶機房時，需在傳輸端設置內部防火墻。通過UPF將辦公終端和生產終端5G業務流量分流到本地信息化網絡，并實現安全隔離。

（1）終端通過5G基站接入到網絡中。

（2）UPF部署在園區內機房，與園區就近的傳輸設備相連。對園區終端的數據業務，數據直接通過UPF本地分流功能傳送到園區的數據中心。

（3）通過防火墻對UPF和園區數據中心之間進行隔離，保證了園區數據的安全。

2.3.2 UPF分流

2B UPF根據客戶特殊DNN進行分流。用戶攜帶特殊DNN 上線后，SMF 直接選取2B UPF 提供數據服務。2B UPF 在該DNN 下配置靜態路由數據，實現對企業分流。

2.3.3 UPF計費

UDM為企業專網終端簽約專用DNN。SMF通過CGF向營帳系統上報計費話單，營帳根據話單中的DNN標識實現差異計費。

3 結束語

《“十四五”智能制造發展規劃》明確指出，發展智能制造立足制造業本質，緊扣智能特征，以數據為基礎，以工藝、裝備為核心，以5G新一代信息技術與先進智能制造技術深度融合。第四次工業革命正蓬勃興起，而利用5G新技術、新應用不斷提升工業的智能化水平，實現工業行業的可持續發展對于我國經濟和社會發展都具有十分重要的現實意義。本文結合了本地實際化工企業的2B應用需求，對5G網絡保障方案進行了研究，通過對企業的應用需求與目標分析，遵從5G新技術的網絡部署原則，制定了行之有效的部署方案，打造基于邊緣云的5G智慧工業應用，實現5G與工業內網的深度融合，構建工業的數字化孿生工廠，提升工業企業在安全、環保、質量和經營等方面的管理水平，最終輸出有價值的行業標準和經驗。