5G技術在山鋼日照公司的應用

常 亮

（山東鋼鐵集團日照有限公司信息計量部，山東 日照276805）

1 前言

5G網絡具備低時延、大帶寬、廣連接等特點，其國內外設計標準始終涵蓋工業應用領域。山東鋼鐵集團日照有限公司（以下簡稱山鋼日照公司）于2019年聯合聯通、電信、移動等運營商，針對污染大、危險高的作業場景，開展了一系列5G網絡的應用探索，并取得了良好的應用成效。

2 5G技術簡介

5G（5th Generation Mobile Networks，第五代移動通信技術），是相對于4G、3G移動通信技術而提出的新一代移動網絡技術，速率和資源利用率等方面較4G移動通信提高一個量級或更高，其無線覆蓋性能、傳輸時延、系統安全和用戶體驗也顯著提高。相比4G技術，5G技術目前的核心性能特點有3個:1）高速率。5G峰值速率可達10～20 Gb/s，每個用戶至少100 Mb/s，是4G速率的數十倍。2）廣連接。ITU（國際電信聯盟）定義的5G物聯網連接數支持100萬連接/km2，比4G技術高10倍。3）低時延。ITU定義的5G端到端時延低至1 ms，比4G技術低10倍。5G在不同應用場景下挑戰的技術參數見表1。

表1 5G技術場景與關鍵性能挑戰

3 山鋼日照公司5G技術應用案例

2019年，山鋼日照公司為解決智能制造技術場景中的無線連接難點問題，充分研究5G技術特點，在“難于敷設有線網絡且多移動連接目標”場景中，選取了對網絡速率、延時性要求較高的原料場堆取料機無人駕駛、重型鐵水運輸車智能調度、冷軋無人行車3個場景作為應用試點。

3.1 原料場堆取料機無人駕駛5G應用

山鋼日照公司一期項目原料場有2臺堆取料機、2臺取料機、1臺堆料機進行了無人駕駛升級。機上安裝雷達防碰撞、定位、3D激光料堆掃描傳感器，實現機上無人、遠程監控的全自動作業模式，有效降低了操作人員的勞動強度，提高了作業效率。

堆、取料機作業過程中始終處在輥道上移動的狀態，所以為保障控制信號、視頻監控信號與地面監控系統高質量傳輸，傳統模式下采用卷筒光纜的有線網絡或工業WiFi等無線網絡作為數據傳輸介質。兩種方式各有優缺點:光纜作為有線網絡介質，優點是網絡傳輸速率高，缺點是隨機載卷筒移動過程中容易斷裂，若熔接點過多還會導致光衰變大，影響數據傳輸質量，后期維護成本較高；無線網絡介質的優點是安裝維護成本低，缺點是受遮擋物和同頻信號（例如藍牙同一般的WiFi都工作在2.4 G Hz頻段）干擾大，同時無線網絡帶寬受硬件終端的技術限制較多。

山鋼日照公司一期項目原料場是按照光纖網絡、無線網絡互備的理念設計建設，但在實際生產過程中，光纖網絡的維護成本越來越高，故考慮在原工業WiFi無線網絡基礎上，增加5G網絡（全文所述5G均指第五代移動通信技術，非5G WiFi），進一步提高數據傳輸質量。在5G建設過程中，需要解決信號屏蔽和數據安全問題。為解決料棚屏蔽問題，5G基站安裝位置選點格外重要，安裝位置如圖1所示。

圖1原料場某料倉俯瞰示意圖

圖1 中，①為某封閉料倉，全長700 m，封閉料棚為無線信號主要遮蔽物。②為堆、取料機，作業過程中順著軌道往復運行，機上攜帶無人駕駛PLC控制系統和CPE（Customer Premise Equipment，用戶終端設備）。③為鐵礦粉，為無線信號主要遮蔽物。④為PLC室，正對料倉，距離料倉最近距離30 m左右，其中PLC主要用于與機上PLC做通訊站。⑤為5G基站。⑥為工業WiFi天線。⑦為遠程控制室，是無人駕駛遠程監控的作業指揮中心。⑧是④與⑦之間的通訊光纜。5G基站安裝位置正對堆、取料機運動方向，通過波形賦形處理，使5G信號強度沿著料倉方向達到最大。

圖2 原料場5G網絡拓撲

實際運用中，5G網絡主要解決機上攝像機信號無線傳輸問題。每臺堆、取料機上攜有8～10臺高清數字網絡攝像機，網絡結構如圖2所示。

堆、取料機安裝的5G CPE實時將硬盤錄中的視頻信號通過5G無線網絡傳給5G基站，5G基站再將數據通過光纖專線傳給山鋼日照公司核心機房的MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）設備，視頻數據穿透防火墻，抵達視頻平臺服務器。遠程控制室的控制終端接收視頻平臺服務器的實時視頻數據。MEC保證了核心生產數據不出工業園區，且能夠在大數據回傳時進一步降低時延。

3.2 多目標高溫重型鐵水運輸車智能調度5G應用

山鋼日照公司鐵水罐運輸采用重型鐵水車運輸模式。相比鐵路運輸、過跨車式運輸，汽車運輸鐵水包更靈活。為了便于對鐵水罐運輸車的實時位置跟蹤和遠程在線調配，開發了鐵水罐運輸車調度系統，對鐵水罐運輸車做到多目標匹配，柔性銜接，動態優化，實現了鐵水罐的精準、快捷、高效運輸，有效降低了鐵水溫度損耗，智能調配鐵水供應，取得了良好的應用效果。

每臺鐵水罐運輸車駕駛室裝有車載終端，用來接收調度指令。但鐵水罐運輸車作業過程中不斷移動，接收調度指令最合適的方式是采用無線數據傳輸。為保證數據傳輸質量，山鋼日照公司采用5G技術解決多移動目標數據傳輸問題，網絡拓撲結構如圖3所示。

圖3 多目標高溫重型鐵水運輸車智能調度5G網絡拓撲

道路測試結果顯示，0.5 km2范圍內5G信號覆蓋率為95.8%，電平值均值為-84.45 dBm，平均上傳速度86 M bps，下載速度400 M bps，丟包率為0，滿足18臺鐵水罐運輸車接收上傳調度指令使用。該場景應用可以進一步探索MEC在路徑優化決策中的研究。在自動駕駛決策系統中引入MEC技術，可以有效地解決自動駕駛系統中流量的分級決策問題，如模型訓練與學習、路徑全局規劃等需要消耗大量計算資源的流量在云端被處理，而網絡邊緣處負責決策路徑局部規劃等要求低時延的流量。

3.3 冷軋無人行車5G應用

冷軋中間庫區共6臺行車進行了無人駕駛升級，不僅有效節省了行車駕駛崗位定員，而且結合庫區管理系統，有效提高了作業效率，為精準高效發貨提供了支持。不同于圖2、圖3兩個應用場景，行車定位、調度指令等數據通過VPN網絡實現運營商5G核心網與生產內網的數據安全（見圖4）。

圖4 冷軋無人行車5G網絡拓撲

4 5G技術在鋼鐵工業互聯網中的其他應用思考

工業互聯網作為一個將互聯網和工業制造產業結合起來的生態體系，它可以進行個性化、多樣化的服務，所以工業互聯網的應用范圍和發展范圍較廣、涉及的內容較多。而5G技術需解決的不僅是人與人的連接，更是人與物、物與物的連接問題。綜合工業互聯網未來發展需求，其4T4R、Massive MIMO、NBIoT等幾項技術都表現出較快應用趨勢。

5G技術在鋼鐵工業互聯網中，可以實現跨網段多目標的通訊接入，隨著5G模組與機器人、攝像機、傳感器等設備的集成研究日趨廣泛和深入，其工業應用也將快速增長。目前寶武集團已在焦爐四大車自動控制、成品鋼卷運輸車無人駕駛、高爐運行狀態采集監控等領域進行了應用研究；鞍鋼在5G設備管理方面也取得了重要突破。在智能安防、電力巡檢機器人、產品過程質量控制、智能物流等方面也存在5G應用場景。

5 結語

隨著企業對職業安全健康的愈加重視，以及用工成本的逐漸增高，“機器代人”項目逐漸成為了企業智能制造的重要研究方向。山鋼日照公司率先在工業互聯網中引入5G技術，提升企業“機器代人”水平，并取得良好的應用效果，為鋼鐵行業5G技術的推廣提供了豐富經驗。在應用實踐中，必須將生產安全和數據安全放在首位，根據場景實際情況，科學選擇5G基站布設位置，避免投入成本的浪費。