基于MEC的AGV解決方案研究

張 芳，呂 鵬，陶偉宜（.中國電信股份有限公司浙江分公司，浙江 杭州 30000；.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 3005）

1 概述

隨著生活水平的提高，人類對生產(chǎn)和作業(yè)環(huán)境的要求越來越高，特別在特種環(huán)境下（例如高溫、有毒、有害、粉塵、噪聲、爆炸、射線等）作業(yè)的勞動力已面臨危機。同時，單調、重復的體力勞動亦存在勞動力緊缺的難題，這些危機必將日趨嚴重。以AGV 或者遠程控制手段代替人在特種環(huán)境、高勞動強度環(huán)境下的直接勞動，是一條理想的出路。

AGV 技術目前正廣泛地被應用于無人物流、倉儲以及工業(yè)生產(chǎn)過程中。目前AGV 一般采用分布式控制，主要采用的導航方式有磁條導航、電磁導航、視覺標記導航和激光導航。磁條導航、電磁導航、視覺標記導航方式均需要花費較高成本對AGV 的工作環(huán)境進行改造，靈活性較差，適用于場景固定、流程不變的場合。激光導航靈活、準確、高效，正逐漸取代以上幾種方式成為主流的導航方式，但激光傳感器成本相對較高，高密度運行時還可能存在互相干擾的問題。

目前，視覺定位技術，即采用未標記場景的圖像信息融合慣性測量單元傳感器數(shù)據(jù)進行全局定位和地圖構建的技術（SLAM或VIO）已成熟，這種技術僅使用較低成本的傳感器能夠實現(xiàn)AGV 的定位與控制，但此技術需要的計算資源超出了一般低成本嵌入式計算機所能提供的范圍，需要相對高性能的計算機進行處理。因而，如果在單臺AGV 上部署高性能計算機，將導致單臺AGV 的成本過高；如果通過4G 或Wi-Fi技術將圖像信息傳輸至中心服務器進行處理，壓縮后圖像的清晰度會受到明顯影響，進而影響定位效果，并且無線通信的延遲與不穩(wěn)定性也會對AGV 的正常工作造成影響。

本文通過在某叉車廠區(qū)部署更高帶寬、更低延遲、更高穩(wěn)定性的5G 網(wǎng)絡進行圖像信息的傳輸，同時將計算資源部署在靠近AGV 處的MEC，研究MEC 在倉儲物流行業(yè)部署的可行性。

2 5G邊緣計算MEC

據(jù)IDC 預測，全球物聯(lián)網(wǎng)終端設備安裝數(shù)量在2019 年達到256 億臺，2020 年將有超過500 億的終端與設備聯(lián)網(wǎng)。Gartner 預測，未來有70%～75%的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡邊緣處理，這就要求網(wǎng)絡具有本地化處理、動態(tài)連接以及超強的計算能力。以云計算為核心的集中處理模式難以滿足“萬物互聯(lián)”在高帶寬、低時延、用戶體驗等諸多方面的迫切需求。

2016年，ETSI定義MEC為Multi-access Edge Com?puting，并將移動蜂窩網(wǎng)絡中的邊緣計算應用推廣至其他無線接入網(wǎng)絡（如Wi-Fi、Fixed Access）。除ETSI以外，第3 代合作伙伴（3GPP）及中國通信標準化協(xié)會（CCSA）也相繼啟動了相關工作，MEC 發(fā)展演進為5G移動通信系統(tǒng)的重要技術之一。

ETSI 定義的MEC 是在靠近移動用戶的RAN 網(wǎng)絡中，為用戶提供基于IT 架構和云計算能力的平臺，部署位置靈活，可以部署在單基站、C-RAN 和城域等位置，還可以作為第三方集成平臺，按需在邊緣位置部署。因此，MEC 的部署，可以為ICT 產(chǎn)業(yè)帶來三大價值。

a）極低時延。MEC部署在靠近基站的接入環(huán)、接入?yún)R聚環(huán)等邊緣位置，使得內容源最大程度地靠近終端用戶，甚至可以使終端能夠在本地直接訪問到內容源，從數(shù)據(jù)傳輸路徑上降低了端到端業(yè)務響應時延。

b）節(jié)省傳輸。據(jù)研究，未來有70%的互聯(lián)網(wǎng)內容可以在靠近用戶的城域范圍內終結?；贛EC 解決方案，可以將這些內容存儲在本地，MEC 與終端用戶之間的傳輸距離縮短，流量在本地被卸載，節(jié)省了MEC 到核心網(wǎng)和Internet 的傳輸資源，進而為運營商節(jié)省約70%的網(wǎng)絡建設投資。

c）能力開放。目前，越來越多的細分領域希望基于電信網(wǎng)絡實現(xiàn)行業(yè)定制，通過MEC 提供開放的平臺實現(xiàn)電信行業(yè)和垂直行業(yè)的合作業(yè)務創(chuàng)新。ETSI 定義的MEC 是具備無線網(wǎng)絡能力開放和運營能力開放的平臺，MEC 通過公開API 的方式為運行在其平臺主機上的第三方應用提供無線網(wǎng)絡信息、位置信息、業(yè)務使能控制等多種服務。

綜上，MEC 通過支持本地流量的分流（LBO——Local Breakout），作為遠端模塊下移到邊緣部署，可滿足各種OTT 業(yè)務或mCDN 下移部署和企業(yè)/場館本地分流的要求。

3 網(wǎng)絡部署方案

為了驗證MEC 在工業(yè)控制應用的可行性，驗證邊緣部署UPF+MEC 能否滿足現(xiàn)場叉車控制需求，某運營商基于某叉車廠的應用需求，采用5G 網(wǎng)絡+MEC 技術在現(xiàn)網(wǎng)部署，組網(wǎng)架構如圖1所示。

a）中控室改裝。5G CPE+多屏顯示器+多控制臺+MEC 邊緣服務器，控制臺連接邊緣服務器獲取遠程叉車的數(shù)據(jù)，并下發(fā)控制員的指令。

b）叉車改裝。加裝5G CPE+控制盒+多自由度監(jiān)控攝像頭，控制盒連接攝像頭與車體傳感器、控制單元，通過5G與MEC邊緣服務器進行實時交互。

在測試過程中，發(fā)現(xiàn)叉車運行速度一般不超過5 m/s，但其控制仍然對延遲非常敏感，一般超過50 ms的延遲就會對叉車產(chǎn)生明顯的影響。5G 網(wǎng)絡的低時延，使得中控室發(fā)出的控制信號被控制在可接受范圍之內到達叉車。同時，由于視覺定位算法對于圖像質量較為敏感，叉車上的高清攝像頭拍攝的圖像傳輸碼率高，5G 網(wǎng)絡能提供足夠的空口吞吐量，圖像可近無損地傳輸?shù)街锌厥业腗EC服務器。

經(jīng)試點測試，對于叉車AGV 場景，通過下移部署的MEC，在廠區(qū)控制臺連接邊緣服務器可獲取遠程叉車的位置數(shù)據(jù)，一方面滿足了大算力的計算需求，另一方面增強了數(shù)據(jù)傳輸交互的實時性，避免了流量在核心網(wǎng)的迂回，減少了業(yè)務傳輸時延。

4 5G網(wǎng)絡對比Wi-Fi的可靠性測試

4.1 基礎網(wǎng)絡技術理論分析

本文從頻譜、移動性、干擾、安全性及QoS 等方面對基于5G 網(wǎng)絡和Wi-Fi網(wǎng)絡部署進行了對比分析，如表1所示。

4.2 5G和Wi-Fi連接對比分析

在某叉車廠部署現(xiàn)場，分別采用5G 技術和Wi-Fi技術與叉車設備進行連接，時延和帶寬對比測試結果如表2 所示。時延對比如圖2 所示。帶寬對比如圖3所示。

4.3 測試結果分析

時延：AGV 的運行需要和控制平臺保持通信，如果網(wǎng)絡不佳，時延大于50 ms，AGV 就會停止行駛，網(wǎng)絡恢復正常后才會繼續(xù)行駛。

現(xiàn)場測試的結果表明，如果是在單設備靜止連接的情況下，連接Wi-Fi 和5G 的時延差別不大，均在20 ms以內，但在多設備同時連接的移動場景，Wi-Fi的時延比5G 要大70%左右，而5G 的時延能穩(wěn)定在20 ms內。

帶寬：目前測試AGV 的運行只是傳遞小的文件數(shù)據(jù)，對網(wǎng)絡帶寬要求不高，但后續(xù)如使用視覺導航技術，則對上行帶寬要求較高，至少要保證每路30 Mbit/s的上行帶寬。

現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)目前Wi-Fi的上行帶寬均沒有超過20 Mbit/s，而5G 的上行帶寬均保持在100 Mbit/s 以上，可以保證視覺導航的帶寬要求。

表1 5G網(wǎng)絡和Wi-Fi網(wǎng)絡部署對比

表2 時延和帶寬對比測試結果

圖2 時延對比圖

圖3 帶寬對比圖

5 結論

本項目研究的智能叉車借助5G+MEC 網(wǎng)絡的優(yōu)勢，提高了物流效率，降低了企業(yè)的綜合成本，未來類似的本地分流技術的部署和應用可在更多的行業(yè)應用中復制和推廣。

綜上所述，建設5G+MEC 網(wǎng)絡來支撐工業(yè)企業(yè)的智能化業(yè)務契合運營商網(wǎng)絡轉型戰(zhàn)略方向，為未來5G垂直行業(yè)業(yè)務部署進行了技術儲備，也為后續(xù)大規(guī)模MEC專網(wǎng)部署積累了經(jīng)驗。