鋼鐵企業5G應用場景與5G性能指標相關性的探討

宋海洋 陳成 董帆 郭亮 陳偉剛 許建強

(首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司信息計量部,河北唐山 063200)

0 概述

5G作為新一代信息通信技術發展的主要方向,代表了信息通信技術的發展方向和戰略制高點,是構筑經濟數字化轉型的重要基礎設施。為鋼鐵企業在數字化轉型中,通過智能化、無人化項目建設,探索智能化鋼鐵廠創新發展新路徑,提供了新的發展機遇。但鋼鐵企業各類應用場景對5G帶寬、時延、可靠性等性能指標沒有權威的規范,一直是困擾5G推廣應用的一個重要因素。

1 鋼鐵企業典型5G應用場景

鋼鐵企業各類應用場景很難窮盡,本文結合首鋼京唐公司在數字化轉型中,建設智能化鋼鐵廠的業務需求,總結了10種典型的應用場景,分別是:無人天車、智能物流、智能料場、無人駕駛、高清視頻監控、鋼材表面質檢、智能安防、智能工廠、遠程運維、交通監控。通過研究探討典型的應用場景與5G帶寬、時延、可靠性等性能指標的相關性,明確各應用場景重點關注的5G性能指標,以指導鋼鐵企業5G技術的推廣應用[1]。

(1)無人天車:鋼鐵企業生產制造、產品銷售等環節涉及各類庫區的天車作業,尤其煉鋼以后的工序,涉及煉鋼坂坯庫,熱軋坂坯庫、成品庫;冷軋原料庫、中間庫、成品庫,集港集站區域物流暫存庫等,庫區天車作業無人化是鋼鐵行業的發展趨勢。無人天車系統由檢測感知系統(鞍位形狀掃描儀、夾具對位傳感器、夾具加緊傳感器等)、定位系統(X軸定位:激光定位、格雷母線定位,Y軸定位:編碼器等)、視頻監控系統(攝像頭)、調度決策系統(發布指令、指揮天車運行)、執行機構(PLC控制系統)、網絡(有線無線)構成。應用5G網絡打通地面控制系統與移動天車的通信通道,建立天車運行作業模型控制策略,實現天車運行作業中的推理分析、調度決策優化、任務協同等實現庫區天車無人作業。

(2)智能物流:鋼鐵企業物流涉及采購、生產、銷售等整個供應鏈環節,業務涉及原燃料采購銷售、退貨,能源介質采購銷售,資材備件采購銷售,備件修復,危廢舊品銷售,產成品銷售自提、直發、集港、集站,廠內上下游工序物料倒運等。基于5G網絡,建設協同高效的物流智能管控平臺,與產銷管控系統、MES系統、門禁管理系統、交通監控系統等緊密集成,基于GIS地圖和定位技術實現車輛信息在線管控,對車輛行駛狀態、司機狀態、位置狀態、車況狀態、行車路線等實時監控,路線偏離、中途?？康犬惓Ｇ闆r及時報警;基于生產庫存動態,結合生產計劃,實現轉儲計劃智能編排,全廠運力資源的智能調度、轉儲路線動態規劃,上下游庫存動態平衡,基于待運材料規格、位置,車輛標載等。實現原燃料進廠、生產制造、倉儲運輸、銷售發貨等物流信息的可視化、倉儲作業的無人化、物流調度的一體化、監控管理的集中化。加快庫存周轉、提高倉庫利用率、縮短產品制造周期。

(3)智能料場:建設基于5G的堆取料機無人駕駛作業智能控制系統,實現堆取料機作業的無人化及供料計劃、儲存、盤庫,數字一體化管理,確保源、終點品種匹配,避免混料,提高精細化管理水平。

(4)無人駕駛:鋼鐵企業下游工序物料汽車倒運無人駕駛是智能制造的發展趨勢,一般重卡AGV無人駕駛系統由重載AGV運輸車、GPS導航系統與激光導航、車輛識別和道桿控制系統、視頻監控系統、重型AGV專用車道等系統和設備、車輛調度系統、自動化系統控制系統、安全管理系統、無線網絡等組成。室外采用GPS導航,室內采用激光導航(精準定位)的復合導航方式。應用機器視覺技術進行無人駕駛車輛牌照號碼自動識別,在無人駕駛車輛活動區域增加視頻監控,遠程監控人員實時監控車輛運行時的工作狀態,無人駕駛車輛活動區域覆蓋無線網絡,車輛定位信息、視頻監控信息、車牌視頻信息等自動上傳車輛調度系統,車輛調度系統下達車輛自動運行指令,自動化系統控制系統執行指令,實現車輛的駕駛運行無人化、調度指揮智能化、作業監控可視化[2]。

(5)高清視頻監控:園區內高清監控部署在生產線現場和廠區道路內,前端攝像頭采用內置5G模組或通過CPE連接攝像頭的形式,減少IT基礎投資,實現整個園區的集中監控。

(6)鋼材表面質檢:通過部署工業相機采集質檢數據,利用5G網絡進行8K/4K等高清圖像傳輸至搭載視覺AI分析能力的平臺,對圖像和視頻進行處理,實現質量檢測。

(7)智能安防:在工廠生產作業區域內,利用前端攝像頭采集現場視頻,通過5G網絡實現視頻的高速實時回傳,結合AI技術,可實現工人行為高精度識別,危險設備工作狀況檢測,自定義報警區域監控,也具備視頻追溯功能,從而為廠區的安全生產管理提供保障基礎。

(8)智能工廠:工廠內感知層的數據通過5G網絡傳輸,實現驅動器、傳感器、可編程邏輯控制器(PLC)、面板儀表和其他自動化設備的通訊傳輸。通過數據的處理運算最終在展示層進行展示,形成工廠視頻監控、運行調度、機器人數據回傳、設備數據采集、能耗的盤點、資產盤點等。

(9)遠程運維:基于5G的高安全、高穩定、低時延大數據回傳能力,采用無人機、機器人等自動化設備、AR眼鏡等人工輔助設備、物聯網控制器傳感器等,對遠端設備,如輸電線路、立體停車場、工廠內設備、機械車輛等進行實時數據采集、點巡檢運、故障排除遠程輔助。

(10)交通監控:鋼鐵企業廠區道路縱橫交錯,乘用車、貨運車時常違章運行,影響道路交通秩序,貨運物品種類繁多,包括原燃料、在制品、散貨、產成品等幾十種,貨運承運商多達幾十家,存在重復計重、樣品以次充好、偷梁換柱、夾帶物品出廠等各種隱患。貨運車輛存在隨意偏離規定路線、超速、亂停、占道、套牌等現象?；?G技術,建設道路交通監控系統,對道路交通進行有效地管控勢在必行。在物料裝卸、質檢取樣、稱重計量、車輛等候相關區域加裝視頻監控攝像頭,進行定點監控,重要路口雙向加裝視頻測速攝像頭,運輸道路加裝自動跟蹤、行為分析、人臉檢測、報警推送、紅外夜視等視頻監控攝像頭,覆蓋運輸、取樣、計量、裝卸全過程。關鍵視頻信息實時匯集到交通監控平臺,應用生物識別技術、圖像識別技術,識別車號、車型、顏色及駕乘人員,運營車輛GPS定位信息實時上傳交通監控平臺;實現行車路徑偏離報警、超時預警、車輛停駛和聚集報警、違章報警、車輛比對異常報警、道路擁堵報警等監控與信息推送;實現車輛與承擔的作業任務、車載貨物信息的匹配,實現車輛進行軌跡追蹤。

表1 5G應用場景與5G性能指標的關系Tab.1 Relationship between 5G application scenarios and 5G performance indicators

2 5G應用場景與5G性能指標相關性探討

5G作為新一代信息通信的前沿技術,為智能化鋼鐵廠創新發展提供了新的發展機遇。在鋼鐵行業的應用還處于探索階段,各類5G應用場景很難窮盡,每個應用項目的可行性與5G帶寬、時延、可靠性等性能指標密切相關,但鋼鐵企業各類應用場景對5G帶寬、時延、可靠性等性能指標沒有權威的規范,一直困擾5G應用推廣[3]。

首鋼京唐公司在5G應用實踐中,將應用場景歸并為不同的應用類型,按照應用類型,歸納出5G網絡的承載數據類型,根據5G網絡的承載數據類型提出5G性能指標要求,通過測試相關指標的實際表現,評價項目的風險、可行性等,大大簡化評價項目可行性研究的復雜性,5G應用場景、應用類型、5G網絡的承載數據類型、5G性能指標關系如表1所示。

綜合各應用場景的應用類型、5G網絡承載的數據類型不難發現,鋼鐵企業5G應用場景的應用類型大致可以歸并為:自動化控制、機器視覺、視頻監控、數據采集等。5G網絡承載的數據類型大致可以歸并為:音頻、視頻、圖像、數據等。

自動化控制類的應用場景更關注5G網絡的時延、可靠性指標;機器視覺類、視頻監控類的應用場景更關注5G網絡的上行帶寬、下行帶寬指標。一般來說,數據采集類的應用,5G帶寬、連接密度等性能指標不會成為5G的應用瓶頸。

3 總結

鋼鐵企業應用場景很難窮盡,但應用場景的應用類型是有限的,在推進5G應用中,只要明確應用類型,便可以發現對應的5G性能指標,該性能指標的可行性決定了項目的可行性。