擁抱“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”助力線纜制造數(shù)字化轉(zhuǎn)型

張賢根 謝書鴻 徐金田

摘要：面對激烈市場競爭，線纜制造急需解決工廠產(chǎn)業(yè)鏈上下游工序復雜、工廠跨區(qū)域、距離遠、生產(chǎn)機臺離散以及數(shù)據(jù)入網(wǎng)施工難度大等行業(yè)問題。直擊線纜行業(yè)制造過程中的痛點，基于自身優(yōu)勢，運用5G網(wǎng)絡覆蓋，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺，建設5G深度運用的十大典型場景，推進生產(chǎn)自動化、管理信息化的數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級。

關(guān)鍵詞：線纜制造；5G；數(shù)字化；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；標識解析；智能安全

1 引言

5G擁有超大帶寬、超低時延和海量連接的特性，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎網(wǎng)絡建設及融合創(chuàng)新應用提供支撐和保障。目前5G技術(shù)逐步轉(zhuǎn)入商用階段，中國信通院院長劉多提出：“5G開啟出萬物互聯(lián)的新時代，5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合是重要方向，將會給社會帶來巨大改變。”2019年工信部發(fā)布政策性文件《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進方案》，大力推進“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”在制造業(yè)落地實施，重點打造5個公共服務平臺，10個重點行業(yè)，20個以上的典型工業(yè)場景。海爾大規(guī)模定制集成測試平臺、上海商飛視頻檢測安裝缺陷和AR輔助飛機裝配、南方電網(wǎng)承載電網(wǎng)的配電業(yè)務、廣西柳工裝載機遠程控制和環(huán)境監(jiān)控以及青島港岸橋吊車遠程操作[1]等，均實現(xiàn)5G技術(shù)深度融合運用。

隨著時代的發(fā)展和環(huán)境變化，線纜制造企業(yè)經(jīng)營發(fā)展遇到很多挑戰(zhàn)。主要痛點如下：

1）人口紅利消失。對于勞動密集型線纜制造企業(yè)，隨著勞動力短缺、成本上升，人口紅利逐步消失。

2）市場競爭加劇。伴隨光纖、光纜行業(yè)需求增長放緩，以及各廠家對市場份額的激烈爭奪，價格競爭趨于白熱化。需要從經(jīng)營過程深度挖掘生產(chǎn)數(shù)據(jù)，尋找降本點、突破點，提高原材料利用率、生產(chǎn)效率和品質(zhì)合格率。

3）多機交互受限于網(wǎng)絡。部分網(wǎng)絡基礎建設存在數(shù)據(jù)分散、前期采集容量偏小，限制了大數(shù)據(jù)分析的效果、多機交互受限制于網(wǎng)絡實時性要求。

4）上下游產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)據(jù)孤島。上下游數(shù)據(jù)孤立，相互之間未有效銜接，質(zhì)量數(shù)據(jù)分散。

中天科技作為線纜行業(yè)中數(shù)字化建設的領(lǐng)頭企業(yè)，目前已建設線纜行業(yè)首個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)“ASUN”平臺，首家上線運營國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點，已擁有4個國家智能制造綜合標準化與新模式示范、智能制造試點示范和21個示范智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標桿工廠和智能車間。面對5G的新一代通信技術(shù)轉(zhuǎn)入制造業(yè)，中天科技率先于2019年開始部署“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”方面相關(guān)技術(shù)，2020年4月正式啟動“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目，深化企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2 基本思路

根據(jù)中天科技線纜產(chǎn)業(yè)鏈廠區(qū)分布區(qū)域廣，應用場景多，網(wǎng)絡要求高的特點，采用3.5 GHz頻段，建設5G專網(wǎng)（SA網(wǎng)絡）。5G企業(yè)專網(wǎng)在服務范圍、網(wǎng)絡能力、隔離度和服務保障等方面均依照線纜行業(yè)特點，進行定制化的部署。

結(jié)合各工廠實際環(huán)境，通過在工廠不同位置“安裝宏站，結(jié)合微站”的方式來實現(xiàn)應用區(qū)域覆蓋。室外宏站部署，針對標準型廠房，無信號屏蔽的單位，采取室外5G室外宏站覆蓋。室分微站部署：考慮廠房和相關(guān)區(qū)域存在信號屏蔽的環(huán)境，采用室內(nèi)微站（PRRU）覆蓋。

企業(yè)內(nèi)部基于5G網(wǎng)絡實現(xiàn)分散設備互聯(lián)，數(shù)據(jù)集成。企業(yè)間利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析，基于ASUN平臺進行數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，深度融合，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同制造，大數(shù)據(jù)集成分析。

3 總體框架

中天科技公司深度與電信、移動、聯(lián)通和華為合作，基于5G企業(yè)專網(wǎng)，建設“兩線”“四區(qū)”“十場景”，如圖1所示。兩線：通信產(chǎn)業(yè)線和海洋產(chǎn)業(yè)線；四區(qū)：中天路區(qū)域、小海區(qū)域、江邊區(qū)域和如東區(qū)域；十場景：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析、智能檢測、智能生產(chǎn)、智能展示、遠程運維、智能安全、遠程監(jiān)造、多機交互、智能巡檢、智能生產(chǎn)和智能倉儲物流。

4 建設內(nèi)容

4.1 建設5G企業(yè)專網(wǎng)

圍繞各工廠場景需求，部署“兩線”“四區(qū)”5G網(wǎng)絡覆蓋，如圖2所示，實現(xiàn)跨區(qū)域網(wǎng)絡互聯(lián)互通，支持大數(shù)據(jù)分析處理。

1）各個廠區(qū)5G應用終端通過廠區(qū)5G宏站、室分站點接入，匯聚層匯聚。

2）園區(qū)E部署高配版MEC，實現(xiàn)CDE三個園區(qū)數(shù)據(jù)匯聚、分流；園區(qū)A、園區(qū)B各部署一套標配版MEC，實現(xiàn)本地數(shù)據(jù)匯聚、分流；每套MEC設備通過雙光路上聯(lián)匯聚層網(wǎng)絡。

3）各園區(qū)內(nèi)部通過現(xiàn)有內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)互通，內(nèi)網(wǎng)互聯(lián)線路帶寬視應用情況靈活擴容；園區(qū)A、園區(qū)B上聯(lián)至集團總部“ASUN”平臺，平臺的數(shù)據(jù)可通過高速專線實現(xiàn)。

4）規(guī)劃APN區(qū)分普通用戶與MEC用戶，SMF基于終端的位置和APN選擇UPF，企業(yè)終端接入企業(yè)園區(qū)的MEC，通過MEC設備訪問企業(yè)內(nèi)部服務器，本地閉環(huán)，數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

5）基于運營商級別的系統(tǒng)安全架構(gòu)，可有效保證5G企業(yè)專網(wǎng)的安全性。對MEC網(wǎng)絡實現(xiàn)接入控制，用戶權(quán)限控制，防止非法用戶訪問企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。防火墻接入控制，企業(yè)內(nèi)網(wǎng)與MEC之間設置防火墻，遵循企業(yè)原網(wǎng)絡防火墻保護機制。

4.2 十大典型場景建設內(nèi)容

（1）場景一：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析

基于5G網(wǎng)絡深化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析運用，建設供應鏈協(xié)同、全流程追溯平臺，如圖3所示。通過5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的融合，將線纜產(chǎn)業(yè)鏈實現(xiàn)數(shù)據(jù)全連接，正向監(jiān)控產(chǎn)品從生產(chǎn)/加工到售后的產(chǎn)品狀態(tài)信息，反向追溯從售后服務到前期生產(chǎn)過程各環(huán)節(jié)中產(chǎn)品的質(zhì)量信息。通過標識解析服務，對物料、訂單、物流和質(zhì)量等信息進行統(tǒng)一標識，構(gòu)建完整的檔案，為生產(chǎn)商、服務商和客戶提供完善的質(zhì)量信息追溯服務，加強產(chǎn)品質(zhì)量管理。系統(tǒng)構(gòu)建產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同，整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游的數(shù)據(jù)資源、形成數(shù)據(jù)資產(chǎn)，進行挖掘分析，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游運營活動，實現(xiàn)資源共享，設備集約使用，優(yōu)化產(chǎn)品設計、生產(chǎn)安排和產(chǎn)品交付，進而提升產(chǎn)品競爭力。

（2）場景二：智能檢測

建設基于5G網(wǎng)絡的智能表面缺陷檢測平臺，如圖4所示。使用工業(yè)攝像機實時拍攝圖片，通過5G網(wǎng)絡將多地工廠多臺設備的檢測數(shù)據(jù)上傳至MEC平臺，通過邊緣計算分析，圖像識別，提取圖像中的特征，包括邊緣、線條和紋理等特征，建立模型，實時與缺陷模型進行核對，確定缺陷類別，明確缺陷的詳細坐標。

充分利用5G的高帶寬特性，實現(xiàn)高質(zhì)量檢測圖像數(shù)據(jù)實時上傳到云服務，云服務器端基于檢測圖像實時和歷史圖像數(shù)據(jù)的深度學習，實現(xiàn)算法自我優(yōu)化。在邊緣側(cè)基于圖像處理結(jié)果，結(jié)合深度學習算法，實現(xiàn)質(zhì)量識別和質(zhì)量預測算法，通過算法的自我更新及工藝的自我提升，實現(xiàn)流水線生產(chǎn)流程的質(zhì)量提升。

（3）場景三：智能展示

基于5G網(wǎng)絡實現(xiàn)設備全連接、數(shù)據(jù)全集成，建設數(shù)字孿生展示平臺，如圖5所示。數(shù)字孿生技術(shù)針對線纜行業(yè)的運行方式，進行數(shù)字建模。以數(shù)字化方式為設備建設數(shù)字孿生體，通過擬真的數(shù)字化模型，在虛擬空間調(diào)試、實驗，以讓機器的運行、室內(nèi)運輸和線纜收放線達到最佳效果；采用全域感知、運行監(jiān)測，并整合歷史積累數(shù)據(jù)進行運算，做到快速及時地輸出信息，利用高度傳感器采集的數(shù)據(jù)和信息。通過數(shù)字孿生技術(shù)，不僅能夠?qū)π鹿S設備進行監(jiān)測，實現(xiàn)故障預判和及時維修，還可以實現(xiàn)遠程操控，遠程維修，極大降低運營成本，提高安全性[3]。

（4）場景四：遠程運維

基于5G網(wǎng)絡低時延、高帶寬特點，建設多地工廠異地遠程運維系統(tǒng)，如圖6所示。針對光纖工廠分布于國內(nèi)外多地的特殊性，通過搭建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云平臺，利用5G同步性低于20 ms特性，建立數(shù)字化遠程運維服務[2]。現(xiàn)場人員僅需穿戴智能頭盔即可與遠程專家實時互動，數(shù)字化遠程運維方案基于平臺設備連接、設備管理能力，解決各地工廠設備靈活管理和監(jiān)控需求，并提供數(shù)據(jù)分析服務。從工業(yè)智能網(wǎng)關(guān)、行業(yè)云構(gòu)建等多維度構(gòu)建數(shù)字化遠程運維服務。

（5）場景五：智能安全

基于5G網(wǎng)絡，建設安全行為監(jiān)測平臺，如圖7所示。系統(tǒng)以視頻處理、模式識別和深度學習等技術(shù)為基礎，采用視頻+深度學習的技術(shù)手段代替人工現(xiàn)場監(jiān)督的方式。

根據(jù)線纜企業(yè)的安全生產(chǎn)需求，通過定制化開發(fā)一套智能視覺分析系統(tǒng)，對視頻畫面中的職工行為進行跟蹤檢測、模型分析和識別比對，當出現(xiàn)違規(guī)行為時，系統(tǒng)自動預警并推送通知發(fā)出聲光報警，第一時間提醒職工進行安全行為自檢。高危情況可聯(lián)動關(guān)停設備，安全生產(chǎn)管理人員進行及時處理，避免安全事故的發(fā)生。

（6）場景六：遠程監(jiān)造

基于5G建設遠程監(jiān)造平臺，如圖8所示。針對工廠、施工現(xiàn)場偏遠地區(qū)（例如海纜施工），將工廠數(shù)據(jù)對接工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺，獲取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、檢測數(shù)據(jù)、廠驗數(shù)據(jù)及設備運行數(shù)據(jù)；對接視頻系統(tǒng)，獲取現(xiàn)場實時視頻流；利用5G大帶寬、低時延特性，打造遠程監(jiān)造平臺。遠程查看實時生產(chǎn)執(zhí)行情況、項目進度以及生產(chǎn)現(xiàn)場情況。準確掌握生產(chǎn)制造過程中的工藝質(zhì)量狀況和設備的使用情況，對質(zhì)量數(shù)據(jù)進行有效地統(tǒng)計分析，及時發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題，進行質(zhì)量改進，提升質(zhì)量水平，實現(xiàn)產(chǎn)品缺陷的報警，有效避免人工監(jiān)造的疏漏，實現(xiàn)監(jiān)造的全天候無縫銜接。

（7）場景七：多機交互

基于5G網(wǎng)絡，建設多機協(xié)同系統(tǒng)，如圖9所示。系統(tǒng)解決設備之間端到端數(shù)據(jù)通信和交互，實現(xiàn)機械手、物流系統(tǒng)、生產(chǎn)設備、小車相互交互和實時協(xié)同作業(yè)。當生產(chǎn)設備生產(chǎn)結(jié)束后，設備PLC給出動作指令至機器人，機器人接收到動作指令后立即開始執(zhí)行既定程序，自動完成半成品預制棒的裝卸工作，全程無需人員手動操作。

采用5G網(wǎng)絡的覆蓋，擺脫了線纜“束縛”，有效支持移動小車的通訊與設備的數(shù)據(jù)交互控制。網(wǎng)絡建設增強補短，采用無縫切換模式，解決網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包丟失問題。運用5G網(wǎng)絡切片技術(shù)，結(jié)合機器人+視覺技術(shù)，實現(xiàn)從生產(chǎn)到成品出庫的物流自動化。

（8）場景八：智能巡檢

運用5G巡檢機器人對生產(chǎn)過程進行智能巡檢。車間內(nèi)定量的數(shù)據(jù)通過采集模塊直接采集，而生產(chǎn)過程中關(guān)于定性的數(shù)據(jù)無法采集，一直依賴人工點檢。巡檢機器人將生產(chǎn)過程中定性的數(shù)據(jù)，如圖10所示，通過圖像識別進行采集，提取圖像中的特征，包括邊緣、線條和紋理等特征，與正常狀態(tài)進行對比，識別劣化變化過程，有效替代人工巡檢。同時基于5G網(wǎng)絡，保證大量圖片數(shù)據(jù)能夠得到快速傳輸，多臺移動巡檢機器人數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)全部集成至邊緣計算平臺，進行分析并不斷優(yōu)化模型，提高識別率。對于無法識別的數(shù)據(jù)，及時回傳給后端指揮人員以圖示化的顯示，方便值班人員進行快速決策。

（9）場景九：智能生產(chǎn)

建設5G網(wǎng)絡，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，助力智能生產(chǎn)。解決傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)依賴于物理網(wǎng)絡的架設，工業(yè)數(shù)據(jù)采集在傳輸速率、覆蓋范圍、延遲性、可靠性和安全性等方面局限性。應用5G+融合數(shù)字化組網(wǎng)方式，能夠充分利用5G的原生特性，通過接入工業(yè)網(wǎng)關(guān)，解決帶寬與時延問題。對原來設備進行5G智能傳輸改造，實現(xiàn)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，同時能夠?qū)ξ锢砭W(wǎng)“剪辮子”，降低傳輸負荷。智能生產(chǎn)系統(tǒng)如圖11所示。

（10）場景十：智能倉儲物流

建設基于5G網(wǎng)絡的智能立體車庫，如圖12所示。5G技術(shù)解決傳統(tǒng)立庫無線切換延時、漫游卡頓的問題，保證夾爪在定位每個庫位時精確高效。利用5G低時延技術(shù)（端到端時延 10 ms）[3]，實現(xiàn)跨區(qū)域、大距離信號傳輸穩(wěn)定的要求，同時解決了高速運動設備線纜傳輸高柔性需求的難題。

5 建設成效

通過5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)融合應用實踐，實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)集成整合率100%，設備聯(lián)網(wǎng)率100%，有效助力企業(yè)數(shù)字化建設。整體“棒纖纜”產(chǎn)業(yè)鏈生產(chǎn)效率提升18%，運營成本降低15%，減少人工25%，安全事故發(fā)生率降低90%。

中天科技通過“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”項目實施在線纜行業(yè)的先導應用，給同行及后來者提供了有效的借鑒和示范引領(lǐng)作用。積極探索標識解析二級節(jié)點運營方案，形成商業(yè)運營服務模式，帶動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析的深入應用及示范推廣。探索5G智慧工業(yè)網(wǎng)絡的標準生態(tài)，形成產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)合作示范。

參考文獻

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