5G+工業互聯網在大型石化項目中的應用實踐

程景浩，王燕偉，徐濱陽（中訊郵電咨詢設計院有限公司，北京 100048）

0 引言

工業互聯網是新一代網絡信息技術與工業系統全方位深度融合所形成的技術體系和產業生態。作為實現產業數字化、網絡化、智能化發展的重要基礎設施，工業互聯網通過人、機、物的全面互聯，推動形成全新的工業生產制造和服務體系，成為工業經濟轉型升級的重要途徑。工業互聯網是全球新一輪產業競爭的制高點。在德國提出工業4.0 計劃，美國提出工業互聯網概念之后，我國自2015年以來陸續出臺了“中國制造2025”、“互聯網+”等多項產業政策，推動工業互聯網的建設。中國正從工業、互聯網產業大國邁向工業、互聯網產業強國，其工業互聯網的發展前景尤為廣闊。

5G 是新一代移動通信系統的總稱。在工業4.0的演進中，物、人機、軟硬、虛實都要連接，這不僅需要保障通信系統的實時性，更大的挑戰是需要把工業所涵蓋的所有網絡進行無縫的集成。5G 與工業制造的融合，逐步成為支撐工業生產的基礎設施。5G與工業生產中既有研發設計系統、生產控制系統及服務管理系統等相結合，可以全面推動5G 垂直行業的研發設計、生產制造、管理服務等生產流程的深刻變革，實現工業制造智能化、服務化、高端化轉型［2］。

1 大型石油石化工程項目現狀及問題

1.1 大型石油石化工程項目現狀

石油化工行業屬于典型的流程工業，在我國所有工業門類中僅次于裝備制造業，排名第2，行業規模以上企業2 萬多家，年產值超過13 萬億。近年來，隨著供給側改革的深化，國家在石化行業的中游（煉油、化工、煤化工）和下游（油氣儲運、油氣批發和零售）環節已經打破了央企和國企為主的行業壟斷，積極鼓勵市場化機制運作，鼓勵民營資本和外資積極參與石化項目建設。所以近年來我國石化行業出現了一個項目建設高峰，大量的石化項目陸續開工建設。

1.2 大型石油石化工程項目存在的問題

石化項目的核心是建設大型成套生產裝置，具有施工環境復雜多變、工藝要求高、隱蔽工程多、重大風險多等特點，工程質量管理存在很大難度。目前大型石化企業均有專人管理相應的國家標準、行業標準、企業標準、工藝標準、驗收標準，設計院和施工方也按照相關標準進行設計并輸出大量質量文檔。但是目前管理方法上主要停留在對文檔標準化管理和人工現場巡查的層面，缺乏有效的與工程施工現場結合的手段。

主要存在以下問題。

a）現場施工環境復雜多變，有線網絡部署難度大，成本高，維護困難。隨著業主對項目建設期間信息化管理水平要求越來越高，在項目建設期間，臨建網絡的快速、可靠部署也越發受到企業的關注。但是建設期現場位置不確定且多變，有線網絡施工過程中容易被無意破壞等因素，導致在實際工程建設階段，網絡運行的不穩定性極大，同時也給運維工作帶來極大困難［3］。同時由于大部分建設期間敷設的有線網絡在投產后無法繼續利用，這也無形中造成了投資的大量浪費。

b）項目管理的協同性差，項目相關方交互不及時。石化工程施工環境復雜，涉及業主、設計方總體院、單裝置院、施工總包方、施工分包方、監理方等多方協同，有較多不確定因素和隱蔽工程，驗收單不能及時確認簽字，作業指導文件又不能露天存放，不易隨身攜帶。因此在現場的多方及時溝通和會商，建立高效協同的信息化、智能化平臺尤為重要。項目質量控制策劃者需要確定合理的工作方法、有序的生產管理，做好員工技術培訓和資質認證。按照現行質量檢驗相關標準的要求，細化質量驗收單元，制定詳細的質量檢驗進度計劃，明確質量驗收程序，及時對已完工分項工程進行驗收確認。嚴把材料質量關，嚴格工序控制，實施標準化作業，加強施工作業過程中的指導和溝通［4］。

c）現場質量、安全管理手段落后，智能化程度低。基本都是按照：成立質量管理部門、安全管理部門，制定標準化體系表，配套相關標準，制定相關作業標準文件并宣貫執行等這幾個程序進行質量安全管理。大量標準化文檔仍然以紙質為主，現場難以及時查詢，也難以在施工和檢維修作業中落實和追溯，使很多現場的質量、安全檢查流于形式，難以對工程項目質量、安全管理起到有效的指導和監督作用。現場缺少有效的監督手段對施工過程、施工工藝、隱蔽工程等進行及時監督，及時發現問題，進而要求及時整改［5］。

具體來說，主要包括如下典型問題。

（a）標準化文檔、質量安全控制點文檔難以在施工現場及時、有效的查詢，無法對現場施工起到應有的指導作用，也缺少對于各個控制點落實情況的及時反饋手段。

（b）主要施工技術人員（例如專業焊工）的資質、資格、技能水平是影響工程整體質量的關鍵因素，施工現場缺少有效及時的工作證識別方式，難以確保人證合一，冒名頂替現象時有發生。

（c）石化工程中需要組焊的管道、管件繁多，為保證整體工程質量需要對管道焊接的全過程進行管控。驗收要求對每個焊口的管線號、焊口號、材質壁厚、組對人（焊工編號）、組對時間、熱處理工藝、檢測比例等信息進行全程記錄，目前以人工記錄、現場拍照方式為主，信息采集效率差，難以實現高效管理［6］。

（d）施工工藝過程缺乏記錄，難以實現有效監管；現場發生的問題也無法及時多方視頻會商，經常須臨時停工，組織專門會議后變更設計，造成窩工現象。

（e）施工進場后，對附近外部環境風險變化缺乏實時預警，易發生由于周邊環境突然變化引發的安全事故。

2 5G賦能工業互聯網

絕大多數的工業企業和工程項目現場管理對網絡主要有3 類業務需求，分別是：信息交互類、數據采集類、管理控制類，不同類型的業務對于網絡性能的要求不盡相同。

a）信息交互類業務。信息交互類業務的需求以高速率傳輸、大帶寬為主［7］。

b）數據采集類業務。數據采集類業務需要強大接入能力（百萬連接/平方公里）以及低功耗、抗干擾能力。

c）管理控制類業務。管理控制類業務需要毫秒級的端到端時延，以及微秒級的時延抖動，數據傳輸成功率可靠性需達99.999%。

現有的無線通信技術如4G、藍牙、Wi-Fi、工業專用無線以及以傳統的蜂窩網絡，在通信距離、抗干擾性、安全性、使用成本、帶寬、傳輸速度等方面都存在一定的缺陷或短板。相比于上述技術，5G網絡具備超大帶寬、端到端毫秒級的超低時延、接近100%的高可靠性的網絡特性，同時5G兼備感知泛在、連接泛在、智能泛在等特點與工業互聯網領域的業務需求，非常適合解決大型石化工程現場生產安全、質量管控、人員合規、環境感知、實時預警等業務需求問題，成為解決大型石化工程項目管理問題的最佳選擇。

5G+工業互聯網是以5G為基礎，實現工業基地內通信網絡無線化，以及基地運營管理與控制遠程集中化。采用5G網絡切片技術保證通信質量和安全隔離；通過MEC 降低時延，本地分流，保證企業數據安全。根據石化工程項目管理的需求，主要考慮進行以下建設。

a）5G 工業專網。主要包括5G 基站建設和5G 邊緣云（MEC）平臺建設。根據工程現場的具體業務需求（包括現場覆蓋要求、接入終端數量、單點上下行帶寬/時延要求等）和現場的無線網絡規劃，進行無線網絡規劃，進而形成網絡建設計劃。根據客戶的業務需求和投資預算情況建設5G MEC，該網元可根據用戶的具體服務需求，靈活部署在工程項目施工現場、企業IDC 機房、工業園區IDC 機房、運營商機房。對于大型企業，一般建議購買邊緣云設備，并部署在企業自己的IDC 機房，實現業務的本地分流和數據不出企業［8］。

b）現場數據采集。工業數據是工業互聯網的核心資產，而數據采集是基礎，其本質是利用泛在感知技術對多源設備、異構系統、運營環境等要素進行實時高效采集和云端匯聚。各種工業通信協議，光纖、以太網以及2G/3G/4G/5G 等通信協議能夠實現多種工業現場設備的接入，但工業現場不同時期、不同品牌、不同用途的設備有不同的數據通信協議，業內沒有統一的標準，為設備間互聯及平臺的接入帶來很大的困難。數據格式的轉換與統一是工業大數據的入口，也是工業互聯網的咽喉。基于不同類型的5G 邊緣網關設備可以將不同的工業終端數據進行匯聚以及協議轉換，并通過高可靠的網絡統一上傳，實現工業基地一網覆蓋，無縫集成［9］。

c）邊緣工業互聯網平臺。工業互聯網平臺是面向制造業數字化、網絡化和智能化需求，構建基于海量數據采集、匯聚、分析的服務體系，支撐制造資源泛在連接、彈性供給、高效配置的工業云平臺。從本質上看，工業互聯網是通過構建精準、實時、高效的數據采集互聯體系，建立面向工業大數據存儲、集成、訪問、分析、管理的開發環境，實現工業技術、經驗、知識的模型化、標準化、軟件化、復用化，不斷優化研發設計、生產制造、運營管理等資源配置效率，形成資源豐富、多方參與、合作共贏、協同演進的制造業新生態［10］。

d）業務應用系統。結合行業特點和業務管控的流程、制度、方法、要求，部署或者定制開發業務應用系統。實現業務的集成應用。基于5G 的石化工程質量管理系統主要包括三大功能模塊：質量體系、現場作業、環境監測。

（a）質量體系模塊主要包括質量標準體系、標準檢索查詢、資質管理、資格認證等功能。

（b）現場作業模塊主要包括質量控制點、工藝過程管理、焊接管理、質量檢查和考核、質量信息公示、多方會商等功能。

（c）環境監測模塊主要包括環境在線監測、危險源監測、風險規避預案、風險預警等功能。

本系統基本涵蓋石化行業工程現場質量標準化管理內容，結合現場4G/5G 網絡、5G CPE、DTU 等傳輸設備、多種可穿戴式智能化終端，可實現對質量體系、作業人員、工藝過程、環境風險等進行實時感知和監控，解決石化企業在工程管理中施工過程與標準化指導文件脫節、工藝過程難以有效監督、質量標準化管理流于形式等痛點，提升石化企業工程質量標準化的管理水平［11］。

3 5G+工業互聯網在石化項目中的應用示例

通過打造5G 專網，結合邊緣工業互聯網平臺，實現施工現場多元數據的泛在感知。結合部署在邊緣云（MEC）上的模型和算法，對實時采集的數據進行分析處理，可以實現對工程管理過程的質量全程記錄可追溯、現場作業全程可視、施工風險實時預警，解決石化工程項目管理的生產安全、施工質量、人員合規等痛點問題。結合石化企業不同業務場景，對網絡連接需求進行分析，石化企業項目網絡連接需求分析如表1所示。

表1 石化企業項目網絡連接需求分析

海南煉化百萬噸乙烯項目是海南省和中國石化重點工程項目，批復總投資281億元，是海南省打造千億產業集群、中國石化構建“一基兩翼三新”發展格局的支撐項目。該項目基于5G、物聯網、云計算、大數據、人工智能等技術，通過自主研發打造符合海南煉化和中國聯通特點的廠區側、工業園區側的5G工業制造企業邊緣云。項目自起始階段就秉承可視化、一體化、數字化、智能化轉型的信息化建設理念，先期建設了覆蓋乙烯項目工程作業區的5G專網，從質量、進度、安全3個維度，規劃了多個融合創新應用，主要包括工程現場智能管控、管道施工智慧化管控、裝置現場可操作性智慧化服務、施工進度智能分析、生產裝置現場智慧化等方面。依托5G 大帶寬、低時延、廣連接的技術特性，利用邊緣計算、網絡切片、物聯網、云計算、大數據、人工智能等核心技術，海南煉化乙烯項目實現多項5G工業互聯網融合創新應用。

a）強夯智能監測應用。利用5G、智能傳感（激光雷達、紅外報警）、人工智能等技術，對強夯機作業范圍進行預警，當有人員闖入時，報警提醒闖入人員和強夯司機并記錄報警信息；系統自動測量夯擊次數、夯沉量、累積夯沉量等數據，并可生成、導出格式化報表，便于追溯和管理。節約人力資源50%以上，有效解決質量監控難度高、安全風險高等問題。

b）無損檢測智能評定應用。在邊緣云上部署基于AI的膠片的自動讀片和智能評片算法軟件，把現場檢測設備所拍攝的高清數字成像X 光片上傳邊緣云，進行快速智能評定；解決了無損檢測工作量大、人員數量需求多、效率低、成本高、人為誤差不可控等問題。

c）人員合規監測應用。對進入施工現場所有勞務人員實行實名制管理。每個施工人員安全培訓合格后，在手機上安裝項目“建設管理系統”的手機端APP，并匹配一個編號和一個二維碼，手機APP內記錄該員工的基本信息、照片、工種、特種作業資格、編號和二維碼等，并將編號和二維碼貼于安全帽上。同時將采集的人臉及指紋信息與之相關聯，通過人臉識別的方式入場，避免無證入場、冒用證件等事件發生。將人員信息與公安聯網，同時可將場內人員崗位、工種、數量、人員工時等信息傳輸至控制中心并可在工地入口大屏幕上顯示。

d）施工進度智能分析應用。通過無人機進行現場航拍巡查，掃描現場設備、管道安裝情況，并與設計三維模型進行對比，自動統計分析施工進度。當施工進度或過程有偏差時進行報警，并利用掃描模型修正設計三維模型，為物理工廠數字化提供數據來源。通過5G網聯，實現對現場施工視頻監控的實時分析和告警。解決了4G無人機巡航延時長、無法實時分析等問題。

e）實現辦公樓全面無線辦公。乙烯項目辦公中心取消傳統布線，臺式電腦、辦公電話等終端全部采用5G無線連接。

根據項目進展，后續還將陸續開展5G+無人AGV、5G網聯電力線巡檢、5G 三維AR巡檢等應用的探索。

4 5G+工業互聯網在石化工程中的應用價值

在石化企業大型工程項目管理中，基于5G的工業互聯網可以很好地解決人員合規、行為識別、生產安全管控、質量管控、隱蔽工程追溯、環境風險感知、風險預警、實時告警等痛點問題，有廣闊的應用前景和應用價值［14］。例如：

利用5G 網絡，實現對石化企業工程現場作業標準化管理。利用5G 大帶寬特性，可實現多方視頻會商、多路視頻同步回傳，實現業主方、設計方、監理方、施工方等多方高效信息交互。

現場工業業主、工程監理方、施工方作業人員可通過信息系統應用平臺、5G 網絡、可穿戴式智能設備、二維碼標簽等實時記錄、查詢、溝通工程質量標準、工藝過程。所有過程資料得到及時、有效的記錄，并可一鍵自動生成驗收文檔，大幅提升工程質量標準化管理水平和工程作業效率［16-17］。

利用5G 自身海量連接的特性，將現場環境監測設備的數據進行集中采集，通過對施工環境的實時感知，實現施工數據的實時采集、快速分析和及時預警；現場作業人員能夠實時獲得環境風險變化情況，及時采取規避措施，提升現場作業的本質安全。

相信隨著5G 工業互聯網融合創新工作的大力推進，將有更豐富的應用場景和更大的應用價值被發現和創造，5G 工業互聯網技術必將與工業業務結合越來越緊密，助力企業降本增效、安全環保、產業升級，發揮出更大的價值！