5G MEC智慧倉儲專網設計

洪成洋，劉 洋

（中通服咨詢設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

物流行業是支持國家發展的的基礎性、戰略性產業，優質的物流服務與高效的運營能促進社會、經濟的高速發展[1]。特別是自2019年起，貨物跨地轉移數量急劇增長、頻次愈加頻繁，服務范圍更加廣闊，整個物流業呈現了復雜多變的形態。在此背景下，現代物流供應鏈中的訂單、倉儲、運輸和配送等各個環節急需最前沿信息技術升級改造，全面提升物流供應鏈的智慧化水平。其中以倉儲最為重要，但當前物流倉儲存在三大困難：成本高、效率低、數字化程度低。成本高主要體現在倉儲作業還是傳統的人工模式，用人成本的不斷攀升；效率低主要表現在網絡化、集約化程度低，資源共享程度低，在攬配等物流作業環節自動化程度低；數字化程度低是指在信息化、數字化、智能化長期發展戰略上尚未形成體系，很難最大化地發揮出大數據、人工智能等技術的優勢[2]。因此物流倉儲與人工智能、AR/VR、區塊鏈等新技術的融合創新成了必然趨勢[2]。這些新技術對無線通信的帶寬、時延、接入能力提出了更高的要求。5G 作為革命性通信技術，具有超越光纖的無線傳輸速度、超越工業總線的實時能力以及全空間的連接能力，能夠與新技術有機融合，解決物流領域的很多重要問題，從而實現倉儲智能化、無人化，推動物流業成功轉型[3]。

1 智慧倉儲對5G業務需求分析

物流倉儲的發展方向是倉配一體化、無人化、園區化。在一個省級物流園內，倉儲工作區可達數萬平方米，為了對土地進行更加集中的利用，倉儲工作區一般是使用層格式貨架或高層貨架這類高架倉庫。倉內還有貨物存取和輸送系統，承擔貨物存取、出入倉庫的功能，常見的輸送系統有傳輸帶、穿梭車、自動導引車、智能分揀機器人、叉車以及拆碼垛機器人等[4]。裝卸機械承擔貨物出入庫裝車或卸車的工作，一般由行車、吊車、叉車等裝卸機械組成[5]。此外，倉儲內布放著千萬級別數量的多種類型傳感器，傳感器采集倉儲內環境狀態，傳輸帶運行等各種信息，并轉化為轉為電信號數據，而這些數據將為智慧中央平臺實時了解當前整個倉庫各個環節運行情況提供了支撐，中央平臺通過大數據、人工智能等手段處理、分析數據，生成決策指令，指導庫內作業單元工作。但是由于在擁擠的空間中存在著大型金屬機器，電磁波的傳播環境非常惡劣，來自機械機器人、傳感器等的高流量可能會使網絡超載，并引起干擾，來自業務程序對安全性、可靠性的額外限制，也增加了對網絡資源的需求。在當前，倉儲作業仍以傳統WiFi+工業總線作為主要的通信手段，搬運AGV、AMR，機械臂等智能設備通過WiFi無線或者工業總線與控制系統、運維系統進行指令與數據的通信，然而隨著業務增長，倉儲智能設備越來越智能化，規模也越來越大，設備與控制系統、運維平臺的通信量也隨之增大，對無線網絡通信帶寬、可靠性及通信延時要求變的更高。主要挑戰包括：（1）單一的無線AP無法覆蓋整個倉庫范圍，WiFi 接入容易存在切換丟包、網絡穩定性差等問題，降低倉儲生產線的工作效率[6]；（2）有線通信限制機器人的移動；（3）倉庫控制系統（Warehouse Control System，WCS）、倉庫管理系統（Warehouse Management System，WMS）、地面控制系統、運維系統等服務集群采用本地部署方式，并通過局域網與倉儲管能設備進行通信，系統部署難度大、成本高、硬件資源存在忙時閑時利用不均衡，遠程維護困難。此外，在引入人工智能、AR/VR、區塊鏈等新一代技術后，傳統通信模式變得更加難堪。人工智能業務要求很大的流量寬帶，帶寬要求≥40 Mb/s；智能機器人對時延和可靠性極其敏感，連接時延要達到10 ms以下，甚至是1 ms的級別；倉儲內各種物聯傳感器對數據速率要求較低，屬于小數據包業務，但千萬級別規模，信令交互連接可能導致信令風暴。

2 5G MEC智慧倉儲專網設計方案

建設5G MEC倉儲專網可以解決上述通信困難，并實現倉儲內所有智能終端“一網統管”，通信資源按需分配，為其他信息技術打造智慧物流奠定堅實的通信基礎。5G MEC專網的優勢在于以下幾點。

（1）5G專線部署與公網完全隔離，避免通信干擾擁塞。

（2）核心網用戶面功能下沉，MEC在靠近行業數據源的移動邊緣網絡側，部署計算、網絡和存儲能力，可以直接獲取的實時無線網絡信息（如用戶位置、基站負載等）的業務環境，避免了流量在核心網的迂回，減少了業務傳輸時延。此外倉儲智能設備主控上運行的導航定位、激光雷達、視覺圖像識別及環境感知等需要復雜計算能力需求、WCS、WMS、地面控制系統、運維平臺的需求上移到5G的邊緣計算服務器上，以實現云端算力下沉，終端算力上移，從而在邊緣計算節點形成兼顧時延，成本和算力的匯聚點[7]。

（3）業務本地閉環，滿足行業客戶對企業生產數據安全與私隱保護的要求。

2.1 運營商虛擬專網方案

5G網絡切片技術可將運營商的物理網絡切分，構建多個專用的、按需定制的虛擬的邏輯網絡[7]，5G網絡在核心網/承載網/無線網按需配置好子切片，MEC部署在靠近物流倉儲附近的結點上。這種端到端切片形成的虛擬專網方案優點是：（1）網絡部署快捷，物流企業不需維護；（2）通信質量有運營商保障。但缺點也很明顯，即：（1）受運營商MEC部署位置影響，通信低時延可能無法保障；（2）用戶信息與生產數據離開園區，安全性取決于虛擬網絡的質量。

為了滿足物流企業對數據留在園區的需求，提出建設物理5G網絡的方案，根據是否需要在企業內部建設完整的核心網，可將方案劃分為混合專網與獨立專網。

2.2 混合專網方案

方案一如圖1（a）所示，通信運營商在企業的倉儲作業區內部署5G基站，核心網的控制面功能仍然由公網承擔，但將用戶面（UCF）下沉到企業園區機房內，MEC就近部署[8]。MEC與UPF通過N6接口相連，UPF通過N6接口與企業內網相連。從圖中可以看出，5G基站資源與傳輸資源是共享資源，滿足企業用戶與普通用戶的使用。但通過分流，ULCLUPF將企業內部的使用的業務與一般的業務區分開來，并分別通過主/輔錨點UPF，送達給中心網絡或本地網絡。這種混合專網既能保障時延要求，又能滿足數據安全地保留在工業園區，本地流量本地消化。方案二如圖1（b）所示，相比于方案一，運營商分離了承載網，并增加5G基站數量或者載波數，目的是使企業用戶能獨占整個基站。這種方案的優點是超低時延、數據安全，缺點是部署后期維護成本都很高。

圖1 混合專網建設方案

2.3 獨立專網方案

對于自主控制要求更高的大企業客戶，獨立專網是個良好的方案。

如圖2所示，運營商為物流企業建設獨享的、完整的5G網絡，包括獨享5G基站、獨立的承載網以及獨享的核心網，實現與公網完全隔離。一般用戶走公網通信，企業用戶數據走專屬通道直接回傳到企業本地網或者經企業級核心網轉發到遠程企業云。本地網部署邊緣云算力，提供彈性擴展的存儲、計算、網絡能力，使得數據管理更智能、存儲方式更靈活。少部分全局性的用戶面數據則送到企業云端進行全局處理，實現邊緣計算和云端計算保持高效協同、合理分擔運算任務。

圖2 獨立專網建設方案

綜上，企業可以根據自身需求（包括數據安全性、部署維護成本等因素）選擇合適的組網模式。

3 結 論

未來，將從以下幾個方面深入研究，以促進物流業更進一步智慧化。首先，加強基礎技術研究，結合5G通信技術，在智慧物流領域深化AI機器人、增強現實等關鍵技術的突破。其次，促進國家統一標準的制定，加強5G在物流應用的標準制定與推廣，將相關上下游的企業納入到5G智慧物流產業的生態鏈中，從而使5G智慧物流不斷地與新的經濟模式不斷地融合推進和發展。最后，積極推動應用落地，推動更多場景的5G技術落地，實現物流全環節人員、設備、數據的互聯和園區倉儲站點、車輛、末端設備等全流程基礎設施的互通，實現 5G 及相關智慧技術在物流行業的深度融合。