5G專網(wǎng)在汽車制造領(lǐng)域應(yīng)用探索

黃 軼

（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司遼寧省分公司，遼寧 沈陽 110000）

1 研究背景

隨著中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展，傳統(tǒng)工業(yè)園區(qū)正面臨重重挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)上生產(chǎn)線聯(lián)網(wǎng)大多依賴有線傳輸，雖然園區(qū)已覆蓋Wi-Fi、LoRa等無線網(wǎng)絡(luò)，但仍存在信號(hào)干擾、容量有限、穩(wěn)定性較差等問題，導(dǎo)致部分生產(chǎn)輔助設(shè)備（如ECU、掃描槍、辦公Pad、AGV等）在使用過程中時(shí)常出現(xiàn)掉線、卡頓等問題，嚴(yán)重影響了工作效率和用戶體驗(yàn)；煙囪式的信息系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立封閉，信息孤島導(dǎo)致工廠整體效率很低、信息共享和業(yè)務(wù)系統(tǒng)協(xié)同不暢；薄弱的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)靈活性差，無法滿足人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的應(yīng)用和普及，嚴(yán)重地阻礙了制造業(yè)向網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、智能化轉(zhuǎn)型。某汽車公司通過5G的創(chuàng)新應(yīng)用大幅提升柔性制造效率，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜的物流和總裝生產(chǎn)車間進(jìn)行實(shí)時(shí)的大數(shù)據(jù)采集與AI分析，大幅提升串行生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率和質(zhì)量一致性。

2 方案分析及方案

2.1 需求分析

2.1.1 汽車工廠的業(yè)務(wù)需求分析

在汽車智慧工廠建設(shè)中，ECU下載測(cè)試、機(jī)器視覺、移動(dòng)面板、移動(dòng)機(jī)器人、柔性生產(chǎn)、工業(yè)AR及監(jiān)控這些生產(chǎn)場(chǎng)景對(duì)工廠自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、物流和倉儲(chǔ)、監(jiān)控與維護(hù)的需求特性有區(qū)別。具體的需求如表1所示。

表1 汽車工廠生產(chǎn)場(chǎng)景的對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求

2.1.2 汽車工廠業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求分析

汽車工程的整個(gè)生產(chǎn)流程需要各種功能車間，包括沖壓、車身、涂裝、總裝、物流等，每個(gè)車間有對(duì)應(yīng)的生產(chǎn)服務(wù)設(shè)備，不同的終端對(duì)網(wǎng)絡(luò)保障有著不同的要求。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)特性匯總出的業(yè)務(wù)特性如表2所示。

表2 不同業(yè)務(wù)特性的網(wǎng)絡(luò)需求

此外，工廠對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等級(jí)協(xié)議（SLA，Service-Level Agreement）要求包括：①網(wǎng)絡(luò)可靠性不小于99.99%；②緊急類、重要故障、一般故障、為網(wǎng)絡(luò)告警級(jí)別設(shè)置不同恢復(fù)時(shí)間，產(chǎn)線全年停機(jī)不超過52分鐘；③園區(qū)常駐維保人員，設(shè)置備件管理庫，確保相應(yīng)時(shí)間。

2.2 工廠5G網(wǎng)絡(luò)“規(guī)建維優(yōu)”方案

根據(jù)工廠業(yè)務(wù)的總體需求，考慮到工廠投產(chǎn)后的進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難度，制定5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)總體思路。依據(jù)汽車工廠提供的5G業(yè)務(wù)發(fā)展計(jì)劃，一次性規(guī)劃，分階段實(shí)施，對(duì)于后期施工困難車間，提前預(yù)埋線纜，未來隨著業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)具備長期演進(jìn)和擴(kuò)容的能力。

2.2.1 工廠網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案

為保障公司網(wǎng)絡(luò)對(duì)SLA的高要求，單網(wǎng)覆蓋的方案不能很好滿足汽車工廠可靠性的要求，如使用5G單網(wǎng)覆蓋，一旦發(fā)生了網(wǎng)絡(luò)故障，將無法滿足汽車工廠的自動(dòng)化生產(chǎn)需求，影響生產(chǎn)效率。為此提出AB雙網(wǎng)熱備的方案滿足工廠的需求，其目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 目標(biāo)組網(wǎng)架構(gòu)

AB雙網(wǎng)倒換方案，具體方案要求如下：①AB異頻雙網(wǎng)同覆蓋；②合理設(shè)置重選門限；③合理設(shè)置A→B異頻切換門限，控制A網(wǎng)信號(hào)變差后自動(dòng)倒換到B網(wǎng)（間距近、場(chǎng)強(qiáng)高，門限需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)設(shè)置）；④終端使用單卡單PLMN方案。

AB雙網(wǎng)的倒換場(chǎng)景。

（1）A網(wǎng)全網(wǎng)故障。首先排查無線、傳輸、核心網(wǎng)相關(guān)告警及小區(qū)、業(yè)務(wù)狀態(tài)，快速界定大類。如果是無線故障，則自動(dòng)切換B網(wǎng)，快速修復(fù)A網(wǎng)，修復(fù)后手動(dòng)切回A網(wǎng)；如果是傳輸故障，則自動(dòng)切換B網(wǎng)，快速修復(fù)A網(wǎng)，修復(fù)后手動(dòng)切回A網(wǎng)；如果是核心網(wǎng)故障，則自動(dòng)切換B網(wǎng)，快速修復(fù)A網(wǎng)，修復(fù)后手動(dòng)切回A網(wǎng)。（2）A網(wǎng)部分故障。優(yōu)先排查無線故障告警，統(tǒng)計(jì)終端狀態(tài)，其次排查傳輸及核心網(wǎng)，如果所有終端在線且無異常，工作時(shí)間先不變更，晚上下班后將A網(wǎng)故障下的終端切到B網(wǎng)。同時(shí)修復(fù)A網(wǎng)，修復(fù)后切回A網(wǎng)。如果有終端性能惡化已影響業(yè)務(wù)，通過設(shè)置合理門限將故障終端切至B網(wǎng)，并及時(shí)修復(fù)A網(wǎng)，修復(fù)后切回A網(wǎng)。閉塞部分pRRU的方案可能會(huì)影響其他業(yè)務(wù)正常的pRRU，不建議在廠區(qū)工作時(shí)間操作。其中可通過三種情況切換在前判斷B網(wǎng)狀態(tài)：PRB利用率、用戶數(shù)、流量等基本KPI；核心網(wǎng)AB網(wǎng)的B網(wǎng)不是空載，切換前需判斷B網(wǎng)擁塞狀態(tài)；傳輸AB倒換的前提，是否只有BBU上聯(lián)端口故障才能自動(dòng)倒換。所有情況都需要用戶級(jí)監(jiān)控，跟蹤終端狀態(tài)。

2.2.2 工廠網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

為了保證汽車工廠的SLA，節(jié)約建網(wǎng)成本，在汽車工廠采用專網(wǎng)覆蓋時(shí)，遵循的規(guī)劃原則和容量演進(jìn)策略如下。

（1）頭端方案：為保證后續(xù)容量演進(jìn)中的小區(qū)劈裂能力和規(guī)避小區(qū)之間干擾，所有容量場(chǎng)景都建議使用外接定向天線模塊+定向天線吊裝方式；同時(shí)規(guī)劃方案考慮了在后續(xù)容量擴(kuò)展中提供足夠的硬件演進(jìn)能力和軟擴(kuò)容的能力。

（2）覆蓋規(guī)劃：4 m掛高場(chǎng)景由于空間路損小，使用10 dB波寬即可滿足覆蓋強(qiáng)度要求，8 m掛高場(chǎng)景仍然采用60°天線，但是考慮路損增加，采用6 dB波寬作為覆蓋邊界；12 m掛高場(chǎng)景由于采用30°天線，天線增益增加，仍然以10 dB波寬作為邊界即可滿足覆蓋強(qiáng)度要求；類似的更高掛高的20 m場(chǎng)景，采用30°定向天線的6 dB波寬作為頭端規(guī)劃的邊界。

（3）單位面積：按照單頭端覆蓋18 m×18 m=324 m2的原則，每千平米約需要3個(gè)頭端，所有存在潛在業(yè)務(wù)應(yīng)用和容量增加需求場(chǎng)景，都建議在基礎(chǔ)頭端規(guī)劃上基于該原則。

（4）天線選型：全向天線和定向天線選擇原則滿足如下條件之一可以使用內(nèi)置全向天線。對(duì)于掛高不超過10 m，覆蓋區(qū)域面積小或者容量足夠低，如辦公區(qū)域，無須扇區(qū)劈裂，全向天線足以保證覆蓋。掛高不超過10 m，廠房面積較大，但內(nèi)部隔斷豐富，即便需要小區(qū)劈裂，也可以利用墻體的阻隔來隔斷小區(qū)之間的干擾。有容量或演進(jìn)訴求，需要扇區(qū)劈裂，掛高較高的場(chǎng)景，建議使用外接天線模塊，控制小區(qū)邊界，減少小區(qū)間干擾。

（5）擴(kuò)容方案：后續(xù)容量提升策略分為如下三個(gè)維度，三個(gè)維度相對(duì)獨(dú)立，可以組合使用。維度1：扇區(qū)劈裂，例如，32個(gè)頭端射頻合路調(diào)整至16個(gè)頭端射頻合路，通過良好的RF規(guī)劃使容量接近倍增。維度2：頻譜疊加，從聯(lián)通100 MHz到電聯(lián)200 MHz共用，容量同步倍增。維度3：軟特性，支持分布式MM，8個(gè)頭端共小區(qū)場(chǎng)景，開啟分布式MM，上行容量實(shí)現(xiàn)2～4倍容量提升。

（6）設(shè)計(jì)容量層級(jí)：根據(jù)寶馬公司提供的需求，針對(duì)不同的區(qū)域及不同區(qū)域制造功能設(shè)計(jì)容量演進(jìn)策略和層級(jí)，明確不同層級(jí)網(wǎng)絡(luò)能力，便于后續(xù)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施保障和商務(wù)模式設(shè)計(jì)。如表3所示。

表3 不同區(qū)域和層級(jí)的模型歸類和速率要求

針對(duì)各車間的2C、2B需求，擬采用3種建設(shè)方式。

（1）對(duì)于只有2C建設(shè)需求的樓宇，以滿足5G覆蓋為主，空曠區(qū)域PRRU間距為36米，辦公密集區(qū)域根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

（2）對(duì)于有2C+2B建設(shè)需求但是無明確業(yè)務(wù)需求的樓宇，采用2B L0的建設(shè)方式進(jìn)行覆蓋，空曠區(qū)域PRRU間距為25米。

（3）對(duì)于有2C+2B建設(shè)需求且需要滿足5G定位需求的樓宇，需采用2B L1的建設(shè)方式進(jìn)行覆蓋，空曠區(qū)域PRRU間距為15～18米。未來根據(jù)業(yè)務(wù)需求采用2B方式。

2.2.3 工廠網(wǎng)絡(luò)維護(hù)保障方案

為了保障汽車工廠網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運(yùn)行，制定相關(guān)的維護(hù)保障方案，方案包括維護(hù)人的組織架構(gòu)和駐場(chǎng)服務(wù)的需求。

（1）維護(hù)組織架構(gòu)設(shè)計(jì)。聯(lián)通組建行業(yè)VIP用戶2B保障組，作為橋梁和紐帶，組織監(jiān)控運(yùn)維中心網(wǎng)優(yōu)、無線、核心網(wǎng)、駐場(chǎng)等團(tuán)隊(duì)，以及廠家運(yùn)維專家，共同支撐客戶專網(wǎng)的運(yùn)維保障，明確各方工作責(zé)任。

（2）專網(wǎng)統(tǒng)一運(yùn)維。工廠網(wǎng)絡(luò)使用統(tǒng)一運(yùn)維方式，從故障預(yù)測(cè)預(yù)防到故障識(shí)別診斷的完整流程方案。統(tǒng)一運(yùn)維部署方式包括OWS運(yùn)行態(tài)支持在運(yùn)營商DC集中部署。支撐省公司2B運(yùn)維保障團(tuán)隊(duì)集中進(jìn)行2B網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和故障處理。通過OWS分權(quán)分域能力，企業(yè)自運(yùn)維人員（或運(yùn)營商駐地運(yùn)維人員）遠(yuǎn)程接入OWS，提供企業(yè)租戶自運(yùn)維視圖。

在此方式上，統(tǒng)一運(yùn)維的方案價(jià)值比較明顯，首先實(shí)現(xiàn)2B質(zhì)量可視可管，通過2B拓?fù)洌瑢?shí)現(xiàn)切片及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和質(zhì)量可視監(jiān)控，構(gòu)建專網(wǎng)運(yùn)維統(tǒng)一入口；其次實(shí)現(xiàn)故障識(shí)別和診斷，逐步積累2B場(chǎng)景運(yùn)維知識(shí)庫，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)故障快速識(shí)別和診斷，支撐2B運(yùn)維保障SLA目標(biāo)達(dá)成；最后實(shí)現(xiàn)2B故障預(yù)測(cè)預(yù)防，基于網(wǎng)絡(luò)側(cè)的亞健康預(yù)測(cè)預(yù)防能力，在故障發(fā)生前提前感知，逐步提升覆蓋2B故障場(chǎng)景，在用戶報(bào)障前發(fā)現(xiàn)并解決問題。

3 工廠5G專網(wǎng)業(yè)務(wù)創(chuàng)新

3.1 技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)5G業(yè)務(wù)發(fā)展

3.1.1 使用上行大帶寬滿足工廠的業(yè)務(wù)需求

傳統(tǒng)的汽車制造工廠環(huán)境復(fù)雜、工位密集，數(shù)字化改造遇到走線難、工業(yè)Wi-Fi干擾大等難題，無法滿足大密度、大上行、低時(shí)延的機(jī)械臂自動(dòng)抓取送料、車身焊點(diǎn)實(shí)時(shí)檢測(cè)等業(yè)務(wù)。在寶馬智慧工廠規(guī)劃的發(fā)動(dòng)機(jī)零器件劃痕檢測(cè)應(yīng)用中，采用攝像機(jī)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)零器件進(jìn)行不同角度拍攝，快速識(shí)別缺陷提升產(chǎn)品質(zhì)量，減少檢查人員工作強(qiáng)度，提升檢查準(zhǔn)度，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題快速閉環(huán)。5G網(wǎng)絡(luò)大上行能力為高清圖像、視頻回傳提供了保障。在本網(wǎng)絡(luò)中采用分布式大規(guī)模天線規(guī)避了小區(qū)間干擾，并用分布式多天線技術(shù)提升用戶體驗(yàn)。

經(jīng)過測(cè)試，5G室內(nèi)分布式Massive MIMO創(chuàng)新試點(diǎn)上行速率達(dá)1.08 Gbps，完全滿足汽車工廠專網(wǎng)的覆蓋要求。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2 4臺(tái)終端詳細(xì)的測(cè)試結(jié)果

3.1.2 5G室內(nèi)定位

為了更好地進(jìn)行物流管理和人員管理，工廠物流區(qū)對(duì)叉車和人員的室內(nèi)位置定位服務(wù)提出了需要。隨著5G的持續(xù)演進(jìn)，在2020年中發(fā)布的3GPP R16版本中新增了定位功能，其利用5G大帶寬帶來的超高信號(hào)分辨率以及室內(nèi)多點(diǎn)位測(cè)量等特性，通過與MEC配合，可以實(shí)現(xiàn)室內(nèi)定位能力。通過在工廠進(jìn)行5G室內(nèi)定位能力驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了物流區(qū)91%的區(qū)域3米定位精度。相對(duì)其他傳統(tǒng)室內(nèi)定位技術(shù)，運(yùn)營商部署5G室內(nèi)定位技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于建設(shè)一張同時(shí)滿足5G通信+定位能力的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)一網(wǎng)兩用，并且還可以通過MEC將定位能力開放給上層應(yīng)用，促進(jìn)5G行業(yè)生態(tài)繁榮。通過使用5G定位技術(shù)，行業(yè)客戶不再需要單獨(dú)建設(shè)定位系統(tǒng)，降低行業(yè)客戶投資成本。

3.2 商務(wù)模式創(chuàng)新

運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)“從一根線到一張網(wǎng)”，服務(wù)模式的變化要求商業(yè)模式相應(yīng)變化。5G 2B網(wǎng)絡(luò)需要持續(xù)運(yùn)營運(yùn)維，需要有相應(yīng)的量綱支撐持續(xù)投入，一次性收費(fèi)、周期性收費(fèi)、特性收費(fèi)和專項(xiàng)服務(wù)收費(fèi)等。網(wǎng)絡(luò)商業(yè)模式除了需要包含設(shè)備和基礎(chǔ)服務(wù)費(fèi)用，還要體現(xiàn)增值業(yè)務(wù)特性和和專業(yè)服務(wù)價(jià)值。

4 結(jié)束語

汽車工廠5G專網(wǎng)的覆蓋方案，從業(yè)務(wù)需求分析出發(fā)，結(jié)合汽車工廠的專網(wǎng)需求，從性能需求和成本兩方面提出AB專網(wǎng)的方案。根據(jù)工廠的具體的建筑環(huán)境，為其進(jìn)行覆蓋方案設(shè)計(jì)。針對(duì)其網(wǎng)絡(luò)屬性要求，配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)保障方案。從5G網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和商業(yè)模式兩方面進(jìn)行創(chuàng)新。首先為滿足用戶的業(yè)務(wù)需求單獨(dú)為用戶搭建專網(wǎng)；其次在商業(yè)模式方面從賣專線變成賣網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了雙方共贏。不但帶來新的業(yè)務(wù)發(fā)展契機(jī)，也為行業(yè)的5G應(yīng)用提供了示范案例。■