5G 專網在工業領域應用的探索與實踐

陳維煒

（中國電信股份有限公司海南分公司，海南 海口 570206）

0 引 言

隨著“數字中國”戰略持續推進，工業領域的轉型升級需要新技術和新場景的應用，未來獨立、靈活且自主的網絡架構具有更高的安全等級要求、更大的帶寬以及更低的時延，成為工業企業普遍追求的目標。5G 移動通信技術在專用網絡的應用，為工業企業的信息化拓展和數字化轉型提供了新選擇。

1 工業企業網絡升級部署難點及生產轉型痛點

1.1 網絡定制化與封閉性管理難實現

由于工業企業廠區網絡普遍采用電信運營企業大網覆蓋，數據依托電信運營企業的公網網絡進行流轉，網絡管理機制與公共網絡同步，無法根據需求定制網絡，難以滿足定制化及封閉性的管理需求，數據流轉安全性不足。

1.2 網絡升級部署受限

工業企業嚴格按照生產作業空間的安全管理要求，不易實施傳統的有線網絡覆蓋方式，且建成后若需要延伸覆蓋，施工難度較大。目前，工業企業無線環境較多采用Wi-Fi 無線覆蓋，受限于Wi-Fi 的技術機制，在連接設備數量、跨廠房、跨樓層的設備連接、時延控制以及定制化管理能力方面均有較多不足。

1.3 海量生產數據的采集與分析能力有限

生產數據作為企業的重要生產要素，采集和留存難度較大，進而影響數據的分析和利用，因此需要提高效率并改進工藝，實現生產、數字化、柔性生產等方面的升級轉型，創造更高的價值。

1.4 數字化升級成本投入高

目前，數字化轉型對工業企業的重要性不言而喻，然而轉型所需投入的成本成為企業管理者需要考量的主要因素。因此，需要考慮如何以科學合理的建設模式和運營模式平衡網絡改造或數字化升級投入與產出價值之間的關系，使得企業效益最大化。數字化轉型是工業企業普遍面臨的戰略問題。隨著5G 標準協議的完善，5G 關鍵技術特性在垂直行業的應用價值凸顯。以5G 專網為技術底座，融合大數據、邊緣計算、人工智能等技術，能夠為工業企業的數字化升級提供支持[1]。

2 5G 專網的原理與實現

第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP）定義了5G 專網架構，即非公共網絡（Non-Public Network，NPN），并詳細說明了安全、網絡隔離、數據流程等問題，憑借5G 技術支持海量大連接、大帶寬低時延、增強寬帶等特性，提供技術控制手段。

基于5G 技術的NPN 通過獨立組網的非公共網絡（Stand-alone Non-Public Network，SNPN）和公網集成非公共網絡（Public Network Integrated Non-Public Network，PNI-NPN）2 種部署方式，為垂直行業用戶提供與傳統公眾網絡區隔的5G 網絡，實現在一張專網上通過自編排和自定義滿足各種個性化需求的能力。

2.1 SNPN 技術解決方案

SNPN 技術是基于5G 獨立建設的專網，其中NPN和公用陸地移動網絡（Public Lands Mobile Network，PLMN）部署在不同的網絡。SNPN 不依賴網絡運營商公共網絡提供的功能。NPN 和PLMN 可以部署在不同的網絡基礎設施中。SNPN 部署方案的獨立性主要體現在以下4 個方面：一是使用獨立無線頻段組網；二是獨立部署核心網；三是SNPN 業務不能與PLMN 進行連續性互操作；四是具備唯一網絡標識符（Network Identity Document，NID），完全獨立于公共網絡標識（Public Land Mobile Network，Identity Document，PLMN ID）。

2.2 PNI-NPN 技術解決方案

PNI-NPN 采用5G 標準網絡架構，部署在PLMN，需要網絡運營商提供部分網絡管理功能，并通過5G公網給應用對象提供專網定制功能。基礎網絡配置和維護由基礎通信運營企業維護管理，通過分權分域，實現各級管理權限和生產權限的隔離，即將PNINPN 專網網絡分為2 位維護管理者，基礎通信運營商負責維護核心側網元，而需求企業具體管理應用側。對于需求企業，該架構的優勢在于專網結構比SNPN簡單，建設成本較低，同時部分維護職責由運營商負責，工業企業可專注于生產[2,3]。

2.3 5G 專網部署方式特性分析

5G 專網的部署方式取決于企業業務需求。通常企業從建設成本、服務質量（Quality of Service，QoS）定制、網絡隔離、數據安全以及業務連續性等方面進行綜合考量。SNPN 部署方式是獨立于公網之外搭建的專用私有網絡，在性能管理、業務編排、安全管理等方面完全自主獨立，需要較大的前期投資，主要包括搭建網絡基礎和提供存儲計算能力等。PNINPN 部署方式的核心網和承載網可以與公網共享，保持了與公網的業務連接，降低了建設成本，同時服務質量定制能力、性能、管理的獨立性相應降低。2種部署方案的特性分析如表1 所示。

表1 2 種部署方案的特性分析

綜合考量組網成本和維護管理成本，采用PNINPN 部署方案組建專用網絡是現階段工業企業的首選。

3 工業企業5G 專網應用項目

3.1 某石化企業5G 專網項目

3.1.1 業務需求

油庫現場工作環境復雜，廠區危險性較高。企業根據廠區的現場環境，規劃打造智慧儲油園區管理系統，主要包括以下3 方面需求。第一，數據安全性。油庫作為戰略儲備庫，數據安全至關重要。企業管理層要求保證數據在內網流轉，不出園區。第二，智能精準識別與監控。廠方提出視頻監控結構化解析能力，對一線操作人員在操作現場出現的危險作業或不規范操作進行預警。第三，生產大數據的匯聚及應用。

3.1.2 企業痛點

一方面，對油庫安全監管要求高，現場施工布線條件受限；另一方面，企業對管理系統有升級需求，數據安全是前提。

3.1.3 解決方案

首先，使用PNI-NPN 共享無線網和控制面方式組建專用網絡，部署專用多接入邊緣計算（Multiaccess Edge Computing，MEC）+用戶平面功能（User Plane Function，UPF）下沉，實現數據不出園區，保證數據的低時延和傳輸的安全性。同時，部署專用設備形成數據的內部閉環管控機制。數據不出園區的數據路由如表2 所示。

表2 數據不出園區的數據路由

其次，通過在園區內部署5G增強現實（Augmented Reality，AR）攝像頭，借助5G 專用網絡傳輸園區紅外熱成像數據、視頻監控畫面、液位以及溫度傳感數據等一系列園區數據，實現數據上行增強。同時，采用無線部署方式，解決園區有線部署走線施工難的問題。

最后，通過部署5G 工業網關，轉發智能巡檢、熱成像、周界報警以及人臉識別等智能終端的數據，并實時將其上傳至智能業務分析平臺。

3.1.4 項目主要成效

通過部署專用UPF 和MEC 設備下沉的方式，提高了企業數據流轉安全性，滿足用戶業務數據不出園區的需求。通過5G 回傳方式，減少了全園區185 個攝像頭有線網絡部署和復雜生產區域的高難度施工成本，降低了工程實施成本約30%，提高了數字管理能力和數據安全水平。

3.2 某發電企業5G 專網項目

3.2.1 業務需求

第一，安全要求。人工盤煤等傳統作業方式對員工身體健康有一定危害，需要將傳統人工作業方式改為遠程控制方式，提高員工身體健康的安全系數。第二，提升生產數據管理安全。第三，固定式網絡接入不能滿足廠區終端接入需求，新增監控攝像頭和新增視頻點位需要開挖路面敷設線纜，成本高且施工難度大，需要考慮采用無線方式。

3.2.2 企業痛點

一方面，傳統人工盤煤作業方式需要向自動化方向演進；另一方面，廠區視頻監控系統不能滿足需求。

3.2.3 解決方案

首先，使用PNI-NPN 共享無線網和控制面方式組建專用網絡，部署專用MEC 和UPF 下沉，廠區邊緣UPF 和MEC 通過新增入侵預防系統（Intrusion Prevention System，IPS）對接運營商的承載網設備和5G 核心網（5G Core，5GC），滿足企業對數據安全的業務需求，實現核心數據不出廠區。

其次，部署專用智能操控系統，完成5G 網絡承載斗輪機遠程操控和盤煤儀數據上傳等工作，實現斗輪機、盤煤儀、監控設備以及定位裝置等設備的遠程操作，減少人工盤煤作業。

最后，通過5G 網絡承載卸船機遠程操控、視頻監控數據、視頻監控以及人員定位等業務應用。

3.2.4 項目主要成效

一是通過部署專用UPF 和MEC 設備下沉的方式，滿足了企業提高數據流轉安全性的需求。二是應用平臺+傳感系統，遠程實現巡檢、卸船、盤煤等操作，減少了一線操作員的健康隱患，且遠程集約操控提升了操作的安全性和作業效率。三是使用5G 靈活部署5G 攝像頭，不受物理走線限制[4,5]。

4 結 論

不同的工業企業在數字化升級方面有不同的痛點和需求，企業需要選擇科學合理的建設模式和運營模式，以較低成本進行數字化升級。企業可根據特定需求，考慮在NPN 設計、部署以及運維方面的投入，選擇合適的部署方案。5G 專網提供了更高的安全隔離等級、更大的數據吞吐能力以及更安全的數據傳輸方式，下沉算力提供了低時延傳輸，云計算與網絡便捷融合，均為工業企業的數字化升級提供了更多可能。目前，企業信息化需求既包括網絡接入、系統安全、數據存儲以及現場監管等普適性、通用性需求，又有不同生產環境下（溫濕度差異巨大、能見度低、作業安全要求等）的個性化需求。在數字中國和工業信息化持續推進的大背景下，結合企業實際提供切實有效的解決方案，快速、高效地解決企業痛點難點，對網絡運營企業是全新的課題，也是新的產業機遇。