5G+MEC技術在智慧工廠組網中的應用分析

包可樂，沈 東，呂 祎

（1.中國聯(lián)合網絡通信有限公司浙江省分公司，浙江 杭州 310051；2.浙江省信息通信協(xié)會，浙江 杭州 310003；3.浙江省通信產業(yè)服務有限公司，浙江 杭州 310053）

智慧工廠作為工業(yè)4.0的重要組成部分，旨在通過數字化、智能化的手段提高生產效率。傳統(tǒng)的工廠組網技術面臨著諸多限制，如網絡時延、數據安全、能源效率等問題，難以滿足智慧工廠的需求[1]。而5G和MEC技術的快速發(fā)展，則為智慧工廠組網提供了新的解決方案。以下將分別介紹5G和MEC技術的特點和優(yōu)勢，并結合智慧工廠的應用需求，探討這兩種技術在智慧工廠組網中的應用。

1 5G技術的特點和優(yōu)勢

5G是第五代移動通信技術，相對于4G技術，5G技術具有以下特點和優(yōu)勢：①可以提供更高的帶寬和更快的傳輸速度，支持更大容量的數據傳輸；②時延很低，可以實現(xiàn)實時通信和控制，支持更多的物聯(lián)網設備；③可靠性更高，能夠應對各種復雜的網絡環(huán)境，保證通信的穩(wěn)定性和安全性；④支持更多的連接，可以實現(xiàn)大規(guī)模的設備互聯(lián)。5G技術的特點和優(yōu)勢使得其在智慧工廠組網中有著廣泛的應用，特別是在生產流程控制、設備管理等方面[2]。

在生產流程控制方面，5G技術可以通過高速傳輸和低時延方式，實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制生產流程，提高生產效率。例如，在制造行業(yè)中，通過5G網絡連接的智能機器人可以實現(xiàn)高效的自動化生產和流水線操作，同時也可以對生產過程進行實時監(jiān)測和反饋，從而快速響應生產過程中的問題。

在設備管理方面，5G技術可以通過支持更多的設備連接，實現(xiàn)智能化設備管理和維護。例如，在智能工廠中，5G網絡可以連接各種工業(yè)設備、傳感器和物聯(lián)網設備，實現(xiàn)對這些設備的實時監(jiān)測和控制，以及對設備狀態(tài)的遠程診斷和維護，提高設備的運行效率和可靠性。

在物流管理方面，5G技術可以通過高速傳輸和低時延方式，實現(xiàn)智能化物流管理。例如，在物流行業(yè)中，通過5G網絡連接的智能運輸車可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制貨物的運輸過程，從而減少物流成本和提高物流效率。

2 MEC技術的特點和優(yōu)勢

MEC是一種邊緣計算技術，旨在將計算、存儲和網絡服務放置在更接近用戶的邊緣，從而提高應用性能和響應速度。MEC技術具有以下特點和優(yōu)勢：①低時延。MEC技術將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，可以實現(xiàn)更低的網絡時延。②更高的網絡安全。MEC技術將計算和存儲資源放置在本地網絡中，可以減少數據在云端傳輸的次數，降低數據泄露和遭網絡攻擊的風險。③更高的網絡帶寬利用率。MEC技術可以利用邊緣計算節(jié)點的計算和存儲資源，實現(xiàn)更加高效的數據傳輸和處理。④支持大規(guī)模部署。可以靈活地適應不同的業(yè)務需求和網絡環(huán)境。⑤MEC技術是一個開放的平臺和生態(tài)系統(tǒng)，可以集成不同的應用和服務。

3 5G技術和MEC技術組合在智慧工廠中的應用

3.1 實時監(jiān)測和控制

通過5G技術和MEC技術的結合，可以實現(xiàn)實時監(jiān)測和控制生產流程、設備運行和物流管理等。5G技術具有高速傳輸和低時延的特點，可以實現(xiàn)實時數據的傳輸和處理，而MEC技術則可以將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，進一步降低時延。這種結合可以實現(xiàn)對生產流程、設備狀態(tài)和物流運輸的實時監(jiān)測和控制。

3.2 智能化設備管理和維護

通過5G技術和MEC技術的結合，可以實現(xiàn)智能化設備管理和維護。5G技術支持更多的設備連接，可以實現(xiàn)對各種工業(yè)設備、傳感器和物聯(lián)網設備的實時監(jiān)測和控制。而MEC技術則可以將計算和存儲資源放置在更接近用戶的邊緣，實現(xiàn)對設備狀態(tài)的遠程診斷和維護。這種結合可以提高設備的運行效率和可靠性，從而降低生產成本和提高生產效率。

3.3 安全監(jiān)控和保障

5G技術和MEC技術結合可以實現(xiàn)智慧工廠的安全監(jiān)控和保障。5G技術提供了更高的網絡安全性和可靠性，可以防止惡意攻擊和數據泄露。而MEC技術則可以實現(xiàn)設備狀態(tài)的實時監(jiān)控和遠程診斷，及時發(fā)現(xiàn)和處理設備故障。這種結合可以提高智慧工廠的安全性和穩(wěn)定性，保障生產的順利進行。

3.4 個性化定制和生產

5G技術和MEC技術結合可以實現(xiàn)智慧工廠的個性化定制和生產。5G技術支持更高速率和更低時延的數據傳輸，可以實現(xiàn)生產數據的實時采集和分析。而MEC技術則可以實現(xiàn)對生產數據的實時處理和個性化分析，從而根據客戶需求進行個性化定制和生產。這種結合可以提高生產的靈活性和適應性，滿足客戶個性化需求，提高生產效率和質量。

總體來說，5G技術和MEC技術的結合可以實現(xiàn)智慧工廠的實時監(jiān)測和控制、智能化設備管理和維護、安全監(jiān)控和保障、個性化定制和生產等方面的應用，從而提高生產效率、降低成本、提高產品質量和客戶滿意度。

4 5G+MEC汽車制造工廠組網案例分析

5G+MEC組網技術可以應用于汽車制造工廠，實現(xiàn)智能化、自動化和高效化的生產流程。以浙江聯(lián)通5G虛擬企業(yè)專網建設為例，通過對5G智能制造寧波汽車工廠流水線管理的集成，實現(xiàn)智慧工廠內各要素、各環(huán)節(jié)、各系統(tǒng)、各平臺互聯(lián)互通，支撐企業(yè)內業(yè)務數據、管理數據、運營數據、生產數據動態(tài)交互。汽車制造工廠采用5G+MEC技術組網，如圖1所示。

圖1 采用5G和MEC技術的智慧工廠組網邏輯拓撲

在架構設計中，與傳統(tǒng)的自動化車間相比較，最大的變化是應用5G技術和MEC技術，采用邊緣服務器部署網絡進行傳輸控制。在進行網絡部署時，首先從覆蓋保障的角度，根據某園區(qū)實際勘測的地理特點、數據流量的大小等對園區(qū)的宏站和室分小站進行合理部署，同時針對智能車間數據傳輸的上行業(yè)務需求，對上行實施速率增強，對進行空口低時延優(yōu)化。

圖1中汽車制造工廠內部部署了多種設備和MEC節(jié)點，包括生產線上的機器人、傳感器、PLC等，以及位于車間內的MEC節(jié)點。這些設備通過5G網絡連接到MEC節(jié)點，MEC節(jié)點完成計算、存儲和網絡服務的功能，處理和管理從設備傳輸過來的數據。

MEC節(jié)點不僅提供了高效的數據處理和通信服務，還通過5G網絡連接到云端，實現(xiàn)對數據的集中管理和分析。同時，利用人工智能和機器學習技術，可以對生產過程中的數據進行實時分析和預測。

為滿足汽車制造管理數據不出園區(qū)的需求以及支撐機器視覺等5G+工業(yè)互聯(lián)網應用場景，在上述網絡之上構建了企業(yè)園區(qū)5G+MEC無線網絡。

同時利用5G切片、5G+MEC和5G專網構建5G虛擬企業(yè)生產專網，專網架構上分成不同層級，主要有工廠級、車間級和現(xiàn)場級。工廠級采用SCM、CRM、ERP、MES等不同的應用軟件，主要對整個工廠的材料采購、產品合格率等進行整體數據的把握、規(guī)劃及決策。車間級主要實現(xiàn)不同車間流水線場景應用，實現(xiàn)數據采集、5G+XR、5G+機器視覺、物流裝備管控、產線終端以移代等應用，現(xiàn)場級主要實現(xiàn)物理設備進行接入，實現(xiàn)不同的制造工具和人員檢測替代裝置的接入，同時預留“互聯(lián)網+”協(xié)同制造新模式發(fā)展的硬件相關接口。這種5G虛擬企業(yè)專網布局方式實現(xiàn)5G終端與汽車制造工業(yè)平臺互聯(lián)互通，實現(xiàn)5G 網絡、終端能力調用及監(jiān)測，同時具備承接百萬級以上規(guī)模終端的接入管理能力。

此外，在整個組網過程中，專網采用了云邊協(xié)同技術，以保障系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。專網利用5G高帶寬技術特點，實現(xiàn)對設備狀態(tài)、生產進度、生產質量等數據的實時采集、可視化的監(jiān)測。在裝配過程中，利用5G多連接技術特點調度實現(xiàn)發(fā)動機、儀表盤、變速箱等部件與車身集成，在自動化流水線完成生產后通過搬運機器人AGV進行運輸，這個搬運流程基本可以通過MEC邊緣控制工業(yè)機器人來實現(xiàn)；最后的汽車質檢通過云平臺實現(xiàn)設備聯(lián)網數據采集和設備運行狀態(tài)監(jiān)控，生產管理人員在云端根據生產狀態(tài)集中監(jiān)控實現(xiàn)動態(tài)的管理和統(tǒng)籌。

5 5G+MEC組網技術面臨的挑戰(zhàn)及解決方案

（1）網絡安全風險。由于智慧工廠中存在大量的機器和設備，這些設備和機器通過5G+MEC組網技術進行連接和通信，會面臨網絡安全的威脅，如黑客攻擊和數據泄露等。可以采用多重防御措施，采用身份驗證、網絡隔離、入侵檢測和應急響應等加以應對。此外，加強員工的安全意識和培訓，也是保障系統(tǒng)安全的重要手段。

（2）傳輸延遲問題。5G+MEC組網技術中，MEC網關需要承擔計算和存儲任務，如果網絡延遲過大，會導致數據傳輸的延遲增加，影響智慧工廠的實時監(jiān)測和控制。可以通過合理的網絡拓撲設計、選擇合適的MEC節(jié)點、使用優(yōu)化的數據傳輸協(xié)議等措施來減少傳輸延遲。

（3）計算和存儲資源受限問題。在5G+MEC組網技術中，MEC節(jié)點承擔了一定的計算和存儲任務，如果MEC節(jié)點的計算和存儲資源受限，會影響智慧工廠的實時監(jiān)測和控制。可以通過提高MEC節(jié)點的計算和存儲能力、選擇高性能的處理器和存儲器、采用分布式計算和存儲技術等措施來緩解計算和存儲資源受限的問題。

（4）通信網絡穩(wěn)定性。5G+MEC組網技術中，通信網絡的穩(wěn)定性對智慧工廠的實時監(jiān)測和控制至關重要。如果通信網絡不穩(wěn)定，會導致數據傳輸的中斷和延遲增加，從而影響生產效率和質量。可以通過優(yōu)化網絡拓撲設計、采用網絡冗余技術、使用高質量的網絡設備和協(xié)議、加強網絡監(jiān)測和維護等措施來提高通信網絡的穩(wěn)定性。

6 結束語

5G技術和MEC技術的出現(xiàn)，為智慧工廠的發(fā)展提供了新的技術支持。5G網絡的高帶寬、低時延和廣覆蓋的特點，能夠實現(xiàn)對智慧工廠內部設備和系統(tǒng)的數據高速傳輸和實時處理；MEC技術將計算、存儲和網絡服務放置在更接近用戶的邊緣，可以提高應用的響應速度和用戶體驗，緩解計算和存儲資源受限的問題。因此，將5G技術和MEC技術應用于智慧工廠組網中，能夠提高智慧工廠的運行效率、生產質量和生產安全性，同時也有助于提高企業(yè)的競爭力和商業(yè)價值。

在實際應用中，智慧工廠的組網需要綜合考慮網絡拓撲設計、通信協(xié)議、設備連接、數據處理和安全等多個方面的因素。同時，需要根據實際需求和應用場景，選擇合適的5G和MEC技術方案，搭建高效穩(wěn)定的智慧工廠網絡環(huán)境。■