5G工业现场网白皮书.pdf

2023 年 06 月中兴通讯股份有限公司5G 工业现场网白皮书算网融合 内生确定性 一站式服务3.1 5G 现场网3.2 5G 现场网部署模式3.2.1 5G 现场网独立部署模式3.2.2 5G 现场网预集成模式3.2.3 5G 园区网&现场网协同部署模式3.2.4 5G 园区网&5G 现场网合一部署模式1516161921 224.1网络关键技术4.1.1 现场网络互联4.1.2 现场网的可靠性4.1.3 功能安全保障4.1.4 ToB/ToC 网络隔离技术2323253132产业发展和演进展望021生产域需求和挑战0322.1行业场景需求2.1.1 物流-自动分拣2.1.2 3C 制造-柔性生产2.1.3 汽车制造-柔性工岛生产2.1.4 装备制造-产线服务2.1.5 钢铁-无人行车2.1.6 煤矿-综采面2.1.7 露天矿-无人矿卡2.1.8 港口-龙门吊2.1.9 化工-装置区2.2生产现场专网对 5G 能力要求0303040506070809101213生产域的专网部署155G 现场网关键技术2334目 录014.2算力关键技术4.2.1 现场网算力载体4.2.2 算力服务化架构4.3业务支撑能力4.3.1 云化 PLC4.3.2 视频优化4.3.3 融合定位平台4.3.4 前置机数采4.3.5 云化 AGV 调度台4.4企业自服务4.4.1 免规划，精准建模与网络规划4.4.2 免调测，快速建站4.4.3 免运维，业务视角自动化运维34343537373840404141414243参考文献总结和展望附录：缩略语8675.1 新北洋物流自动分拣线应用5.2 中兴南京滨江工厂数字化自动产线应用5.3 广州明珞G 原生装备制造生产线5.4 上汽通用五菱汽车制造智能岛5.5 武钢无人天车改造5.6 黄陵矿综采面5.7 西湾露天矿5.8 博世工业园区4646484950505254实践案例45556535402工业不仅仅是国民经济的主导，更是社会经济发展的基础。近年来，我国陆续推出 5G应用“扬帆”行动计划（以下简称扬帆行动）和“5G+工业互联网”512 工程推进方案等政策，促进产业各界进行5G与工业互联网融合创新。5G与工业互联网的融合创新发展，将推动制造业从单点、局部的信息技术应用向数字化、网络化和智能化转变，从而有力支撑制造强国、网络强国建设。“5G+工业互联网”已经逐渐成为加速中国新型工业化进程的重要支撑。在近年来数字经济大潮推动下，“5G+工业互联网”创新发展，已经取得阶段性成效，部分领域已经从示范走向复制，根据历年绽放杯的参赛项目数据看来，2022 年参赛项目超 2.8 万个，其中商业落地&可复制的占比已超 56%。在规模发展的同时，也凸显出一些问题：当前工业互联网的典型应用以单一环节的数字化改造为主，没有形成统一的建设方案，“单点”业务还可能会进一步为企业数字化转型带来更多信息孤岛；此外，传统企业的IT、OT网络往往由不同厂家建设，并由独立的部门分别管理，在企业内部也形成了一道道“墙”，企业生产数字化转型仍处在初级阶段。2022 年 9 月，工业和信息化部印发5G 全连接工厂建设指南（以下简称全连接工厂），旨在进一步推动“5G+工业互联网”融合应用从典型场景向生产现场系统性建设，此举也标志着“5G+工业互联网”由起步探索阶段迈向深耕细作阶段。5G 全连接工厂是充分利用以 5G 为代表的新一代信息通信技术集成，打造新型工业互联网基础设施，新建或改造产线级、车间级、工厂级等生产现场，形成生产单元广泛连接、信息（IT）运营（OT）深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。本白皮书，旨在“扬帆行动“和“全连接工厂”的指导方针下，结合中兴通讯和运营商以及各行业伙伴一起进行的广泛实践和优化迭代的经验，输出覆盖端/网/云/业的一站式的产品方案及服务，通过算网融合的底座，内生确定性的保障，一站式的服务，面向各行业伙伴呈现一套详细的工厂级、产线级、车间级的现场网的建设思路和细化流程，将“全连接工厂”的理念落到实处，从而助力不同类型的企业按需实现生产域的转型升级，加快“5G+工业互联网”新技术新场景新模式向工业生产各领域各环节深度拓展，推进传统产业提质、降本、增效、绿色、安全发展。产业发展和演进展望103生产现场是指以完成生产任务为核心的一系列活动场所，它包括各基本生产车间的作业场所，其核心部门是生产部门。全连接工厂定义了产线级、车间级、工厂级的生产现场。在不同的行业，生产现场对应不同生产现场以及不同的生产域作业。接下来，我们以下列不同行业典型的生产域作业先做个场景化分析：随着电子商务、快递等行业的蓬勃快速发展，物流分拣行业也得到了迅猛发展，物流分拣中心作为中枢节点，对提升物流效率越来越重要。传统的分拣中心，依靠人工分拣，效率低，错误率高，成本高，导致快递积压，时效性差，无法应对日益增长的快递业务量需求。自动化分拣正在成为物流行业自动化转型的典型应用。一般自动化分拣系统的核心是直线或环形交叉带分拣机和矩阵分拣机，直线分拣机系统由上包台，六面扫读码机，分拣小车等设备组成，分拣机中的小车队列沿着轨道高速运动，每辆小车载有由独立动力驱动的输送带，与小车运行方向垂直运动，贴有条码单的货件经半自动化或全自动导入台快速导入分拣机小车，经自动识别系统定位目的地后，小车皮带快速转动卸载货物实现货物分拣。图 2-1 自动化分拣设备行业场景需求物流自动分拣2.1.12.12生产域需求和挑战04SCADA服务器交换机（千兆）上包台读码PCPLC 1512扫码枪西门子交换机PLC 1215六面扫读码PC扫码相机人工上包台线上电辊筒分拣线拖动格口?滑槽供包输送机驱动包裹位置检测伺服电机传感器按钮指示灯PLC 1215小车485驱动器小车485驱动器小车485驱动器.小车485驱动器小车485驱动器小车485驱动器.变频器传感器塔灯按钮小车编码器输送传感器变频器PLC 1215现有分拣机系统大部分采用有线连接，布线复杂，仅移动的分拣小车采用 WLAN 无线方式，配合漏波电缆完成无线信号的部署，而借助高性能的 5G 无线网络替代传统的有线和 WLAN 来构建自动分拣中心，将极大地简化网络部署，是自动化分拣系统升级的最佳方式。5G 应用于自动化分拣系统，整体有如下核心需求：确定性网络性能：自动分拣系统通过 PLC 对各环节进行控制，比如分拣小车以 2 3 米/秒速度滚动，编码器实时上报小车坐标，PLC 计算并准确发出指令到小车，需要有低时延可靠稳定的无线网络保障。应用的云化部署：现有多台 PLC 单独部署，控制孤立，希望 PLC 云化部署来实现集中远程的控制；同时上包台、六面扫读码机、WCS 应用服务器也希望云化部署；希望通过集中、云化的统一部署，降低部署成本，助力信息化升级，提升分拣效率。3C 制造车间一般是在一个大型厂房内设置多个功能区，每个功能区部署不同的产线，每条产线按产品工艺流程完成零部件生产、模块封装（SMT/LCM）、整机装配、产品测试、成品包装等生产环节。工厂在已实现产线自动化基础上，期望借助 5G 实现机械臂、PLC 的联网及云化，结合区域内多个产线的数采、AGV 协同上下料、机器视觉应用，进一步向数字化、智能化演进。典型应用场景如整机自动化装配测试产线，包括多个测试环岛，通过机械臂取放被测件到多套测试夹具做并行装配/测试。其中涉及 PLC 控制机柜、本地运行 MAT（制造自动化测试系统）、MDS（制造数据应用系统）和位于数据中心的 MES(制造执行系统)。3C 制造柔性生产2.1.2图 2-2 自动化分拣系统0501.联网/云化/无线化：当前产线如环岛集成度高，线缆繁杂，不利于柔性化生产，迫切无线化；AGV、PLC、机械臂等需要联网和数采，实现生产过程可视和产线预测性维护；PLC、机器视觉需要云化集中处理提升效率；02.网络确定性：承载工业 PLC 协议、AGV 上下料业务，需支持 80Mbps 每路的大带宽；03.网络可用性：云化对网络可用性提出高要求，要求 7*24 小时运行，月故障时间 10 小时，单次8 小时，设备更换时间 30 分钟；04.网络部署/改造周期：期望网络快速部署/改造以及快速稳定运行，减少对实际生产的影响；05.自运维及安全：工厂有自己的工业互联网平台，提出了自运维及对接融合的要求；工厂有专业的信息安全团队，对 5G 技术应用引入的新的安全场景，期望有全面分析及判断。新能源汽车时代，用户的用车需求呈现出多元化、个性化、千车千样的升级趋势，竞争也愈加激烈。汽车制造要满足对柔性的极致需求，引入了工岛的形式，当前存在两大问题：01.在工岛之间采用 AGV 做产线物流，运送半成品配件，AGV 密度高。如果采用传统 WIFI 覆盖，容易出现切换断网、网络拥塞卡顿的问题，影响生产物流效率，严重甚至导致产线停线。02.工岛间 PLC 的控制协同为东西向 C2C 通讯，以及 PLC 与远程 IO 的 C2IO 通讯，采用有线连接，工岛布局变更时需要重新布线，带来额外的部署周期及成本。汽车制造柔性工岛生产2.1.3图 2-3 自动化装配测试产线现场网示例自动化产线对网络需求：06图 2-4 汽车装配产线现场网示例图 2-5 自动化产线全生命周期服务01.长连接：减少切换时延甚至消除切换，网络良好覆盖需保障 AGV 业务不断链；02.时延确定性：保障汽车产线的 PLC 通讯确定性需求，即支撑相应工业以太网协议承载，并满足现场 PLC 应用参数下长期不断链；03.综合大容量：满足产线区域内大上行、时延敏感等各类业务的用户数、业务容量需求，包括生产控制、生产管理类业务；04.缩短部署/改造周期：期望网络快速部署、改造以及快速稳定，减少对实际生产的影响；05.自运维及安全：生产停线带来直接生产损失，要求尽可能避免，发生后也尽快恢复，要求 5G 网络应该具备自运维、自恢复能力。装备制造车间和 3C 制造类似，一般是在一个大型厂房内设置多个功能区，每个功能区部署不同的产线，每条产线按产品工艺流程完成铸造、锻造、冲压、焊接、机械加工、热处理、涂装、装配等生产环节。装备制造的不同产线一般由不同产线集成商提供，自动化产线的数字化通过产线设备全连接、数据采集、数字孪生等手段，为产线提供全生命周期服务，包括产线规划设计、集成调试、持续工艺监测优化、预测性维护和远程诊断等。装备制造产线服务2.1.4采用 5G 无线连接，可以很好的解决上述两个问题，该场景对 5G 的需求包括：07图 2-6 钢铁行业远控钢铁行业智能制造转型升级，从云网协同向云网融合发展，通过OT、IT、CT技术的融合，将工业互联网、5G、大数据、云计算及人机交互技术等技术带入生产现场，再辅之以创新应用和制造控制系统的深度融合，推动钢铁行业突破传统模式下的技术瓶颈并向智能化智慧化方向转型。这里以无人行车为例进行分析。行车是钢铁行业作业的关键设备，存量巨大，普遍用于钢铁厂热轧、冷轧生产线和成品库吊运钢卷。传统行车的作业需要司机长期低头弯腰作业，容易患上颈椎、腰椎等职业病，同时行车作业属于高空作业，存在安全风险，工作环境恶劣，招人困难。此外，传统行车依靠司机驾驶，还需要地面指挥工配合，整体效率低下。当前，行车已经走在无人化改造的前列，通过为行车加装夹钳传感器、测距/防撞激光、车载角度测量仪、防摇摆控制器、称重测量仪表、限位开关及传感器等控制装置和地面反光板，通过打通车载 PLC 以及 WMS 库管系统后台，实现智能行车与各生产工序、仓库物料、工厂管理系统进行数据交换，贯通进料、上料、生产、下线、存储、发货等多环节信息流，全面优化物流工艺流程，大幅提升行车运行的安全系数和整体效率。钢铁无人行车2.1.501.产线/现场数据本地实时闭环：由于工艺流程不同和产线集成商不同，每条产线形成相对独立的功能体，产线设备数据采集、设备 PLC 控制和生产过程监控大都在产线内部形成闭环，对数据安全、时延抖动要求较高，需要产线/现场数据本地卸载和实时处理；02.云网业协同：当前产线应用如 SCADA、PLC、MES、智能制造服务平台等与网络相互独立，IT/OT/CT 难以融合，数据价值难利用，希望借助云网业超融合平台实现云网业一体化，从而将网络与产线工艺和流程深度融合；03.柔性化/无线化：装备制造为典型的离散制造行业，产品定制化高，现场总线和工业以太网以有线为主，多层级、多汇聚、布线难、运维难、灵活性差，不能满足柔性生产的需求，需要扁平化、无线化、柔性化网络；04.标准化、易部署、自运维：需要标准化、轻量化、免规划、免调测、免运维、快速开通的网络。自动化产线全生命周期服务对 5G 专网需求：0801.网络可靠性要求高：钢铁行业的生产普遍是全年不间断进行，用于支撑业务运行的网络设备也要满足365天24小时、全天候生产需求。钢铁厂内部作业环境普遍不佳，有高温、多尘等因素的不利影响，对设备工作环境提出较高要求。02.无线环境的精细化规划及设计需求：钢铁厂房内部的大量钢结构厂和大型设备也对电磁波的正常传播产生较大的干扰，存在网络干扰大、反射多等不利因素。部分企业还存在一些其它无线网络，如WiFi等，还需要同步考虑对其它无线系统的共存和替代。03.大带宽业务对无线网络要求高：如行车改造后会加装高清摄像头，多部行车同时工作，高清视频监控将对网络带宽产生数百 Mbps 的大带宽需求，对空口回传网络造成巨大传输压力。综采面是煤炭的第一生产现场，根据矿区大小的不同，综采面大小不一，一般宽度 300m，长度2km，安全起见，煤矿综采面一般不超过 2 个。综采面关键设备包括采煤机、输送机和液压支架。采煤机用于割煤，液压支架用于支护工作面煤壁，刮板输送机则用于输送采煤机割下的煤。综采面的主要工艺流程，先由采煤机上边的炮头不停的旋转切割煤层，然后煤层在重力作用下落在刮板上，刮板面上有旋转的三向拨轮将落下的煤屑刮到输送机上，输送机是靠圆环链传动，最后输送到运输机，运出煤矿。01.高风险：综采面具有作业空间狭小、机械设备多、视觉环境差、温度高的特点，其安全事故频发，严重影响了整个煤矿的安全管理工作，是煤矿安全管理工作中的重点区域。02.高成本：由于井下特殊的工作环境，井下工作人员难以招募，且人工效率较低，生产规模难以有效提升。回采工作面工作环境和状态对人体伤害较大，因此人力成本逐渐增高。03.难运维：对于井下业务系统，部署方式基本上为有线部署，在井下狭小的空间内，大规模的线缆部署给综采面的日常维护工作带来了极大的麻烦，运维较困难，效率低下。煤矿综采面2.1.6图 2-7 煤矿综采面以无人行车为例的钢铁行业对 5G 专网需求：综采面目前存在以下业务痛点，智能化改造需求迫切：0904.无线化：工作环境复杂，设备不断移动，线缆易折断，存在无线替代有线的需求。综采面的智能化改造，是指在不需要人工直接干预的情况下，采掘装备通过智能感知、智能调控、自主导航独立完成采掘作业的过程。在这个过程中，5G 网络以其低时延大宽带大连接的能力，可以为综采面提供一个可靠高效的基础网络，支撑视频监控、远程控制、信息采集、人员通讯等业务的应用，推进综采面“减人”、“少线”等迫切需求的解决。智能综采面对 5G 网络的主要诉求包括：数据井下闭环，网断业不断：在井下综采面的顺槽，设有综采面顺槽集控中心，由视频监视、远程控制、语音通话、安全监控等功能组成，是整个工作面协调控制的大脑。所有综采面的传感器信息、视频监控信息，都需要先送到集控中心；对煤机、支架等的控制指令，也是从集控中心发出。因此需要通过 5G技术，部署一张覆盖整个综采面的专网，提供综采面内点对点的通信服务，而且该服务不受外界影响，即使与井上通信链接中断，该服务仍然可以继续保持。确定性保障：主要包括上行的大宽带和远控的低时延高可靠。综采面有大量的视频业务，需要网络提供稳定可保障的大带宽；远程控制类业务如采煤机、掘进机等的远程操控，需要网络提供低时延承载能力。减少专网部署运维的工作量：井下工作环境恶劣，而且对下井的调测设备有严格的准入要求，给无线站点规划、设备调测、网络运维带来很大的困扰。因此如何降低现场的工作量，尽量做到免规划、免调测，易运维，以降低 5G 专网引入门槛。图 2-8 露天矿生产流程露天矿常见的有露天煤矿和露天采石矿：露天煤矿，煤层在地下几十到百米不等，通过挖掘形成深坑进行采煤作业；露天采石矿，一般在山顶开采出一个工作平台，往山脚方向逐层进行采掘。露天矿的开采流程有穿孔、爆破、挖掘、铲装和运输等环节。矿区内有大量的挖掘机、运土车、电铲、指挥车、大型矿卡等专用设备，当前以人工驾驶操作为主，指挥中心难以及时掌握作业进度和安全风险。露天矿场地处偏远艰苦区域，工作环境恶劣，而且存在瓦斯、粉尘、塌方、滑坡等安全隐患，导致企业招工难、人力成本高、司机矿工老龄化流动性高等问题，因此矿山智能化转型过程中少人化无人化是一个重要趋势。无人矿卡是当前露天矿智能化改造的首选业务，通过将智能调度和管控系统部署到所有车辆，完成车辆状态和安防监控的实时采集，大数据智能分析系统辅助指挥中心做出精准决策和调度，同时，运用先进的无人驾驶技术和远程操控技术改造挖掘机、矿卡、电铲等核心生产设备，使得矿区作业现场少人，最终达到无人化。矿区内敷设光缆困难，内外传输光缆容易被挖断，5G 技术是露天矿智能化的最佳选择。露天矿无人矿卡2.1.710移动接入容量要求高：矿区作业面积大，同时有数百台车辆工作，5G 网络需要满足数百台车辆移动性要求。重叠覆盖严重：矿区面积从几平方公里到数十平方公里不等，地形空旷，重叠覆盖严重，无线信号复杂；无线覆盖需跟随变化：矿区道路不规则，整体地形随着挖掘进度不断变化或移动，导致无线网络覆盖也跟随变化，影响网络质量。无人矿卡的智能化改造，对5G 网络的覆盖提出了特有的挑战：港口龙门吊主要工作于堆场，对集装箱进行装卸作业，实现将集装箱在堆场指定贝位与 AGV、集卡等运输工具之间进行搬运。龙门吊主要有两种：轨道吊与轮胎吊，轨道吊只能在堆场内固定的轨道上移动，不能转场，而轮胎吊装有轮胎，机动灵活，能够转场作业。目前存量码头多使用轮胎吊，新建码头多使用轨道吊。传统的龙门吊是工作人员现场全天候作业，需要多名作业人员且采用三班轮换，对作业人员数量需求大。龙门吊司机属于特殊工种，技能要求高、培训时间长，司机通常在20-30米高的操控室连续作业几小时，夏天热冬天冷、禁食禁水、长期低头作业易得颈椎病、极易疲劳。这种工作方式一方面招工难成本高，另一方面也容易出现安全事故。龙门吊远程控制改造是港口实现自动化、无人化的关键一步。龙门吊远程控制首先需要在每台龙门吊上安装 PLC 控制系统与多个高清摄像头，在中央控制室安装 PLC 控制中心、多个 ROS 远控操作台以及相应的多路显示屏，驾驶员在中央控制室通过回传的视频进行分析和判断，从而下达指令，完成对龙门吊及其吊具的精准移动、抓取与释放集装箱等操作。早期龙门吊远控的传输网络有两种，一种是基于轮胎吊的波导管，一种是基于轨道吊的光纤。光纤能够满足操控需要的大带宽、低时延、高可靠的性能要求，但是光纤的工程实施需要挖沟埋缆，工期通常会长达数月，对于非新建码头，会影响正常的生产业务。同时，光纤通过绞线盘的方式工作，随着岸桥和港口龙门吊2.1.8图 2-9 港口龙门吊1101.视频回传的带宽要求：对于每台龙门吊，通常有 20-30 个高清摄像头，同一时刻按驾驶员的操作有6-8路视频回传显示，每路视频需要4Mbps上行带宽，即单台龙门吊需要30Mbps左右的上行带宽；02.视频回传的时延要求：视频回传的时延直接影响驾驶员远控的操作体验，过大的时延带来操控的迟滞感。根据人体的感受，通常要求端到端时延控制在 250ms 以内，去掉视频编解码及显示时延，传输链路上的时延大约 50-100ms；03.控制指令的低时延与高可靠要求：由于龙门吊自身体积大、惯性大，从安全角度考虑，PLC 控制的时延与可靠性要求非常严格，通常通过心跳机制进行检测。以某港口龙门吊为例，如果连续出现 8个心跳包同时大于 16ms 则后台告警，如果连续 25 个心跳包同时大于 16ms 则机器急停。5G 网络的时延、可靠性需要满足 PLC 控制的要求；04.业务差异化保障：针对视频流与控制报文的差异化特性，需要有针对性的进行 QoS 保障，既要保障视频流大报文的上行带宽需求，又要保障 PLC 控制小报文的低时延高可靠需求，网络需兼顾业务的体验以及最大化网络资源利用率；05.移动过程中的业务性能保障：龙门吊的工作过程也伴随着移动过程，通常情况下，一台龙门吊会沿着 400m 长的直线轨道上运动，同时，对于轮胎吊，还有转场的需求。在龙门吊的移动过程中，要求业务性能不能降低，移动性需求对于无线的可靠性是巨大的挑战，同样对于无线的覆盖性也是巨大挑战；06.多用户多业务并发保障：在实际过程中，很少有单一用户单一业务的场景，通常都是多种业务多个用户同时运行，以某港口堆场为例，在一个 1000m*200m 范围内有 32 台龙门吊同时工作，无论是有线的汇聚层还是无线接入层，均应保障区域内多业务并发的性能，即每一台龙门吊的业务均要求得到保障。针对龙门吊远程控制的传输部分，即从龙门吊港机侧到控制中心的连接链路，5G 网络可以提供更优的解决方案。龙门吊远程控制对 5G 网络提出如下要求：轨道吊的移动，光纤容易出现折损，维修与更换需要 3-5 天不等，以及高达数十万的成本。而波导管内传输的是 WIFI 信号，由于 WIFI 的冲突机制，无法针对不同性能要求的业务进行差异化保障，对外表现就是视频回传出现卡顿、黑屏以及马赛克等，PLC 控制会产生告警甚至急停。同时，波导管传输距离有限，超过 100 米，需要增加 AP 或中继设备。此外，对于轮胎吊转场作业，波导管无法提供连续信号，转场作业无法通过远程控制实施，需要人工现场驾驶，带来不便。12化工园区根据功能不同划分为生产装置区、罐区、运输卸载区、公共工程辅助设施区、管理区等，其中生产装置区反应塔基于原料进行化学或者物理反应，通过合成或者分解等反应手段生产化工产品是化工园区的生产核心。大型反应装置周围建设金属钢架，用于管理维护大型设备。装置区中，生产涉及的物料复杂危险，多以气体和液体状态存在，绝大多数属于易燃、易爆、易挥发、有毒性物质；生产工艺比较复杂，反应塔运行条件一般需要高低温(高温达 1100，低温达-100)、高压(达 350MPa)，一旦操作失误或设备失修，极易发生火灾爆炸事故。化工园区数字化转型是企业发展方向，最终目标是，通过一张网络采集末端各类数据，在数字孪生平台可视呈现，最终可以有效获取园区的进出料、收益情况、人员分布情况、各个装置区运行情况等，即直观地数字化呈现整个园区的情况，提升安全管理水平和生产效率。化工园区基于 5G 无线网进行数字化改造过程中，对网络有如下特有诉求：重大危险源人工报备数据滞后，出险处置难；移动危险源设卡监管导致效率低下；人员登记、出险无法统计、有效疏散；能耗环境事后管理，事中缺失管理手段等问题，造成厂区安全保障难、管理效率低下等问题；末端连接率待提高，受制于环境，有线通信无法实现终端全覆盖，而 4G 无线方式，传输带宽受限，可靠性低；智能运维手段少：受限于通讯，自动化运维手段缺少，人工巡检周期长、成本高、效率低。化工装置区2.1.9基于化工园区的特点，当前化工园区的管理的问题主要聚焦在：图 2-10 化工装置区13设备要求高：大部分装置区属于危险区域，对设备安全要求高，有防爆要求；性能要求高：园区数字化转型主要聚焦视频监控类、数据采集类业务，需要建设一张覆盖完善性能高的无线网络，满足网络大带宽、高可靠、无损切换要求，例如动设备状态监控，通过 5G 低时延、高可靠的网络，实时采集设备运行数据，对设备健康状况实时评估、分析预警，实现预测性运维；无线规划难：针对装置区金属结构多，导致无线信号大量反射衍射，网络规划难度大；数据安全要求高：数据不出园区，同时需考虑网络隔离，生产网需和其他网络进行隔离，保障生产域网络的安全。01)面向工业控制的高业务确定性02)面向工业控制的高网络鲁棒性综合以上不同行业典型生产域场景，我们可以总结生产域的 5G 现场网需具备如下核心能力：工业控制应用需要网络提供高确定性，不论网络负荷、干扰等波动，都需保障业务所需的时延、带宽的确定性。例如，10ms99.99%的确定性时延是基础，还应包括抖动等。5G 走入生产域，为保障生产的连续性和安全性，对网络的鲁棒性提出更高要求，包括 99.99%的网络可靠性，更为关键的是如何确保网络出现异常时不影响生产的连续性，例如及时的链路倒换、快速的网络自愈以及客户自维护等，这都需要在网络设计之初就匹配工业生产的功能安全进行合理规划。生产现场专网对 5G 能力要求2.21403)匹配工业生产的现场总线连接04)为数字化转型应用提供算力及平台组件05)进入生产域的安全隔离保障06)企业的自助监测运维服务区别于传统的 ToC 用户和一般的 ToB 非生产业务，生产域核心业务不只是联网，而是需要和其周边很多设施进行互动，这就要求 5G 网络和现场有线或无线既有设施互联互通，包括兼容传统的工业总线，以及支持相关的工业协议等，常见的组网包括 5G LAN、L2TP、VxLAN 等，需兼容的工业协议包括Profinet RT、OPC UA 等。业主进行生产域数字化转型，通常不仅关注 5G 网络本身，还希望为数字化转型应用提供算力及平台组件，也就是业主/集成商需要完整的覆盖连接+算力+应用的整体方案，甚至是应用所需的通用加速组件，即包括 5G 网络、边缘算力载体、视频优化、云化 PLC、远控平台、融合定位等一站式方案。如果业主、集成商、网络供应商三者中间缺少整体拉通，将阻碍新型现场网在实际工业生产域的规模应用。大多数行业都有明确的安全隔离保障要求，一般要求生产网络独立于管理信息网、外部 Internet 等，且仅在安全区做数据互通。现场网方案的规划设计，首先需要满足企业安全需求，实现业务的现场闭环。例如核心网组件 UPF 甚至 5GC 的本地化，网络管理组件的本地化，以及现场部署的高集成化。其次，如果 ToB&ToC 共享无线频谱或无线基站时，还需额外考虑 ToB/ToC 的网络隔离。针对生产域网络，现场业主有自服务诉求，包括网络/业务运行状态的监测、低门槛的业务运维，例如业务上线、业务能力编排、网络灵活调整等。07)数字化下现场网和工业互联网平台的运营管理协同企业数字化转型是一个端到端的系统和数据融通：在生产现场，生产应用需要本地闭环并实现本地数字化可视可管可控；向上，现场网还需要具备与企业MES、SCADA、HMI、业务运行大屏等互通的能力，从而实现企业的统筹规划、调整和运营；再向上，系统还需具备和外部云端的工业互联网平台互通，及时获取外部云端的业务运营数据，服务于生产域的现场网，这一能力正在成为企业数字化的刚需。端到端的数据贯通要求现场网对外能力开放，即将网络参数、业务数据等通过 Open API 开放，从而实现柔性生产的网络参数可调、不同部门差异化数据采集分析等能力。15从第二章典型生产域场景需求和能力要求分析可以看出，相比于共享 5G 公网主要承载的 ToB 管理信息/辅助生产业务，生产域现场网的要求更高，需充分考虑企业生产域业务发生位置、业务时效性、可靠性等服务质量需求，结合生产数据流转和企业管理流程、企业内网架构及网络安全需求特征，实现 ICT 与 OT 的架构融合及联合部署，建立全局业务驱动和资源管理调配模型，满足企业数字化、智能化的发展诉求。3生产域的专网部署现有企业利用运营商共享专网往往是网业分离模式，业务应用自行或者委托第三方部署在云上，通过购买运营商 ToB 卡号套餐、委托运营商扩展网络的方式实现。企业业主基本看不到网络，由运营商黑盒运营和运维，典型行业场景例如电力配电网调控监测业务、园区安防视频监控、教育/医院双域网等等，这种我们可以称之为 5G 园区专网。5G 园区专网服务的业务应用比较简单，企业自身或委托集成商直接向运营商购买连接即可支撑园区应用的开通。但深入现场生产域的数字化、智能化，企业业主往往只能描述诉求，并不清楚如何实现。而不同行业场景也千差万别，单纯标准化连接能力对于业主并不解决问题。尤其是产业数字化浪潮当下方兴未艾，尚难以通过标准化实现最优方案。通过大量实践，我们提出了 5G 现场专网方案，即以开放的 5G 系统为基础，通过产业链合作，融合多种能力，满足生产现场特定业务的端到端的完整解决方案。相比 5G 园区专网通过共享运营商专网满足企业上云的业务连接需求，5G 现场专网需更贴近客户生产现场，合理设计网络连接和算力供给方式，集成业务应用，满足生产现场需求。5G 现场专网是算网融合一体的整体交付，总体包括两方面：1）通过定制网方案满足连接，包括端到端硬件设施产品、确定性保障、企业自服务运维等。5G 现场网3.1162）通过算力服务化架构提供应用集成，IOCT 融合分布式算力，可内生或外部开放合作产业链生态，按需集成交付行业应用。典型行业应用如：多 AGV 协同、PLC 工业控制、AI 机器视觉、钢铁无人天车、港口龙门吊、叉车物料管理、产线数字孪生等。从企业的传统工业网络平面看（如下图），5G 园区网模式更适合 IT 网（包括 IT 办公网和 IT 生产网）、生产辅助网，5G 现场网模式更适合 OT 生产网络，尤其是工控专网等。下面我们结合典型行业，针对现场专网需求，实例化阐述5G现场网的几种部署模式：5G 现场网部署模式独立部署模式是 5G 现场专网最基本的部署模式。当行业客户的业务因低时延、高可用等性能要求超出了公网的能力上限，无法采用 5G 园区专网方案时，就需要为行业应用独立部署 5G 现场专网。采用匹配行业应用需求的专用网关、专用基站/专用 UPF，以实现对业务流在传输时延、处理能力、系统可用性等维度的端到端保障。5G 现场网独立部署模式3.2.1图 3-1 传统工业现场网组网架构典型场景：3C 电子制造车间如下：3.21701.范围有限：以离散制造为典型，多条产线所处区域有限，基本都集中在一个车间之内；02.业务集中：车间内的数据采集、数据处理、操作执行都在一起，仅 IT 域数据会出车间，OT 域数据大部分需要在车间本地分流和处理；03.调整灵活：为实现柔性生产，产线设备需要在车间范围内移动和调整，不希望网络连接完全固化不动；04.易部署、自运维：车间内的生产管理信息网的互通可用 IT 人员完成，车间内的生产控制网络由产线制造部门部署维护。01.产线/工位间抛接的 AGV 运行：可通过车间现场算力的调度台总控优化，同时结合高可靠连接保障网络的优化；02.智慧仓储物流的叉车调度：可通过 5G 扩展的融合定位能力结合标签识别来完成；03.生产设备的数采联网和预测性维护：可通过现场算力的融合应用完成前置处理，并专属配置兼顾时延、大连接、大带宽的 5G 网络连接；04.质检工位的机器视觉应用：可通过定制的低时延大带宽 5G 专网，结合云边协同的现场算力承载应用，省去工位的工控机等额外设施；05.无人化、自动化线体和机械臂控制的应用：可通过定制的低时延高可靠的 5G 确定性专网，保障主从 PLC/PLC C2IO 的剪辫子，并进一步对主 PLC 进行云化改造。3C 电子车间现场网的总体架构需要考虑两方面：网络架构上，需要融合企业多层异构网络，包括实现现场应用本地闭环和物理隔离的 OT 生产专网，以及承载工业互联网平台、MES/ERP、WCS 等应用的 IT 管理信息网络、生产辅助网；云架构上，需支持分布式边缘云架构，包括置入 OT 生产专网控制节点的现场云算力和工厂级的边缘云/园区数据中心，其中，通过现场网设备扩展算力，可以避免大量零散工位工控机的部署，实现现场业务的云化灵活部署。图 3-2 典型 3C 电子制造自动化产线图基本特征产业数字化的新型业务也催生了网络和算力新模式的应用机会，例如：185G 现场网和上层系统的数据融通关系：首先 OT 生产域数据在本地即可闭环，同时数采数据和生产运营调度数据经防火墙进入上层 IT 生产管理网络，进一步经防火墙可打通企业集团的私有云及运营商公网和 Internet 互联网。整体组网架构如下：此外，车间内多条产线的协作，需要产线间 OT 专网的互联互通和统一管理，如下图示意：图 3-3 5G 现场网独立部署模式的组网架构示意图图 3-4 车间内多产线互联互通组网示意图19现场多业务的应用，算力的分布式协同，高要求业务的保障以及网络的安全隔离，需要提前进行统一的规划和精准的设计。5G精准网络规划涵盖室内3D数字地图建设、业务QoS需求映射分析、网络资源估算、数字孪生仿真等，最终设计网络最优拓扑结构，设备工程规划参数和无线网络参数。主要包括：基于室内 3D 数字地图对业务分布进行地理化，明确在不同位置 ToB 业务数量和业务总量需求；基于射线追踪模型进行精准覆盖预测，获取准确的信道估计，达成业务保障接入电平门限值；基于 SLA 演算满足业务 QoS 要求网络资源；基于数字孪生进行网络最优拓扑结构设计、设备工程参数和无线参数设计，输出给一线工程人员进行安装和参数配置。5G 预集成模式可以认为是独立部署模式在网业融合形式上的一种极端形态，即由行业集成商，将匹配行业应用需求的专用网关、专用基站、专用 UPF 等专网设备，与行业设备集成在一起，形成 5G 原生式行业应用系统，一站式交付给行业客户。典型场景：产线集成商在产线解决方案中预集成 5G 现场专网，例如：汽车装配线的集成商，将专用5G网关、专用5G基站等设备集成到汽车装配生产线的设备中，使该装配线原生内嵌5G数据传输能力，再交付给整车工厂。大型制造基地一般拥有多条产线，其建设和运营由不同的集成商负责，产线级现场网首先支撑产线自身业务，然后再和其他产线进一步协同，构成更大的有机整体。产线建设有产线新建和产线改造两种模式：产线新建，一般由业主方提出需求，产线集成商提供交钥匙工程，对产线整体性能负责，并提供全生命周期服务。业主会全程参与方案选择、方案实施和测试验收。产线改造，尤其是更换生产物的柔性生产调整，通常由业主方自行设计、实施方案，自行对改造效果负责。如果改造量大，可能引入第三方产线集成商，则类同产线新建。5G 现场网预集成模式3.2.220为满足跟随产线部署，支撑产线各种控制、数采、图像、视频的数字化连接，产线现场网的架构需要充分内聚，需要一个更强的融合设备节点，实现云网业一体化，预装、改配、一键开通、自优化、自服务，推荐的组网架构如下图所示：多网元合一，端到端 5G 方案内生 5G 端到端产品方案，包含基站的 BBU 功能、核心网的 AMF、SMF、UPF 功能，以及基于IDOS 的业务 SLA 和运维服务保障。算网合一，内嵌算力载体：除了 5G 专网功能以外，同时提供基于分布式云原生的算力资源，满足产线现场数据分析平台、机器视觉、云化 PLC 控制等应用部署。资源独享，OT 域专网该 5G 算网一体机在空口宜使用专用频率，仅承载 OT 域业务的终端设备可接入，与外部 CT、IT 网络隔离，资源独占。低时延，确定性保障下沉产线的 5G 算网一体机设备，不仅可以减少 5G 专网内不同网元之间的传输时延，也可以减少5G 专网和产线内工控机、服务器之间的传输时延，还可以减少产线内通过 5G 专网接入的不同设备之间的端到端时延，同时该独立专网可不受大网限制，便捷叠加各项无线低时延技术，保障生产域应用的确定性。图 3-5 产线级 5G 现场专网组网架构示意图该场景推荐使用多网元合一、算网合一的 5G 算网一体机，具备如下亮点：215G 园区网&现场网协同部署模式是在独立部署模式基础上的扩展，针对有一定规模的行业场景，不同的生产环节，不同的生产区域之间通常需要协同运作，依托于 5G 园区网，叠加独立部署的现场网后，共同协作服务生产域应用。在类似 3C 电子和装备的离散制造产线车间基础上，例如钢铁的冷轧、热轧等往往不同工序又组成更大的生产园区。车间往往代表某类经营产品的完整生产，管理上归属独立经营的业主单位或子单位，