5G专网在民航飞机维修领域建设应用的思考与实践.pdf

44新技术新业务行业应用DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2023.07.0105G 专网在民航飞机维修领域建设应用的思考与实践吕园张红国陈智卢荣奋江昊民航业是支撑国民经济发展的基础性、战略性、先导性产业。随着航空科技飞速发展，飞机新机型种类日益增多，信息化程度也不断提高，对航空公司机务维修资源的智能化、信息化管理也提出了新的要求。5G 作为新型数字化基础设施的关键技术，可提供低延时、高带宽、海量接入的网络能力。并结合网络切片、边缘计算、AI 技术、云边端协同等先进技术和手段，促进计算资源和存储资源的高效分配，从而提升机务工作效率。主要介绍了面向民航飞机维修的 5G 专网解决方案，重点阐述了 5G 专网技术实现方案在民航维修领域的应用。吕园中国电信股份有限公司广州分公司解决方案经理、集团一级解决方案经理、集团专家，工程师，硕士毕业于重庆邮电大学，现从事企业数字化转型咨询及解决方案相关工作。拥有 2 项 5G 技术相关发明专利，在第五届 5G 绽放杯应用大赛获得全国优秀奖、广东一等奖、社会治理一等奖等多个奖项。张红国中国电信股份有限公司广州分公司资深解决方案经理、集团一级解决方案经理、集团 5G 行业专家，高级工程师，硕士，现任职中国电信股份有限公司广州分公司，广东省制造业数字化转型咨询专家委员会专家，从事政府企业数字化转型咨询及解决方案相关工作。陈智中国南方航空股份有限公司工程技术分公司，工程师，本科毕业于中国民航大学，从事科技与信息管理相关工作。卢荣奋中国电信股份有限公司广州分公司，高级客户经理，北京航空航天大学工商管理专业，23 年通信行业经验，长期对口服务航空行业重点客户，关注航空行业客户数字化转型方向和行业政策导向，具有丰富的客户关系管理经验。江昊就职于中国电信股份有限公司广州分公司，南昌大学信息与通信工程专业硕士，网络安全专家，具有丰富的网络建设和工程项目管理经验。关键词：5G 专网 民航维修 技术方案摘要455G 专网在民航飞机维修领域建设应用的思考与实践新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术1 引言随着中国民航运输业的快速发展，中国成为全球民航运输业最活跃的地区之一，民航维修业 MRO 也保持着良好的增长态势1。按照习近平总书记“确保航空运行绝对安全”的指示要求，民航维修行业肩负着保障航班飞行安全，提升机队可靠性水平的责任，同时受到近年新冠疫情的影响，又面临着航司控制维修成本的局面，所以一直积极寻求通过技术创新和数字化转型解决产业发展的瓶颈2。对此，中国民航局在“十四五”规划中也指出要加强智慧民航建设，由传统要素驱动向更加注重创新驱动转变，要培育壮大数字民航新生态，大力发展民航数字经济。随着数字化转型成为民航业的战略发展共识，民航业对利用5G 技术实现生产要素的连接和管理，实现提质降本增效的目标愈发迫切。2 需求分析2.1 行业现状资料显示，随着 2019 年中国发放 5G 牌照以来，多家航司相继开展了有关 5G 与 MRO 结合的创新应用1。以 AR 辅助维修为例，2017 年南航就已开展了相关试点，2019 年的 5G 发牌，使得原来基于 4G 和 WIFI 的 AR 一下子跃升为 5G+AR，网络性能实现了质的提升，AR 远程辅助维修的使用感知和效果也大大提升，同年海航、东航等航司也相继进行了相关试点。在服务人群方面，航司的机务工作者是相对固定的；在业务开展范围方面，维修现场分布在全国各地的机场、维修机库，需要实现数据漫游；在用户终端可控性方面，部分维修基地可统一配发终端，大部分的工作者需自行购买终端，难以做到终端的统一。在应用场景方面，智慧维修场景的应用终端包括：AR 眼镜、AGV 小车、自动叉车、智能配送机器人、5G激光雷达、5G 高清摄像头等，其中涉及到密集超高速类：如 AR 眼镜、5G 激光雷达、5G 高清摄像头；另外还有高可靠低时延类：如 AGV 小车、自动叉车、智能配送机器人等。2.2 5G 专网建设难点飞机维修场所一般分为内场（机库）和外场（航线停机坪），机库为面积在五千至两万平方米，层高 40 米，空旷、面积大、钢结构为主的半封闭空间，采用有线的方式布线难度高，WiFi 信号衰减很快，无法满足使用需求；而航线为户外场所，一般距离室内一两公里，维修环境复杂信号干扰多，WiFi 信号无法覆盖，4G 上行带宽不足。5G 由于其频率更高，抗干扰性强，同时拥有覆盖范围广，设备安装便捷无需拉线的优点，可以更好的适配飞机维修的实际生产场景。另外，由于航司地域分布广，运行站点多，维修对象复杂，航司希望通过 5G 实现访问航司内网，数据不出内网的要求，同时希望员工使用个人手机可以正常访问互联网。基于此，在 5G 专网架构设计中需要考虑 2B 和 2C 的业务双跨与共融。各种业务类型对网络的最低需求如表 1 所示3：表 1 各种业务类型对网络性能指标的要求业务类型终端名称速率时延(ms)信号覆盖范围网络可靠性密集超高速类AR 眼镜、5G 激光雷达、5G 高清摄像头80 Mbit/s 20 ms航线、机库99.99%低速大连接类RFID20 ms航材仓库99.99%高可靠低时延类AGV 小车、自动叉车、智能配送机器人80 Mbit/s 99.99%与99.999%由表 1 可以看出，在飞机维修中不仅要求网络具有较低的时延、较高的速率，还要保证网络的安全性及可靠性。基于此，建设全国性的 5G 智慧机务生产专网可以保障各维修区域如机场、航线、机库、航材仓库等生产作业区域有较好的网络服务质量，从而实现机务维修领域人工智能创新、解决航司应用的关键性问题，为维修提质，为业务增效。3 基于 DNN 分流的 5G 专网解决方案3.1 网络建设方案结合民航业对 2B2C 融合服务的需求，有两种技术实现分流方案：一类是沿用传统的4G的APN/DNN的方式，通过专用 DNN 来实现公网流量和内网流量分流；一类是采用5G的专用方案ULCL的方式，但ULCL仅限5G接入，若 5G 信号不好而回落 4G，会发生业务中断，且 ULCL方式只适用于本地业务场景，无法实现数据的跨省漫游4。46新技术 新业务新技术新业务行业应用由于各机场、各维修场地信号覆盖情况不一，为保证业务使用的连续性，在 5G 信号较差时也可以回落 4G 网络接入航司内网，本方案采取了基于 DNN 的分流方式，用户需要签约运营商公网 DNN 及航司专属 DNN，受限于当前商用终端暂不支持 URSP 功能，目前采用手动切换的方式进行 DNN 切换。网络架构如图 1 所示。在访问内网时，专网用户签约航司专属DNN，通过专用终端（AR眼镜+手机、AGV小车、自动叉车、智能配送机器人、5G 激光雷达、5G 高清摄像头等）连接航司 5G 专属室分或航线上的 5G 宏基站，室分/基站收到访问请求后，将消息上传至 5G 核心网网元，其中本地流量直接转发至航司专属 UPF 数据进行本地处理，外地用户接入该地区的 UPF 设备，再通过 N9 接口汇聚至专属 UPF，由专用汇聚专线传送至航司内网；在访问公网时，用户手动切换到运营商公网 DNN，本地数据通过专属 UPF 上联至运营商公网 UPF 访问互联网，外地数据直接通过该地区的公网 UPF 访问互联网。图 1 基于 DNN 分流的 5G 专网网络架构图其中，为满足飞机维修工作对网络性能的高要求采用了如下解决方案：（1）考虑到航空 5G 专网的广域连接性，网络的经济性和合理性，采用了公网专用模式，复用中国电信承载网及 5G 核心网，采用 5G 切片的方式进行业务隔离。（2）机库建筑巨大、钢架结构，室内空旷无遮挡，功能区多，其中附属的维修区域（工具房、附件维修区域、航材存储区等）隔墙随机分布，部分区域隔墙密集，考虑到需要满足各死角的边缘覆盖要求，导致部分 PRRU 的覆盖半径明显减小；另外，飞机维修场景业务类型丰富，容量需求大，单层面积巨大，长距离布放馈线损耗大、成本高；考虑到机库的半封闭空间的特性，极易和室外的宏站信号相互干扰。结合实地勘测情况，考虑到安装位置承重能力、走线距离、布放位置以及小区的干扰控制等多种因素，在机库维修区采用功率较大的 RRU/BOOK RRU 覆盖主要区域，并采用 PRRU 对信号盲点区域和流量热点区域覆盖。微站部分采用 BBU+微站 RRU 方式覆盖。室外工作区域主要为外场如航线、停机坪等，针对此区域采用 BBU+AAU的建设方案，覆盖范围广。图 2 机库大厅场景安装示意图（3）在本地站点建设专属 UPF，航司独享核心网 U面资源，实现数据本地处理，降低转发时延，同时提高了网络安全性。（4）5G 切片通过切片ID 拉通端到端资源，提供业务隔离、切片用户组资源保障等能力，满足业务对网络定制的需求。为飞机维修工作提供大带宽、低时延、安全可靠的高等级服务保障。3.2 网络安全方案5G 专网作为重要的网络基础设施，需具备终端接入安全、用户数据安全、网络隔离安全、边缘计算安全等能力。（1）多层次鉴权认证能力5G 专网采用双向认证鉴权的方式，既可以防止虚假用户和终端接入内网，又可以防止用户和终端接入虚假网络5。用户接入网络时需进行切片认证，成功之后才建立特定的数据通道。同时部署了AAA服务器进行二次认证，对终端及签约关系进行认证，认证成功通过后才可允许接入内网业务。（2）端到端网络切片隔离能力基于纵深防御理念，提供接入网、传送网、核心网的端到端网络切片隔离能力。5G 切片通过切片 ID 拉通端到475G 专网在民航飞机维修领域建设应用的思考与实践新技术新业务行业应用2023.07 广东通信技术端资源，提供业务隔离、切片用户组资源保障、核心网传送物理网专用等能力，满足业务对网络定制的需求6。其中在接入网侧，通过物理资源承载独享、数据资源承载共享的方式来提供切片服务；在传输网侧，通过 VPN 技术实现软隔离；在核心网侧，采用虚拟机区分的逻辑隔离。（3）基于 MEC 的数据安全防护能力民航业由于其本身特殊的行业属性对网络安全性要求较高，希望专网可以实现数据本地卸载的功能。5G 的SBA 架构功能可支持用户面和控制面分离，实现核心网网元 UPF 下沉到网络边缘部署的方式。将 UPF 和 MEC 集成后下沉至边缘节点，可以实现重要数据不出园区，建立端到端数据安全防护手段，从物理上保障数据的安全性7。同时，网元下沉后将快速完成数据缓存、流量转发分流以及应用服务响应，降低业务时延。3.3 网络自服务平台5G 专网为民航维修业提供了定制化的网络服务，随着网络和终端规模的扩大，航司对网络的自主可控、可视可管、灵活配置等需求日益凸显。网络自服务平台需打通异厂家、异接口，使得客户在一个平台上实现对 UPF、室分等网元的监测，更容易管理网络；同时，需具备自主运图 3 机库及附属维修区域 5G 室分设计图维的管理模式可掌握网络全局状态、性能指标等8；需提供统一 API 接口对接航司内部网管系统，实现故障信息推送、告警处置实时报告；还需提供号卡管理功能，实现号卡开通、停复机、流量查询等功能。针对上述需求，5G自服务管理平台的基本功能如下：（1）网络管理提供专用切片管理、端到端网络拓扑可视、网络性能监控、网络告警及日志等。支持航司对 5G 专网进行自主运维，网络的全局状态进行性能检测、告警提醒和故障处理进度可视化管理。（2）设备管理支持 2B 和 2C 融合的终端连接管理（开卡、停复机、流量查询、余额查询、号卡状态查询、策略控制等）、室分管理、基站管理、专线质量监控、UPF 网元级/切片级/DNN 级质量管理、告警监控、初级处置能力、调整网络带宽、应用 SLA 感知及质差诊断等系统功能。（3）安全管理提供分权分域多级系统账号管理，便于 IT 运维人员更好地管理网络；同航司 SSO 二次认证登录系统对接，（下转第 56 页）56新技术 新业务新技术新业务行业应用调度两个方面，全面开展相应的信息化建设和系统扩展升级工作10。园区智慧应急平台的建设加快信息技术与应急业务的融合，为形成“统一指挥、上下联动、反应灵敏”的应急管理体系提供基础性、综合性、战略性保障支撑，有助于减少突发事件、应急事故等造成的人身、财产损失，实现对敏感区域、重大危险源的监测预警，支持隐患上报、定位、跟踪等闭环管理，全面提升应急局的安全生产风险监管的能力；实现对救援力量和应急物资进行在线精准调度、融合通讯、任务指令一键下达，打造一体化指挥调度系统，提升应急处置能力；实现应急指挥和救援处置工作的统一调度、科学组织、高效救援，全面提升领导应急决策指挥能力11。参考文献1 周萍.面向应急管理的应急指挥平台设计 J.科技与创新,2017,(16):134-135.2 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB/T21064-2007 电子政务系统总体设计要求S.北京:中国标准出版社,2008.3 张琪,李乐明.城市区级应急信息平台研究与实现 J.计算机与现代化,2011,(8):107-109,113.4 曹锋杰.无人机在城市应急指挥信息系统中的应用 J.科技与创新,2016,(7):128.5 堵星宇.应急通信指挥系统的应用与发展 J.卫星与网络,2009,(9):56-59.6 张雨薇,邵开丽,王艳杰.“互联网+”社区应急服务管理平台构建研究 J.物联网技术,2022,(7):55-58.7 毋德新.应急通信技术发展综述J.移动通信,2004,(7):67-70.8 王小可,胡淑新.大数据在应急管理中的应用 J.电脑知识与技术,2017,(10):38-39.9 于强.智慧应急管理信息系统建设分析 J.科技创新与生产力,2017,(8):7-10.10 李鹏程.关于目前应急指挥平台建设的几点建议 J.信息化建设,2009,(9):27.11 黄翠玲.应急通信指挥平台的设计及实际应用 J.现代信息科技,2019,(17):71-72.（收稿日期：2023-03-28）（上接第 47 页）支持专网登录二次认证、终端威胁发现、终端强制下线等功能。（4）应用管理在 UPF 侧旁挂边缘 DPI 探针，探测业务流的 SLA 指标如流量、速率、时延、抖动等，监控应用的质量情况，保障应用运行稳定可靠；另外可通过一业一策建模分析视频回传、AGV的场景数据流，提供个性化的应用监测能力。4 结束语2022 年 6 月，中国电信携手南方航空建设民航领域首个智慧维修 5G 专网，实现机库、航材仓库、维修车间、附件中心、航线、廊桥、远机位等工作面的一体化网络覆盖。5G 结合 AR、人工智能 AI、物联网、云计算和大数据等前沿技术，实现了多项 5G 应用场景，打造一体化智慧维修“5G+工业互联网”生态体系，该项目以广州为中心，已在北京、上海、深圳、乌鲁木齐、武汉、郑州等 22个大中型城市推广，服务于 2 万多名机务维修从业人员，保障每日 30 000 多个航班的安全正点，为推行智慧民航、建设社会主义现代化民航强国贡献坚实的力量。参考文献1 郭晓雷.推进 MRO 数字化转型打造民航智慧维修 J.航空维修与工程,2021(11):1-6.2 王锦申,周激光.大型航司飞机维修管理数字化转型思考 J.航空维修与工程,2021(2):14-17.3 郭奕星,徐铮,裴学海,等.5G 行业应用场景分类及组网设计模式研究 C/中国电子科技集团公司第七研究所 移动通信杂志社,5G 网络创新研讨会(2021)论文集,2021:324-327.4 赵际洲,周欣,谷群,等.5G 双域专网解决方案浅析 J.移动通信,2021,46(1):20-26.5 王俊,田永春.一种面向关键行业应用的广域 5G 安全专网设计 J.中国电子科学研究学报,2021,16(10):964-972.6 王鑫,韩振东,严斌峰.基于安全隔离度的 5G 专网部署模式J.移动通信,2020,44(1):44-47+53.7 邱勤,冉鹏,张峰,等.面向垂直行业的 5G 安全能力与应用研究 J.信息安全研究,2021,7(5):418-422.8 朱红绿,孙丽楠.5G 行业虚拟专网自服务方案研究 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