“双千兆”网络在智能制造中的实践和思考.pdf

2023 年 8 月野双千兆冶网络在智能制造中的实践和思考贾北洋（中国电信股份有限公司北京分公司，北京 100000）【摘要】随着工业 4.0 不断深入袁智能制造网络不断发展演进袁工业生产已经向提升柔性尧灵活性尧资源效率尧产品质量袁降低成本等方向发展袁工业无源光网络渊passive optical network,PON冤与 5G 定制网的融合应用促进了工厂的网络升级遥 介绍了制造工厂的现状及需求袁结合应用实践袁探讨智慧工厂工业 PON 及 5G 定制网的方案设计尧应用场景袁并结合相应方案提出未来展望袁以期为相关人员提供参考遥【关键词】工业 PON曰5G 定制网曰智能制造【中图分类号】TN929.5【文献标识码】A【文章编号】1006-4222（2023）08-0058-030 引言2021 年 3 月，工业和信息化部印发 “双千兆”网络协同发展行动计划（20212023 年），提出推进“双千兆”网络建设互促，推动千兆虚拟专网在工业制造领域试点部署。鼓励基础电信企业采用 5G、工业无源光网络（passive optical network,PON）、工业光传送网络（optical transport network,OTN）等协同部署，与移动边缘计算（mobile edge computing,MEC）、网络切片、人工智能（artificial intelligence,AI）等新技术结合，形成对工业生产、办公、安防等子网的统一高效承载能力，满足工业企业对接入终端设备的安全认证和管控能力要求，并支持工业企业高品质快速上云需求1。近年来，“双千兆”光网、物联网、云计算、大数据和 AI 等信息技术快速发展，并与先进制造业不断深化融合。围绕 中国制造 2025 战略，我国相继制定了一系列配套引导政策，如 关于深化制造业与互联网融合发展的指导意见 智能制造发展规划（20162020 年）等，形成全方位政策合力，着力突破制造业发展瓶颈，引导我国智能制造业的快速发展。2022 年8 月，工业和信息化部印发的 5G 全连接工厂建设指南 指出，要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、信息运营深度融合、数据要素充分利用、创新应用高效赋能的先进工厂。1 制造工厂的现状及需求目前，传统的工业网络存在很多问题，例如，传统的工业交换机网络复杂，维护升级存在困难，工厂网络运营成本较高，工厂内部存在信息孤岛。随着制造业规模的不断扩大，产线移动设备部署不灵活，可靠性、稳定性不足等问题日益严重。在工业制造领域，企业的数字化转型对网络质量的要求较高。目前，工业企业为了提高产能，降低产品的不良率，在生产过程中会涉及工业数据采集、生产智能排程、设备远程控制、AI 质检、智能安防等应用场景，这对网络的带宽、时延、稳定性提出了新的要求。工业 PON 具备的超大上下行带宽、超低时延、超高稳定性等特性，能够满足目前智能制造企业数字化转型需求。工业 PON 架构扁平，组网简单，可实现工厂内部生产、办公、安防 3 种组网场景的海量数据汇聚。5G 定制网可以根据企业的场景需求实现定制化配置，通过 5G 核心网元用户平面功能（userplane function,UPF）的下沉部署，满足企业数据传输低时延、安全保密的要求。在工厂网络建设中，通过工业 PON 与 5G 定制网的融合，结合 MEC、云边协同等技术，能有效满足智慧工厂中大带宽、低时延、高可靠性的网络要求。2 野双千兆冶智慧工厂网络建设总体策略在工厂网络建设中，依托工业 PON 与 5G 定制网构建“双千兆”新型光网基座，融合下沉到工厂的MEC 平台，满足工厂数据传输需求，实现“融合一张网，安全一朵云，智慧一统管”。在智慧工厂中，工业 PON 主要连接固定设备，包括工厂生产网、办公网、安防网在内的生产设备、数据采集设备、办公电脑、摄像头等，5G 定制网中主要连接移动型设备，包括工厂自动导向车（automatedguided vehicle,AGV）、叉车、手机等设备，两者相互结合，可满足智能制造整体网络需求。“双千兆”智慧工厂整体网络架构如图 1 所示。3 工业 PON 的设计与应用工业 PON 是一种成熟的光网络技术，其设计和建设需要遵循不同网络承载不同业务的原则，不同数据流在物理隔离的网络中进行处理，按需规划，可满足工厂生产网、办公网、安防网的数据访问、交互等需求，实现工业设备运行、工厂生产等数据的收集、上报。通信设计与应用582023 年 8 月PON 由光线路终端（optical line terminal,OLT）、光分配网络（optical distribution network,ODN）、光网络单元（optical network unit,ONU）、核心交换设备、输出设备和网络管理单元等组成。ONU 可实现全光网络与工厂内各种设备的连接，ODN 可实现工业设备、生产及监控等数据到 OLT 的集中，最终通过 OLT与企业信息网络互联，实现企业信息网络与运营网络的融合组网2-3。工业 PON 可以承载生产网、办公网和安防网3 个网络，在整体的网络方案设计中，将 OLT 设备部署于中心机房，通过万兆光模块与网络中心机房核心交换机相连接，通过 ODN 连接工厂内部的各个ONU 设备。为保证安全性，各网络单独建设专用OLT，实现物理隔离，OLT 关键设备应冗余备份，包括双电源、双主控、双上联、双风扇等。传输链路也应冗余备份，包括 TypeB 全链路保护、双上联等，整体网络可靠性达到 99.99%。在智慧工厂网络中，生产网是最重要的子网络，其承担工厂内部生产自动化、制造业务信息化等系统的网络通信任务，对网络的要求最高，需采用高可靠性、高速率的全光网。具体设计中，在机房局端部署 2 台 OLT 设备进行热备保护，全光网链路采用TypeB 双归属保护，当链路中的光纤或部件发生故障时，可以实现自动保护倒换，倒换时间低于 50 ms，从而保障关键业务能够可靠运行。在产线端生产操作区域部署两口面板式 ONU，安装在 86 型电工盒中，使用两个千兆以太口连接产线工控机等生产设备。安防网主要承担视频安防监控任务。安防网设计方案中，在机房局端部署 2 台 OLT 设备进行热备保护，实现专网物理隔离。选用盒式 ONU 设备集中部署于每个楼层弱电间内，通过网线直接连接到摄像头等视频监控设备。办公网主要为办公室、会议室及公共区域提供资料查询、内部沟通等网络连接服务。办公网设计采用两台独立的 OLT 设备进行热备，通过光纤到桌面的方式，面板式 ONU 可以满足工位上网办公、连接打印机设备等接入需求。在工厂网络建设中，使用工业 PON 替代传统工业以太网络，可以实现网络扁平化。采用无源器件代替有源的汇聚设备，可降低电磁干扰和雷电的影响。用光纤代替传统同轴电缆，可以有效延长网络线路的使用寿命。在整体网络建设中，也可以节省工厂楼层弱电机房的空间。4 5G 定制网的设计与应用5G 网络具有大带宽、低时延、高可靠性的特性，在工厂内部采用 5G 定制组网的模式，部署下沉 UPF设备及 MEC 平台，厂区数据经工业园区 UPF 直接转发至企业私有云，保障工厂内部多种移动场景的应用，通过 5G 定制网连接厂区内的移动设备，可满足工厂内部柔性化生产的需求4。在 5G 定制网设计环节，需充分调研工厂整体对5G 定制网的网络需求，主要考虑移动终端的移动范围、最大连接数、最大并发数、上下行速率、端到端时延、定位精度、链路可靠性、上下行消息长度等指标，根据不同终端的移动范围，对不同区域进行定制化无线覆盖，满足工厂内不同设备、不同应用场景的网络接入要求5。4.1 智能联网 AGV 运输场景在生产制造中，点对点的物资运送需要依靠自动导引车（AGV），目前 AGV 一般采用 Wi谣Fi 实现导图 1 野双千兆冶智慧工厂整体网络架构厂区外部互联网5G 核心网承载网边缘计算网络自服务平台一体化 MEC 平台工厂本地业务系统边缘 UPF厂区工业 PON 网络OLT无源分光器ONU室内固定场景ONU（Wi谣Fi）室内小范围移动场景5G 定制网5G室分5G宏站室内移动场景室外场景A/B 设备通信设计与应用592023 年 8 月引。传统 Wi谣Fi 存在接入点（access point,AP）间干扰的问题，AGV 在 Wi谣Fi 覆盖区域行驶，会在不同 AP点位进行切换，可能会出现 AGV 通信中断问题。而5G 定制网的信号更稳定，可以满足 AGV 在不同 AP之间的无感切换，保证物流运输的效率。同时，将复杂计算迁移到 MEC 平台中，在 MEC 平台云化部署视觉同步定位和绘图（simultaneous localization andmapping,SLAM）、调度控制等功能，实现 AGV 算力共享，可以有效降低 AGV 的单车成本，在提升生产调度效率的同时，帮助企业降低成本。表 1 为智能联网 AGV 运输场景的网络需求。4.2 智能质量检测场景在现有的工厂生产线中，产品质量检测多依赖传统的人工检测方式，存在检测人员劳动强度大、专业性要求高、结果主观性强等问题，缺少系统的质量检测过程数据，导致出现检测效率低、准确率低的情况。通过“5G+MEC”，提供低时延、大带宽、本地化的网络环境，在生产现场部署工业相机或视觉机器人等质量检测终端，实时拍摄产品的高清图像，通过5G 定制网传输至部署在云端的 AI 质检系统，利用AI 算法模型对产品进行实时分析，实现秒级检测，提升质量检测的准确性及效率，记录瑕疵信息，实现对生产过程和产品的智能化、无人化质量检测。表 2 为智能质量检测场景的网络需求。4.3 机器人巡检场景在智能制造生产环节中，大量设备需要进行巡检。某些设备处在危险、恶劣的环境中，传统工厂多采用人工巡检或摄像头巡检的方式，导致巡检效率低，巡检的质量及效率难以量化，且存在一定的危险。5G 移动巡检机器人可覆盖传统摄像头无法覆盖的区域，提供清晰流畅的实时巡检视频，实现全天24 h 不间断巡检，可在工厂危险区域进行巡检，并记录巡检情况及数据，满足智慧工厂的智能制造管理需求。表 3 为机器人巡检场景的网络需求。4.4 融合定位场景在制造工厂内部，生产人员、关键资产、生产设备等有高精度、低成本的定位需求，同时，工厂生产区域有安全保障、电子围栏等需求。通过 5G+超宽带（ultra wide band,UWB）定位技术，可以满足亚米级的定位需求，其精度较高，可实现生产设备和生产人员的定位、轨迹显示，通过电子围栏协助管理人员进行指挥。通过 5G 融合定位的应用，对工厂的人员、资产进行有效管控，实现可视化管理，进而提升整个工厂生产的安全性。表 4 为融合定位场景的网络需求。5 结语现阶段，工厂的生产设备多，产业链长，生产环节复杂，不同工厂的数字化程度差异较大，对网络的需求各不相同。目前在“双千兆”网络推广过程中，仍然存在诸多问题。例如，在工业 PON 方面，设备市场价格较高，抬高了工厂建设 PON 的门槛，工业 PON设备管理、维护对管理人员的要求较高，工厂网络维护人员不具备维护能力。在 5G 定制网方面，无线网络定制化建设还需要一定时间的探索，才能满足工业互联网的需求。面对智能制造转型升级的迫切需求，工业 PON和 5G 定制网等技术不断迭代，逐步成为建设安全可靠智慧工厂网络的重要基础，能够覆盖生产线全生产要素与业务流程，满足工厂的数据通信需求。工业PON 和 5G 定制网在智慧工厂网络建设中，相互协同，互为补充，实现“固移融合”，不断突破传统网络服务的瓶颈，满足工业互联网的网络需求。参考文献1 蚁泽纯，何培森.面向 5G 的 PON 承载技术与应用J.信息通信，2020（5）：248-249.2 周江，孙学斌，曾祥宇.基于不同场景的工业 PON 标准化组网方案优化J.山东通信技术，2019（4）：22-25.3 宁玉.工业 PON 在智能制造业的应用J.江苏通信，2019，35（5）：53-56.4 李贤毅.5G+工业 PON 在智慧工厂中的融合应用J.通信电源技术，2020，37（21）：110-112.5 董凯，陈永灿.推动工业领域“双千兆”网络协同发展J.中国工业和信息化，2021（5）：68-71.作者简介院贾北洋（1990），女，满族，北京人，硕士研究生，研究方向为智能制造转型升级、5G、云计算、大数据、网络安全、人工智能等。典型场景上行带宽 下行带宽 传输时延 定位 可靠性 切片AGV 云化调度 1 Mbit/s 1 Mbit/s200 ms可选 99.99%需要表 1 智能联网 AGV 运输场景的网络需求典型场景上行带宽 下行带宽 传输时延 定位 可靠性 切片智能质量检测（单路 1 080p视频传输）4 Mbit/s1 Mbit/s99援99%需要表 2 智能质量检测场景的网络需求典型场景上行带宽 下行带宽传输时延定位 可靠性 切片移动巡检（1 080p 或4K 视频传输）420Mbit/s1 Mbit/s 1001 000 ms 可选99%表 3 机器人巡检场景的网络需求典型场景上行带宽下行带宽 传输时延定位可靠性切片融合定位 1 Mbit/s 1 Mbit/s“5G+UWB”定位99%非必须表 4 融合定位场景的网络需求通信设计与应用60