上海煙草機械為上海傳統(tǒng)的機械制造企業(yè)，近年來也逐步開展了智能制造探索，但是工廠在生產(chǎn)、售后運維及數(shù)據(jù)安全等方面均遇到一定困難。針對客戶問題，中國移動（上海）產(chǎn)業(yè)研究院利用5G高帶寬、低時延的特點，提供端到端解決方案，實現(xiàn)了AGV機器人無線控制、5G數(shù)字孿生產(chǎn)線、5G+AR維修、高精度室內(nèi)定位等業(yè)務(wù)。

一、 項目概況

1. 項目背景

上海煙草機械為上海傳統(tǒng)的機械制造企業(yè)，近年來逐步開展了智能制造探索，但是工廠在生產(chǎn)、售后運維及數(shù)據(jù)安全等方面均遇到一定困難。一是AGV機器人基本通過WiFi進(jìn)行控制信號和數(shù)據(jù)傳輸，存在著WiFi信號同頻干擾、漫游切換易掉線（重連）、覆蓋死角等問題。二是作為一家設(shè)備制造商，上海煙機在傳統(tǒng)的售后模式中，需要工程師上門檢測設(shè)備，加上上海煙草機械的設(shè)備遍布全國，存在售后周期長、成本高、響應(yīng)速度慢的問題。三是制造型企業(yè)的核心生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以說是企業(yè)中最重要的部分，在過去海量數(shù)據(jù)不能得到有效的保存，存在著數(shù)據(jù)安全問題。

2. 項目簡介

5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業(yè)務(wù)體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點。利用5G技術(shù)讓制造型企業(yè)快速提高生產(chǎn)力，破解5G在垂直行業(yè)應(yīng)用發(fā)展的難題，中國移動（上海）產(chǎn)業(yè)研究院致力于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺建設(shè)，開展工業(yè)及能源領(lǐng)域平臺及端到端解決方案研發(fā)，打造上海煙機5G+離散制造業(yè)的示范項目，實現(xiàn)了AGV機器人無線控制、5G數(shù)字孿生產(chǎn)線、5G+AR維修、高精度室內(nèi)定位等業(yè)務(wù)，未來還將部署5G+邊緣計算、5G+CPS實現(xiàn)自然導(dǎo)航的人機協(xié)作移動機器人應(yīng)用等業(yè)務(wù)。

3. 項目目標(biāo)

通過5G實現(xiàn)工廠多設(shè)備、多車間統(tǒng)一管理，統(tǒng)一運維，安全隔離，從而帶來巨大的經(jīng)濟效益。

一方面，使用5G替代局域網(wǎng)走線，減少現(xiàn)場有線組網(wǎng)的建設(shè)難度和管理難度，大幅降低了走線布設(shè)的成本和后期運維的難度。

另一方面，降低用工成本，提高生產(chǎn)效率。5G+機器人的應(yīng)用可以實現(xiàn)工廠無人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規(guī)范性，現(xiàn)場生產(chǎn)的安全性。將所有生產(chǎn)步驟程序化，提高了生產(chǎn)的效率。

最終，通過5G在智能工廠的應(yīng)用探索出智能工廠的新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)和新模式，推動行業(yè)制造技術(shù)進(jìn)步，為5G在其他行業(yè)的垂直應(yīng)用提供典范，給社會經(jīng)濟與生活帶來革命性的影響。

二、項目實施概況

1. 總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和具體場景

    （1）總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

針對5G 網(wǎng)絡(luò)改造，原則上充分利用現(xiàn)有站址、傳輸、管線、動力資源，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，5G網(wǎng)絡(luò)部署原則參考中國移動集團(tuán)規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)原則。

上海煙草機械工業(yè)及能源領(lǐng)域平臺及端到端解決方案選取上海煙草機械西廠區(qū)的智能車間進(jìn)行業(yè)務(wù)的示范測試，整體網(wǎng)絡(luò)布設(shè)方案采取5G BBU+皮基站（pRRU）的形式。5G基站的BBU安裝在東廠區(qū)，通過光纖接入西廠區(qū)的第一個RHUB，第一個RHUB負(fù)責(zé)了AGV活動區(qū)域的7臺pRRU，同時串聯(lián)了第二臺RHUB，也就是ZB415區(qū)域的兩臺

pRRU，并對各項應(yīng)用的重點活動區(qū)域做了網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1。

圖1 上海煙機車間5G網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

    （2）AGV機器人無線控制

在設(shè)備側(cè)，AGV機器人改用5G網(wǎng)絡(luò)取代WiFi組網(wǎng)。利用5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)MES服務(wù)器與車間AGV機器人的實時通信，MES服務(wù)器可通過AGV機器人對現(xiàn)場的物料實現(xiàn)智能調(diào)度。同時，利用5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、抗干擾性強的優(yōu)勢，技術(shù)人員可對AGV機器人及生產(chǎn)線進(jìn)行指令實時下達(dá)和操控，完成對AGV機器人和生產(chǎn)線的精準(zhǔn)遠(yuǎn)程管控。

圖2 上海煙草機械5G智慧工廠AGV機器人

    （3）5G數(shù)字孿生產(chǎn)線

ZB415煙機產(chǎn)線由主機加輔機組成，體積龐大。該智能機組內(nèi)置超過400個采集點位，每個點位的數(shù)據(jù)采集頻率均為毫秒級。因此系統(tǒng)每秒會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，要將這些數(shù)據(jù)實時的傳輸?shù)綌?shù)字孿生系統(tǒng)中就需要5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬的加持，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)對機組的運行狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，如開機、停機、復(fù)位、包裝速度調(diào)整等。5G網(wǎng)絡(luò)的低時延、高可靠性確保了這些控制指令下發(fā)的實時性和可靠性。當(dāng)機組某一個零部件出現(xiàn)故障時，數(shù)字孿生系統(tǒng)會通過布置在機組內(nèi)部的傳感器檢測到該零件，并立即在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行報警；同時會聯(lián)動監(jiān)控攝像頭定位到出現(xiàn)故障的零部件的位置，并放大監(jiān)控畫面以便于控制中心的專家進(jìn)行進(jìn)一步的故障診斷和確認(rèn)。

圖3 5G數(shù)字孿生系統(tǒng)及實景

    （4）5G+AR輔助維修

通過AR技術(shù)，在設(shè)備出現(xiàn)故障時，遠(yuǎn)程的維修工程師可通過AR眼鏡或者手機、平板上的攝像頭看到設(shè)備的故障情況，并通過AR眼鏡或者平板的顯示器對設(shè)備附近的工人進(jìn)行維修作業(yè)指導(dǎo)，從而減少了工程師出差前往設(shè)備現(xiàn)場的人力成本，也減少了煙機的維修時間。

圖4 5G+AR輔助維修

    （5）高精度室內(nèi)定位

    通過UWB高精度實時定位首先能直觀地顯示貨物托盤的精準(zhǔn)位置，方便現(xiàn)場原材料的管理和監(jiān)督，同時通過位置信息形成各類軟件應(yīng)用方面的功能進(jìn)一步提升了管理和監(jiān)督的便捷性、實時性和智能化，而基于長時間、大量位置數(shù)據(jù)形成的人員和托盤原材料位置、軌跡能作為工序效率提升的基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)，為智慧工廠領(lǐng)域帶來突破性的信息化變革。

圖5 室內(nèi)高精度定位工廠

2. 安全及可靠性

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由于涉及到工廠內(nèi)和工廠外的網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)，因此其安全體系主要從工業(yè)和互聯(lián)網(wǎng)兩個方面來構(gòu)建。從工業(yè)視角考慮，安全的重點是保障智能化生產(chǎn)的連續(xù)性、可靠性，關(guān)注智能裝備、工業(yè)控制設(shè)備及系統(tǒng)的安全；從互聯(lián)網(wǎng)視角考慮，安全主要保障個性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同以及服務(wù)化延伸等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的安全運行以提供持續(xù)的服務(wù)能力，防止重要數(shù)據(jù)的泄露，重點關(guān)注工業(yè)應(yīng)用安全、網(wǎng)絡(luò)安全、工業(yè)數(shù)據(jù)安全以及智能產(chǎn)品的服務(wù)安全。因此，本項目依據(jù)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)》，構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全保障體系總體框架，如下圖所示，具體包括設(shè)備安全、網(wǎng)絡(luò)安全、控制安全、應(yīng)用安全和數(shù)據(jù)安全等五大重點。

圖6 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全解決方案總體框架

本項目中的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全解決方案覆蓋安全技術(shù)防護(hù)的全場景，涵蓋了工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)、生產(chǎn)制造、后期運維服務(wù)等階段，重點聚焦工業(yè)控制層面、內(nèi)網(wǎng)層面和互聯(lián)網(wǎng)云平臺等多個層面，重點構(gòu)建了工業(yè)防火墻、工業(yè)隔離系統(tǒng)（工業(yè)網(wǎng)閘）、網(wǎng)絡(luò)防火墻和虛擬防火墻等工業(yè)安全產(chǎn)品或解決方案，實現(xiàn)融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、邊界安全防護(hù)、接入認(rèn)證、通信內(nèi)容防護(hù)、通信設(shè)備防護(hù)、安全監(jiān)測審計等多種防護(hù)措施，構(gòu)筑立體化的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)體系。

三、項目創(chuàng)新點和實施效果

1. 項目先進(jìn)性及創(chuàng)新點

通過5G實現(xiàn)工廠多設(shè)備、多車間統(tǒng)一管理，統(tǒng)一運維，安全隔離，能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益。

一方面，減少現(xiàn)場有線組網(wǎng)的建設(shè)難度和管理難度，使用 5G替代工廠局域網(wǎng)，大幅降低了走線布設(shè)的成本和后期運維的難度。另一方面，降低用工成本，提高生產(chǎn)效率。5G+機器人的應(yīng)用可以實現(xiàn)工廠無人化，不僅降低了人員的成本，而且提高了操作的規(guī)范性，現(xiàn)場生產(chǎn)的安全性。將所有生產(chǎn)步驟程序化，提高了生產(chǎn)的效率。

最終，通過5G在智能工廠的應(yīng)用探索出智能工廠的新業(yè)務(wù)、新業(yè)態(tài)和新模式，推動行業(yè)制造技術(shù)進(jìn)步，為5G在其他行業(yè)的垂直應(yīng)用提供典范，給社會經(jīng)濟與生活帶來革命性的影響。

（1）率先實現(xiàn)5G在工業(yè)離散行業(yè)的應(yīng)用

中國明確5G時代的引領(lǐng)戰(zhàn)略，從5G國際標(biāo)準(zhǔn)到國內(nèi)5G產(chǎn)業(yè)推動，我國在政策引領(lǐng)、研究布局和試驗驗證方面均處領(lǐng)先地位，因此有必要率先開展規(guī)模組網(wǎng)建設(shè)進(jìn)行5G典型的業(yè)務(wù)驗證，提升我國5G在國際上的影響力。本項目以工業(yè)離散行業(yè)為應(yīng)用場景，迅速部署5G預(yù)商用網(wǎng)絡(luò)，盡早開展真實環(huán)境下5G規(guī)模組網(wǎng)驗證，探索5G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、組網(wǎng)及優(yōu)化理論方法，推動5G網(wǎng)絡(luò)商業(yè)部署進(jìn)程以及產(chǎn)業(yè)鏈成熟，完成典型業(yè)務(wù)場景的5G規(guī)模組網(wǎng)。

    （2）部署MEC邊緣計算，提升網(wǎng)絡(luò)效率，支撐靈活行業(yè)應(yīng)用

MEC使得傳統(tǒng)無線接入網(wǎng)具備了業(yè)務(wù)本地化和近距離部署的條件，從而提供了高帶寬、低時延的傳輸能力，同時業(yè)務(wù)面下沉形成本地化部署，可以有效降低對網(wǎng)絡(luò)回傳帶寬的要求和網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。

另一方面，MEC把無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)兩者有效融合在一起，并在無線網(wǎng)絡(luò)側(cè)增加計算、存儲、處理等功能，構(gòu)建了開放式平臺以植入應(yīng)用，并通過無線API開放無線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)服務(wù)器之間的信息交互，對無線網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)進(jìn)行融合，將傳統(tǒng)的無線基站升級為智能化基站。面向業(yè)務(wù)層面，移動邊緣計算可向行業(yè)提供定制化、差異化服務(wù)，進(jìn)而提升網(wǎng)絡(luò)利用效率和增值價值。

工業(yè)大企業(yè)客戶對于通過運營商移動網(wǎng)絡(luò)這類公網(wǎng)進(jìn)行車間制造、控制管理等通信具有一定程度顧慮，而利用MEC技術(shù)可以完美地解決這個問題。在覆蓋企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)基站處部署MEC邊緣計算云，可實現(xiàn)將指定的內(nèi)網(wǎng)通信進(jìn)行旁路，直接終結(jié)在企業(yè)內(nèi)部，而不再上傳至運營商的核心網(wǎng)絡(luò)，既提升了網(wǎng)絡(luò)速度、降低了處理時延，也從物理網(wǎng)絡(luò)上確保了企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的信息安全。

    （3）實現(xiàn)示范模式創(chuàng)新

將CPS系統(tǒng)引入機床設(shè)備制造，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝與信息系統(tǒng)融合，體現(xiàn)了生產(chǎn)模式從“集中型”到“分散型”的范式轉(zhuǎn)變，將5G技術(shù)引入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，利5G具備更低的時延，更高的速率，更好的業(yè)務(wù)體驗，有感知泛在、連接泛在、智能泛在的特點，在信息物理融合系統(tǒng)CPS的支持下，實現(xiàn)了離散制造業(yè)生產(chǎn)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、生產(chǎn)數(shù)據(jù)可視化、生產(chǎn)文檔無紙化、生產(chǎn)過程透明化、生產(chǎn)現(xiàn)場無人化等先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用，做到縱向、橫向和端到端的集成。

圖7 基于CPS的遠(yuǎn)程控制與故障檢測

2. 實施效果

AGV機器人改用網(wǎng)關(guān)加5G CPE的方式取代WiFi，大幅提升生產(chǎn)效率，降低運維成本。

ZB415包裝機聯(lián)網(wǎng)改造及視頻監(jiān)控組網(wǎng)，利用數(shù)字孿生系統(tǒng)提升遠(yuǎn)程故障定位可行性，有效提升了企業(yè)智能化，為企業(yè)降本增效。

上海煙草機械生產(chǎn)的煙機遠(yuǎn)銷全國各地，通過AR拆解設(shè)備賦能遠(yuǎn)程輔助維修，無需專家出差到現(xiàn)場進(jìn)行指導(dǎo)，且大幅提升售后效率，降低售后成本。

通過UWB技術(shù)對倉庫內(nèi)叉車及物料托盤進(jìn)行高精度定位，實現(xiàn)物流倉儲的自動化和智能化。

總體來說，通過對設(shè)備的5G網(wǎng)絡(luò)改造，利用5G組網(wǎng)，打通了云端服務(wù)器與車間設(shè)備的實時通訊，云端服務(wù)器可通過設(shè)備對現(xiàn)場的物料實現(xiàn)智能調(diào)度。同時，利用移動5G網(wǎng)絡(luò)抗干擾、低時延、大帶寬的優(yōu)勢，技術(shù)人員可對設(shè)備及生產(chǎn)線進(jìn)行指令實時下達(dá)和操控，完成對設(shè)備和生產(chǎn)線的精準(zhǔn)遠(yuǎn)程管控。同時，設(shè)備的數(shù)字孿生系統(tǒng)中所有傳感器的數(shù)據(jù)通過5G傳輸?shù)皆贫朔?wù)器，設(shè)備及機械臂的所有動作實時的在數(shù)字模型中呈現(xiàn)，以5G的高帶寬低時延特性，助力CPS系統(tǒng)的打造。