5G 邊緣計算在智慧鋼鐵行業應用案例分析

張浩宇

引言

4G技術的普及和應用帶來了高速、穩定的移動互聯網連接，改變了人們的生活方式和工作方式。而5G技術則進一步提高了通信速度、降低了延遲，為更廣泛的應用場景提供了支持。5G的高帶寬和低延遲特點，使得諸如智能工廠、物聯網等領域的創新變成可能。工業設備可以實現遠程監控和自動化控制，提高生產效率；物聯網設備可以實現更廣泛的連接和智能化應用，帶來更便捷的智能生活體驗。在傳統產業的數字化和智能化轉型中，5G的新特性、新能力正在大顯身手，為各項技術的深度融合和規模應用提供可能，有力驅動管理理念、生產方式的變革，為傳統產業賦能、賦智。

在現代鋼鐵生產中，信息技術的應用已經成為不可或缺的一部分，網絡被用于監控和控制生產過程、優化資源配置、提高生產效率等方面。鋼鐵行業面臨著大規模數據的處理和傳輸，網絡需要具備高帶寬和低延遲的特點，以確保數據的快速傳輸和實時性。在鋼鐵行業中，生產設備和系統的連通性非常重要。通過網絡，鋼鐵企業能夠實時地監測和控制生產設備的運行狀態，及時發現和解決問題，提高生產效率和質量。只有確保網絡的穩定運行和數據的安全傳輸，才能保障鋼鐵企業的生產順利進行。同時，鋼鐵行業也越來越重視智能制造和物聯網技術的應用，通過網絡連接各個設備、傳感器和智能系統，實現設備互聯和信息共享。這要求網絡必須具備高度的可靠性和穩定性，以確保設備間的正常通信和數據傳輸，實現高效的智能化生產。因此，研究5G在鋼鐵行業的應用，形成智慧鋼鐵5G專網解決方案，保證網絡的穩定運行和數據的安全傳輸，鋼鐵企業才能有效應對挑戰，并提高生產效率、降低成本，保持競爭力。[1]

本文以福建省某鋼鐵廠5G專網為模型，對5G邊緣計算智慧鋼鐵行業應用案例進行深入分析。

一、需求分析

（一）基本情況

鋼鐵廠分為南區和北區，北區已完成堆/取料機設備自動化改造，通過無線Wi-Fi+有線光纖進行設備遠程控制，但是存在Wi-Fi覆蓋不穩定、時延大、上行帶寬不足、光纖維護成本高等問題。究其原因，鋼鐵廠的生產環境存在較多的電磁干擾和信號阻塞，大量的固定設備和金屬結構也會阻礙網絡信號的傳播和覆蓋范圍，這些因素導致現有無線網絡（Wi-Fi/4G）信號的不穩定性和傳輸速率下降。同時，鋼鐵廠的數據傳輸需求往往非常高，特別是對于實時監控、大數據傳輸和高負載應用來說，無線網絡（Wi-Fi/4G）的帶寬無法滿足要求。其次，鋼鐵廠通常包含大型設備和復雜的工業環境，如高溫、塵土、濕氣等，以及布線可能需要經過拆除和重新安裝的設備或構筑物，這些因素增加了有線網絡部署的復雜性和成本。上述挑戰使得在鋼鐵廠環境中實現連接需求、轉型數字化生產變得困難。

隨著5G網絡的成熟商用，其更高的傳輸速度、低延遲和更大的容量，能夠更好地應對高負載和大數據傳輸需求。同時，5G網絡還具備更強的信號穿透能力，可以在復雜的金屬結構環境下提供更穩定的連接。5G網絡作為新一代無線連接技術，與工業互聯網形成良好的融合，有利于廠區加強信息化建設，加深智能化改造，打造新型數字化應用，提升生產技術水平。因此，鋼鐵廠亟需通過大帶寬高可靠的5G無線專網解決遠程控制中存在的數據傳輸問題。

（二）存在問題

目前，鋼鐵廠北區在安全生產方面存在幾大“痛點”：

（1）Wi-Fi部署信號弱，覆蓋盲區大，穩定性差，可靠性低，跨AP切換易掉線或丟包，易受干擾和攻擊。

（2）現有Wi-Fi連接方式時延大于400ms，無法滿足現場遠控低時延要求，存在安全隱患。

（3）每臺堆/取料機上都有7-8臺攝像機，拍攝的視頻需要進行實時回傳，而現有Wi-Fi帶寬不足，無法滿足遠控需求。

（4）光纖部署成本高，絞盤收放容易磨損或折斷，故障排查需登高作業，故障點不好排查，安全風險大。

（三）業務需求

鋼鐵廠在大型機械遠控及無人化上需要較高的上行網絡帶寬和極低的網絡時延，當前的網絡環境無法滿足。針對各場景業務特性作出分析，如下表所示：

表1 業務需求分析

（四）解決思路

鋼鐵廠需要針對北區的堆取料機遠程控制場景進行5G應用的引入，且要求生產控制數據不出園區，為解決安全生產現有的“痛點”，采用建設5G專網方案滿足應用需求，在UPF上利用ULCL或DNN分流技術隔離內網與外網業務數據，替代現有Wi-Fi和光纖的廠區內部網絡。5G專網切片可以為鋼鐵行業的各類應用場景提供更靈活、高效、安全的網絡服務，不同的業務可以根據自身需求享受定制化的網絡服務，提升業務效率并滿足各自的通信需求。

二、網絡方案

（一）總體說明

鋼鐵廠北區堆/取料機已完成遠控改造，具備Wi-Fi、光纖等接入能力，目前組網是采用二層交換機光纖直連和Wi-Fi網橋的方式進行數據通信。在不改變原有網絡架構的情況下，通過新增UPF和Vxlan交換機，實現無線數據的分流和二層/三層數據轉化，從而實現機械設備的遠控。

（二）無線網部署方案

1.無線環境分析

鋼鐵廠北區長約300米，寬約100米，廠房內大部分5G信號由周邊的5G基站（2.6GHz）覆蓋，整體覆蓋較好，平均下載速率為572Mbps，平均上傳速率60Mbps。北區現有3臺堆取料機，每臺上部署4-10個攝像頭通過交換機匯聚后回傳，上行100M帶寬可滿足網絡傳輸需求。

為了滿足智慧鋼鐵的5G網絡按需服務，并充分考慮未來承載相關平臺及應用場景，需要在鋼鐵廠內新建一個5G宏基站（2.6GHz），滿足室外及室內淺層覆蓋，保證廠區生產區域及辦公區域的網絡基礎服務。2.6G的5G產品成熟穩定性好，建議優先采用2.6G 64TR設備做覆蓋。后期若上行帶寬需求增長時，可考慮采用4.9G設備替換2.6G設備或在2.6G設備基礎上新增4.9G設備。4.9G設備上下行時隙配置靈活，頻段干凈，可以最大限度滿足上行覆蓋需求，用于增強廠區內的重點場景深度服務。5G宏基站采用BBU+AAU的建設模式，其中AAU采用64T64R Massive MIMO天線技術。

2.基站建設方案

通過現場勘查，考慮到覆蓋、施工、傳輸、電源等問題，建議在北區廠房北門辦公室樓頂靠墻位置加3米抱桿掛放AAU，該位置無鐵皮阻擋信號直射廠房，有利于信號覆蓋和形成多徑效應。

同時為了兼顧生產控制的安全性及穩定性，無線側采用主備基站的方式進行網絡覆蓋。北區廠房北門辦公室樓頂新增一個2.6G NR1基站，作為主用小區，原周邊2.6G NR2基站作為備用小區，2個基站分別掛接不同的SPN環網，同時接入新增的UPF。正常工作模式下，2.6G NR1基站配置接入優先級最高，作為主用小區。當2.6G NR1基站故障或者設備維護時，2.6G NR2基站可以暫時接替覆蓋，保障現場網絡暢通。

（三）核心網部署方案

1.基礎分流功能

一套完整的UPF解決方案，最終可實現兩種功能：連接+計算，連接功能是指傳統核心網中的用戶面協議功能，即UPF（一種核心網節點），它承擔著連接用戶設備（UE）和服務區域之間傳輸數據包的重要任務。5G邊緣計算的分流可以分為兩類實現方式：即通過識別和分類上行流量并根據一定規則或策略分類和分流到不同目標或處理路徑的ULCL分流機制，以及基于5G網絡中用于唯一標識特定服務和應用的數據網絡DNN分流機制。ULCL分流功能可以根據流量的特點和需求，為不同類型的流量分配不同的服務質量參數，將流量合理地分配到不同的目標或路徑，實現更有效的網絡資源利用、優化服務質量、滿足不同業務需求，以及處理特殊流量類型，從而提高網絡性能和用戶體驗；DNN分流功能可以根據服務類型、QoS要求、安全要求等因素對數據流進行更精確的分類和優化，為廠區內部用戶提供了更細粒度和更高級別的網絡劃分和服務定制能力，以滿足不同應用和服務的需求。[2]

通過下沉部署的UPF，堆/取料機視頻數據可以直接上傳到鋼鐵廠本地服務器，實現數據不出園區的需求。同時，本地分流也可以盡可能地降低末端時延，滿足遠控低時延的需求。

2.UPF整體組網方案

本案例UPF對接運營商5GC核心網，UPF部署在鋼鐵廠園區機房，構建統一的邊緣云資源池。整體組網采用業務交換機作為邊緣數據中心的網關，連接UPF和核心網絡，用于數據的轉發和路由功能。旁掛防火墻作為東西向客戶間的防護，負責保護網絡和數據的安全性，可以監測和過濾進出邊緣數據中心的流量，防止惡意攻擊、入侵和數據泄露等安全威脅。UPF物理上只和SPN設備對接，通過SPN再與IP專網對接。[3]

圖1 業務流程示意圖

圖2 總體網絡拓撲圖

（四）Vxlan部署方案

本案例需要在搭建的5G三層網絡中保留園區中原本由網橋搭建的二層網絡，即需要在兩個局域網中搭建二層隧道，因此采用Vxlan技術構建園區大二層網絡。Vxlan使用VNI來標識不同的虛擬網絡，可以在三層網絡中建立二層以太網隧道，使得虛擬網絡能夠跨越物理網絡進行二層連接。這樣可以實現虛擬機的遷移、負載均衡、多租戶隔離等功能，擴展了數據中心的規模和靈活性。視頻回傳的信息流傳遞路徑為（只考慮終端與Vxlan之間的通信）：

（1）車載端攝像頭/車載端視頻交換機→Vxlan交換機1→Vxlan交換機2→控制中心視頻交換機→控制中心大屏。

（2）控制中心PLC控制器/控制中心PLC交換機→Vxlan交換機2→ Vxlan交換機1→車載端PLC交換機→車載端PLC模塊。

（五）傳輸網部署方案

為承載5G業務，需搭配SPN傳送網。鋼鐵廠所處位置在SPN匯聚層覆蓋范圍中，考慮到鏈路保護及設備主備的因素，需新建兩套接入層SPN設備。SPN以環型雙路由結構為主，接入環環路帶寬使用50GE，后期根據業務流量平滑升級成100G，滿足企業內網以及互聯網業務的差異化需求。根據智慧鋼鐵對網絡可用性和安全性的需求，對每個業務、每條鏈路進行主備路由的保護，以確保業務的安全性。

結束語

鋼鐵行業生產流程長，目前多數鋼鐵企業只能實現初級網絡信息化，自身網絡能力及自動化控制能力相較世界先進水平仍較為薄弱，流水線上需精準執行的環節，仍然需要人工作業。重點作業流程的自動化、信息化嚴重不足，不僅是鋼鐵廠勞動力成本消耗大項、高危作業環境大項，更是鋼鐵廠智能化道路上亟須解決的難點問題。以5G為敲門磚，建設5G專網服務于鋼鐵行業，發揮其“大帶寬、低時延、大容量、強隔離”的特點，尤其與AI、邊緣計算等技術融合，可以滿足鋼鐵企業多場景差異化需求，利用專有網絡資源，覆蓋指定范圍，服務指定對象，是構建智慧鋼鐵的更好選擇，將有力推動鋼鐵行業數字化、智能化轉型，降低成本、提升效率，創造新的價值。