面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案研究及驗證

［錢文軒］

1 簡介

目前大多數工廠仍以傳統流程生產為主，未兼顧人、物、產線等綜合的生產管理場景需求，隨著工業產線規模持續擴大、智能化水平不斷提升，智慧工廠概念越來越受到業界重視。智慧工廠涉及到設計、建設、生產、運維等全流程管理，傳統網絡架構和業務應用在終端接入、流程優化、工藝提升、運維管理等方面已經越來越難以支撐起工廠發展的需求。隨著5G 時代的到來，基于5G +PON打造雙千兆全連接智慧工廠，發揮低時延、大帶寬、本地化等網絡特點，結合場景化定制的智慧應用，實現流程和效率的全面優化，完成數字化轉型升級，已逐步成為行業共識[1～3]。

本文首先對中小型智慧工廠建設需求進行了分析，該類型企業通常更關注柔性、成本、簡化、集成等需求，通過統一的網絡、平臺、數據、算法實現設備和信息互聯，以輕量化的應用提升智能化水平，以更經濟、更成熟的形式實現智慧化改造。在此基礎上，本文進行了面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案的設計，通過網絡覆蓋、終端接入、MEC+UPF 下沉以及智慧化應用等方面的設計對方案架構及具體內容進行了闡述。

最后，以某中小型智慧工廠項目為例，進行了方案的落地應用及測試驗證。本案例以4G/5G、工業PON、WLAN等為基礎構建固移融合網絡，滿足工業場景多終端、全連接需求。最后，本文結合項目建設情況，介紹了基于該智慧工廠方案的驗證工作，證明本文提出的設計方案能夠解決中小型智慧工廠產線、管理數據通信保障問題。

2 需求分析

2.1 痛點分析

中小型工廠的制造對象通常為中小微型產品，員工人數在幾十至數百人不等，廠區內包括辦公管理、生產加工、設備存放等區域。目前該類工廠進行智慧化改造主要存在以下三大痛點：

（1）傳統網絡與業務不匹配：網絡建設缺乏統一規劃，有線網絡接入不靈活，妨礙設備移動，無法滿足產線的快速更新替換和定制化柔性制造需求；WiFi 容易受到干擾，數據回傳易丟包，AGV 等設備使用中易出現延遲、誤碼，無法滿足關鍵生產設備大帶寬、高可靠的網絡保障要求。

（2）設備狀態信息采集難：網絡及系統孤島效應造成數據無法實時互通，生產實時進度、設備狀態信息無法統一采集匯總，無法形成有效的質量管理體系。

（3）用人成本高、作業效率低：每個工位需配置多名員工輪班進行作業，實現各種精細化操作；搬運、折彎、質檢等工作強度大、技術要求高、環境質量低，工作效率得不到有效保障。

2.2 需求分析

在前期的智慧工廠建設浪潮中，該類中小型工廠并不急于升級各類智慧應用，進行大規模的廠區及產線改造，而是更關注具有實效性的應用和管理效率的提升，旨在更短的時間內、以更低的成本實現被論證過的成熟改造過程，改善用工難、效率低、質量不穩定等生產管理問題。該類工廠升級改造訴求主要存在于基礎網絡方向及智慧化應用方向。

在基礎網絡方面，通過建設一致性網絡在廠區根據應用場景將網絡進行統一規劃、打通、納管，解決廠區內場景（終端）類型多樣、網絡性能不穩定、數據無法互通的問題。此外，該網絡應具有開放性及可擴展性，可以根據廠區生產作業內容調整靈活匹配規模及性能指標，實現柔性生產。

在智慧應用方面，按需升級，效益為先，盡量不做大投入、大規模改造。通過產線數據采集實時掌握設備運行信息，進行預測性設備保養防護，防止設備出現臨時故障影響生產進度；通過視覺質量檢測手段取代人工篩查工作，降低用人成本及員工勞動強度，提升產品質量管控能力；通過AI 高清監控系統，對員工日常行為、廠區安全進行管理檢測，提升管理效率；通過遠程控制保障作業人員安全、提升生產效能、實現多生產單元協助。

3 方案設計

面對該類型智慧工廠的5G 雙千兆方案，重點關注廠區內部網絡的一致性整合，將分散在工廠內不同地點的加工、質檢、設備、物料、管理等設備連接起來，實現全連接智能生產。在此基礎上搭建統一的應用、數據承載平臺及算力服務，滿足低時延、大帶寬、數據不出場的應用部署環境。該方案整體組網架構如圖1 所示。

圖1 面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案組網架構圖

網絡覆蓋，在園區部署宏站及室分，保障園區室內外5G 網絡覆蓋，園區內移動場景及難以布線場景下的終端通過專用5G 模塊、5G 網關、CPE 等接入無線網絡，數據流量按照預先設定的分流策略經由邊緣UPF 分流到MEC 平臺，實現公網數據與生產數據的隔離。在園區部署PON 網絡，固定場景下或無線信號易受干擾場景下的終端接入工業PON 網絡，工業PON 具有大容量、抗干擾、低時延、高可靠性、高安全性的優點，能夠滿足高性能業務發展的連接需求，具備良好的擴展和演進能力[4]。

按需下沉MEC+UPF 平臺，縮短5G 端到端傳輸時延，數據可通過園區內UPF 直接分流至MEC 平臺，減小時延，同時節省回傳網絡帶寬；MEC 和UPF 均部署于客戶園區內部，實現數據不出園區，保障數據安全；MEC 平臺支持多種通信方式統一接入，同時可以提供網絡能力調用，如位置訂閱、QOS 等，提供算力資源、存儲資源、網絡資源、應用編排、運維監控等，滿足低時延、數據安全等需求[5,6]。

建設成熟、高效的智慧場景應用，包括數據采集、AGV 物流、高清視頻監控、機器人遠程控制等，實現自動化加工、智能化管理，降低人力作業成本，提升生產經營效率[7～9]。

4 案例分析

4.1 落地案例

某工廠提供現代通信設備物理連接整體解決方案及通信電源維護服務，其產品及方案廣泛應用于通信運營商、電力及國防通信等行業。該工廠的基于本設計方案進行了智慧化改造，主要內容包括：

（1）優化網絡覆蓋：通過在園區內部署5G 宏站、5G 室分、工業PON 等，實現園區室內外有線/無線信號覆蓋。

①在數控/焊接車間和機箱機柜車間建設5G 室分，覆蓋數控/焊接和機箱機柜車間；激光切割、數控沖床、折彎機器人、數采等設備通過 5G 無線網絡實現穩定可靠的連接。

② 在高干擾區域，利用PON 網絡實現產線設備的連接和數據上傳，替換原有WiFi 方案，確保數采可靠性。

（2）網絡打通，資源整合：在園區內部署MEC+UPF平臺，實現數據不出園區，為工業生產類應用提供計算、人工智能、大數據等能力所需的邊緣云網基礎資源，各類智慧化應用部署在MEC 平臺上。園區內4/5G 業務數據通過UPF設備分流至MEC平臺，PON網絡與MEC平臺打通，實現了一致化的園區管理手段。MEC、UPF 都具備彈性擴展能力，可以根據流量及資源消耗情況進行靈活擴容，其系統架構如圖2 所示。

圖2 某中小型智慧工廠系統架構圖

（3）智慧應用升級：該工廠通過建設輕量化智慧應用場景，包括設備數采、遠控折彎機器人、遠控沖網孔機、5G+AGV、5G+尾纖端面質量檢驗、色序檢測等，實現生產管理不同業務間的高效協同，滿足智能感知、實時分析、精準控制等需求。

①數據采集

工廠內存在激光切割、數控沖床、折彎機等大量工業設備，通過建設數據采集應用，對設備狀態及運行信息進行實時監控，保障業務穩定運行。原來設備是通過WiFi連接實現數采，但是網絡穩定性較差，現已采用5G+PON技術取代原有WiFi 連接技術，解決網絡不穩定、受干擾的問題。

② 車間AGV 物流

工廠內購置了多臺AGV 組成柔性生產搬運系統，運行路線可以隨著生產工藝流程的調整而及時調整，活動區域無需鋪設軌道、支座架等固定裝置，提高了生產的柔性能力，實現了高效、經濟、靈活的無人化生產。

③高清視頻監控

廠區內通過建設高清視頻監控系統實現智能員工行為分析，對員工日常行為檢測，如玩手機、離崗、睡崗、吸煙、未進行防靜電處理等違規行為進行智能行為分析及報警提示。

英國愛丁堡大學等機構研究人員，通過對7萬人的健康資料進行分析，輕度憂慮者死于心臟病和中風的風險比普通人要高29%。

④ 機器質量檢測

由于該工廠生產大量光纖材料，目前大量質量檢測工作依靠人工判別，判別尺度因人有偏差，勞動效率較低，判別無記錄不可追溯。工廠通過建設機器質量檢測系統，通過5G+機器視覺實現質量檢測，實現超清照片拍攝留存可追溯，精確甄別產品質量情況，降低員工勞動強度，提高質量水平。機器質量檢測現場作業如圖3 所示。

圖3 通過機器視覺應用對光纖質量進行檢測

⑤ 遠程控制

廠內生產作業區的折彎機器人及沖網孔機現場環境指標較差，不適宜人工作業，通過提供遠程控制能力，員工可進行程序設定，并在遠程進行操作作業，保障人員安全、提升生產效能。

4.2 方案成效

項目建設完成后對該套方案中的5G、PON 網絡分別進行了網絡性能測試驗證，主要測試內容為端到端時延、抖動及丟包率，測試平臺部署于園區內MEC 平臺上。其中5G 網絡端到端平均時延11.33 ms，平均時延抖動0.844 5 ms，PON 網絡端到端平均時延小于1 ms，平均時延抖動0.369 1 ms，兩類型網絡丟包率均為0%。由測試結果可知，方案中5G+PON 網絡性能符合預期，為園區提供了穩定可靠的網絡環境，可根據業務場景按需承載接入需求，初步實現了該智慧工廠基礎網絡建設目標。網絡抖動測試記錄如表1 所示。

表1 網絡抖動測試統計表（單位：ms）

此外，由于設計之初即規劃網絡隨需調整、網絡快速定障等能力，因此工廠通過分光器端口預留、光終端即開通、綜合網絡運維等手段，綜合運維效率提升60%。

在智慧化應用方面，原有折彎工位人工作業替換成折彎機器人作業，提升加工效率近300%，提高加工工藝質量的一致性；打造了智慧化報工、設備巡檢、工藝質量追溯、設備資產管理、設備保養的5G 工業數采應用場景，提高工業設備使用壽命和利用率、提升品質監測和管控手段；結合5G 工業設備數采+AGV 運輸機器人，實現AGV 和WMS 系統的解耦，將AGV 工具化，實現工位自動報料，AGV 自動調度，提高生產現場物料轉移效率，同時降低人工勞動強度和安全隱患。

4.3 后續建議

面向中小型智慧工廠的5G 雙千兆方案在某工廠中得到了驗證，解決了中小型工廠智慧化轉型中遇到的成本及效率問題，但是在安全性、確定性及可擴展性方面還存在著一定的提升空間。

安全性：企業內網的擴展一方面打通了各生產環節，使得數據的價值最大化，但是另一方面也會面臨隨之而來的是數據泄露、篡改等安全風險，在后期的優化和升級中需要進一步支持數據本地化處理，并且提供全面的企業數據安全防護解決方案，將安全問題綜合考慮到項目的整個建設過程中去[10]。

確定性：5G 網絡真正應用于工業生產的主要難點在于如何解決5G 網絡的時間抖動問題，即時延不確定性問題。方案后期將融合時間敏感網絡（Time Sensitive Networking，TSN）技術，通過5G 與TSN 技術的融合解決工業產線應用的數據通信時延確定性問題[11,12]。

擴展性：由于標準、成本、產品成熟度等因素影響，智慧工廠實際建設過程中還是會存在較多獨立的系統，僅在數據層面進行了初步打通，這種模式仍然會造成工廠內煙囪式的系統架構，不利于系統后期的擴展，在后期的方案迭代中將考慮提供易擴展的ICT 解決方案，實現自動化加工、智能化管理，提高生產經營效率，實現生產業務的無人化、自動化處理以及人、機、物的智能實時監測，提升企業生產運營效率。

5 結束語

基于5G +PON 的雙千兆全連接智慧工廠設計方案是新一代信息通信技術與現代工業技術深度融合的產物，為中小型工廠智慧化轉型升級提供了低時延、大帶寬和高算力的云網基礎設施及成熟的場景應用。該方案在某工廠建設項目中得到了初步實現和驗證，解決了用工難、效率低、質量不穩定等問題。