摘要：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已成為中國經(jīng)濟發(fā)展的重要戰(zhàn)略之一，在工業(yè)化和互聯(lián)網(wǎng)化兩化融合的過程中存在諸多難題，需要 5G 和 MEC 等 CT 新技術(shù)貫通工業(yè) OT 域和 IT域。為了探討 5G 和 MEC 在工業(yè)組網(wǎng)、支撐工業(yè)系統(tǒng)方面的價值，首先分析了工業(yè)領域存在的問題及對新技術(shù)的需求，接著提出了 5G 和 MEC 在工業(yè)內(nèi)外網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)中的應用方案，并對工業(yè)邊緣云架構(gòu)、典型應用場景等進行了討論。結(jié)合 5G+MEC 在工廠中的應用案例和相關(guān)的技術(shù)測試指標驗證，最后得出了“5G+MEC+行業(yè)智能化應用”模式將為行業(yè)和企業(yè)發(fā)展帶來真正價值的結(jié)論。
關(guān)鍵詞：邊緣計算；5G；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；ICT；工業(yè)內(nèi)外網(wǎng)
1 工業(yè)對新技術(shù)的需求
1.1 工業(yè)存在的問題分析
中國的工業(yè)規(guī)模位居世界前列，門類齊全、體系完整，在支撐中國經(jīng)濟社會發(fā)展方面發(fā)揮著重要作用。但中國仍處于工業(yè)化進程中，制造業(yè)與先進國家相比還有較大差距，特別是在企業(yè)的信息化、智能化方面仍處于起步階段，整體發(fā)展水平不高，制約了工業(yè)企業(yè)的發(fā)展。
傳統(tǒng)的工業(yè)企業(yè)在生產(chǎn)制造、組網(wǎng)和企業(yè)信息化等方面存在諸多問題，各工業(yè)應用系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)無法互通，形成“信息孤島”，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。
a）企業(yè)多采用工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線進行組網(wǎng)，傳統(tǒng) IP 網(wǎng)絡傳輸采用盡力而為的機制，存在丟包、時延、抖動等問題，無法滿足對時延敏感性應用的需求。
b）工業(yè)現(xiàn)場總線傳輸速率較低、協(xié)議繁多，各廠家之間不能互通，影響企業(yè)對終端數(shù)據(jù)的統(tǒng)一采集、管理和建模。
c）部分工廠采用 Wi-Fi、ZigBee 等無線接入技術(shù)，但存在速率、穩(wěn)定性、時延、連續(xù)性、安全隱患等問題。
d）隨著工業(yè)企業(yè)信息化、智能化的發(fā)展，柔性生產(chǎn)、工業(yè)機器人、AGV、遠程操控等應用的越來越廣泛，對移動終端的接入需求也越來越多。
e）工業(yè)企業(yè)對生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)有安全私密性要求，希望業(yè)務數(shù)據(jù)不出園區(qū)。
f）OT 與 IT 域既有隔離又有互通需求，安全性無法全面保障。
1.2 對5G等新技術(shù)的需求
隨著 5G 在中國規(guī)模商用的推進、5G 新基建的提出，5G 已經(jīng)成為了中國數(shù)字經(jīng)濟轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵基礎設施之一。5G 的大帶寬、低時延、海量連接的特性可以滿足工業(yè)場景下高速率數(shù)據(jù)采集、遠程控制、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定可靠性、業(yè)務連續(xù)性等需求。5G 對工業(yè)的賦能正推動著工業(yè)企業(yè)由“制造”向“智造”發(fā)展，為工業(yè)企業(yè)的提質(zhì)升級、高水平發(fā)展注入了強大動力。
新一代信息通信技術(shù)與制造業(yè)的融合逐漸從理念普及走向應用推廣，制造業(yè)智能化、柔性化、服務化、高端化轉(zhuǎn)型發(fā)展趨勢愈發(fā)明顯，對高性能、具有靈活組網(wǎng)能力的無線網(wǎng)絡需求日益迫切。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中，網(wǎng)絡、平臺和安全是3個關(guān)鍵要素，其中網(wǎng)絡是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎，平臺是體系的核心，安全是重要保障，而邊緣計算 MEC 既是 5G 網(wǎng)絡的錨點，又是工業(yè)邊緣應用的承載者，在整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)中起到不可替代的重要作用。
邊緣計算 MEC 的出現(xiàn)，成為了助力 5G 網(wǎng)絡數(shù)字化轉(zhuǎn)型和差異化創(chuàng)新應用服務的強力助推技術(shù)，MEC平臺是網(wǎng)絡與業(yè)務融合的橋梁，是應對 5G 大帶寬、低時延、本地化垂直行業(yè)應用的關(guān)鍵。制造型企業(yè)更容易成為邊緣計算技術(shù)發(fā)展的受益者。
在工廠內(nèi)部，很多生產(chǎn)任務都需要利用 IT 系統(tǒng)對生產(chǎn)過程進行全程監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，降低次品率，在規(guī)定時間內(nèi)完成產(chǎn)品交付。引入邊緣計算后，工廠可以通過在流水線中部署的邊緣設備收集和分析數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對生產(chǎn)過程的全程監(jiān)測，大幅度縮短時延，促進工廠提質(zhì)增效。
在中國排名前十的邊緣計算應用場景中，兩項來自制造領域，即現(xiàn)場工業(yè)機器人和柔性制造。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中邊緣計算可以應用在多個場景，而不同的場景對計算能力需求不同，包括流式數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)挖掘，智能計算和實時控制等。
MEC 和 5G 的融合為工業(yè)智能化改造提供了充分的想象空間，MEC 可以實現(xiàn)對工業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)的本地分流卸載、對業(yè)務的近端處理，在滿足企業(yè)數(shù)據(jù)不出園區(qū)的安全隱私性需求的同時，也進一步降低了業(yè)務時延，提升了諸如遠程控制、遠程協(xié)作等業(yè)務的體驗。MEC 結(jié)合工業(yè) PaaS 能力或 SaaS 應用可以打造面向工業(yè)領域的工業(yè)邊緣云平臺，通過工業(yè)邊緣云平臺的部署可快速為工業(yè)企業(yè)提供更多工業(yè)邊緣應用，同時平臺通用工業(yè)能力的共享可以降低企業(yè)的信息化改造成本，加速中國工業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)化轉(zhuǎn)型發(fā)展。
在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標準體系架構(gòu)中，邊緣計算主要關(guān)注邊緣設備、邊緣智能、能力開放等領域，通過和其他技術(shù)如標識解析、平臺與數(shù)據(jù)、工業(yè) APP 等的協(xié)作，共同為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的持續(xù)快速發(fā)展提供助力。
2 5G+MEC在工業(yè)的應用探討
2.1 網(wǎng)絡架構(gòu)
基于 5G 的智慧工廠信息化基礎設施一般包括 OT域、IT 域、CT 域。而 CT 域作為連接 IT 域和 OT 域的紐帶和橋梁，為工廠的智能化運轉(zhuǎn)，提供網(wǎng)絡承載和業(yè)務質(zhì)量保障，因此 CT域的網(wǎng)絡性能直接決定了工廠智能化水平的高低。
OT域設備通常包括：現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無線等通信方式，通過 PLC、RTU、DCS、工業(yè)邊緣網(wǎng)關(guān)等設備采集、控制、監(jiān)測生產(chǎn)過程。
IT 域設備通常包括：MES 系統(tǒng)、CRM 系統(tǒng)、ERP 系統(tǒng)、預測性維護系統(tǒng)、OA系統(tǒng)、WMS 系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)等。
CT 域設備通常包括：移動通信核心網(wǎng)（如 5GC）、邊緣計算 MEC（含 UPF 或分流模塊）、基站、工業(yè)CPE等。
工業(yè)企業(yè)網(wǎng)絡一般由工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和工業(yè)外網(wǎng)組成，需要探索5G、IPv6、TSN、工業(yè)PON、工業(yè)SDN、NB-IoT、邊緣計算、無線專網(wǎng)等新技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中應用的成熟模式，推動工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的 IT 化、扁平化、柔性化，打通信息孤島，促進企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。傳統(tǒng)的工業(yè)內(nèi)網(wǎng)一般由工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線、工業(yè) Wi-Fi、Zig?Bee、普通以太網(wǎng)等組成，傳統(tǒng)的工業(yè)外網(wǎng)一般由專線、互聯(lián)網(wǎng)等組成。而隨著 5G、SDN、物聯(lián)網(wǎng)、邊緣計算、AI 等新技術(shù)在工業(yè)領域應用越來越多，工業(yè)企業(yè)應用的組網(wǎng)技術(shù)、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了重大變化。
在工業(yè)企業(yè)內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)方面，通過 5G宏站和室內(nèi)分布基站對工業(yè)園區(qū)和工廠車間內(nèi)部進行無線信號覆蓋，逐步替代 Wi-Fi、工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線滿足工業(yè)終端的接入。傳統(tǒng)的工業(yè)終端不具備 5G通信能力，終端改造成本也比較高，可以通過工業(yè) CPE 和工業(yè)融合網(wǎng)關(guān)接入 5G網(wǎng)絡。對于工廠內(nèi)有移動性訴求的終端，如 AGV、天車、叉車等設備可以優(yōu)先考慮采用 5G 進行接入，其他基本固定不動的設備可以后期進行 5G接入改造。
在工業(yè)企業(yè)外網(wǎng)組網(wǎng)方面，傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)無法滿足工業(yè)業(yè)務數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和安全性，而傳統(tǒng)的專線受制于網(wǎng)絡技術(shù)因素，開通周期較長、價格昂貴、帶寬相對固定，無法滿足工業(yè)智能化過程中業(yè)務靈活部署和調(diào)度、多云之間協(xié)同、多廠區(qū)間互聯(lián)互通、各地辦事機構(gòu)隨時便捷接入等需求。
SDN和軟件定義廣域網(wǎng)（SD-WAN）技術(shù)實現(xiàn)了承載網(wǎng)絡的集中控制和統(tǒng)一調(diào)度，可以為工業(yè)企業(yè)快速開通帶寬靈活、個性化、低成本的外部業(yè)務承載網(wǎng)絡。在工業(yè)領域的云邊協(xié)同方面，為了對現(xiàn)場多源、異構(gòu)數(shù)據(jù)歸一化處理，同時兼顧計算和網(wǎng)絡資源以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行缘龋枰纬稍贫撕瓦吘売嬎阗Y源的合理和優(yōu)化配置。
工業(yè)企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)的組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。
2.2 平臺架構(gòu)
MEC工業(yè)邊緣云平臺可以采用軟硬件解耦的 3層云計算架構(gòu)，底層為IaaS 層，由服務器、交換機、防火墻、FPGA 卡、GPU 卡等硬件資源和虛擬化層組成；中間是工業(yè) PaaS 層，由數(shù)據(jù)清洗、工業(yè)協(xié)議解析庫、時序數(shù)據(jù)庫等工業(yè)原子能力組成；上層是工業(yè) SaaS 層，由機器視覺、AR 遠程協(xié)助、預測性維護、WMS 智慧倉儲系統(tǒng)等各種工業(yè)應用組成。
隨著 5G技術(shù)的進一步推動，多元化的應用將促進邊緣計算的快速迭代升級，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心會越來越向邊緣側(cè)延伸，邊緣側(cè)承擔的計算任務也將持續(xù)增加，同時與通用服務器相比，邊緣計算服務器可面向 5G和邊緣計算特定場景進行個性化、差異化定制，能耗更低、溫度適應性更寬、運營維護管理更方便。
工業(yè)邊緣計算平臺可以在通用的邊緣計算平臺基礎上進行功能增強，以更加適應工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境和工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)管理的需要。對于硬件設備，可以采用一體化機柜，使之具備更好的散熱、防塵、抗震、防電磁等功能，而服務器和交換機等設備可以采用寬溫、電源冗余配置等手段增強設備的工業(yè)環(huán)境適應能力。對于軟件系統(tǒng)，除需要具備通用的平臺能力外，還需要根據(jù)工業(yè)行業(yè)的特點進行針對性的能力部署和應用開發(fā)，如工業(yè)協(xié)議解析能力、預測性維護系統(tǒng)等。
從3GPP 和 ETSI 對邊緣計算的架構(gòu)設計看，邊緣計算平臺是一個 IT 和 CT 融合的平臺，應當具備編解碼、渲染、AI推理、機器視覺、圖像識別等 IT 能力，同時也應具備分流能力、分流策略制定下發(fā)能力、RNIS（可以提供小區(qū) ID、用戶位置、小區(qū)負載和吞吐量等信息）、QoS、LBS 等 CT 能力。MEC 的計算能力和存儲能力可為以下 5個方面提供服務：業(yè)務的匯聚及分發(fā)、設備消息的分析、基于上述分析結(jié)果的決策邏輯、數(shù)據(jù)庫登錄、對于終端設備的遠程控制和接入控制。因此基于 MEC 平臺還可以為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設備的接入、全連接工廠的打造提供基礎能力。
平臺應采用開放式架構(gòu)，通過標準的 API 網(wǎng)關(guān)對外開放平臺的各種能力。平臺的 IT 增值服務和 CT 增值服務可以通過平臺的 API 網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)注冊、上線、鑒權(quán)、發(fā)布、流控、下線和計量等生命周期管理。平臺能力的對外開放將大大降低工業(yè)應用的開發(fā)難度、開發(fā)成本、應用的上線周期，增強了應用間的協(xié)同性，推動了工業(yè)應用開發(fā)生態(tài)的建立。
在該系統(tǒng)架構(gòu)中，機器人、PLC、天車等工業(yè)終端通過 5G 模組或 CPE 等接入至 5G 基站，邊緣計算平臺的分流模塊（DP 分流或 UPF 分流）在提前配置好的分流規(guī)則控制下把工業(yè)企業(yè)相關(guān)的業(yè)務數(shù)據(jù)本地分流至平臺對應的模塊（如數(shù)據(jù)清洗模塊）或系統(tǒng)（如遠程控制系統(tǒng)），平臺模塊或系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行處理后上傳至數(shù)據(jù)中心或生成對終端的控制指令下發(fā)至終端，從而實現(xiàn)云邊協(xié)同（中心云和邊緣云）和對業(yè)務的近端實時處理。
在 5G SA 組網(wǎng)架構(gòu)下，MEC支持的分流方式主要包括 ULCL、LADN、IPv6 Multi - homing，其中 IPv6 Multi-homing 方式需要終端支持，目前還不具備商用條件，在工業(yè)組網(wǎng)中主要采用 ULCL和 LADN的分流方式。
2.3 典型應用場景
5G+MEC 和工業(yè)融合催生了諸多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的典型應用場景，如預測性維護、AR 遠程協(xié)助、遠程駕駛、遠程控制、機器視覺質(zhì)檢等。上述典型應用場景對大帶寬、低時延、高可靠性和數(shù)據(jù)的安全隱私性有較高的要求。下面選取幾個工業(yè)領域常用的且對5G+MEC有較高依賴性的典型場景進行描述。
機器視覺：通過 4K、8K 等高清攝像頭、工業(yè)相機采集生產(chǎn)線上產(chǎn)品的圖像信息，通過 5G的高上行帶寬進行圖像信息的傳送，結(jié)合 MEC 平臺保障業(yè)務路徑最短。MEC 平臺部署的機器視覺 AI 算法對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種場景下的目標和對象，實時檢測生產(chǎn)線上產(chǎn)品的質(zhì)量，包括外觀缺陷檢測、尺寸檢測、圖案檢測等，以達到對產(chǎn)品質(zhì)量檢測的高精度、實時性、高效率的目的，可以最大程度替代人工質(zhì)檢，降低企業(yè)成本，提升質(zhì)檢的效率和效果。
AR 遠程協(xié)助：基于 AR 技術(shù)可以進行 AR 遠程協(xié)助、遠程維修、遠程指導等，以支持員工學習、培訓、交流，提供操作示范、導引，提醒生產(chǎn)過程注意事項及操作細節(jié)；將工人看到的場景直接傳遞給工藝人員，工藝人員通過視頻、語音、標記等交互手段對工人進行直觀指導。MEC 平臺通過提供轉(zhuǎn)碼、渲染、三維重建、物體識別、AR 內(nèi)容管理等能力為 AR 遠程協(xié)助提供業(yè)務的近端實時處理和低時延保障。
遠程駕駛：越來越多的工業(yè)場景會用到遠程駕駛，如鋼鐵廠的天車遠程駕駛、地下礦井的采掘車遠程駕駛等。通常企業(yè)在中央控制室設置遠程駕駛裝備（監(jiān)控屏和控制設備），通過遠程駕駛裝備遠程操控前端設備。該場景需要精準控制生產(chǎn)作業(yè)設備，對業(yè)務時延有較高要求（通常小于 20 ms），通過 5G 接入和 MEC 的本地分流可以實現(xiàn)遠程駕駛的業(yè)務保障。
3 5G+MEC在XX工廠的應用
XX工廠為我國著名的汽車生產(chǎn)廠商，總裝生產(chǎn)車間電機數(shù)量眾多，電機作為生產(chǎn)線的動力心臟，如果出現(xiàn)故障將直接影響到生產(chǎn)線正常的生產(chǎn)運行，為企業(yè)帶來不可估量的損失。目前對電機采用人工點檢或維修點檢的方式，無法實時了解設備的運行情況以及掌握設備運行的歷史數(shù)據(jù)。因此，需要通過在電機上安裝傳感器來實時采集電機的運行數(shù)據(jù)，并通過 5G網(wǎng)絡進行回傳。
基于 5G+MEC 為該工廠構(gòu)建一張 5G虛擬專網(wǎng)，并在 MEC 平臺上部署一套預測性維護系統(tǒng)，以實現(xiàn)如下功能。
a）通過邊緣計算平臺對傳感器數(shù)據(jù)進行預處理，處理后的數(shù)據(jù)上傳至企業(yè)中心云，以防止無效數(shù)據(jù)過大。
b）工廠的生產(chǎn)數(shù)據(jù)涉及企業(yè)的商業(yè)機密，數(shù)據(jù)流量通過 MEC 進行本地卸載，保障企業(yè)數(shù)據(jù)的安全私密性。
c）部分數(shù)據(jù)需要進行實時采集、判斷，通過MEC的近端處理可以降低數(shù)據(jù)采集和判斷的時延。
“5G+MEC+預測性維護系統(tǒng)”的部署模式實現(xiàn)了IT（預測性維護系統(tǒng)）、CT（5G 和 MEC）和 OT（電機數(shù)據(jù)采集）的充分融合。前端傳感器采集電機運行數(shù)據(jù)，通過 CPE 接入至 5G 基站，再送至 MEC 平臺的預測性維護系統(tǒng)，實現(xiàn)對車間生產(chǎn)設備運行狀態(tài)的實時監(jiān)控和可視化，基于采集的歷史數(shù)據(jù)對 AI 算法進行訓練，根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)對設備故障進行預測、智能排定檢修計劃、對故障進行精準定位、制定備品備件計劃等，避免重大故障帶來的安全風險。
4 相關(guān)指標驗證
對云 VR、AR 遠程維修、AGV 等業(yè)務在固網(wǎng)到公有云、5G到公有云、4G到公有云、5G+MEC等不同的組網(wǎng)環(huán)境下進行對比測試，取多組數(shù)據(jù)的平均值。
云 VR 測試結(jié)果如表 1所示。AR 遠程維修測試結(jié)果如表2所示。AGV測試結(jié)果如表3所示。
從上述業(yè)務的測試結(jié)果可知，5G+MEC 在業(yè)務帶寬、時延等方面和其他網(wǎng)絡組合方式相比具有無可比擬的優(yōu)勢，因此在工業(yè)企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)化進程中，5G+MEC 將為企業(yè)提供巨大的助力，協(xié)助工業(yè)企業(yè)各種智能化場景的業(yè)務體驗保障。
5 結(jié)束語
目前，在工業(yè)領域一些特定的場景無法做到質(zhì)量的保證，這就需要在 IP 網(wǎng)絡的基礎上應用一些“確定性”的技術(shù)，在時延、抖動、帶寬等方面滿足特定場景的需要。因此未來 5G+MEC 需要結(jié)合 TSN、DetNet 等技術(shù)為工業(yè)生產(chǎn)提供更高質(zhì)量、確定性更強的網(wǎng)絡。
可以預見，在未來“5G+MEC+行業(yè)智能化應用”的新技術(shù)、新網(wǎng)絡模式將在千行百業(yè)落地生根，融入到行業(yè)和企業(yè)的發(fā)展過程中，為企業(yè)帶來真正價值的提升。而隨著 5G+邊緣計算與 5G LAN、5G+TSN 等新技術(shù)在工業(yè)領域的融合應用，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)化、智能化也必將繼續(xù)朝著縱深方向發(fā)展，推動中國實體經(jīng)濟的高質(zhì)量、高水平發(fā)展。
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本文首發(fā)于《郵電設計技術(shù)》，作者肖羽和王帥！
作者介紹
肖羽，中國聯(lián)通集團 MEC 行業(yè)技術(shù)專家，高級工程師，碩士，主要從事5G、MEC、面向行業(yè)的 5G 網(wǎng)絡能力開放研究工作；
王帥，高級工程師，學士，主要從事核心網(wǎng)、邊緣計算、垂直行業(yè)的研究咨詢工作。
《郵電設計技術(shù)》介紹
《郵電設計技術(shù)》于1958年創(chuàng)刊，現(xiàn)由中國聯(lián)通集團主管，中訊郵電咨詢設計院有限公司主辦，中國聯(lián)合網(wǎng)絡通信有限公司網(wǎng)絡技術(shù)研究院協(xié)辦。國家級重點期刊、國家新聞出版廣電總局確定的中國期刊方陣“雙效”期刊，工信部評定的精品科技期刊。被萬方數(shù)據(jù)、中國期刊全文、中文科技期刊等多家數(shù)據(jù)庫收錄。
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