5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在煙草行業(yè)的應(yīng)用實(shí)踐

【摘要】" " 5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性，為煙草行業(yè)提供穩(wěn)定、安全、可靠的基礎(chǔ)底座，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接智能化，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)智慧化，催生各種應(yīng)用場(chǎng)景。本文根據(jù)煙草行業(yè)智能制造的實(shí)際需求，介紹了5G定制網(wǎng)的具體建設(shè)方案，同時(shí)通過(guò)一種應(yīng)用實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，總結(jié)了7類基于5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智慧生產(chǎn)、智慧安防、智慧物流和智慧運(yùn)維應(yīng)用。

【關(guān)鍵字】" " 5G" " 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)" " 定制網(wǎng)

一、5G賦能煙草行業(yè)智能制造

近年來(lái)，以智能制造為核心的工業(yè)革命正在引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)變革，政府工作報(bào)告中正式提出“中國(guó)制造2025”的國(guó)家戰(zhàn)略，要求推動(dòng)包括云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)與現(xiàn)代制造業(yè)相結(jié)合。2020年，國(guó)家煙草專賣局在《關(guān)于全面推進(jìn)創(chuàng)新型行業(yè)建設(shè)的意見(jiàn)》中指出，要聚焦結(jié)構(gòu)提升、降本增效、智能制造，推動(dòng)新一代信息技術(shù)與煙草產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展，培育發(fā)展新動(dòng)力。當(dāng)前，5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正式被國(guó)家列入“新基建”主要內(nèi)容之一，成為推動(dòng)煙草工業(yè)向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化方向深入演進(jìn)的重要抓手。5G大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性，為煙草行業(yè)提供穩(wěn)定、安全、可靠的基礎(chǔ)底座，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接智能化，生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)智慧化，催生各種應(yīng)用場(chǎng)景，比如5G+AI智慧生產(chǎn)、5G+IOT智慧安防、5G+AGV智慧物流，5G+AR智慧運(yùn)維等等，賦能全流程生產(chǎn)管控，實(shí)現(xiàn)煙草企業(yè)從精益生產(chǎn)邁向智能制造，驅(qū)動(dòng)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

某煙草公司是國(guó)內(nèi)重要的國(guó)有企業(yè)之一，為實(shí)現(xiàn)制絲、卷制、包裝、物流各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的智能感知、智慧生產(chǎn)和安全防護(hù)，滿足生產(chǎn)過(guò)程可視化、智能控制無(wú)線化、安全管理智能化的需求，結(jié)合煙草行業(yè)智能制造的發(fā)展趨勢(shì)，依托運(yùn)營(yíng)商，設(shè)計(jì)了基于5G定制網(wǎng)+應(yīng)用賦能的整體方案，促進(jìn)5G、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)與煙草行業(yè)深度融合和創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)煙草企業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。

二、煙草行業(yè)5G定制網(wǎng)建設(shè)方案

2.1 煙草行業(yè)對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)的需求

煙草制造具有生產(chǎn)工藝復(fù)雜、設(shè)備類型多、機(jī)械化程度高的特點(diǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中光纖網(wǎng)絡(luò)布線復(fù)雜、維護(hù)困難、移動(dòng)性能差，而采用傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，如WiFi或ZigBee，存在網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，抗干擾性差，設(shè)備連接數(shù)量受限的問(wèn)題。通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)，可完美解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸信息延時(shí)大、丟包多、成本高的缺陷，讓企業(yè)生產(chǎn)的流量堵料控制、AI質(zhì)檢、穿梭車安防、AGV物流實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)視頻傳輸，助力企業(yè)打造數(shù)字化、智能化、高速化的生產(chǎn)運(yùn)維管理平臺(tái)，全面支撐企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)應(yīng)用和高質(zhì)量服務(wù)。

2.2 煙草行業(yè)5G專網(wǎng)方案

2.2.1整體方案

煙草5G定制專網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，整體采用UPF下沉到用戶園區(qū)近端，提供獨(dú)享型數(shù)據(jù)通道，保障數(shù)據(jù)安全。通過(guò)UPF分流功能，實(shí)現(xiàn)AI質(zhì)檢、AGV物流、區(qū)域安防等本地流量分流至MEC，在MEC上部署邊緣計(jì)算，進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)建模和分析，實(shí)現(xiàn)算力下沉，縮短處理時(shí)延。園區(qū)產(chǎn)線的數(shù)采設(shè)備，傳感器，工業(yè)攝像頭等設(shè)備通過(guò)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)或CPE接入5G基站，通過(guò)5G雙發(fā)選收提高可靠性并降低切換時(shí)延，同時(shí)通過(guò)超級(jí)上行和QoS調(diào)度等技術(shù)提升上行容量和覆蓋深度。在控制面上，由大網(wǎng)5GC負(fù)責(zé)管理和監(jiān)控服務(wù)，提供 4/5G互訪、私網(wǎng)/公網(wǎng)協(xié)同和語(yǔ)音呼叫能力，構(gòu)建企業(yè)專網(wǎng)。在客戶機(jī)房部署防火墻實(shí)現(xiàn)平臺(tái)與內(nèi)網(wǎng)的隔離，通過(guò)ACL區(qū)別可信資源和非可信資源，加載IPS、DDOS和防病毒軟件，提升網(wǎng)絡(luò)與信息安全。

2.2.2無(wú)線網(wǎng)方案

客戶所在區(qū)域?yàn)閱螆@區(qū)，由于廠區(qū)內(nèi)基站站址條件受限，現(xiàn)有基站高度不足，廠區(qū)內(nèi)建筑較為密集，無(wú)線信號(hào)遮擋嚴(yán)重。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，部分室外路段信號(hào)較弱，RSRP在-95～-105dBm之間，另二區(qū)制絲、卷包車間墻體較厚，測(cè)試RSRP在-100dBm以內(nèi)，需要進(jìn)行區(qū)域補(bǔ)點(diǎn)。根據(jù)用戶5G智慧園區(qū)的整體要求，考慮實(shí)際場(chǎng)景應(yīng)用，本次方案規(guī)劃建設(shè)4個(gè)5G宏站，實(shí)現(xiàn)周界范圍內(nèi)園區(qū)5G全覆蓋，同時(shí)在二區(qū)制絲車間、卷包車間、輔料庫(kù)、生產(chǎn)庫(kù)產(chǎn)品入庫(kù)2F建設(shè)建設(shè)5G室分一套，實(shí)現(xiàn)工業(yè)智能化控制，滿足5G+AGV，5G+AI視覺(jué)（流量斷料判斷、雜質(zhì)檢測(cè)、區(qū)域安防等），5G+AR運(yùn)維等各種場(chǎng)景化應(yīng)用的高帶寬、低時(shí)延要求。

2.2.3承載網(wǎng)方案

客戶工業(yè)BBU收斂至電信局方某機(jī)房，直線距離600米，該機(jī)房目前已部署有1臺(tái)STN-A設(shè)備，該設(shè)備采取50GE組環(huán)方式接入STN-B設(shè)備。目前該A設(shè)備仍有存量空閑10G端口，本期無(wú)需新增BBU可直接利舊現(xiàn)有資源接入。由于項(xiàng)目新增4個(gè)拉遠(yuǎn)站及一套室分，均為新增物理站點(diǎn)，沒(méi)有存量光纜，均需新建光纜至廠區(qū)光纜交接箱，再通過(guò)光交連至局方機(jī)房。規(guī)劃新建12芯光纜0.5公里、24芯光纜2.81公里，共新增光纜3.31皮長(zhǎng)公里，合計(jì)73.44芯公里。

2.2.4核心網(wǎng)方案

根據(jù)應(yīng)用需求，項(xiàng)目采用SA組網(wǎng)模式打造5G定制網(wǎng)，新建一套獨(dú)享型UPF部署在用戶側(cè)近端的局方機(jī)房，通過(guò)就近的STN-B設(shè)備進(jìn)行直連，與運(yùn)營(yíng)商大網(wǎng)進(jìn)行互通，企業(yè)用戶服務(wù)器與UPF通過(guò)專線直連，通過(guò)安全防火墻進(jìn)行內(nèi)網(wǎng)與平臺(tái)進(jìn)行隔離。用戶5G終端接入園區(qū)5G基站，5G基站優(yōu)先接入A設(shè)備，通過(guò)IP RAN網(wǎng)絡(luò)到達(dá)5G核心網(wǎng)，5G核心網(wǎng)根據(jù)終端注冊(cè)攜帶的信息，為用戶選定UPF。如果UPF識(shí)別到用戶流量是去往用戶內(nèi)網(wǎng)的，就轉(zhuǎn)發(fā)回到用戶內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)MEC上部署的應(yīng)用進(jìn)行處理；如果UPF識(shí)別到用戶流量是去往公網(wǎng)的，就將流量經(jīng)由N9接口轉(zhuǎn)發(fā)至大網(wǎng)UPF進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。核心網(wǎng)組網(wǎng)方案示意圖如圖2所示。

2.2.5安全方案

本次項(xiàng)目采用獨(dú)享型UPF進(jìn)行數(shù)據(jù)承載，新增2臺(tái)防火墻。2臺(tái)防火墻互為熱備份，防火墻與UPF物理上位于同一機(jī)房，部署在UPF與用戶內(nèi)網(wǎng)之間。防護(hù)策略主要包括域間隔離策略、ACL、狀態(tài)保護(hù)、ASPF等，UPF與SMF、省級(jí)UPF采用白名單的方式進(jìn)行訪問(wèn)控制，僅允許指定 IP 和 MAC 地址的共享 UPF 與 SMF 和省級(jí) UPF 互訪。同時(shí)UPF上設(shè)置發(fā)給 SMF 以及從 SMF 接收的信令數(shù)據(jù)的大小，防止信令流的過(guò)載，并在UPF設(shè)備上配置用戶帶寬上限，避免通道被單一用戶、MEC 應(yīng)用流量擠占。

三、基于5G的煙草智能制造應(yīng)用實(shí)例

本文針對(duì)煙草企業(yè)實(shí)際落地的應(yīng)用場(chǎng)景，基于5G網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低延時(shí)、廣連接的特性，打造規(guī)范、可復(fù)用的5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新應(yīng)用平臺(tái)。平臺(tái)采用基礎(chǔ)能力、綜合分析和業(yè)務(wù)應(yīng)用三層架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)OICT融通，通過(guò)統(tǒng)一平臺(tái)，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，一體管控，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用創(chuàng)新。在建設(shè)上引入智能視頻云，采用分級(jí)部署方案，視覺(jué)應(yīng)用算法在云端學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)完成后向邊緣算力分發(fā)，為煙草工業(yè)提供“云、網(wǎng)、邊、端”一體化服務(wù)。通過(guò)前端全量數(shù)采和深度學(xué)習(xí)算法，完成煙絲堵料識(shí)別、雜質(zhì)檢測(cè)，行為識(shí)別、AGV自由路徑導(dǎo)航等算法，幫助煙草企業(yè)完成生產(chǎn)輔助和安全管理，賦能煙草工業(yè)智能制造。

3.1煙絲、煙葉流量控制應(yīng)用

在煙草行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，煙絲、煙葉加工工藝是非常重要的流程，對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量和效率有著非常重要的意義。目前生產(chǎn)線上貯柜的出料速度，采用人工設(shè)定頻率的方式進(jìn)行控制，出料穩(wěn)定性差，效率低，如果設(shè)置不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)堵料、斷料的情況，導(dǎo)致設(shè)備必須頻繁進(jìn)行人工啟停。通過(guò)5G+視覺(jué)算法，實(shí)時(shí)判別傳送帶上的煙絲煙葉流量，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)檢測(cè)，及時(shí)進(jìn)行流量數(shù)據(jù)分析，同時(shí)將判別結(jié)果推送給上位機(jī)工控PLC，動(dòng)態(tài)控制流量速度，實(shí)現(xiàn)煙絲、煙葉流量自動(dòng)化調(diào)節(jié)，促進(jìn)流量穩(wěn)定，避免出現(xiàn)物料銜接的問(wèn)題。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)上線前皮帶啟停次數(shù)約17次，加入流量控制后，皮帶啟停次數(shù)減少到3次以內(nèi)，流量表現(xiàn)更平穩(wěn)；

3.2儲(chǔ)葉柜、混絲柜堵料監(jiān)控

生產(chǎn)線上儲(chǔ)葉柜、混絲柜可能出現(xiàn)堵料和斷料的情況，一旦架空未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，將影響到生產(chǎn)的銜接。由于堵料需要大量時(shí)間進(jìn)行人工疏通，可能導(dǎo)致產(chǎn)線停產(chǎn)，最長(zhǎng)可達(dá)兩小時(shí)以上，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。通過(guò)5G實(shí)時(shí)傳輸工業(yè)相機(jī)采集數(shù)據(jù)，在云端統(tǒng)一進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，分析喂料機(jī)進(jìn)料和出料情況，構(gòu)建堵料斷料檢出率基線，用增強(qiáng)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行修正。同時(shí)通過(guò)MEC邊緣計(jì)算統(tǒng)一部署視覺(jué)應(yīng)用，省去獨(dú)立工位安裝多個(gè)視覺(jué)控制器，實(shí)現(xiàn)多工位數(shù)據(jù)共享，提升檢測(cè)準(zhǔn)確率。在預(yù)判可能發(fā)生堵料的情況，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并降低進(jìn)料速度，引導(dǎo)問(wèn)題得到快速處理，保障生產(chǎn)的銜接。

3.3雜質(zhì)剔除機(jī)雜質(zhì)檢測(cè)

煙絲的在生產(chǎn)過(guò)程中可能包含紙片、木屑等雜質(zhì)，雜質(zhì)的外形、顏色、大小跟煙絲接近，采用當(dāng)前人工檢測(cè)的方法檢測(cè)難度大，檢測(cè)人員的技能、經(jīng)驗(yàn)直接影響檢測(cè)速度和穩(wěn)定性。另雜質(zhì)剔除機(jī)頻繁抖動(dòng)，檢測(cè)人員長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度工作，極容易出現(xiàn)視覺(jué)疲勞，精力分散的等問(wèn)題，檢測(cè)效率低下。通過(guò)視覺(jué)算法判斷煙絲的物理和化學(xué)特性，建立圖像特征矩陣，通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)解決工業(yè)圖片大帶寬需求和質(zhì)檢光纖布線繁瑣的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)質(zhì)檢數(shù)據(jù)穩(wěn)定回傳，在發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)的情況下，及時(shí)通過(guò)上位機(jī)停止皮帶運(yùn)行，可以輕松進(jìn)行剔除操作。

3.4 5G安全監(jiān)控

廠區(qū)車間中香精、香料酒精房、配電房、鍋爐房等高溫高危區(qū)域安全性要求較高，現(xiàn)場(chǎng)工作環(huán)境需要實(shí)時(shí)高清攝像頭監(jiān)控，對(duì)廠內(nèi)火情、周界嫌疑人員也要及時(shí)識(shí)別，確保事件處理及時(shí)性，保障生產(chǎn)安全。高清監(jiān)控5G大上行業(yè)務(wù)對(duì)上行帶寬有極高要求，800W像素高清攝像頭視頻帶寬可達(dá)高達(dá)到40Mbps。5G專網(wǎng)滿足廠區(qū)內(nèi)部及周界上行大帶寬需求，保障視頻傳輸實(shí)時(shí)高效。同時(shí)24小時(shí)連續(xù)監(jiān)控和預(yù)警機(jī)制，比人工進(jìn)行屏幕巡邏更加高效持久，節(jié)約人力成本。在生產(chǎn)上，通過(guò)視覺(jué)算法判別切絲后檢雜崗是否有員工在崗和卸料板是否打開(kāi)，結(jié)合智能人臉識(shí)別技術(shù)，對(duì)員工在崗情況以及對(duì)應(yīng)崗位的檢驗(yàn)操作進(jìn)行識(shí)別，結(jié)合行為識(shí)別確認(rèn)卷煙生產(chǎn)檢驗(yàn)過(guò)程中是否有出現(xiàn)漏檢誤檢等相關(guān)行為。

3.5區(qū)域防護(hù)

廠區(qū)堆垛機(jī)、穿梭車及濾棒庫(kù)容易受到人員入侵、箱體脫落干擾，形成軌道障礙物，造成人員和生產(chǎn)上的安全隱患。目前廠區(qū)普遍安全防護(hù)采用的是3對(duì)長(zhǎng)距離對(duì)射的光電管，存在非常大的盲區(qū)。通過(guò)建設(shè)5G區(qū)域防護(hù)AI應(yīng)用對(duì)包括濾棒高架庫(kù)中的運(yùn)行軌道異物識(shí)別、堆垛機(jī)軌道的區(qū)域異物識(shí)別，有效避免因?yàn)檐壍乐械碾s物滯留導(dǎo)致車輛運(yùn)行異常，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行人員闖入智能識(shí)別，保障人員工作過(guò)程中的生產(chǎn)安全。監(jiān)控穿梭車的軌道是否有跌落的貨物和闖入的人員，識(shí)別軌道區(qū)域內(nèi)的障礙物，在有障礙物的情況下，發(fā)出實(shí)時(shí)告警，起到安全防護(hù)的目的。

3.6 5G +AGV 智慧物流

目前廠區(qū)內(nèi)AGV車輛存在線路固定，無(wú)法智能避障，運(yùn)行中通過(guò)WiFi進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，存在信號(hào)不穩(wěn)定，切換丟包的問(wèn)題。通過(guò)5G+自由路徑導(dǎo)航，在MEC部署障礙物識(shí)別，多車協(xié)同，智能決策功能，實(shí)時(shí)通過(guò)AGV調(diào)度系統(tǒng)精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)更高柔性、更高精度、更強(qiáng)適應(yīng)性的AGV導(dǎo)航，增強(qiáng)了AGV 小車的避障能力。同時(shí)通工業(yè)攝像頭對(duì)車間內(nèi)貨物及條形碼或者二維碼識(shí)別應(yīng)用賦能，可以幫助物流車間AGV小車進(jìn)行貨物校驗(yàn)提升整體物流效率，提供高負(fù)載、遠(yuǎn)距離、高頻次的物料搬運(yùn)，提高揀選效率、點(diǎn)料效率及揀選準(zhǔn)確率，實(shí)現(xiàn)智慧物流。

3.7 5G+AR智能可視化移動(dòng)巡檢

卷煙生產(chǎn)設(shè)備大都為大型國(guó)外進(jìn)口專用設(shè)備，設(shè)備維護(hù)人員的專業(yè)技能和經(jīng)驗(yàn)決定設(shè)備維護(hù)工作的開(kāi)展效果，目前設(shè)備損壞時(shí)存在檢修困難問(wèn)題，專家遠(yuǎn)程指導(dǎo)無(wú)法準(zhǔn)確掌握現(xiàn)場(chǎng)情況，同時(shí)人工難以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，存在作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)建設(shè)設(shè)備點(diǎn)巡檢AI應(yīng)用，移動(dòng)AR設(shè)備直接使用5G專網(wǎng)接入，自動(dòng)識(shí)別設(shè)備異常、人員行為異常、流程錯(cuò)誤、質(zhì)量不穩(wěn)定問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)卷包車間員工清洗機(jī)臺(tái)操作培訓(xùn)、車間站臺(tái)設(shè)備運(yùn)行情況巡檢、遠(yuǎn)程專家系統(tǒng)接入等應(yīng)用功能，有效的提高了卷包車間的工作人員的工作效率和準(zhǔn)確性，在能源管控、作業(yè)流程優(yōu)化、降低故障率、員工能力提升等方面降低公司成本，增加產(chǎn)能。

三、結(jié)束語(yǔ)

智能制造轉(zhuǎn)型是煙草行業(yè)的迫切需求，以5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)賦能煙草企業(yè)，實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)泛在連接，通過(guò)邊緣計(jì)算推動(dòng)大數(shù)據(jù)、人工智能、VR/AR等技術(shù)與企業(yè)生產(chǎn)流程深度融合，在生產(chǎn)輔助、AI質(zhì)檢、智能控制、智能物流和安全管理方面持續(xù)創(chuàng)新，給煙草企業(yè)深化改革注入新的動(dòng)力。未來(lái)，隨著煙草企業(yè)數(shù)字化、信息化、智能化的進(jìn)一步探索和實(shí)踐，必將衍生出更多的行業(yè)應(yīng)用，形成上下游全產(chǎn)鏈的合作生態(tài)，豐富場(chǎng)景化應(yīng)用，真正發(fā)揮5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的巨大價(jià)值。

參" 考" 文" 獻(xiàn)

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