鋼鐵企業(yè)5G應(yīng)用場景與5G性能指標相關(guān)性的探討

宋海洋 陳成 董帆 郭亮 陳偉剛 許建強

(首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責任公司信息計量部,河北唐山 063200)

0 概述

5G作為新一代信息通信技術(shù)發(fā)展的主要方向,代表了信息通信技術(shù)的發(fā)展方向和戰(zhàn)略制高點,是構(gòu)筑經(jīng)濟數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要基礎(chǔ)設(shè)施。為鋼鐵企業(yè)在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中,通過智能化、無人化項目建設(shè),探索智能化鋼鐵廠創(chuàng)新發(fā)展新路徑,提供了新的發(fā)展機遇。但鋼鐵企業(yè)各類應(yīng)用場景對5G帶寬、時延、可靠性等性能指標沒有權(quán)威的規(guī)范,一直是困擾5G推廣應(yīng)用的一個重要因素。

1 鋼鐵企業(yè)典型5G應(yīng)用場景

鋼鐵企業(yè)各類應(yīng)用場景很難窮盡,本文結(jié)合首鋼京唐公司在數(shù)字化轉(zhuǎn)型中,建設(shè)智能化鋼鐵廠的業(yè)務(wù)需求,總結(jié)了10種典型的應(yīng)用場景,分別是:無人天車、智能物流、智能料場、無人駕駛、高清視頻監(jiān)控、鋼材表面質(zhì)檢、智能安防、智能工廠、遠程運維、交通監(jiān)控。通過研究探討典型的應(yīng)用場景與5G帶寬、時延、可靠性等性能指標的相關(guān)性,明確各應(yīng)用場景重點關(guān)注的5G性能指標,以指導鋼鐵企業(yè)5G技術(shù)的推廣應(yīng)用[1]。

(1)無人天車:鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)制造、產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)涉及各類庫區(qū)的天車作業(yè),尤其煉鋼以后的工序,涉及煉鋼坂坯庫,熱軋坂坯庫、成品庫;冷軋原料庫、中間庫、成品庫,集港集站區(qū)域物流暫存庫等,庫區(qū)天車作業(yè)無人化是鋼鐵行業(yè)的發(fā)展趨勢。無人天車系統(tǒng)由檢測感知系統(tǒng)(鞍位形狀掃描儀、夾具對位傳感器、夾具加緊傳感器等)、定位系統(tǒng)(X軸定位:激光定位、格雷母線定位,Y軸定位:編碼器等)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)(攝像頭)、調(diào)度決策系統(tǒng)(發(fā)布指令、指揮天車運行)、執(zhí)行機構(gòu)(PLC控制系統(tǒng))、網(wǎng)絡(luò)(有線無線)構(gòu)成。應(yīng)用5G網(wǎng)絡(luò)打通地面控制系統(tǒng)與移動天車的通信通道,建立天車運行作業(yè)模型控制策略,實現(xiàn)天車運行作業(yè)中的推理分析、調(diào)度決策優(yōu)化、任務(wù)協(xié)同等實現(xiàn)庫區(qū)天車無人作業(yè)。

(2)智能物流:鋼鐵企業(yè)物流涉及采購、生產(chǎn)、銷售等整個供應(yīng)鏈環(huán)節(jié),業(yè)務(wù)涉及原燃料采購銷售、退貨,能源介質(zhì)采購銷售,資材備件采購銷售,備件修復(fù),危廢舊品銷售,產(chǎn)成品銷售自提、直發(fā)、集港、集站,廠內(nèi)上下游工序物料倒運等?；?G網(wǎng)絡(luò),建設(shè)協(xié)同高效的物流智能管控平臺,與產(chǎn)銷管控系統(tǒng)、MES系統(tǒng)、門禁管理系統(tǒng)、交通監(jiān)控系統(tǒng)等緊密集成,基于GIS地圖和定位技術(shù)實現(xiàn)車輛信息在線管控,對車輛行駛狀態(tài)、司機狀態(tài)、位置狀態(tài)、車況狀態(tài)、行車路線等實時監(jiān)控,路線偏離、中途?？康犬惓Ｇ闆r及時報警;基于生產(chǎn)庫存動態(tài),結(jié)合生產(chǎn)計劃,實現(xiàn)轉(zhuǎn)儲計劃智能編排,全廠運力資源的智能調(diào)度、轉(zhuǎn)儲路線動態(tài)規(guī)劃,上下游庫存動態(tài)平衡,基于待運材料規(guī)格、位置,車輛標載等。實現(xiàn)原燃料進廠、生產(chǎn)制造、倉儲運輸、銷售發(fā)貨等物流信息的可視化、倉儲作業(yè)的無人化、物流調(diào)度的一體化、監(jiān)控管理的集中化。加快庫存周轉(zhuǎn)、提高倉庫利用率、縮短產(chǎn)品制造周期。

(3)智能料場:建設(shè)基于5G的堆取料機無人駕駛作業(yè)智能控制系統(tǒng),實現(xiàn)堆取料機作業(yè)的無人化及供料計劃、儲存、盤庫,數(shù)字一體化管理,確保源、終點品種匹配,避免混料,提高精細化管理水平。

(4)無人駕駛:鋼鐵企業(yè)下游工序物料汽車倒運無人駕駛是智能制造的發(fā)展趨勢,一般重卡AGV無人駕駛系統(tǒng)由重載AGV運輸車、GPS導航系統(tǒng)與激光導航、車輛識別和道桿控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、重型AGV專用車道等系統(tǒng)和設(shè)備、車輛調(diào)度系統(tǒng)、自動化系統(tǒng)控制系統(tǒng)、安全管理系統(tǒng)、無線網(wǎng)絡(luò)等組成。室外采用GPS導航,室內(nèi)采用激光導航(精準定位)的復(fù)合導航方式。應(yīng)用機器視覺技術(shù)進行無人駕駛車輛牌照號碼自動識別,在無人駕駛車輛活動區(qū)域增加視頻監(jiān)控,遠程監(jiān)控人員實時監(jiān)控車輛運行時的工作狀態(tài),無人駕駛車輛活動區(qū)域覆蓋無線網(wǎng)絡(luò),車輛定位信息、視頻監(jiān)控信息、車牌視頻信息等自動上傳車輛調(diào)度系統(tǒng),車輛調(diào)度系統(tǒng)下達車輛自動運行指令,自動化系統(tǒng)控制系統(tǒng)執(zhí)行指令,實現(xiàn)車輛的駕駛運行無人化、調(diào)度指揮智能化、作業(yè)監(jiān)控可視化[2]。

(5)高清視頻監(jiān)控:園區(qū)內(nèi)高清監(jiān)控部署在生產(chǎn)線現(xiàn)場和廠區(qū)道路內(nèi),前端攝像頭采用內(nèi)置5G模組或通過CPE連接攝像頭的形式,減少IT基礎(chǔ)投資,實現(xiàn)整個園區(qū)的集中監(jiān)控。

(6)鋼材表面質(zhì)檢:通過部署工業(yè)相機采集質(zhì)檢數(shù)據(jù),利用5G網(wǎng)絡(luò)進行8K/4K等高清圖像傳輸至搭載視覺AI分析能力的平臺,對圖像和視頻進行處理,實現(xiàn)質(zhì)量檢測。

(7)智能安防:在工廠生產(chǎn)作業(yè)區(qū)域內(nèi),利用前端攝像頭采集現(xiàn)場視頻,通過5G網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻的高速實時回傳,結(jié)合AI技術(shù),可實現(xiàn)工人行為高精度識別,危險設(shè)備工作狀況檢測,自定義報警區(qū)域監(jiān)控,也具備視頻追溯功能,從而為廠區(qū)的安全生產(chǎn)管理提供保障基礎(chǔ)。

(8)智能工廠:工廠內(nèi)感知層的數(shù)據(jù)通過5G網(wǎng)絡(luò)傳輸,實現(xiàn)驅(qū)動器、傳感器、可編程邏輯控制器(PLC)、面板儀表和其他自動化設(shè)備的通訊傳輸。通過數(shù)據(jù)的處理運算最終在展示層進行展示,形成工廠視頻監(jiān)控、運行調(diào)度、機器人數(shù)據(jù)回傳、設(shè)備數(shù)據(jù)采集、能耗的盤點、資產(chǎn)盤點等。

(9)遠程運維:基于5G的高安全、高穩(wěn)定、低時延大數(shù)據(jù)回傳能力,采用無人機、機器人等自動化設(shè)備、AR眼鏡等人工輔助設(shè)備、物聯(lián)網(wǎng)控制器傳感器等,對遠端設(shè)備,如輸電線路、立體停車場、工廠內(nèi)設(shè)備、機械車輛等進行實時數(shù)據(jù)采集、點巡檢運、故障排除遠程輔助。

(10)交通監(jiān)控:鋼鐵企業(yè)廠區(qū)道路縱橫交錯,乘用車、貨運車時常違章運行,影響道路交通秩序,貨運物品種類繁多,包括原燃料、在制品、散貨、產(chǎn)成品等幾十種,貨運承運商多達幾十家,存在重復(fù)計重、樣品以次充好、偷梁換柱、夾帶物品出廠等各種隱患。貨運車輛存在隨意偏離規(guī)定路線、超速、亂停、占道、套牌等現(xiàn)象?；?G技術(shù),建設(shè)道路交通監(jiān)控系統(tǒng),對道路交通進行有效地管控勢在必行。在物料裝卸、質(zhì)檢取樣、稱重計量、車輛等候相關(guān)區(qū)域加裝視頻監(jiān)控攝像頭,進行定點監(jiān)控,重要路口雙向加裝視頻測速攝像頭,運輸?shù)缆芳友b自動跟蹤、行為分析、人臉檢測、報警推送、紅外夜視等視頻監(jiān)控攝像頭,覆蓋運輸、取樣、計量、裝卸全過程。關(guān)鍵視頻信息實時匯集到交通監(jiān)控平臺,應(yīng)用生物識別技術(shù)、圖像識別技術(shù),識別車號、車型、顏色及駕乘人員,運營車輛GPS定位信息實時上傳交通監(jiān)控平臺;實現(xiàn)行車路徑偏離報警、超時預(yù)警、車輛停駛和聚集報警、違章報警、車輛比對異常報警、道路擁堵報警等監(jiān)控與信息推送;實現(xiàn)車輛與承擔的作業(yè)任務(wù)、車載貨物信息的匹配,實現(xiàn)車輛進行軌跡追蹤。

表1 5G應(yīng)用場景與5G性能指標的關(guān)系Tab.1 Relationship between 5G application scenarios and 5G performance indicators

2 5G應(yīng)用場景與5G性能指標相關(guān)性探討

5G作為新一代信息通信的前沿技術(shù),為智能化鋼鐵廠創(chuàng)新發(fā)展提供了新的發(fā)展機遇。在鋼鐵行業(yè)的應(yīng)用還處于探索階段,各類5G應(yīng)用場景很難窮盡,每個應(yīng)用項目的可行性與5G帶寬、時延、可靠性等性能指標密切相關(guān),但鋼鐵企業(yè)各類應(yīng)用場景對5G帶寬、時延、可靠性等性能指標沒有權(quán)威的規(guī)范,一直困擾5G應(yīng)用推廣[3]。

首鋼京唐公司在5G應(yīng)用實踐中,將應(yīng)用場景歸并為不同的應(yīng)用類型,按照應(yīng)用類型,歸納出5G網(wǎng)絡(luò)的承載數(shù)據(jù)類型,根據(jù)5G網(wǎng)絡(luò)的承載數(shù)據(jù)類型提出5G性能指標要求,通過測試相關(guān)指標的實際表現(xiàn),評價項目的風險、可行性等,大大簡化評價項目可行性研究的復(fù)雜性,5G應(yīng)用場景、應(yīng)用類型、5G網(wǎng)絡(luò)的承載數(shù)據(jù)類型、5G性能指標關(guān)系如表1所示。

綜合各應(yīng)用場景的應(yīng)用類型、5G網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)類型不難發(fā)現(xiàn),鋼鐵企業(yè)5G應(yīng)用場景的應(yīng)用類型大致可以歸并為:自動化控制、機器視覺、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等。5G網(wǎng)絡(luò)承載的數(shù)據(jù)類型大致可以歸并為:音頻、視頻、圖像、數(shù)據(jù)等。

自動化控制類的應(yīng)用場景更關(guān)注5G網(wǎng)絡(luò)的時延、可靠性指標;機器視覺類、視頻監(jiān)控類的應(yīng)用場景更關(guān)注5G網(wǎng)絡(luò)的上行帶寬、下行帶寬指標。一般來說,數(shù)據(jù)采集類的應(yīng)用,5G帶寬、連接密度等性能指標不會成為5G的應(yīng)用瓶頸。

3 總結(jié)

鋼鐵企業(yè)應(yīng)用場景很難窮盡,但應(yīng)用場景的應(yīng)用類型是有限的,在推進5G應(yīng)用中,只要明確應(yīng)用類型,便可以發(fā)現(xiàn)對應(yīng)的5G性能指標,該性能指標的可行性決定了項目的可行性。