5G MEC智慧倉(cāng)儲(chǔ)專(zhuān)網(wǎng)設(shè)計(jì)

洪成洋，劉 洋

（中通服咨詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210019）

0 引 言

物流行業(yè)是支持國(guó)家發(fā)展的的基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，優(yōu)質(zhì)的物流服務(wù)與高效的運(yùn)營(yíng)能促進(jìn)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展[1]。特別是自2019年起，貨物跨地轉(zhuǎn)移數(shù)量急劇增長(zhǎng)、頻次愈加頻繁，服務(wù)范圍更加廣闊，整個(gè)物流業(yè)呈現(xiàn)了復(fù)雜多變的形態(tài)。在此背景下，現(xiàn)代物流供應(yīng)鏈中的訂單、倉(cāng)儲(chǔ)、運(yùn)輸和配送等各個(gè)環(huán)節(jié)急需最前沿信息技術(shù)升級(jí)改造，全面提升物流供應(yīng)鏈的智慧化水平。其中以倉(cāng)儲(chǔ)最為重要，但當(dāng)前物流倉(cāng)儲(chǔ)存在三大困難：成本高、效率低、數(shù)字化程度低。成本高主要體現(xiàn)在倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)還是傳統(tǒng)的人工模式，用人成本的不斷攀升；效率低主要表現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)化、集約化程度低，資源共享程度低，在攬配等物流作業(yè)環(huán)節(jié)自動(dòng)化程度低；數(shù)字化程度低是指在信息化、數(shù)字化、智能化長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略上尚未形成體系，很難最大化地發(fā)揮出大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[2]。因此物流倉(cāng)儲(chǔ)與人工智能、AR/VR、區(qū)塊鏈等新技術(shù)的融合創(chuàng)新成了必然趨勢(shì)[2]。這些新技術(shù)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信的帶寬、時(shí)延、接入能力提出了更高的要求。5G 作為革命性通信技術(shù)，具有超越光纖的無(wú)線(xiàn)傳輸速度、超越工業(yè)總線(xiàn)的實(shí)時(shí)能力以及全空間的連接能力，能夠與新技術(shù)有機(jī)融合，解決物流領(lǐng)域的很多重要問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)智能化、無(wú)人化，推動(dòng)物流業(yè)成功轉(zhuǎn)型[3]。

1 智慧倉(cāng)儲(chǔ)對(duì)5G業(yè)務(wù)需求分析

物流倉(cāng)儲(chǔ)的發(fā)展方向是倉(cāng)配一體化、無(wú)人化、園區(qū)化。在一個(gè)省級(jí)物流園內(nèi)，倉(cāng)儲(chǔ)工作區(qū)可達(dá)數(shù)萬(wàn)平方米，為了對(duì)土地進(jìn)行更加集中的利用，倉(cāng)儲(chǔ)工作區(qū)一般是使用層格式貨架或高層貨架這類(lèi)高架倉(cāng)庫(kù)。倉(cāng)內(nèi)還有貨物存取和輸送系統(tǒng)，承擔(dān)貨物存取、出入倉(cāng)庫(kù)的功能，常見(jiàn)的輸送系統(tǒng)有傳輸帶、穿梭車(chē)、自動(dòng)導(dǎo)引車(chē)、智能分揀機(jī)器人、叉車(chē)以及拆碼垛機(jī)器人等[4]。裝卸機(jī)械承擔(dān)貨物出入庫(kù)裝車(chē)或卸車(chē)的工作，一般由行車(chē)、吊車(chē)、叉車(chē)等裝卸機(jī)械組成[5]。此外，倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)布放著千萬(wàn)級(jí)別數(shù)量的多種類(lèi)型傳感器，傳感器采集倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)環(huán)境狀態(tài)，傳輸帶運(yùn)行等各種信息，并轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)為電信號(hào)數(shù)據(jù)，而這些數(shù)據(jù)將為智慧中央平臺(tái)實(shí)時(shí)了解當(dāng)前整個(gè)倉(cāng)庫(kù)各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行情況提供了支撐，中央平臺(tái)通過(guò)大數(shù)據(jù)、人工智能等手段處理、分析數(shù)據(jù)，生成決策指令，指導(dǎo)庫(kù)內(nèi)作業(yè)單元工作。但是由于在擁擠的空間中存在著大型金屬機(jī)器，電磁波的傳播環(huán)境非常惡劣，來(lái)自機(jī)械機(jī)器人、傳感器等的高流量可能會(huì)使網(wǎng)絡(luò)超載，并引起干擾，來(lái)自業(yè)務(wù)程序?qū)Π踩?、可靠性的額外限制，也增加了對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的需求。在當(dāng)前，倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)仍以傳統(tǒng)WiFi+工業(yè)總線(xiàn)作為主要的通信手段，搬運(yùn)AGV、AMR，機(jī)械臂等智能設(shè)備通過(guò)WiFi無(wú)線(xiàn)或者工業(yè)總線(xiàn)與控制系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)的通信，然而隨著業(yè)務(wù)增長(zhǎng)，倉(cāng)儲(chǔ)智能設(shè)備越來(lái)越智能化，規(guī)模也越來(lái)越大，設(shè)備與控制系統(tǒng)、運(yùn)維平臺(tái)的通信量也隨之增大，對(duì)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信帶寬、可靠性及通信延時(shí)要求變的更高。主要挑戰(zhàn)包括：（1）單一的無(wú)線(xiàn)AP無(wú)法覆蓋整個(gè)倉(cāng)庫(kù)范圍，WiFi 接入容易存在切換丟包、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性差等問(wèn)題，降低倉(cāng)儲(chǔ)生產(chǎn)線(xiàn)的工作效率[6]；（2）有線(xiàn)通信限制機(jī)器人的移動(dòng)；（3）倉(cāng)庫(kù)控制系統(tǒng)（Warehouse Control System，WCS）、倉(cāng)庫(kù)管理系統(tǒng)（Warehouse Management System，WMS）、地面控制系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)等服務(wù)集群采用本地部署方式，并通過(guò)局域網(wǎng)與倉(cāng)儲(chǔ)管能設(shè)備進(jìn)行通信，系統(tǒng)部署難度大、成本高、硬件資源存在忙時(shí)閑時(shí)利用不均衡，遠(yuǎn)程維護(hù)困難。此外，在引入人工智能、AR/VR、區(qū)塊鏈等新一代技術(shù)后，傳統(tǒng)通信模式變得更加難堪。人工智能業(yè)務(wù)要求很大的流量寬帶，帶寬要求≥40 Mb/s；智能機(jī)器人對(duì)時(shí)延和可靠性極其敏感，連接時(shí)延要達(dá)到10 ms以下，甚至是1 ms的級(jí)別；倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)各種物聯(lián)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)速率要求較低，屬于小數(shù)據(jù)包業(yè)務(wù)，但千萬(wàn)級(jí)別規(guī)模，信令交互連接可能導(dǎo)致信令風(fēng)暴。

2 5G MEC智慧倉(cāng)儲(chǔ)專(zhuān)網(wǎng)設(shè)計(jì)方案

建設(shè)5G MEC倉(cāng)儲(chǔ)專(zhuān)網(wǎng)可以解決上述通信困難，并實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)內(nèi)所有智能終端“一網(wǎng)統(tǒng)管”，通信資源按需分配，為其他信息技術(shù)打造智慧物流奠定堅(jiān)實(shí)的通信基礎(chǔ)。5G MEC專(zhuān)網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)在于以下幾點(diǎn)。

（1）5G專(zhuān)線(xiàn)部署與公網(wǎng)完全隔離，避免通信干擾擁塞。

（2）核心網(wǎng)用戶(hù)面功能下沉，MEC在靠近行業(yè)數(shù)據(jù)源的移動(dòng)邊緣網(wǎng)絡(luò)側(cè)，部署計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)能力，可以直接獲取的實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息（如用戶(hù)位置、基站負(fù)載等）的業(yè)務(wù)環(huán)境，避免了流量在核心網(wǎng)的迂回，減少了業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延。此外倉(cāng)儲(chǔ)智能設(shè)備主控上運(yùn)行的導(dǎo)航定位、激光雷達(dá)、視覺(jué)圖像識(shí)別及環(huán)境感知等需要復(fù)雜計(jì)算能力需求、WCS、WMS、地面控制系統(tǒng)、運(yùn)維平臺(tái)的需求上移到5G的邊緣計(jì)算服務(wù)器上，以實(shí)現(xiàn)云端算力下沉，終端算力上移，從而在邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)形成兼顧時(shí)延，成本和算力的匯聚點(diǎn)[7]。

（3）業(yè)務(wù)本地閉環(huán)，滿(mǎn)足行業(yè)客戶(hù)對(duì)企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全與私隱保護(hù)的要求。

2.1 運(yùn)營(yíng)商虛擬專(zhuān)網(wǎng)方案

5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可將運(yùn)營(yíng)商的物理網(wǎng)絡(luò)切分，構(gòu)建多個(gè)專(zhuān)用的、按需定制的虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)[7]，5G網(wǎng)絡(luò)在核心網(wǎng)/承載網(wǎng)/無(wú)線(xiàn)網(wǎng)按需配置好子切片，MEC部署在靠近物流倉(cāng)儲(chǔ)附近的結(jié)點(diǎn)上。這種端到端切片形成的虛擬專(zhuān)網(wǎng)方案優(yōu)點(diǎn)是：（1）網(wǎng)絡(luò)部署快捷，物流企業(yè)不需維護(hù)；（2）通信質(zhì)量有運(yùn)營(yíng)商保障。但缺點(diǎn)也很明顯，即：（1）受運(yùn)營(yíng)商MEC部署位置影響，通信低時(shí)延可能無(wú)法保障；（2）用戶(hù)信息與生產(chǎn)數(shù)據(jù)離開(kāi)園區(qū)，安全性取決于虛擬網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

為了滿(mǎn)足物流企業(yè)對(duì)數(shù)據(jù)留在園區(qū)的需求，提出建設(shè)物理5G網(wǎng)絡(luò)的方案，根據(jù)是否需要在企業(yè)內(nèi)部建設(shè)完整的核心網(wǎng)，可將方案劃分為混合專(zhuān)網(wǎng)與獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)。

2.2 混合專(zhuān)網(wǎng)方案

方案一如圖1（a）所示，通信運(yùn)營(yíng)商在企業(yè)的倉(cāng)儲(chǔ)作業(yè)區(qū)內(nèi)部署5G基站，核心網(wǎng)的控制面功能仍然由公網(wǎng)承擔(dān)，但將用戶(hù)面（UCF）下沉到企業(yè)園區(qū)機(jī)房?jī)?nèi)，MEC就近部署[8]。MEC與UPF通過(guò)N6接口相連，UPF通過(guò)N6接口與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)相連。從圖中可以看出，5G基站資源與傳輸資源是共享資源，滿(mǎn)足企業(yè)用戶(hù)與普通用戶(hù)的使用。但通過(guò)分流，ULCLUPF將企業(yè)內(nèi)部的使用的業(yè)務(wù)與一般的業(yè)務(wù)區(qū)分開(kāi)來(lái)，并分別通過(guò)主/輔錨點(diǎn)UPF，送達(dá)給中心網(wǎng)絡(luò)或本地網(wǎng)絡(luò)。這種混合專(zhuān)網(wǎng)既能保障時(shí)延要求，又能滿(mǎn)足數(shù)據(jù)安全地保留在工業(yè)園區(qū)，本地流量本地消化。方案二如圖1（b）所示，相比于方案一，運(yùn)營(yíng)商分離了承載網(wǎng)，并增加5G基站數(shù)量或者載波數(shù)，目的是使企業(yè)用戶(hù)能獨(dú)占整個(gè)基站。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是超低時(shí)延、數(shù)據(jù)安全，缺點(diǎn)是部署后期維護(hù)成本都很高。

圖1 混合專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)方案

2.3 獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)方案

對(duì)于自主控制要求更高的大企業(yè)客戶(hù)，獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)是個(gè)良好的方案。

如圖2所示，運(yùn)營(yíng)商為物流企業(yè)建設(shè)獨(dú)享的、完整的5G網(wǎng)絡(luò)，包括獨(dú)享5G基站、獨(dú)立的承載網(wǎng)以及獨(dú)享的核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與公網(wǎng)完全隔離。一般用戶(hù)走公網(wǎng)通信，企業(yè)用戶(hù)數(shù)據(jù)走專(zhuān)屬通道直接回傳到企業(yè)本地網(wǎng)或者經(jīng)企業(yè)級(jí)核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程企業(yè)云。本地網(wǎng)部署邊緣云算力，提供彈性擴(kuò)展的存儲(chǔ)、計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)能力，使得數(shù)據(jù)管理更智能、存儲(chǔ)方式更靈活。少部分全局性的用戶(hù)面數(shù)據(jù)則送到企業(yè)云端進(jìn)行全局處理，實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算和云端計(jì)算保持高效協(xié)同、合理分擔(dān)運(yùn)算任務(wù)。

圖2 獨(dú)立專(zhuān)網(wǎng)建設(shè)方案

綜上，企業(yè)可以根據(jù)自身需求（包括數(shù)據(jù)安全性、部署維護(hù)成本等因素）選擇合適的組網(wǎng)模式。

3 結(jié) 論

未來(lái)，將從以下幾個(gè)方面深入研究，以促進(jìn)物流業(yè)更進(jìn)一步智慧化。首先，加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)研究，結(jié)合5G通信技術(shù)，在智慧物流領(lǐng)域深化AI機(jī)器人、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵技術(shù)的突破。其次，促進(jìn)國(guó)家統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的制定，加強(qiáng)5G在物流應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)制定與推廣，將相關(guān)上下游的企業(yè)納入到5G智慧物流產(chǎn)業(yè)的生態(tài)鏈中，從而使5G智慧物流不斷地與新的經(jīng)濟(jì)模式不斷地融合推進(jìn)和發(fā)展。最后，積極推動(dòng)應(yīng)用落地，推動(dòng)更多場(chǎng)景的5G技術(shù)落地，實(shí)現(xiàn)物流全環(huán)節(jié)人員、設(shè)備、數(shù)據(jù)的互聯(lián)和園區(qū)倉(cāng)儲(chǔ)站點(diǎn)、車(chē)輛、末端設(shè)備等全流程基礎(chǔ)設(shè)施的互通，實(shí)現(xiàn) 5G 及相關(guān)智慧技術(shù)在物流行業(yè)的深度融合。