楊 坤，汪 濤，孔勝淼

（成都鼎橋通信技術(shù)有限公司，四川 成都 610000）

0 引言

隨著人口紅利降低，勞動(dòng)力成本提升，精益生產(chǎn)迫在眉睫；傳統(tǒng)行業(yè)的IT投入強(qiáng)度，制造業(yè)重點(diǎn)骨干企業(yè)當(dāng)前數(shù)字化研發(fā)工具普及率為68.9%，關(guān)鍵工序數(shù)控化率為49.2%，仍有較大信息化改造空間。伴隨人口老齡化和勞動(dòng)成本上升，內(nèi)需降低、部分核心技術(shù)依賴進(jìn)口等問(wèn)題，以精益生產(chǎn)為目標(biāo)的制造業(yè)智能化改造已成必然趨勢(shì)，并將引領(lǐng)一批自主品牌邁向全球中高端產(chǎn)業(yè)鏈[1]。

1 現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展

1.1 5G技術(shù)

5G的特點(diǎn)是超高頻率，超高頻寬，比4G的速率更快出一個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了優(yōu)化，具有更低的時(shí)延，滿足車聯(lián)網(wǎng)、智能交通、高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)的需求。5G標(biāo)準(zhǔn)的制定是一個(gè)不斷發(fā)展和完善的過(guò)程：第一版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（Rel-15）和第二版的增強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)（Rel-16）已全部完成，面向未來(lái)演進(jìn)的Rel-17標(biāo)準(zhǔn)正在制定中，預(yù)計(jì)2022年6月完成。除了對(duì)Rel-15/16特定技術(shù)的進(jìn)一步增強(qiáng)外，Rel-17將mMTC（大連接低功耗海量機(jī)器類通信）作為5G 場(chǎng)景的增強(qiáng)方向，并包含了多天線技術(shù)增強(qiáng)，高精度定位，覆蓋增強(qiáng)，組播廣播，終端節(jié)能，雙鏈接增強(qiáng)，最小化路測(cè)等通用技術(shù)的增強(qiáng)；面向工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)垂直行業(yè)應(yīng)用及應(yīng)用增強(qiáng)的RedCap（低復(fù)雜度低成本）終端，高可靠低時(shí)延物聯(lián)網(wǎng)通信，終端直連通信增強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)切片增強(qiáng)，非公共網(wǎng)絡(luò)等增強(qiáng)技術(shù)，更全面地支持了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

1.2 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算是為就近提供邊緣智能服務(wù)，在靠近物或數(shù)據(jù)源頭的網(wǎng)絡(luò)邊緣側(cè)，融合網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)、應(yīng)用等核心能力的分布式開(kāi)放平臺(tái)，同時(shí)滿足行業(yè)數(shù)字化的關(guān)鍵需求，包括敏捷聯(lián)接、實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全與隱私保護(hù)等方面。根據(jù)不同的部署位置和應(yīng)用場(chǎng)景，邊緣計(jì)算的硬件形態(tài)有所不同，常見(jiàn)的形態(tài)有邊緣服務(wù)器、邊緣一體機(jī)、邊緣網(wǎng)關(guān)等。邊緣網(wǎng)關(guān)是部署在垂直行業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的接入設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入、協(xié)議轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集與分析處理，可以融合IT領(lǐng)域敏捷靈活以及OT領(lǐng)域可靠穩(wěn)定的雙重特點(diǎn)，將網(wǎng)絡(luò)連接、質(zhì)量保證、管理運(yùn)維及調(diào)度編排的能力應(yīng)用于行業(yè)場(chǎng)景，提供實(shí)時(shí)、可靠、智能和泛在的端到端服務(wù)。

1.3 容器技術(shù)

容器技術(shù)是通過(guò)將單個(gè)操作系統(tǒng)的資源有效地劃分到孤立的組中，以便在孤立的組之間，更好地平衡有沖突的資源使用需求。容器技術(shù)通過(guò)與宿主共享硬件資源及操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源動(dòng)態(tài)分配； 并包含了應(yīng)用和其所有的依賴包，但與其他容器共享內(nèi)核。在宿主操作系統(tǒng)和用戶空間，容器以分離的進(jìn)程運(yùn)行。從虛擬化層面來(lái)看，容器技術(shù)是對(duì)進(jìn)程的虛擬（傳統(tǒng)虛擬化技術(shù)是對(duì)硬件資源的虛擬），以提供更輕量級(jí)的虛擬化，實(shí)現(xiàn)進(jìn)程和資源的隔離。容器技術(shù)主要特點(diǎn)包括極其輕量、秒級(jí)部署、易于移植以及彈性伸縮。

2 基于5G+邊緣A I的工業(yè)智能化改造實(shí)現(xiàn)方案

2.1 面臨的主要問(wèn)題

當(dāng)前，工廠傳感器數(shù)據(jù)以及攝像頭數(shù)據(jù)的回傳，為智能化改造的重點(diǎn)需求，而傳感器的量級(jí)高（數(shù)以千計(jì)）、數(shù)據(jù)傳輸效率低，有線部署復(fù)雜，無(wú)法有效支撐生產(chǎn)運(yùn)行：一是大部分傳感器，通過(guò)有線方式傳輸，數(shù)據(jù)精度低，效率差；二是各自廠家分別布線，有線方式布線復(fù)雜，部分傳感器布線長(zhǎng)度達(dá)幾百米。傳感器設(shè)備接入傳輸方式多樣，異常檢修與維護(hù)困難，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)境多且復(fù)雜，設(shè)備數(shù)據(jù)異常難以定位故障點(diǎn)。傳感器廠家和種類多，缺少統(tǒng)一集中的配置、管理和維護(hù)，各廠家各自獨(dú)立建設(shè)、管理和維護(hù)；數(shù)據(jù)格式未統(tǒng)一，各自存放處理。同時(shí)，也存在對(duì)傳感器改造的需求，以實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)和告警的實(shí)時(shí)、集中監(jiān)測(cè)，提升傳感器部署、異常檢修和維護(hù)效率，并實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的高效傳輸、統(tǒng)一存放和治理、智能分析和主動(dòng)預(yù)警。

有鑒于此，使用支持5G+邊緣AI的智能網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一匯聚，通過(guò)5G回傳，可以發(fā)揮AI算法對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的分析（包括視頻處理能力），邊緣計(jì)算對(duì)帶寬的節(jié)省，端云協(xié)同對(duì)智能化的提升等，以快速有效地實(shí)現(xiàn)智能化改造。

2.2 改造的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

基于“云網(wǎng)邊端”的整體架構(gòu)，以支持5G+邊緣AI的智能網(wǎng)關(guān)分擔(dān)云端的計(jì)算任務(wù)，在邊緣側(cè)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)優(yōu)化、實(shí)時(shí)響應(yīng)、敏捷連接、模型分析等業(yè)務(wù)支撐；同時(shí)，支持5G+AI的云端管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)終端和邊緣網(wǎng)關(guān)的設(shè)備接入與管理功能。

通過(guò)在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)部署支持5G+邊緣AI的智能網(wǎng)關(guān)，接入現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感器設(shè)備，實(shí)現(xiàn)傳感器狀態(tài)和告警的實(shí)時(shí)、集中監(jiān)測(cè)；提升傳感器部署、異常檢修和維護(hù)效率；實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的高效傳輸、統(tǒng)一存放和治理、智能分析和主動(dòng)預(yù)警。

圖1 基于5G+邊緣AI網(wǎng)關(guān)的實(shí)現(xiàn)架構(gòu)

2.2.1 邊緣AI設(shè)備

邊緣AI網(wǎng)關(guān)提供多種IoT接口，實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換，兼容多種有線/無(wú)線工業(yè)通信接口，支持包括Wi-Fi（802.11a/b/g/n/ac）、RS485/RS232、CAN 2.0、GE/FE、USB3.0/2.0等多模接入方式。支持第三方應(yīng)用直接部署，基于IoT接口的APP處理傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸?shù)裙δ?；提供差異化的容器技術(shù)，支持LXC、Docker容器化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)及應(yīng)用隔離。承載AI計(jì)算，提供TOPS級(jí)及以上計(jì)算能力。支持視頻接入與處理，在接入傳感器數(shù)據(jù)的同時(shí)，提供視頻接入與處理；支持32路1080P視頻的接入，支持4-8路視頻分析，提供本地視頻存儲(chǔ)能力。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)傳輸

支持5G，基于5G模組提供5G傳輸能力，通過(guò)5G無(wú)線空口將數(shù)據(jù)回傳至覆蓋該區(qū)域的5G基站及邊緣集成節(jié)點(diǎn)，并建立與云端平臺(tái)之間互相通信以及節(jié)點(diǎn)之間串聯(lián)的專用通道。所述邊緣集成節(jié)點(diǎn)和云端的應(yīng)用與數(shù)據(jù)集成平臺(tái)，具有相同的數(shù)據(jù)集成、服務(wù)集成和消息集成能力。

2.2.3 設(shè)備管理平臺(tái)

設(shè)備管理平臺(tái)面向邊緣AI網(wǎng)關(guān)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的接入和遠(yuǎn)程管理。支持按照容器、應(yīng)用層級(jí)對(duì)邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行備份、遠(yuǎn)程更新等操作。為第三方設(shè)備及業(yè)務(wù)系統(tǒng)開(kāi)放REST接口。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)的在線升級(jí)與遠(yuǎn)程維護(hù)，減少設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)工作量。

2.2.4 應(yīng)用與數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)

集成系統(tǒng)支持發(fā)布和訂閱消息，實(shí)現(xiàn)設(shè)備與后端各應(yīng)用的消息互通，支持海量設(shè)備低延時(shí)接入，支持設(shè)備與應(yīng)用之間的雙向同步，保證信息傳輸?shù)陌踩裙δ?。平臺(tái)通過(guò)MQTT與邊緣AI網(wǎng)關(guān)對(duì)接；用戶可以通過(guò)UI操作用MQTT協(xié)議直接和設(shè)備進(jìn)行連接；也可以調(diào)用相關(guān)的管理OPEN API和設(shè)備進(jìn)行連接。

2.2.5 自管理平臺(tái)

自管理平臺(tái)可查看終端連接狀態(tài)、終端基本信息、終端接入信息；分鐘/秒級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)采集。通過(guò)真實(shí)業(yè)務(wù)流撥測(cè)，模擬用戶發(fā)包的測(cè)試能力，查看終端的SLA狀態(tài)；統(tǒng)一管理設(shè)備管理平臺(tái)上報(bào)的設(shè)備，對(duì)設(shè)備的基本信息進(jìn)行統(tǒng)一展示，在線監(jiān)控設(shè)備的性能/告警情況，周期性評(píng)估設(shè)備的SLA質(zhì)量，協(xié)助運(yùn)維人員主動(dòng)快速的發(fā)現(xiàn)各類設(shè)備問(wèn)題并報(bào)障（自管理平臺(tái)可管理的范圍，依賴于設(shè)備管理平臺(tái)可上報(bào)的數(shù)據(jù)）；在線監(jiān)控業(yè)務(wù)/切片/專線/網(wǎng)絡(luò)/終端的SLA質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)中斷類問(wèn)題/速率質(zhì)差故障/ 時(shí)延質(zhì)差故障/終端故障的快速定界并向運(yùn)營(yíng)商報(bào)障；模擬撥測(cè)支撐業(yè)務(wù)上線前通過(guò)構(gòu)造復(fù)雜幀結(jié)構(gòu)及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流進(jìn)行業(yè)務(wù)模擬，完成功能測(cè)試、壓力測(cè)試等驗(yàn)收科目；可疊加園區(qū)自運(yùn)營(yíng)能力。

2.3 方案的具體應(yīng)用

支持5G+邊緣AI的智能網(wǎng)關(guān)承載機(jī)器視覺(jué)，讓質(zhì)檢線擁有會(huì)思考的眼睛。作為質(zhì)檢人員輔助工具，在屏幕質(zhì)檢環(huán)節(jié)增加工業(yè)相機(jī)，能夠有效減輕質(zhì)檢人員工作量，降低檢測(cè)失誤率；對(duì)已有故障屏幕進(jìn)行多角度拍照，并通過(guò)AI算法（以圖像作為訓(xùn)練樣本）對(duì)屏幕故障模式進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)。

支持5G+邊緣AI的智能網(wǎng)關(guān)承載人工智能算法，賦予機(jī)器人智慧大腦。通過(guò)人工智能模塊加載以及算法訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)同和多機(jī)協(xié)作，對(duì)機(jī)器加工力度、精度等提供校準(zhǔn)、糾錯(cuò)等輔助功能。

3 結(jié)束語(yǔ)

功能強(qiáng)大的5G+邊緣AI網(wǎng)關(guān)，適配未來(lái)多元化需求。5G低時(shí)延無(wú)線傳輸，避免了廠區(qū)復(fù)雜環(huán)境的布線，極大提升部署、異常檢修和維護(hù)效率。應(yīng)用與數(shù)據(jù)集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)傳感器的統(tǒng)一接入以及OT和IT高效互通，助力工業(yè)智能化改造，便捷實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理維護(hù)、應(yīng)用能力增強(qiáng)、智能分析和持續(xù)創(chuàng)新。