摘要：工業互聯網已成為中國經濟發展的重要戰略之一，在工業化和互聯網化兩化融合的過程中存在諸多難題，需要 5G 和 MEC 等 CT 新技術貫通工業 OT 域和 IT域。為了探討 5G 和 MEC 在工業組網、支撐工業系統方面的價值，首先分析了工業領域存在的問題及對新技術的需求，接著提出了 5G 和 MEC 在工業內外網組網架構中的應用方案，并對工業邊緣云架構、典型應用場景等進行了討論。結合 5G+MEC 在工廠中的應用案例和相關的技術測試指標驗證，最后得出了“5G+MEC+行業智能化應用”模式將為行業和企業發展帶來真正價值的結論。
關鍵詞：邊緣計算；5G；工業互聯網；ICT；工業內外網
1 工業對新技術的需求
1.1 工業存在的問題分析
中國的工業規模位居世界前列，門類齊全、體系完整，在支撐中國經濟社會發展方面發揮著重要作用。但中國仍處于工業化進程中，制造業與先進國家相比還有較大差距，特別是在企業的信息化、智能化方面仍處于起步階段，整體發展水平不高，制約了工業企業的發展。
傳統的工業企業在生產制造、組網和企業信息化等方面存在諸多問題，各工業應用系統之間數據無法互通，形成“信息孤島”，主要表現在以下幾個方面。
a）企業多采用工業以太網和現場總線進行組網，傳統 IP 網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）工業現場總線傳輸速率較低、協議繁多，各廠家之間不能互通，影響企業對終端數據的統一采集、管理和建模。
c）部分工廠采用 Wi-Fi、ZigBee 等無線接入技術，但存在速率、穩定性、時延、連續性、安全隱患等問題。
d）隨著工業企業信息化、智能化的發展，柔性生產、工業機器人、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）工業企業對生產過程中產生的業務數據有安全私密性要求，希望業務數據不出園區。
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等新技術的需求
隨著 5G 在中國規模商用的推進、5G 新基建的提出，5G 已經成為了中國數字經濟轉型的關鍵基礎設施之一。5G 的大帶寬、低時延、海量連接的特性可以滿足工業場景下高速率數據采集、遠程控制、數據傳輸的穩定可靠性、業務連續性等需求。5G 對工業的賦能正推動著工業企業由“制造”向“智造”發展，為工業企業的提質升級、高水平發展注入了強大動力。
新一代信息通信技術與制造業的融合逐漸從理念普及走向應用推廣，制造業智能化、柔性化、服務化、高端化轉型發展趨勢愈發明顯，對高性能、具有靈活組網能力的無線網絡需求日益迫切。在工業互聯網體系架構中，網絡、平臺和安全是3個關鍵要素，其中網絡是工業互聯網的基礎，平臺是體系的核心，安全是重要保障，而邊緣計算 MEC 既是 5G 網絡的錨點，又是工業邊緣應用的承載者，在整個工業互聯網體系架構中起到不可替代的重要作用。
邊緣計算 MEC 的出現，成為了助力 5G 網絡數字化轉型和差異化創新應用服務的強力助推技術，MEC平臺是網絡與業務融合的橋梁，是應對 5G 大帶寬、低時延、本地化垂直行業應用的關鍵。制造型企業更容易成為邊緣計算技術發展的受益者。
在工廠內部，很多生產任務都需要利用 IT 系統對生產過程進行全程監測，以便及時發現問題，降低次品率，在規定時間內完成產品交付。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據，實現對生產過程的全程監測，大幅度縮短時延，促進工廠提質增效。
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，即現場工業機器人和柔性制造。工業互聯網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，包括流式數據分析，數據挖掘，智能計算和實時控制等。
MEC 和 5G 的融合為工業智能化改造提供了充分的想象空間，MEC 可以實現對工業業務數據的本地分流卸載、對業務的近端處理，在滿足企業數據不出園區的安全隱私性需求的同時，也進一步降低了業務時延，提升了諸如遠程控制、遠程協作等業務的體驗。MEC 結合工業 PaaS 能力或 SaaS 應用可以打造面向工業領域的工業邊緣云平臺，通過工業邊緣云平臺的部署可快速為工業企業提供更多工業邊緣應用，同時平臺通用工業能力的共享可以降低企業的信息化改造成本，加速中國工業的互聯網化轉型發展。
在工業互聯網標準體系架構中，邊緣計算主要關注邊緣設備、邊緣智能、能力開放等領域，通過和其他技術如標識解析、平臺與數據、工業 APP 等的協作，共同為工業互聯網的持續快速發展提供助力。
2 5G+MEC在工業的應用探討
2.1 網絡架構
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，提供網絡承載和業務質量保障，因此 CT域的網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：現場總線、工業以太網、工業無線等通信方式，通過 PLC、RTU、DCS、工業邊緣網關等設備采集、控制、監測生產過程。
IT 域設備通常包括：MES 系統、CRM 系統、ERP 系統、預測性維護系統、OA系統、WMS 系統、遠程控制系統等。
CT 域設備通常包括：移動通信核心網（如 5GC）、邊緣計算 MEC（含 UPF 或分流模塊）、基站、工業CPE等。
工業企業網絡一般由工業內網和工業外網組成，需要探索5G、IPv6、TSN、工業PON、工業SDN、NB-IoT、邊緣計算、無線專網等新技術在工業互聯網中應用的成熟模式，推動工業企業內網的 IT 化、扁平化、柔性化，打通信息孤島，促進企業數字化轉型。傳統的工業內網一般由工業以太網、現場總線、工業 Wi-Fi、Zig?Bee、普通以太網等組成，傳統的工業外網一般由專線、互聯網等組成。而隨著 5G、SDN、物聯網、邊緣計算、AI 等新技術在工業領域應用越來越多，工業企業應用的組網技術、組網結構也發生了重大變化。
在工業企業內網組網方面，通過 5G宏站和室內分布基站對工業園區和工廠車間內部進行無線信號覆蓋，逐步替代 Wi-Fi、工業以太網和現場總線滿足工業終端的接入。傳統的工業終端不具備 5G通信能力，終端改造成本也比較高，可以通過工業 CPE 和工業融合網關接入 5G網絡。對于工廠內有移動性訴求的終端，如 AGV、天車、叉車等設備可以優先考慮采用 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。
在工業企業外網組網方面，傳統的互聯網無法滿足工業業務數據、管理數據傳輸的質量和安全性，而傳統的專線受制于網絡技術因素，開通周期較長、價格昂貴、帶寬相對固定，無法滿足工業智能化過程中業務靈活部署和調度、多云之間協同、多廠區間互聯互通、各地辦事機構隨時便捷接入等需求。
SDN和軟件定義廣域網（SD-WAN）技術實現了承載網絡的集中控制和統一調度，可以為工業企業快速開通帶寬靈活、個性化、低成本的外部業務承載網絡。在工業領域的云邊協同方面，為了對現場多源、異構數據歸一化處理，同時兼顧計算和網絡資源以及數據傳輸的有效性等，需要形成云端和邊緣計算資源的合理和優化配置。
工業企業內外網的組網架構如圖1所示。
2.2 平臺架構
MEC工業邊緣云平臺可以采用軟硬件解耦的 3層云計算架構，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 PaaS 層，由數據清洗、工業協議解析庫、時序數據庫等工業原子能力組成；上層是工業 SaaS 層，由機器視覺、AR 遠程協助、預測性維護、WMS 智慧倉儲系統等各種工業應用組成。
隨著 5G技術的進一步推動，多元化的應用將促進邊緣計算的快速迭代升級，傳統數據中心會越來越向邊緣側延伸，邊緣側承擔的計算任務也將持續增加，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，以更加適應工業生產環境和工業企業生產管理的需要。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環境適應能力。對于軟件系統，除需要具備通用的平臺能力外，還需要根據工業行業的特點進行針對性的能力部署和應用開發，如工業協議解析能力、預測性維護系統等。
從3GPP 和 ETSI 對邊緣計算的架構設計看，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、分流策略制定下發能力、RNIS（可以提供小區 ID、用戶位置、小區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：業務的匯聚及分發、設備消息的分析、基于上述分析結果的決策邏輯、數據庫登錄、對于終端設備的遠程控制和接入控制。因此基于 MEC 平臺還可以為工業物聯網設備的接入、全連接工廠的打造提供基礎能力。
平臺應采用開放式架構，通過標準的 API 網關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 網關實現注冊、上線、鑒權、發布、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應用的開發難度、開發成本、應用的上線周期，增強了應用間的協同性，推動了工業應用開發生態的建立。
在該系統架構中，機器人、PLC、天車等工業終端通過 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則控制下把工業企業相關的業務數據本地分流至平臺對應的模塊（如數據清洗模塊）或系統（如遠程控制系統），平臺模塊或系統對數據進行處理后上傳至數據中心或生成對終端的控制指令下發至終端，從而實現云邊協同（中心云和邊緣云）和對業務的近端實時處理。
在 5G SA 組網架構下，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，在工業組網中主要采用 ULCL和 LADN的分流方式。
2.3 典型應用場景
5G+MEC 和工業融合催生了諸多工業互聯網的典型應用場景，如預測性維護、AR 遠程協助、遠程駕駛、遠程控制、機器視覺質檢等。上述典型應用場景對大帶寬、低時延、高可靠性和數據的安全隱私性有較高的要求。下面選取幾個工業領域常用的且對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、工業相機采集生產線上產品的圖像信息，通過 5G的高上行帶寬進行圖像信息的傳送，結合 MEC 平臺保障業務路徑最短。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，實時檢測生產線上產品的質量，包括外觀缺陷檢測、尺寸檢測、圖案檢測等，以達到對產品質量檢測的高精度、實時性、高效率的目的，可以最大程度替代人工質檢，降低企業成本，提升質檢的效率和效果。
AR 遠程協助：基于 AR 技術可以進行 AR 遠程協助、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，提醒生產過程注意事項及操作細節；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 平臺通過提供轉碼、渲染、三維重建、物體識別、AR 內容管理等能力為 AR 遠程協助提供業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。通常企業在中央控制室設置遠程駕駛裝備（監控屏和控制設備），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作業設備，對業務時延有較高要求（通常小于 20 ms），通過 5G 接入和 MEC 的本地分流可以實現遠程駕駛的業務保障。
3 5G+MEC在XX工廠的應用
XX工廠為我國著名的汽車生產廠商，總裝生產車間電機數量眾多，電機作為生產線的動力心臟，如果出現故障將直接影響到生產線正常的生產運行，為企業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據。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據，并通過 5G網絡進行回傳。
基于 5G+MEC 為該工廠構建一張 5G虛擬專網，并在 MEC 平臺上部署一套預測性維護系統，以實現如下功能。
a）通過邊緣計算平臺對傳感器數據進行預處理，處理后的數據上傳至企業中心云，以防止無效數據過大。
b）工廠的生產數據涉及企業的商業機密，數據流量通過 MEC 進行本地卸載，保障企業數據的安全私密性。
c）部分數據需要進行實時采集、判斷，通過MEC的近端處理可以降低數據采集和判斷的時延。
“5G+MEC+預測性維護系統”的部署模式實現了IT（預測性維護系統）、CT（5G 和 MEC）和 OT（電機數據采集）的充分融合。前端傳感器采集電機運行數據，通過 CPE 接入至 5G 基站，再送至 MEC 平臺的預測性維護系統，實現對車間生產設備運行狀態的實時監控和可視化，基于采集的歷史數據對 AI 算法進行訓練，根據采集的實時數據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 相關指標驗證
對云 VR、AR 遠程維修、AGV 等業務在固網到公有云、5G到公有云、4G到公有云、5G+MEC等不同的組網環境下進行對比測試，取多組數據的平均值。
云 VR 測試結果如表 1所示。AR 遠程維修測試結果如表2所示。AGV測試結果如表3所示。
從上述業務的測試結果可知，5G+MEC 在業務帶寬、時延等方面和其他網絡組合方式相比具有無可比擬的優勢，因此在工業企業的互聯網化進程中，5G+MEC 將為企業提供巨大的助力，協助工業企業各種智能化場景的業務體驗保障。
5 結束語
目前，在工業領域一些特定的場景無法做到質量的保證，這就需要在 IP 網絡的基礎上應用一些“確定性”的技術，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 需要結合 TSN、DetNet 等技術為工業生產提供更高質量、確定性更強的網絡。
可以預見，在未來“5G+MEC+行業智能化應用”的新技術、新網絡模式將在千行百業落地生根，融入到行業和企業的發展過程中，為企業帶來真正價值的提升。而隨著 5G+邊緣計算與 5G LAN、5G+TSN 等新技術在工業領域的融合應用，工業互聯網化、智能化也必將繼續朝著縱深方向發展，推動中國實體經濟的高質量、高水平發展。
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本文首發于《郵電設計技術》，作者肖羽和王帥！
作者介紹
肖羽，中國聯通集團 MEC 行業技術專家，高級工程師，碩士，主要從事5G、MEC、面向行業的 5G 網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、邊緣計算、垂直行業的研究咨詢工作。
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