基于千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計(jì)算 ，實(shí)現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)

（CWW）隨著“十四五”規(guī)劃的不斷落實(shí)，制造業(yè)整體正逐步向著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。在高端裝備制造業(yè)中，我國(guó)在世界范圍內(nèi)仍處于較低水平，亟待更多的數(shù)字化技術(shù)投入來(lái)提升盈利水平。而傳統(tǒng)工廠的組網(wǎng)技術(shù)和組網(wǎng)架構(gòu)在時(shí)延、帶寬、抖動(dòng)、丟包率、安全保密等方面均無(wú)法滿足生產(chǎn)需求，本文創(chuàng)新提出基于千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計(jì)算，實(shí)現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)，可助力智能制造中的生產(chǎn)環(huán)節(jié)邁向數(shù)字化、柔性化、智能化和高度集成化，并為智慧制造提供有力的網(wǎng)絡(luò)保障，對(duì)提升我國(guó)制造行業(yè)未來(lái)核心競(jìng)爭(zhēng)力具有一定參考意義。

(資料圖片)

創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)方案概況

針對(duì)千兆光網(wǎng)覆蓋下的智慧工廠高新裝備制造場(chǎng)景，設(shè)計(jì)基于MEC邊緣計(jì)算的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)架構(gòu)，從“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的視角出發(fā)，對(duì)技術(shù)體系架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行梳理和分析，提出采用云邊協(xié)同智能化的方式，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)切片可按需配置SLA、智能生產(chǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及與邊緣數(shù)據(jù)融合，助力我國(guó)高端制造業(yè)整體向自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級(jí)。

總體創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)

·利用千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)智慧工廠組網(wǎng)

智慧工廠環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)傳輸架構(gòu)，應(yīng)充分結(jié)合千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計(jì)算技術(shù)，有效提升工廠感知、處理和運(yùn)維能力，保障工廠各制造系統(tǒng)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，把專屬M(fèi)EC邊緣計(jì)算資源部署到工廠側(cè)可助力構(gòu)建工廠內(nèi)云邊協(xié)同計(jì)算的高效工業(yè)智能計(jì)算框架，提升工業(yè)信息處理的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，確保敏感生產(chǎn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)。

·“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的體系架構(gòu)

智慧工廠在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，構(gòu)建終端到平臺(tái)的數(shù)據(jù)安全傳輸通道和基于千兆光網(wǎng)的“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同體系架構(gòu)，有利于提升生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳的準(zhǔn)確度，支持多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入融合、分析與挖掘，為智慧工廠的便捷管理提供有力的網(wǎng)絡(luò)保障。

·基于OTN技術(shù)構(gòu)建超低時(shí)延、全工廠范圍的本地組網(wǎng)架構(gòu)

通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC、現(xiàn)場(chǎng)攝像頭等設(shè)備進(jìn)行連接，并通過(guò)OTN技術(shù)支持下的千兆光網(wǎng)進(jìn)行全工廠范圍的組網(wǎng)，可實(shí)現(xiàn)園區(qū)范圍1毫秒內(nèi)超低時(shí)延送達(dá)，滿足智能制造過(guò)程中對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控與干預(yù)，滿足工業(yè)控制過(guò)程毫秒級(jí)時(shí)延要求，并達(dá)到接近100%的網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。此外，在實(shí)時(shí)獲取現(xiàn)場(chǎng)的人、機(jī)、料狀態(tài)后，智慧工廠管理系統(tǒng)可結(jié)合生產(chǎn)工藝，通過(guò)智能化的算法和SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)制造過(guò)程中生產(chǎn)任務(wù)的動(dòng)態(tài)感知和智能化派發(fā)?；谝陨?點(diǎn)設(shè)計(jì)思路組建的總體框架示意圖如圖1所示。

圖1 創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)總體框架示意

在架構(gòu)最上層，是以私有云方式部署在中心云的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，負(fù)責(zé)智慧制造流程內(nèi)全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、視頻圖像智能處理分享、云端協(xié)同引擎等核心事務(wù)。中層是網(wǎng)絡(luò)核心層，由智慧工廠企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、運(yùn)營(yíng)商核心網(wǎng)、SD OTN全光智能網(wǎng)絡(luò)和邊緣云數(shù)據(jù)服務(wù)組成，負(fù)責(zé)以有線和無(wú)線兩種方式承載工廠園區(qū)內(nèi)、園區(qū)外以及不同園區(qū)間的網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)傳輸，向上提供邊緣云數(shù)據(jù)服務(wù)，向下為終端設(shè)備提供無(wú)線與有線網(wǎng)絡(luò)的接入，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制以及數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。最下層是數(shù)據(jù)設(shè)備接入層，由各類視頻監(jiān)控器、傳感器、數(shù)控設(shè)備、AR終端及工廠園區(qū)內(nèi)的有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，向上統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關(guān)，部分對(duì)時(shí)延要求非常敏感的數(shù)據(jù)處理在智能接入網(wǎng)關(guān)處即可完成，大量的CPE邊緣計(jì)算部署在工廠生產(chǎn)園區(qū)內(nèi)，與園區(qū)接入網(wǎng)、終端設(shè)備形成“云-網(wǎng)-端”協(xié)同。

無(wú)線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)

智慧工廠內(nèi)網(wǎng)在無(wú)線側(cè)可采用“5G網(wǎng)絡(luò)+MEC下沉園區(qū)”的連接方式。在生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)采用MEC邊緣計(jì)算共享UPF用于數(shù)據(jù)分流，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通過(guò)共享UPF轉(zhuǎn)發(fā)至共享MEC邊緣計(jì)算平臺(tái)，與智慧工廠內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)交互。在千兆光網(wǎng)先天支持增強(qiáng)移動(dòng)帶寬、高可靠低時(shí)延和海量機(jī)器連接的情況下，進(jìn)一步降低數(shù)據(jù)傳輸時(shí)延，大帶寬業(yè)務(wù)及保密性高的敏感信息卸載在本地，不僅能夠節(jié)省智慧制造企業(yè)專網(wǎng)建設(shè)成本和骨干網(wǎng)專線資費(fèi)，還能保證制造企業(yè)數(shù)據(jù)安全。無(wú)線側(cè)5G MEC邊緣計(jì)算專網(wǎng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 5G MEC邊緣計(jì)算專網(wǎng)設(shè)計(jì)

有線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)

智慧工廠內(nèi)網(wǎng)在有線側(cè)可通過(guò)SD OTN技術(shù)組建的全光智能千兆網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行全園區(qū)范圍的組網(wǎng)和跨園區(qū)的萬(wàn)兆互聯(lián)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備PLC、現(xiàn)場(chǎng)攝像頭等設(shè)備則通過(guò)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場(chǎng)總線完成連接。采用SD OTN技術(shù)的好處如下。1.傳輸通道采用多路由Mesh組網(wǎng)方式，采用全光組網(wǎng)，可有效減少中轉(zhuǎn)電交換，降低時(shí)延。2020年7月10日，從廣州新時(shí)空機(jī)房到深圳坂田研發(fā)基地100G帶寬SD OTN業(yè)務(wù)實(shí)測(cè)時(shí)延低于2毫秒。2.SD OTN技術(shù)采用OXC自動(dòng)光調(diào)度功能、全光背板，節(jié)省90%人工連纖，線路維度可隨需擴(kuò)展，節(jié)點(diǎn)光層可快速打通，對(duì)突發(fā)大顆粒、大流量業(yè)務(wù)可及時(shí)響應(yīng)。3.SD OTN技術(shù)單波道傳輸帶寬已支持200Gbit/s～600Gbit/s，全省范圍100G光層業(yè)務(wù)”一跳直達(dá)”，滿足智能制造業(yè)更大帶寬需求。4.基于SD OTN技術(shù)的千兆光網(wǎng)可采用產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，按照智慧工廠在柔性制造過(guò)程中的需求靈活劃分多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，為不同的核心業(yè)務(wù)提供差異化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。有線側(cè)利用SD OTN技術(shù)組建的全光智能千兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 利用SD OTN技術(shù)組建全光智能千兆網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

工廠原有的工業(yè)PON組網(wǎng)系統(tǒng)可以與SD OTN技術(shù)充分融合，互相成為對(duì)方的有益補(bǔ)充，并在不同場(chǎng)景進(jìn)行靈活應(yīng)用。例如：可以把SD OTN作為園區(qū)間及大型園區(qū)內(nèi)不同生產(chǎn)廠房、車間的互聯(lián)技術(shù)，而在車間、廠房?jī)?nèi)的“最后50米”互聯(lián)按需采用工業(yè)PON組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備端互聯(lián)。

設(shè)計(jì)方案包含兩大創(chuàng)新點(diǎn)

傳統(tǒng)制造工廠的組網(wǎng)采用普通互聯(lián)網(wǎng)線路、中低速率SDH組網(wǎng)專線及工業(yè)PON組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)園區(qū)間及大型園區(qū)內(nèi)生產(chǎn)廠房、車間的互聯(lián)，存在時(shí)延高、抖動(dòng)大、丟包率高、安全性差、易被攻擊、核心關(guān)鍵業(yè)務(wù)傳輸帶寬無(wú)法保證、云網(wǎng)協(xié)同效率低等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題?；谇д坠饩W(wǎng)和MEC邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)智能制造過(guò)程中生產(chǎn)的數(shù)字化、柔性化、智能化和高度集成化，并為智能制造企業(yè)全面數(shù)字化和數(shù)智化變革提供有力的網(wǎng)絡(luò)保障。

基于云邊開(kāi)放協(xié)同的工業(yè)智能計(jì)算組網(wǎng)設(shè)計(jì)框架

采用基于-邊開(kāi)放協(xié)同的工業(yè)智能計(jì)算組網(wǎng)設(shè)計(jì)框架，可有效解決智能制造過(guò)程中數(shù)據(jù)量大、帶寬占用高等導(dǎo)致的云邊協(xié)同系統(tǒng)智能分析模型時(shí)效性低的問(wèn)題，提升復(fù)雜情況下數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度和擬合度。5G MEC邊緣計(jì)算技術(shù)可以提供強(qiáng)大的通信、計(jì)算和存儲(chǔ)能力，針對(duì)工業(yè)場(chǎng)景多連接、大流量、可靠性要求高的特點(diǎn)提供邊緣云的能力，就近服務(wù)，滿足智慧工廠業(yè)務(wù)層面實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求以及用戶層面數(shù)據(jù)安全可靠要求，與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，還可創(chuàng)造出基于千兆光網(wǎng)的智能工廠業(yè)務(wù)，大幅提升工廠生產(chǎn)效率。

基于“云-網(wǎng)-端”一體化平臺(tái)的智慧工廠設(shè)計(jì)思路

基于“云-網(wǎng)-端”一體化平臺(tái)建設(shè)的智慧工廠，通過(guò)千兆光網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)車間內(nèi)多路高清視頻實(shí)時(shí)回傳，并且借助千兆光網(wǎng)低時(shí)延的特性可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制，既可減少人員現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的風(fēng)險(xiǎn)，又能有效降低光纖設(shè)備的固定損耗，降低工業(yè)園區(qū)內(nèi)設(shè)備的維護(hù)成本。同時(shí)，千兆光網(wǎng)“一跳入云”、扁平化的組網(wǎng)方式，提升了云網(wǎng)協(xié)同的通信效率。在固移融合、固移互補(bǔ)方面，采用SD OTN技術(shù)的固網(wǎng)與基于5G MEC下沉用戶側(cè)的5G移動(dòng)專網(wǎng)，可分別承載不同生產(chǎn)園區(qū)之間及同一生產(chǎn)園區(qū)內(nèi)眾多移動(dòng)檢測(cè)、生產(chǎn)設(shè)備所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)的數(shù)據(jù)交換與處理，為超低時(shí)延的精細(xì)化生產(chǎn)控制提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

結(jié)語(yǔ)

相信在不久的未來(lái)，基于SD OTN技術(shù)的千兆光網(wǎng)和5G MEC邊緣技術(shù)實(shí)現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠，將成為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)+先進(jìn)制造業(yè)”的重要落地模式之一。同時(shí)，智慧工廠也是現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的大勢(shì)所趨，是實(shí)現(xiàn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的一條優(yōu)化路徑。目前，北京、上海、廣東、深圳、浙江、福建等地已實(shí)施千兆光網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，將千兆光網(wǎng)與工業(yè)融合應(yīng)用作為產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重點(diǎn)。截至2023年3月底，廣東聯(lián)通已成功與華為、榮耀、中興、TCL、匯川科技、美的等眾多制造企業(yè)緊密合作，提供基于SD OTN技術(shù)的千兆光網(wǎng)和5G MEC邊緣技術(shù)，助力智慧工廠加速實(shí)現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同。隨著政策推動(dòng)，信息化、智能化的工業(yè)發(fā)展趨勢(shì)將引導(dǎo)中國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)變。

未來(lái)，以5G、人工智能、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等為代表的新興技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)的融合將更加深入，從而減少工作失誤、堵塞各種漏洞、提高工作效率，最終在成本合理的前提下，滿足市場(chǎng)個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)利益最大化。

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