基于千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計算 ，實現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設計

（CWW）隨著“十四五”規(guī)劃的不斷落實，制造業(yè)整體正逐步向著自動化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。在高端裝備制造業(yè)中，我國在世界范圍內(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)在時延、帶寬、抖動、丟包率、安全保密等方面均無法滿足生產(chǎn)需求，本文創(chuàng)新提出基于千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計算，實現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設計，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)絡保障，對提升我國制造行業(yè)未來核心競爭力具有一定參考意義。

(資料圖片)

創(chuàng)新組網(wǎng)設計方案概況

針對千兆光網(wǎng)覆蓋下的智慧工廠高新裝備制造場景，設計基于MEC邊緣計算的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)架構(gòu)，從“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的視角出發(fā)，對技術(shù)體系架構(gòu)和關鍵技術(shù)指標進行梳理和分析，提出采用云邊協(xié)同智能化的方式，實現(xiàn)關鍵業(yè)務網(wǎng)絡切片可按需配置SLA、智能生產(chǎn)實時監(jiān)控，以及與邊緣數(shù)據(jù)融合，助力我國高端制造業(yè)整體向自動化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型升級。

總體創(chuàng)新組網(wǎng)設計

·利用千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)智慧工廠組網(wǎng)

智慧工廠環(huán)境下的網(wǎng)絡傳輸架構(gòu)，應充分結(jié)合千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計算技術(shù)，有效提升工廠感知、處理和運維能力，保障工廠各制造系統(tǒng)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸。同時，把專屬MEC邊緣計算資源部署到工廠側(cè)可助力構(gòu)建工廠內(nèi)云邊協(xié)同計算的高效工業(yè)智能計算框架，提升工業(yè)信息處理的時效性和準確性，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)過程中產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，構(gòu)建終端到平臺的數(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)絡保障。

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

通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場總線對現(xiàn)場設備PLC、現(xiàn)場攝像頭等設備進行連接，并通過OTN技術(shù)支持下的千兆光網(wǎng)進行全工廠范圍的組網(wǎng)，可實現(xiàn)園區(qū)范圍1毫秒內(nèi)超低時延送達，滿足智能制造過程中對關鍵生產(chǎn)流程的實時監(jiān)控與干預，滿足工業(yè)控制過程毫秒級時延要求，并達到接近100%的網(wǎng)絡傳輸可靠性。此外，在實時獲取現(xiàn)場的人、機、料狀態(tài)后，智慧工廠管理系統(tǒng)可結(jié)合生產(chǎn)工藝，通過智能化的算法和SDN網(wǎng)絡技術(shù)，實現(xiàn)制造過程中生產(chǎn)任務的動態(tài)感知和智能化派發(fā)?；谝陨?點設計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)設計總體框架示意

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)智能遠程運維平臺，負責智慧制造流程內(nèi)全部生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、視頻圖像智能處理分享、云端協(xié)同引擎等核心事務。中層是網(wǎng)絡核心層，由智慧工廠企業(yè)內(nèi)網(wǎng)、運營商核心網(wǎng)、SD OTN全光智能網(wǎng)絡和邊緣云數(shù)據(jù)服務組成，負責以有線和無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)絡控制與數(shù)據(jù)傳輸，向上提供邊緣云數(shù)據(jù)服務，向下為終端設備提供無線與有線網(wǎng)絡的接入，實現(xiàn)網(wǎng)絡控制以及數(shù)據(jù)的安全可靠傳輸。最下層是數(shù)據(jù)設備接入層，由各類視頻監(jiān)控器、傳感器、數(shù)控設備、AR終端及工廠園區(qū)內(nèi)的有線和無線網(wǎng)絡構(gòu)成，向上統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關，部分對時延要求非常敏感的數(shù)據(jù)處理在智能接入網(wǎng)關處即可完成，大量的CPE邊緣計算部署在工廠生產(chǎn)園區(qū)內(nèi)，與園區(qū)接入網(wǎng)、終端設備形成“云-網(wǎng)-端”協(xié)同。

無線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設計

智慧工廠內(nèi)網(wǎng)在無線側(cè)可采用“5G網(wǎng)絡+MEC下沉園區(qū)”的連接方式。在生產(chǎn)廠區(qū)內(nèi)采用MEC邊緣計算共享UPF用于數(shù)據(jù)分流，業(yè)務數(shù)據(jù)通過共享UPF轉(zhuǎn)發(fā)至共享MEC邊緣計算平臺，與智慧工廠內(nèi)網(wǎng)系統(tǒng)實現(xiàn)業(yè)務交互。在千兆光網(wǎng)先天支持增強移動帶寬、高可靠低時延和海量機器連接的情況下，進一步降低數(shù)據(jù)傳輸時延，大帶寬業(yè)務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)建設成本和骨干網(wǎng)專線資費，還能保證制造企業(yè)數(shù)據(jù)安全。無線側(cè)5G MEC邊緣計算專網(wǎng)設計如圖2所示。

圖2 5G MEC邊緣計算專網(wǎng)設計

有線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設計

智慧工廠內(nèi)網(wǎng)在有線側(cè)可通過SD OTN技術(shù)組建的全光智能千兆網(wǎng)絡，進行全園區(qū)范圍的組網(wǎng)和跨園區(qū)的萬兆互聯(lián)，現(xiàn)場設備PLC、現(xiàn)場攝像頭等設備則通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和現(xiàn)場總線完成連接。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，降低時延。2020年7月10日，從廣州新時空機房到深圳坂田研發(fā)基地100G帶寬SD OTN業(yè)務實測時延低于2毫秒。2.SD OTN技術(shù)采用OXC自動光調(diào)度功能、全光背板，節(jié)省90%人工連纖，線路維度可隨需擴展，節(jié)點光層可快速打通，對突發(fā)大顆粒、大流量業(yè)務可及時響應。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”一跳直達”，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)絡切片技術(shù)，按照智慧工廠在柔性制造過程中的需求靈活劃分多個網(wǎng)絡切片，為不同的核心業(yè)務提供差異化網(wǎng)絡服務。有線側(cè)利用SD OTN技術(shù)組建的全光智能千兆網(wǎng)絡設計如圖3所示。

圖3 利用SD OTN技術(shù)組建全光智能千兆網(wǎng)絡設計

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，互相成為對方的有益補充，并在不同場景進行靈活應用。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、廠房內(nèi)的“最后50米”互聯(lián)按需采用工業(yè)PON組網(wǎng)實現(xiàn)設備端互聯(lián)。

設計方案包含兩大創(chuàng)新點

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)，存在時延高、抖動大、丟包率高、安全性差、易被攻擊、核心關鍵業(yè)務傳輸帶寬無法保證、云網(wǎng)協(xié)同效率低等現(xiàn)實問題。基于千兆光網(wǎng)和MEC邊緣計算實現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同的智慧工廠創(chuàng)新組網(wǎng)設計，能夠?qū)崿F(xiàn)智能制造過程中生產(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)絡保障。

基于云邊開放協(xié)同的工業(yè)智能計算組網(wǎng)設計框架

采用基于-邊開放協(xié)同的工業(yè)智能計算組網(wǎng)設計框架，可有效解決智能制造過程中數(shù)據(jù)量大、帶寬占用高等導致的云邊協(xié)同系統(tǒng)智能分析模型時效性低的問題，提升復雜情況下數(shù)據(jù)分析的準確度和擬合度。5G MEC邊緣計算技術(shù)可以提供強大的通信、計算和存儲能力，針對工業(yè)場景多連接、大流量、可靠性要求高的特點提供邊緣云的能力，就近服務，滿足智慧工廠業(yè)務層面實時數(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)有機結(jié)合，還可創(chuàng)造出基于千兆光網(wǎng)的智能工廠業(yè)務，大幅提升工廠生產(chǎn)效率。

基于“云-網(wǎng)-端”一體化平臺的智慧工廠設計思路

基于“云-網(wǎng)-端”一體化平臺建設的智慧工廠，通過千兆光網(wǎng)可實現(xiàn)生產(chǎn)車間內(nèi)多路高清視頻實時回傳，并且借助千兆光網(wǎng)低時延的特性可實現(xiàn)對設備的遠程精準控制，既可減少人員現(xiàn)場作業(yè)的風險，又能有效降低光纖設備的固定損耗，降低工業(yè)園區(qū)內(nèi)設備的維護成本。同時，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)眾多移動檢測、生產(chǎn)設備所產(chǎn)生的業(yè)務數(shù)據(jù)，實現(xiàn)毫秒級的數(shù)據(jù)交換與處理，為超低時延的精細化生產(chǎn)控制提供網(wǎng)絡基礎。

結(jié)語

相信在不久的未來，基于SD OTN技術(shù)的千兆光網(wǎng)和5G MEC邊緣技術(shù)實現(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)+先進制造業(yè)”的重要落地模式之一。同時，智慧工廠也是現(xiàn)代工業(yè)、制造業(yè)的大勢所趨，是實現(xiàn)制造企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的一條優(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)融合應用作為產(chǎn)業(yè)規(guī)劃的重點。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現(xiàn)“云-網(wǎng)-端”融合協(xié)同。隨著政策推動，信息化、智能化的工業(yè)發(fā)展趨勢將引導中國從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變。

未來，以5G、人工智能、云計算、大數(shù)據(jù)等為代表的新興技術(shù)與先進制造技術(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，滿足市場個性化需求，實現(xiàn)利益最大化。

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