世界微頭條丨基于千兆光網(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(shè)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(shè)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(luò)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】
創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)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(shè)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(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(shè)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(luò)傳輸架構(gòu),應(yīng)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(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(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(shè)備PLC、現(xiàn)場攝像頭等設(shè)備進(jìn)行連接,并通過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),可實現(xiàn)園區(qū)范圍1毫秒內(nèi)超低時延送達(dá),滿足智能制造過程中對關(guān)鍵生產(chǎn)流程的實時監(jiān)控與干預(yù),滿足工業(yè)控制過程毫秒級時延要求,并達(dá)到接近100%的網(wǎng)絡(luò)傳輸可靠性。此外,在實時獲取現(xiàn)場的人、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,通過智能化的算法和SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù),實現(xiàn)制造過程中生產(chǎn)任務(wù)的動態(tài)感知和智能化派發(fā)?;谝陨?點設(shè)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(shè)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(yuǎn)程運維平臺,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、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)、運營商核心網(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)備提供無線與有線網(wǎng)絡(luò)的接入,實現(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)的有線和無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,向上統(tǒng)一接入智能網(wǎng)關(guān),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(guān)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(shè)備形成“云-網(wǎng)-端”協(xié)同。
無線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)計
智慧工廠內(nèi)網(wǎng)在無線側(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邊緣計算共享UPF用于數(shù)據(jù)分流,業(yè)務(wù)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(wù)交互。在千兆光網(wǎng)先天支持增強(qiáng)移動帶寬、高可靠低時延和海量機(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,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(shè)計如圖2所示。
圖2 5G MEC邊緣計算專網(wǎng)設(shè)計
有線側(cè)創(chuàng)新組網(wǎng)設(shè)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(luò),進(jìn)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(shè)備PLC、現(xiàn)場攝像頭等設(shè)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(jī)房到深圳坂田研發(fā)基地100G帶寬SD OTN業(yè)務(wù)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(kuò)展,節(jié)點光層可快速打通,對突發(fā)大顆粒、大流量業(yè)務(wù)可及時響應(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程中的需求靈活劃分多個網(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
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(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(shè)備端互聯(lián)。
設(shè)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(guān)鍵業(yè)務(wù)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(shè)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(luò)保障。
基于云邊開放協(xié)同的工業(yè)智能計算組網(wǎng)設(shè)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(shè)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(dǎo)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(fù)雜情況下數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確度和擬合度。5G MEC邊緣計算技術(shù)可以提供強(qiáng)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(wù),滿足智慧工廠業(yè)務(wù)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(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”一體化平臺的智慧工廠設(shè)計思路
基于“云-網(wǎng)-端”一體化平臺建設(shè)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(shè)備的遠(yuǎn)程精準(zhǔn)控制,既可減少人員現(xiàn)場作業(yè)的風(fēng)險,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,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(shè)備所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)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(xì)化生產(chǎn)控制提供網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
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(jìn)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(yīng)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(dǎo)中國從制造大國向制造強(qiáng)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(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,滿足市場個性化需求,實現(xiàn)利益最大化。
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