（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、數字化、智能化方向轉型升級。在高端裝備制造業(yè)中，我國在世界范圍內仍處于較低水平，亟待更多的數字化技術投入來提升盈利水平。而傳統(tǒng)工廠的組網技術和組網架構在時延、帶寬、抖動、丟包率、安全保密等方面均無法滿足生產需求，本文創(chuàng)新提出基于千兆光網和MEC邊緣計算，實現“云-網-端”融合協同的智慧工廠創(chuàng)新組網設計，可助力智能制造中的生產環(huán)節(jié)邁向數字化、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】

創(chuàng)新組網設計方案概況

針對千兆光網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)新組網架構，從“云-網-端”融合協同的視角出發(fā)，對技術體系架構和關鍵技術指標進行梳理和分析，提出采用云邊協同智能化的方式，實現關鍵業(yè)務網絡切片可按需配置SLA、智能生產實時監(jiān)控，以及與邊緣數據融合，助力我國高端制造業(yè)整體向自動化、數字化、智能化方向轉型升級。

總體創(chuàng)新組網設計

·利用千兆光網和MEC邊緣計算技術實現智慧工廠組網

智慧工廠環(huán)境下的網絡傳輸架構，應充分結合千兆光網和MEC邊緣計算技術，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)定的數據傳輸。同時，把專屬MEC邊緣計算資源部署到工廠側可助力構建工廠內云邊協同計算的高效工業(yè)智能計算框架，提升工業(yè)信息處理的時效性和準確性，確保敏感生產數據不出園區(qū)。

·“云-網-端”融合協同的體系架構

智慧工廠在生產過程中產生海量的數據，構建終端到平臺的數據安全傳輸通道和基于千兆光網的“云-網-端”融合協同體系架構，有利于提升生產數據上傳的準確度，支持多源異構數據的接入融合、分析與挖掘，為智慧工廠的便捷管理提供有力的網絡保障。

·基于OTN技術構建超低時延、全工廠范圍的本地組網架構

通過工業(yè)互聯網和現場總線對現場設備PLC、現場攝像頭等設備進行連接，并通過OTN技術支持下的千兆光網進行全工廠范圍的組網，可實現園區(qū)范圍1毫秒內超低時延送達，滿足智能制造過程中對關鍵生產流程的實時監(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%的網絡傳輸可靠性。此外，在實時獲取現場的人、機、料狀態(tài)后，智慧工廠管理系統(tǒng)可結合生產工藝，通過智能化的算法和SDN網絡技術，實現制造過程中生產任務的動態(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)新組網設計總體框架示意

在架構最上層，是以私有云方式部署在中心云的工業(yè)互聯網智能遠程運維平臺，負責智慧制造流程內全部生產數據處理、數據存儲、視頻圖像智能處理分享、云端協同引擎等核心事務。中層是網絡核心層，由智慧工廠企業(yè)內網、運營商核心網、SD OTN全光智能網絡和邊緣云數據服務組成，負責以有線和無線兩種方式承載工廠園區(qū)內、園區(qū)外以及不同園區(qū)間的網絡控制與數據傳輸，向上提供邊緣云數據服務，向下為終端設備提供無線與有線網絡的接入，實現網絡控制以及數據的安全可靠傳輸。最下層是數據設備接入層，由各類視頻監(jiān)控器、傳感器、數控設備、AR終端及工廠園區(qū)內的有線和無線網絡構成，向上統(tǒng)一接入智能網關，部分對時延要求非常敏感的數據處理在智能接入網關處即可完成，大量的CPE邊緣計算部署在工廠生產園區(qū)內，與園區(qū)接入網、終端設備形成“云-網-端”協同。

無線側創(chuàng)新組網設計

智慧工廠內網在無線側可采用“5G網絡+MEC下沉園區(qū)”的連接方式。在生產廠區(qū)內采用MEC邊緣計算共享UPF用于數據分流，業(yè)務數據通過共享UPF轉發(fā)至共享MEC邊緣計算平臺，與智慧工廠內網系統(tǒng)實現業(yè)務交互。在千兆光網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，進一步降低數據傳輸時延，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)專網建設成本和骨干網專線資費，還能保證制造企業(yè)數據安全。無線側5G MEC邊緣計算專網設計如圖2所示。

圖2 5G MEC邊緣計算專網設計

有線側創(chuàng)新組網設計

智慧工廠內網在有線側可通過SD OTN技術組建的全光智能千兆網絡，進行全園區(qū)范圍的組網和跨園區(qū)的萬兆互聯，現場設備PLC、現場攝像頭等設備則通過工業(yè)互聯網和現場總線完成連接。采用SD OTN技術的好處如下。1.傳輸通道采用多路由Mesh組網方式，采用全光組網，可有效減少中轉電交換，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技術采用OXC自動光調度功能、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技術的千兆光網可采用產線網絡切片技術，按照智慧工廠在柔性制造過程中的需求靈活劃分多個網絡切片，為不同的核心業(yè)務提供差異化網絡服務。有線側利用SD OTN技術組建的全光智能千兆網絡設計如圖3所示。

圖3 利用SD OTN技術組建全光智能千兆網絡設計

工廠原有的工業(yè)PON組網系統(tǒng)可以與SD OTN技術充分融合，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)內不同生產廠房、車間的互聯技術，而在車間、廠房內的“最后50米”互聯按需采用工業(yè)PON組網實現設備端互聯。

設計方案包含兩大創(chuàng)新點

傳統(tǒng)制造工廠的組網采用普通互聯網線路、中低速率SDH組網專線及工業(yè)PON組網方式實現園區(qū)間及大型園區(qū)內生產廠房、車間的互聯，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、云網協同效率低等現實問題?；谇д坠饩W和MEC邊緣計算實現“云-網-端”融合協同的智慧工廠創(chuàng)新組網設計，能夠實現智能制造過程中生產的數字化、柔性化、智能化和高度集成化，并為智能制造企業(yè)全面數字化和數智化變革提供有力的網絡保障。

基于云邊開放協同的工業(yè)智能計算組網設計框架

采用基于-邊開放協同的工業(yè)智能計算組網設計框架，可有效解決智能制造過程中數據量大、帶寬占用高等導致的云邊協同系統(tǒng)智能分析模型時效性低的問題，提升復雜情況下數據分析的準確度和擬合度。5G MEC邊緣計算技術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)務層面實時數據處理需求以及用戶層面數據安全可靠要求，與人工智能、物聯網等技術有機結合，還可創(chuàng)造出基于千兆光網的智能工廠業(yè)務，大幅提升工廠生產效率。

基于“云-網-端”一體化平臺的智慧工廠設計思路

基于“云-網-端”一體化平臺建設的智慧工廠，通過千兆光網可實現生產車間內多路高清視頻實時回傳，并且借助千兆光網低時延的特性可實現對設備的遠程精準控制，既可減少人員現場作業(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)內設備的維護成本。同時，千兆光網“一跳入云”、扁平化的組網方式，提升了云網協同的通信效率。在固移融合、固移互補方面，采用SD OTN技術的固網與基于5G MEC下沉用戶側的5G移動專網，可分別承載不同生產園區(qū)之間及同一生產園區(qū)內眾多移動檢測、生產設備所產生的業(yè)務數據，實現毫秒級的數據交換與處理，為超低時延的精細化生產控制提供網絡基礎。

結語

相信在不久的未來，基于SD OTN技術的千兆光網和5G MEC邊緣技術實現“云-網-端”融合協同的智慧工廠，將成為“工業(yè)互聯網+先進制造業(yè)”的重要落地模式之一。同時，智慧工廠也是現代工業(yè)、制造業(yè)的大勢所趨，是實現制造企業(yè)轉型升級的一條優(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產業(yè)規(guī)劃，將千兆光網與工業(yè)融合應用作為產業(yè)規(guī)劃的重點。截至2023年3月底，廣東聯通已成功與華為、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技術的千兆光網和5G MEC邊緣技術，助力智慧工廠加速實現“云-網-端”融合協同。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變。

未來，以5G、人工智能、云計算、大數據等為代表的新興技術與先進制造技術的融合將更加深入，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，實現利益最大化。

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