5G 边缘计算在智慧钢铁行业应用案例分析

张浩宇

引言

4G技术的普及和应用带来了高速、稳定的移动互联网连接，改变了人们的生活方式和工作方式。而5G技术则进一步提高了通信速度、降低了延迟，为更广泛的应用场景提供了支持。5G的高带宽和低延迟特点，使得诸如智能工厂、物联网等领域的创新变成可能。工业设备可以实现远程监控和自动化控制，提高生产效率；物联网设备可以实现更广泛的连接和智能化应用，带来更便捷的智能生活体验。在传统产业的数字化和智能化转型中，5G的新特性、新能力正在大显身手，为各项技术的深度融合和规模应用提供可能，有力驱动管理理念、生产方式的变革，为传统产业赋能、赋智。

在现代钢铁生产中，信息技术的应用已经成为不可或缺的一部分，网络被用于监控和控制生产过程、优化资源配置、提高生产效率等方面。钢铁行业面临着大规模数据的处理和传输，网络需要具备高带宽和低延迟的特点，以确保数据的快速传输和实时性。在钢铁行业中，生产设备和系统的连通性非常重要。通过网络，钢铁企业能够实时地监测和控制生产设备的运行状态，及时发现和解决问题，提高生产效率和质量。只有确保网络的稳定运行和数据的安全传输，才能保障钢铁企业的生产顺利进行。同时，钢铁行业也越来越重视智能制造和物联网技术的应用，通过网络连接各个设备、传感器和智能系统，实现设备互联和信息共享。这要求网络必须具备高度的可靠性和稳定性，以确保设备间的正常通信和数据传输，实现高效的智能化生产。因此，研究5G在钢铁行业的应用，形成智慧钢铁5G专网解决方案，保证网络的稳定运行和数据的安全传输，钢铁企业才能有效应对挑战，并提高生产效率、降低成本，保持竞争力。[1]

本文以福建省某钢铁厂5G专网为模型，对5G边缘计算智慧钢铁行业应用案例进行深入分析。

一、需求分析

（一）基本情况

钢铁厂分为南区和北区，北区已完成堆/取料机设备自动化改造，通过无线Wi-Fi+有线光纤进行设备远程控制，但是存在Wi-Fi覆盖不稳定、时延大、上行带宽不足、光纤维护成本高等问题。究其原因，钢铁厂的生产环境存在较多的电磁干扰和信号阻塞，大量的固定设备和金属结构也会阻碍网络信号的传播和覆盖范围，这些因素导致现有无线网络（Wi-Fi/4G）信号的不稳定性和传输速率下降。同时，钢铁厂的数据传输需求往往非常高，特别是对于实时监控、大数据传输和高负载应用来说，无线网络（Wi-Fi/4G）的带宽无法满足要求。其次，钢铁厂通常包含大型设备和复杂的工业环境，如高温、尘土、湿气等，以及布线可能需要经过拆除和重新安装的设备或构筑物，这些因素增加了有线网络部署的复杂性和成本。上述挑战使得在钢铁厂环境中实现连接需求、转型数字化生产变得困难。

随着5G网络的成熟商用，其更高的传输速度、低延迟和更大的容量，能够更好地应对高负载和大数据传输需求。同时，5G网络还具备更强的信号穿透能力，可以在复杂的金属结构环境下提供更稳定的连接。5G网络作为新一代无线连接技术，与工业互联网形成良好的融合，有利于厂区加强信息化建设，加深智能化改造，打造新型数字化应用，提升生产技术水平。因此，钢铁厂亟需通过大带宽高可靠的5G无线专网解决远程控制中存在的数据传输问题。

（二）存在问题

目前，钢铁厂北区在安全生产方面存在几大“痛点”：

（1）Wi-Fi部署信号弱，覆盖盲区大，稳定性差，可靠性低，跨AP切换易掉线或丢包，易受干扰和攻击。

（2）现有Wi-Fi连接方式时延大于400ms，无法满足现场远控低时延要求，存在安全隐患。

（3）每台堆/取料机上都有7-8台摄像机，拍摄的视频需要进行实时回传，而现有Wi-Fi带宽不足，无法满足远控需求。

（4）光纤部署成本高，绞盘收放容易磨损或折断，故障排查需登高作业，故障点不好排查，安全风险大。

（三）业务需求

钢铁厂在大型机械远控及无人化上需要较高的上行网络带宽和极低的网络时延，当前的网络环境无法满足。针对各场景业务特性作出分析，如下表所示：

表1 业务需求分析

（四）解决思路

钢铁厂需要针对北区的堆取料机远程控制场景进行5G应用的引入，且要求生产控制数据不出园区，为解决安全生产现有的“痛点”，采用建设5G专网方案满足应用需求，在UPF上利用ULCL或DNN分流技术隔离内网与外网业务数据，替代现有Wi-Fi和光纤的厂区内部网络。5G专网切片可以为钢铁行业的各类应用场景提供更灵活、高效、安全的网络服务，不同的业务可以根据自身需求享受定制化的网络服务，提升业务效率并满足各自的通信需求。

二、网络方案

（一）总体说明

钢铁厂北区堆/取料机已完成远控改造，具备Wi-Fi、光纤等接入能力，目前组网是采用二层交换机光纤直连和Wi-Fi网桥的方式进行数据通信。在不改变原有网络架构的情况下，通过新增UPF和Vxlan交换机，实现无线数据的分流和二层/三层数据转化，从而实现机械设备的远控。

（二）无线网部署方案

1.无线环境分析

钢铁厂北区长约300米，宽约100米，厂房内大部分5G信号由周边的5G基站（2.6GHz）覆盖，整体覆盖较好，平均下载速率为572Mbps，平均上传速率60Mbps。北区现有3台堆取料机，每台上部署4-10个摄像头通过交换机汇聚后回传，上行100M带宽可满足网络传输需求。

为了满足智慧钢铁的5G网络按需服务，并充分考虑未来承载相关平台及应用场景，需要在钢铁厂内新建一个5G宏基站（2.6GHz），满足室外及室内浅层覆盖，保证厂区生产区域及办公区域的网络基础服务。2.6G的5G产品成熟稳定性好，建议优先采用2.6G 64TR设备做覆盖。后期若上行带宽需求增长时，可考虑采用4.9G设备替换2.6G设备或在2.6G设备基础上新增4.9G设备。4.9G设备上下行时隙配置灵活，频段干净，可以最大限度满足上行覆盖需求，用于增强厂区内的重点场景深度服务。5G宏基站采用BBU+AAU的建设模式，其中AAU采用64T64R Massive MIMO天线技术。

2.基站建设方案

通过现场勘查，考虑到覆盖、施工、传输、电源等问题，建议在北区厂房北门办公室楼顶靠墙位置加3米抱杆挂放AAU，该位置无铁皮阻挡信号直射厂房，有利于信号覆盖和形成多径效应。

同时为了兼顾生产控制的安全性及稳定性，无线侧采用主备基站的方式进行网络覆盖。北区厂房北门办公室楼顶新增一个2.6G NR1基站，作为主用小区，原周边2.6G NR2基站作为备用小区，2个基站分别挂接不同的SPN环网，同时接入新增的UPF。正常工作模式下，2.6G NR1基站配置接入优先级最高，作为主用小区。当2.6G NR1基站故障或者设备维护时，2.6G NR2基站可以暂时接替覆盖，保障现场网络畅通。

（三）核心网部署方案

1.基础分流功能

一套完整的UPF解决方案，最终可实现两种功能：连接+计算，连接功能是指传统核心网中的用户面协议功能，即UPF（一种核心网节点），它承担着连接用户设备（UE）和服务区域之间传输数据包的重要任务。5G边缘计算的分流可以分为两类实现方式：即通过识别和分类上行流量并根据一定规则或策略分类和分流到不同目标或处理路径的ULCL分流机制，以及基于5G网络中用于唯一标识特定服务和应用的数据网络DNN分流机制。ULCL分流功能可以根据流量的特点和需求，为不同类型的流量分配不同的服务质量参数，将流量合理地分配到不同的目标或路径，实现更有效的网络资源利用、优化服务质量、满足不同业务需求，以及处理特殊流量类型，从而提高网络性能和用户体验；DNN分流功能可以根据服务类型、QoS要求、安全要求等因素对数据流进行更精确的分类和优化，为厂区内部用户提供了更细粒度和更高级别的网络划分和服务定制能力，以满足不同应用和服务的需求。[2]

通过下沉部署的UPF，堆/取料机视频数据可以直接上传到钢铁厂本地服务器，实现数据不出园区的需求。同时，本地分流也可以尽可能地降低末端时延，满足远控低时延的需求。

2.UPF整体组网方案

本案例UPF对接运营商5GC核心网，UPF部署在钢铁厂园区机房，构建统一的边缘云资源池。整体组网采用业务交换机作为边缘数据中心的网关，连接UPF和核心网络，用于数据的转发和路由功能。旁挂防火墙作为东西向客户间的防护，负责保护网络和数据的安全性，可以监测和过滤进出边缘数据中心的流量，防止恶意攻击、入侵和数据泄露等安全威胁。UPF物理上只和SPN设备对接，通过SPN再与IP专网对接。[3]

图1 业务流程示意图

图2 总体网络拓扑图

（四）Vxlan部署方案

本案例需要在搭建的5G三层网络中保留园区中原本由网桥搭建的二层网络，即需要在两个局域网中搭建二层隧道，因此采用Vxlan技术构建园区大二层网络。Vxlan使用VNI来标识不同的虚拟网络，可以在三层网络中建立二层以太网隧道，使得虚拟网络能够跨越物理网络进行二层连接。这样可以实现虚拟机的迁移、负载均衡、多租户隔离等功能，扩展了数据中心的规模和灵活性。视频回传的信息流传递路径为（只考虑终端与Vxlan之间的通信）：

（1）车载端摄像头/车载端视频交换机→Vxlan交换机1→Vxlan交换机2→控制中心视频交换机→控制中心大屏。

（2）控制中心PLC控制器/控制中心PLC交换机→Vxlan交换机2→ Vxlan交换机1→车载端PLC交换机→车载端PLC模块。

（五）传输网部署方案

为承载5G业务，需搭配SPN传送网。钢铁厂所处位置在SPN汇聚层覆盖范围中，考虑到链路保护及设备主备的因素，需新建两套接入层SPN设备。SPN以环型双路由结构为主，接入环环路带宽使用50GE，后期根据业务流量平滑升级成100G，满足企业内网以及互联网业务的差异化需求。根据智慧钢铁对网络可用性和安全性的需求，对每个业务、每条链路进行主备路由的保护，以确保业务的安全性。

结束语

钢铁行业生产流程长，目前多数钢铁企业只能实现初级网络信息化，自身网络能力及自动化控制能力相较世界先进水平仍较为薄弱，流水线上需精准执行的环节，仍然需要人工作业。重点作业流程的自动化、信息化严重不足，不仅是钢铁厂劳动力成本消耗大项、高危作业环境大项，更是钢铁厂智能化道路上亟须解决的难点问题。以5G为敲门砖，建设5G专网服务于钢铁行业，发挥其“大带宽、低时延、大容量、强隔离”的特点，尤其与AI、边缘计算等技术融合，可以满足钢铁企业多场景差异化需求，利用专有网络资源，覆盖指定范围，服务指定对象，是构建智慧钢铁的更好选择，将有力推动钢铁行业数字化、智能化转型，降低成本、提升效率，创造新的价值。