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摘要：信息化建設為企業發展提供了有利條件。然而，當前在信息通信基礎設施建設方面，傳統的Wi-Fi通信網絡已逐漸不能滿足實際工作需求，而5G網絡部署具備大帶寬、低時延、廣連接的特性。本文主要介紹了國家電網計量中心采用5G網絡并結合邊緣計算+物聯網+AI視頻聯動技術的方式，為實際工業應用提供穩定高效的通信保障。
關鍵詞：AI視頻聯動技術;5G無線網絡;邊緣計算網關
1需求分析
當前，由于網絡延時長、設備老舊等，國家電網計量中心存在計量設備檢測效率低下、出入倉錯誤率高、通信時延過長導致設備立體倉庫托盤入位不準確等問題。經過認真分析，結合5G通信的特點，提出采用5G白盒化基站+邊緣計算+物聯網+AI視頻聯動技術，改善網絡連接，提高出入倉效率，提升入位準確率，并通過視頻聯動分揀技術，提高檢測效率，助力生產運營。
2建設目標
緊跟國家戰略，建立新一代5G通信網絡在電子智能計量檢測行業的應用，打造5G網絡在行業計量行業應用實踐創新；基于白盒化技術搭建5G網絡，減輕數據傳輸壓力，為業界商用5G白盒化技術提供樣板；建設邊緣計算平臺+5GC核心網方案，保證行業計量生產運行數據不出局，滿足行業計量行業對網絡安全性的要求；通過邊緣計算網關實現現場攝像頭、機械臂和傳送帶等設備進行5G互聯。借助AI機器視覺進行自動化故障分析與判斷，助力產線數字化升級與降本增效。
3建設內容
以智能生產監測業務為主體，建設5G網絡承載下的AI視頻聯動系統，為智能化、無人化巡檢發展奠定網絡與平臺基礎，建設內容包含以下3個方面。一是采用符合ORAN標準的白盒化小基站產品，實現計量中心立體倉庫5G網絡信號全覆蓋，通過5G網絡eMBB高帶寬能力承載現場視頻業務。二是建設邊緣計算+5GC核心網下沉平臺，一方面，為立體倉庫診斷應用提供5G網絡基礎設施服務；另一方面，保證廠區數據不出廠，實現計量中心對通信安全和數據安全隔離。三是建設針對立體倉庫系統的5g+ai視頻聯動故障診斷溯源系統，實現現場視頻攝像頭、堆垛機、產線故障檢測設備等的互通互聯，實現現場產線故障發生時快速產生視頻告警，記錄故障發生過程。
4技術方案
計量中心內全面覆蓋5G網絡，通過邊緣計算網關的方式與現場攝像頭、機械臂、傳送帶等設備進行互聯。MEP（MECPlatform）平臺上承載5G網絡用戶面數據，通過多種方式實現流量卸載，如圖1所示。
4.15G無線專網
方案中采用5G擴展型小基站產品組成5G無線網絡覆蓋，其使用數字化有源室分技術，通過光纖承載無線信號傳輸的分布式微功率完成室內網絡覆蓋。擴展型小基站由主機（BBU）、擴展單元（RRUHUB）、遠端單元（RRU）、網管服務器OMC4個部分組成。白盒化架構和擴展式組網方式，可以滿足多種室內環境5G無線覆蓋以及垂直行業應用要求，組網拓撲如圖2所示。擴展型小基站產品滿足5GeMBB業務要求，在100M帶寬、2T2R條件下的網絡下載上傳速率接近理論上限，其主要網元的功能和性能如下。（1）BBU5G系統控制面和數據面全部協議處理功能；基于x86計算平臺，軟件采用CU-DU分離架構，支持虛擬化或者非虛擬的部署方式；通過PCIe加速卡實現前傳和FEC功能，支持GPS/Beidou/1588v2多種同步方式；單BBU支持到16T16R流量（>5Gbps吞吐率），4個4T4R邏輯小區，8個2T2R小區，單小區激活用戶數大于128個；支持4G/5G雙模，語音業務EPS回落，支持5Q1、QoS以及切片功能。（2）EU將主機下發的數字信號轉發至多個遠端單元，同時將多個遠端單元上傳的信號進行接收合路；支持BBU間采用Option7-2或者Option8兩種協議分割方式，根據部署需求靈活選擇；EU覆蓋場景近端部署，通過光纖連接BBU，拉遠距離可達10km；通過光電符合纜連接RRU，最大拉遠距離為300m；每個EU支持最大8個RRU的連接并支持兩級級聯；不同EU間的小區合并及分裂。（3）RRU將擴展單元下發的數字信號轉成射頻信號，實現5GNR的無線覆蓋，同時將接收的上行射頻信號轉成數字信號傳至擴展單元；支持2T2R和4T4R兩種通道選擇，支持多頻多模；單通道250MW發射功率；支持SMA外接無源天線，按需部署，降低網絡部署成本。
4.25G核心網和邊緣數據分流
根據行業用戶的不同需求，5G專網的核心網建設有多種方案。本方案采用自建5G專網核心網的方式，實現行業5G網絡的快速部署，并達到數據安全隔離的要求。后期可以在此基礎上對接運營商核心網，擴展專網邊界。此外，憑借5G自建專網，構建基于3GPPMEC分流架構的邊緣計算網絡，實現5G數據不出園區，同時滿足基于邊緣云的多樣智能應用的用網需求。5G專網核心網采用5G原生云架構，核心網各功能模塊相互分離，可以按需部署所需網元功能模塊。該5G專網核心網控制平面包括AUSF、UDM、AMF、SMF、PCF網元，用戶面包括CoreUPF和EdgeUPF兩層。其中，EdgeUPF下沉到園區，與N6接口同平臺部署，實現應用數據的按策略分流。邊緣云的控制平面與5G專網核心網PCF網元之間通過N5連接，并通過PCF將分流策略配置給SMF，SMF集中所有流量。5G專網核心網和邊緣數據分流的網絡拓撲如圖3所示。具體分流方案采用3GPP定義的ULCL分流，即由SMF在PDU會話建立后或者建立期間，在PDU數據路徑中插入一個“ULCL”（UplinkClassifier）。支持ULCL功能的UPF通過匹配SMF提供的流過濾器，將某些流量進行分流。這種分流方法相對簡單，UE終端無感知且不參與ULCL相關規則。
4.3邊緣計算平臺
為保證計量中心數據5G網絡覆蓋與本地化處理的要求，本次在計量中心內建設邊緣計算平臺MEP。MEP可以向業務提供IT能力的支撐，也可以訪問5G網絡資源。MEC解決方案主要由部署在邊緣側的邊緣計算平臺（MEP）與核心側的邊緣計算管理平臺（MEPM）2個部分組成，如圖4所示。邊緣計算管理平臺（MEPM）主要涵蓋邊緣計算與5G核心網的協調聯動模塊，邊緣計算平臺、邊緣網絡拓撲的發現，是針對應用、資源、流量、域名等策略的生命周期管理。邊緣計算平臺主要實現管理平臺針對應用、資源、流量、域名等模塊的代理，交付本地能力。（1）邊緣計算平臺虛擬資源周期管理功能具有邊緣平臺的接入認證功能，實現符合ETSI標準的MX2接口標準的服務認證機制；具有邊緣節點的接口配置與微服務管理功能，管理邊緣節點的物理接口與平臺自身的微服務，如本地DNS服務、虛擬資源管理代理服務、應用生命周期代理服務等；具有邊緣節點的接口分流配置功能，實現5G核心網UPF下發流量的雙向交互。（2）邊緣應用生命周期管理功能具有邊緣應用的部署功能，實現邊緣應用的實例化，支持VM、Container；具有邊緣應用的流量策略配置功能，實現應用流量的部署功能，將邊緣應用的業務流量下發至邊緣計算平臺；具有邊緣應用的DNS策略配置功能，實現本邊緣計算平臺內DNS調度策略，保證業務下發。（3）邊緣應用生命周期管理功能連接能力將計量中心內各類工業設備與工業系統打通，通過5G網絡訪問部署在邊緣的AI業務。計算能力將邊緣測設備與邊緣計算平臺內GPU/FPGA等加速硬件結合，提供計算、存儲、網絡以及加速能力給AI業務。（4）邊緣基礎設施功能輕量化Hypervisor通過裁剪組件（僅保留基礎組件，將其他組件作為選配組件）、修改組件服務配置、減少組件服務的工作線程數量，降低對物理資源的消耗，同時將計算和控制統一部署，使得資源得到有效利用。融合化的存儲邊緣云規模較小，承載業務以本地處理為主，所需的存儲容量較小，一般采用本地存儲或云存儲。本地存儲性能高，占用資源少，但可靠性差，并且不支持數據遷移。因此，計算存儲融合是一種有效的方案，將分布式存儲部署于計算節點上，節約了成本。而且，多副本存儲在解決單點故障的同時，可通過策略配置，使虛擬機優先使用本地副本。輕量化的網絡通過SDN進行網絡自動化配置，而邊緣站點由于規模較小，一般采用OVN實現網絡自動化部署，提升了運維效率，減少了運維工作量，更能適應業務的頻繁變化。
4.4邊緣計算網關
計量中心立體倉庫故障的自動監測與自當盤點均離不開邊緣計算網關，它是立體倉庫故障診斷系統的重要載體，具有低功耗、高性能的特點，更適應電廠嚴苛的工作環境。邊緣計算網關具備高度集成的SoC、開放式操作系統、完善的應用程序開發環境和更高性能的接入技術。高度集成的SoC為邊緣計算設備所承載的多業務、多應用提供了良好的支持。開放式操作系統是資源管理、應用程序運行的基礎，主要包含驅動、操作系統內核、系統庫資源、開放式應用編程環境和接口，能為開發者提供統一的編程接口，提高了應用程序的運行效率。完善的應用程序開發環境使得邊緣計算具有較強的擴展性，大幅簡化了發布、下載、部署、使用環節。邊緣計算設備具有多種網絡接入方式，且支持廣泛的傳感器接入能力，如加速度、陀螺儀、GPS定位、溫濕度、震動、氣體、心跳等。隨著5G技術不斷發展，邊緣計算能力不斷增強，云端數據處理能力不斷提高，數據清洗、數據聚合、模式識別、卷積運行等能力逐步下沉至邊緣計算設備。邊緣計算網關可以通過部署不同應用,實現立體倉庫故障監測、視頻動態采集、堆垛機設備對接等。邊緣計算網關支持計量中心現圖5邊緣計算網關與攝像頭、堆垛機一對多進行關聯場設備的采集與控制，支持ModBus協議的各類傳感器及設備廠商板卡接入，提供RESTFUL的協議適配能力；具備OPCUA協議適配能力，支持以OPC-UA實現異構協議的標準化格式轉換；提供DT/L645行業規約IEC101、104適配；提供基于標準RTSP視頻流的采集能力，同時通過?？?、大華、宇視等廠家的SDK直接控制攝像頭；支持多樣化的工業協議，如MTCONNECT、三菱PLC、西門子PLC、歐姆龍PLC、施耐德PLC、羅克威爾PLC。邊緣計算設備提供完整的安全防護策略，支持設備在接入平臺時提供基于設備硬件屬性、軟件屬性的安全服務注冊，支持通過網關的MAC地址、SN碼驗證、微服務類別、白名單驗證設備接入權限，支持設備與平臺上下行交互的通信安全認證，支持通過CA證書進行通信安全認證，支持通過AES加密算法對傳輸數據進行加密。
4.55G+AI視頻聯動故障診斷溯源系統
立體倉庫結構復雜，配套設備眾多，堆垛機結構復雜且集成度高，在使用過程中難免發生碰撞、堆疊、卡位等問題?，F階段，對此類問題均為事后發現和處理，導致生產暫停，嚴重影響了生產效率。因此，需要新的技術手段進行實時監測，及時將故障現場視頻回傳至產線維護人員，及早發現，迅速處理。將邊緣計算網關與攝像頭、堆垛機一對多進行關聯，實現邊緣側的圖像采集與圖像協同分析，如圖5所示。邊緣計算網關通過多個現場接口，接入堆垛機PLC控制器，同時采用RTSP協議接入視頻攝像頭，在故障發生瞬間，采集PLC數據，截取、推送此時視頻數據。此外，邊緣計算網關內置智能引擎、運行故障識別模型，通過堆垛機的傳感數據與視頻攝像頭的圖形數據，進行自動化分析，判斷故障是否發生，大大減少了產線維護人員的工作量，降低了人工成本，提高了生產效率。故障識別模型的訓練以邊緣計算平臺為基礎，故障影響數據通過把彩色圖片轉化成統一的灰度圖，對采集的圖片分別進行相應的標記（碰撞、堆疊、卡位等），并將所有的灰度圖片及標記的數據分為訓練集、測試集、驗證集。利用訓練集開展模型訓練，學習深度網絡參數，并通過調整參數保證模型的泛化能力，用交叉熵作為損失函數。憑借5G智能巡檢方案，故障識別模型與分揀線生產系統無縫對接，保障生產管理安全、穩定、可靠、高效運行。
5總結
計量中心通過5G+AI視頻聯動工業應用能力提升方案的電力設備落地應用，增強了故障監測及處理能力，提高了工作效率。
作者：胡恒如 田宇軒 單位：中國廣電江西網絡有限公司 北京遙感設備研究所