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    基于700Mhz频谱的卷烟仓储物流装备5G场景化改造

      信息来源:   发布时间:2021-09-09  点击数:

    1 项目应用背景

    2021年是我国5G全面正式商用的关键一年,截至6月底,我国累计开通5G基站96.1万个,5G终端连接数约3.65亿户。工信部等十部委联合发布《5G应用“扬帆”行动计划(2021-2023)》,指引中国5G发展路线。5月27日,工信部发布5G+工业互联网第一批五大重点行业、十大应用场景,5G赋能产业升级迈出关键一步。

    中国广电作为新晋运营商,推动全国一网整合与广电5G一体化发展工作的同时,结合自身优势,利用700Mhz黄金频谱5G赋能烟草智慧物流产业。山东某烟草企业积极响应上级烟草企业号召,开展5G赋能烟草物流实践,力求打造“全面感知、数字驱动、智能管理、智慧决策”的智慧物流模式,形成较好的行业推广示范价值,兼具物流行业跨领域推广意义。

    2 项目痛点与需求

    行业痛点:烟草物流分为仓储、分拣、配送三个环节。由于货物较轻,仓库货架普遍较高,高可达27m,货架密度较大,高速移动的物流装备原库房采用Wi-Fi布网无线接入方式,但Wi-Fi穿透力差,每个货运通道都要部署多个AP导致同频干扰严重,高速移动的物流装备出现断续重连现象严重,时延较大,装备时有停摆,进而影响生产效率。分拣区面积大,流水线、RGV(水平穿梭车)多,采用有线方式存在线缆多,维护难等问题,采用Wi-Fi方式,存在同频干扰,跨越多AP时延差等情况,故应选择新的无线技术赋能两项作业。

    原子能力与愿景:结合行业客户痛点,选用700Mhz 5G进行赋能,700Mhz频谱绕射好、穿透强,实际测试中可以直接穿透6排金属货架且RSRP(接收电平)不损失。同时采用FDD(频分)技术,上下行分离,不依托时隙调整即可达到空口1ms,具有超低时延特性,使得700Mhz 5G替代Wi-Fi成为可能。同时700Mhz 5G发射功率低,基站功耗小,耗电少,部署时对电源线路要求低,园区、厂房部署电力改造要求少,节能环保。通过部署5G在赋能原有物流装备提质增效的同时,亦可依托5G开展其他应用,如生产线机器视觉质检、存储库机器视觉实物盘库、机器视觉巡防等。

    3 项目创新应用场景

    5G场景化改造主要聚焦于智慧分拣,智慧仓储与智慧园区三大领域。

    3.1 智慧分拣5G改造主要有以下三个场景

    场景一:RGV分拣机器人。订单分发到分拣产线后,RGV分拣机器人会根据订单情况将香烟按照品类运送到分拣产线。5G改造前,系统使用Wi-Fi通信,分拣机器人移动性受限,丢包率大,稳定性低,极大影响分拣效率。创新性5G改造,通过CPE+5G700Mhz方案,实现了降低丢包率,5G连续覆盖提升RGV移动性,极大提升分拣效率。

    场景二:机器视觉自动检测系统。异型烟分拣系统是根据订单要求对异性烟进行品类分拣,分拣完成后进行统一塑封归拢。该系统虽已实现自动化,但仍存在分拣错误,分拣卡顿等问题。为此,通过部署摄像头采集图像并经由5G网络回传,结合云计算进行图像识别,对产线进行实时监控。一旦出现分拣错误或分拣卡顿,马上错误报警,人为介入干预调整,提升分拣准确性,提高分拣效率。

    场景三:作业场景关键岗位操作行为监管。香烟分拣过程中,工作人员必须按要求穿着工服,分拣塑封后产品需要双手轻拿以防对打包后的成品香烟造成损坏。对于操作台工具有严格限制,一旦出现与操作无关的工具,需马上报警提醒。针对此项需求,通过摄像头+5G+AI分析,对操作区域实时监控,一旦发现穿戴不规范、操作不规范或者工作台出现异常物品,通过AI分析识别后,马上预警提醒,保证整个分拣场景规范安全。

    3.2 智慧仓储5G创新应用主要有以下两个场景

    场景一:堆垛机控制系统5G改造。堆垛机为卷烟仓储物流场景的主要运输设备。当前控制系统采用有线通信,由于仓储场景复杂,钢架林立,有线连接极大阻碍了堆垛机移动性,工厂设备“剪辫子”需求强烈。为此,通过700Mhz 5G网络连续覆盖,结合其低频穿透性好,绕射力强等优势,替换原有线网络,实现厂区灵活性生产,提升仓储物流效率。

    场景二:堆垛机自动盘点。仓储堆垛机在操作过程中,常有抬升场景,高空操作危险性高,因此5G无人化自动盘点成为堆垛机应用新需求。堆垛机部署全方位视频摄像头,读取货物条码信息,检测货物箱体状况,通过5G大带宽,将视频资源实时回传,通过后台AI系统,自动进行信息读取、分析、储存。通过部署5G边缘计算MEC,数据业务不出园区,降低端到端时延,且结合数字孪生相关理念,智能化分析货物仓储周期,优先发货仓储时间较久产品,实现堆垛机自动化盘点与数据分析相结合。

    3.3 智慧园区5G创新应用场景

    运用5G技术,率先在行业内建立以5G专网为依托的地市级烟草智慧监管系统。系统包括一个平台、一个数据中心、九个应用系统,实现对所有业务生产数据和经营管理数据的统一集成管理,包括:统一安防管控、AI赋能规范关键岗位操作、作业环境监测、一脸通管理功能、一张图全景管理功能、安消一体化功能、测温系统管理功能、月台调度管理功能、厂区车辆限速测速。

    4 项目网络方案

    4.1 项目设计理念

    结合广电700Mhz网络巨大优势,山东某烟草启动5G智能化改造,成为全国首个使用700Mhz网络进行5G智能改造并实现应用落地项目。项目旨在打造一张安全可靠、大带宽、低时延、数据不出局的5G安全专网,用以承载各类不同功能的智慧物流+智慧制造系统,突破传统有线或者Wi-Fi的技术瓶颈,使更多的智慧系统应用于智慧制造建设,同时对所有网络实现统一规划、建设、运维,高效服务于烟草物流行业信息化、数据化、智能化的需求。

    图1:网络拓扑

    图1:网络拓扑   下载原图


    4.2 5G网络方案整体先容

    5G基础网络建设内容有:1套室内工坊区700Mhz 5G基站、1套室外700Mhz 5G基站、1台防火墙、1套MEC边缘计算设施、若干5G接入终端CPE。并通过与智慧分拣系统、智慧仓储系统、智慧园区系统三大系统的对接,实现5G分拣,仓储,物流场景创新应用改造。

    4.3 5G网络拓扑图先容

    如图1所示。

    4.4 5G网络解决方案说明

    4.4.1 无线网络

    本项目共使用两套5G基站。共计6面天线加6台RRU。其中部署仓储区2面天线,分拣区1面天线,联合工房室外园区3面天线,实现厂区5G连续覆盖。700M频段范围:UL 703-733MHz,DL 758-788MHz,FDD 2*30M频谱,700M天线射频采用4T4R天线。

    4.4.2 MEC边缘计算

    MEC边缘计算设备部署在烟草信息机房,采用1套基于ARM架构的MEC/UPF硬件设备。通过数据转发,数据本地卸载功能,降低方案端到端时延,并保证数据不出园区,提升网络安全可靠性。MEC下联位于同信息机房的专网传输设备,采用光纤跳线连接,上联位于同信息机房的5G专网隔离防火墙。

    4.4.3 5G应用接入终端设备CPE

    设备改造涉及传送带、机械臂、上位机、堆垛机、异形烟库RGV穿梭车、暂存烟库多穿小车、下位机PLC控制单元、3D-MR巡检眼镜、3D识别摄像头等多种设备。CPE采用700MHz 5G信号与专网基站射频发射单元通讯;同时采用有线方式或者Wi-Fi方式与终端物流设备连接。

    CPE应用场景主要采用以下三种技术模式:

    模式一:5G-IP穿透模式。5G-IP地址直接穿透在物流终端设备,相当于5G核心网穿透CPE直接给物流终端分配IP地址,适用于单一的物流终端设备。如仓储区高架库多穿RGV小车。

    模式二:5G-NAT端口转换网关模式。CPE作为工业网关使用,对于网关下联的各类物流终端通过端口转换方式统一集中到应用平台,适用于一个整体终端包含多种子终端的场景。如堆垛机实现3D智能盘库。

    模式三:DMZ主机模式。CPE作为工业网关使用,对于网关下联的各类物流终端通过DMZ映射方式统一集中到应用平台,适用于一个整体物流终端含有1个主终端以及多个子模块物流终端的系统。如智慧分拣系统的RGV分拣小车。

    4.4.4 5G网络切片:端到端切片方案

    5 G专网为烟草5 G创新应用提供了更好的体验,项目通过无线,传输,核心网多个维度打通端到端切片方案。

    无线侧,选用独立专网隔离性最强切片方式,切片使用独立物理基站和频谱,独立5G小区。通过专用APN方式,限定仅烟草相关终端应用才可接入网络,保证应用独占5G大带宽。将To C业务与To B工业场景业务隔离,保证工业场景应用带宽资源不被侵占。

    核心网侧,通过MEC下沉厂区边缘,实现用户面数据本地转发卸载,数据本地分流。核心网MEC边缘计算的部署,既实现了业务隔离,满足数据不出园厂区的安全需求;又通过核心网边缘部署,降低端到端时延,使RGV/AGV远程调动、工业PLC实时控制等多场景创新应用成为可能。

    5 实用性分析

    项目涉及智能分拣、仓库盘点、智慧物流等多场景5G改造,创新应用广电700Mhz新频谱,使烟草自动化效率显著提高。

    智能分拣场景,RGV通过5G,降低丢包率提升分拣效率。机器视觉自动检测系统,将异型烟检测准确率提高至99.9%,分拣设备作业效率提升3.1%,月均节省用电成本一万余元。

    堆垛机自动盘点场景,通过700Mhz 5G网络实现了设备“剪辫子”,提升堆垛车灵活性。堆垛车无人化,自动化改造,即保证了操作人员安全,又提升了仓库实时盘点的准确性,设备有效作业率提升至99.2%,年节约人工成本费用9.1万元。

    智慧配送场景,通过对现有物流车辆5G化改造,实行车辆通信从无到有,通过实时监测优化车辆配送路线,年均节省物流成本662万元。此外,对驾驶室司机状态进行监控,提升行车安全,并实现了车辆数据状态实时共享。

    智慧监管场景,烟草5G智慧物流园区初具规模,依托700Mhz5G网络,实时对园区所有数据统一进行管理,实现企业数字化,智能化高效管控。

    广电在5G先进制造升级改造过程中对端到端进行网络性能测试验证。通过复杂的应用调试对接,最终达到丢包率<0.1%。端到端时延在CPE使用IP穿透场景下,可达8-14ms,在CPE使用网关模式场景下可达16-20ms。根据2T4R TUE测试结果显示,峰值速率可达400-500Mbps。充分展示了5G大带宽,低时延,大上行原子能力,开启了广电5G在智慧物流领域的崭新篇章。

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