瑞斯康达科技发展股份有限公司
一、 市场背景
作为新基建的重要项目，国家对5G网络建设极为重视，通过工信部组织了多次技术试验后，发布了相关行业标准，并针对三大运营商和广电发布了4张5G牌照。考虑到毫米波的建设成本，国内牌照前期以Sub6G为主，并且整合了部分原有4G频段，进一步增强5G基站的覆盖能力。近三年三大运营商进行了多轮5G基站规模建设，总共建设规模超过100万台。三大电信运营商纷纷制定计划，推进5G应用的落地和5G+工业互联网的创新研发工作，坚持SA发展方向，引领行业发展，通过5G网络切片、行业MEC、工业互联网平台等自主研发成果，助力企业数字化转型。
面向制造业数字化、网络化与智能化升级以及工业互联网的5G融入均成为了5G的主力落地点，特别是在工厂、交通、港口、能源等行业进行了基于5G+工业互联网的技术验证与应用，取得了良好的示范效果。
二、 需求分析
近几年来，物联网架构逐渐由传统的云管端架构向云管边端模式演进，在靠近设备或流量的位置部署第一层计算能力，可以实现智能或协调的事件响应，并有助于减轻云端对于多种类型数据接入的负担，有效降低接入成本。边缘计算有5个核心价值点：海量异构连接、支持高实时性业务、数据聚合、支持边缘智能分析处理，以及私有安全域的深度保护。瑞斯康达在前期已经开始针对工业物联网市场研发工业边缘计算类网关产品，不同于以往工业领域的网络传输CT类设备，网关设备强调对用户协议的解析，不再是透明管道，转为需要理解用户业务和上下端的产品。通过工业网关可实现工业现场设备和工业互联网云端连接，实现产业物联网数字化和智能化改造。工业物联网络架构如图1所示。
图1 工业物联网络架构
三、 解决方案
瑞斯康达作为具备5G微基站和工业应用终端整体解决方案的厂家，很早就开展了5G技术的试点与应用。经过多年的技术积累，瑞斯康达建立起云管边端的工业物联网架构。为了拓展新的应用领域以及结合国家提出的新基建机会点，瑞斯康达结合多年行业应用经验及自身对于5G网络和虚拟化技术的理解，推出了新一代工业物联5G网关。整个系统参考最新的边缘计算软件架构，所有功能实现了虚拟化、模块化，实现硬件和软件解耦合的通用化平台，极大降低了工业网关现场应用门槛和用户二次开发成本。积极拥抱开源资源，实现共享共赢。
工业5G网关中采用了最新一代5G芯片，同时支持3G/4G/5G网络，在Sub 6G频段典型值可达到的LTE Cat.12, 具备5G独立组网(SA)和非独立组网（NSA）两种运行模式。配合运营商MEC移动边缘计算和5G微基站部署，工业5G网关可以开展uRLLC类对于时间敏感的无人驾驶、工业控制等业务。整机模块化设计，支持多种工业现场物理接口需求，实现硬件的通用性；自主研制基于Linux的软硬件解耦的嵌入式网关软件固件系统，实现30种以上工业现场总线或工业以太网协议与5G协议的转换交互。无线有线一体的低时延数据转发/消息分发技术，实现工业数据在网关设备的处理及透传时延小于5ms。基于深度学习技术自动识别协议类型并可按网络管理平台要求进行TCP加速和整形，实现包括网关功能完整性和网关设备存储的分级安全要求，同时采用国密算法，进一步提高安全等级，最终实现可云管理的工业5G通用网关产品。适配工厂、交通、园区、能源等多个行业。方案总体架构如图2所示。
图2 方案总体架构
工业5G网关基于软件定义和容器虚拟化的体系架构，超低时延的异构资源调度，不同类型多核异构硬件架构支持下的应用软件与硬件间的解耦技术与统一驱动，提供极好的软件架构通用性和多语言编程能力，方便用户进行二次开发。通过云边协同平台可以实现终端设备远程管理、边缘计算资源和状态感知服务、数据协同服务、应用协同服务和任务调度服务。通过嵌入式智能重构服务，可以重构现场协议、重构数据处理逻辑、重构数据分发格式，解决了现场未知业务的调测问题。通过平台在线可调试技术，可以应对复杂、多样的现场环境，远程对现场问题进行调试，实现远程开发。系统架构如图3所示。
图3系统架构
四、 应用前景
（一）工业机器人
将计算和存储资源部署到网络边缘，不仅可以减少核心网和互联网上的流量，还可以显著降低传输时延，提高网络可靠性。降低时延的业务需要5G网关、移动蜂窝网（接入网和核心网）、互联网、数据中心的端到端的保障。通过使用低转发延时的工业网关和URLLC模式下的基站的数据通路延时可以达到5毫秒。在5G中，其核心网引入了分布式网关，网关可以下沉到基站附近，边缘服务器可以直接连接到分布式MEC网关上，大大降低网络的端到端时延。边缘计算的引入将解决终端能力受限和云计算的实时响应的问题，增强机器人云端大脑的 实时响应能力，对于满足机器人4.0的要求十分关键，比如实时的推理、场景理解、操控等等。同时将大部分机器人的智能布署在边缘和云端，通过协作和不断的训练，持续不断的提高机器人智能，比如通过边缘计算能更好的支持实时的多机协作，支持实时的知识图谱提取、理解和决策，持续不断的提高机器人的智能。边缘计算和云计算还可以解决机器人终端升级维护的困难，在机器人本体的生命周期内不断升级，提高机器人的能力，增强数据安全和隐私保护，充分利用摩尔定律带来的性能提升。
工业现场不同的工业机器人控制器控制协议不一致，通过工业5G通用网关中启用不同的控制器的协议模块，来控制现场的工业机器人。通过使用5G网关上的规则引擎，区分数据的处理路径。基于生产环境的实时数据和边缘计算，实现设备优化调整，协同工作，构建智能机器和柔性产线；基于信息系统数据、制造执行数据、控制系统数据的集成处理和大数据建模分析，结合5G的低延迟和大量接入以及MEC集群，可以实现大型工厂的生产运营管理的动态优化调整，形成各种场景下的智能生产模式，在MEC就可以进行部分数据的机器学习，进行可预测性维护，以及大数据量的分析。基于供应链数据、用户需求数据、产品服务数据的综合集成与分析，实现企业资源组织和商业活动的创新，形成网络化协同、个性化定制、服务化延伸等新模式。工业机器人通信网络 如图4所示。
图4工业机器人通信网络
（二） 工业现场PLC
PLC在工业现场有大量的应用，能够协同好各种不同PLC设备工作就能很好的利用原有资产，完成柔性化制造的需求。但是各家的PLC的通信协议各有不同，无法互通，包括链路层和协议层都不一样。
TSN 从链路层上保证了不同通信类型共存的可能性，同时保留实时通信的定时特性。一些现有的实时网络（例如 PROFINET、EtherNet/IP）使用通信规划和 QoS 来保证在设备运行良好条件下的行为。由于将 TSN 用作数据链路层，因此这些技术可以更好地利用带宽效率，因为 TSN 无条件保护了高优先级的通信。OPCUA的出现就是为了解决复杂的现场总线无法互通的问题，目前已经越来越多的工业厂家的PLC以及现场设备支持OPCUA协议。而且OPCUA协议不仅考虑到了现场通信，也考虑了工厂外的业务通信，OPCUA会是未来的工业协议标准。 工业现场PLC通信网络如图5所示。
图5工业现场PLC通信网络
工业5G通用网关支持工业环网，通过TSN完成实时和非实时通信。通过OPCUA协议连接不同厂家的PLC设备，实现异厂家的PLC的协同工作。
（三）工业摄像机
工业摄像机是一种适用于智能交通、高清电子警察系统、工业检测、半导体检测、印制板检测、食品饮料检测等众多领域应用的高分辨率彩色数字摄像机。它具传输速度快，色彩还原性好，成像清晰等特点。不但能够方便拍摄显微图像，而且能够测量拍摄物体的长度、角度、面积等系列参数。高分辨率工业数字摄像机安装使用操作也很简单。现代的工业摄像机支持ONVIF、GB28181等通用协议，保证了协议操作的一致性，而且提供了对摄像机的控制功能。当视频数据量过大的时候，可能会占用上行链路的带宽，导致控制协议得不到调度。
工业边缘计算网关，能够利用5G网络的大带宽和低延时快速透传大量的视频数据，而且可以识别ONVIF、GB28181等通用协议，在传输数据数据的过程，可以配置优先保证ONVIF、GB28181的数据优先传输，从而保证控制流的高优先级。同时在工业边缘计算网关中，提供边缘视频数据处理的能力，在不需要把所有信息上传到平台的情况，本地对视频流进行处理，把需要上传的数据再上传到管控平台。工业摄像机通信网络如图6所示。
图6 工业摄像机通信网络
（四） AGV无人车
(Automated Guided Vehicle，简称AGV)，通常也称为AGV小车指装备有电磁或光学等自动导引装置，它能够沿规定的导引路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。随着物流系统的迅速发展，AGV的应用范围不断扩展，广泛运用于机场、港口、大型物流园区等领域，具有良好的环境适应能力。机场、港口和大型物流园区AGV主要由2.4G及5.8GWiFi网络和千兆以内的数字集群等系统组成。由于采用的是非授权的频段，WiFi网络存在外部干扰大、支持并发用户数低等问题，很难达到电信级的高可靠性标准。此前受制于网络技术瓶颈，港口自动导引运输车的指令数据传输并不稳定，AGV小车作业效率受到制约。5G技术的发展为无人车方案提供新的解决思路，目前通过5G分片网络替代WiFi技术可以解决了传统模式下的通信异常干扰、高时延等问题，成功实现自动导引运输车控制信号的低时延、高可靠性传输。自动导引运输车的无线通信质量与作业可靠性得到有力保障，整体运营效能大大提升。
AGV为移动无人车辆，如果通过5G网络就可以将原有的AGV的升级为云化的AGV，即把AGV上位机运行的定位、导航、图像识别及环境感知等需要复杂计算能力需求的模块上移到5G的边缘计算MEC服务器大大降低了原有AGV传感和计算能力的成本，同时运动控制/紧急避障等实时性要求更高的模块仍然保留在AGV本体以满足安全性等要求。这相当于在云端为AGV增加了一个大脑，除AGV原有的复杂计算以外，各种各样的AI能力扩展成为可能。边缘计算和云计算的结合将突破AGV终端的计算能力和存储的限制，提高AI算法的训练和推理能力，同时将大部分机器人智能布署在边缘和云端，通过协作和不断地训练，持续不断地提高AGV智能化程度。
5G带宽实测下行超过800Mbps、上行超过60Mbps，可以满足了云化业务的性能要求。通过5G网络在分组分发、自动寻址和服务质量QoS上的优势，网络延迟从200ms降至20ms以下并且高可靠性，现场作业的画面都能以高清视频的方式实时回传至中控室，达到全天候全流程的实时在线监控和AGV远程控制的需求。
5G车载网关类产品可以为传统AGV车辆提供5G接入能力，实现wifi网络到5G网络的转换。同时网关还可以作为AGV内部工业总线的承载体，通过高速以太网实现AGV传感器和视频摄像头等组网，实现OT和IT整合。AVG无人车通信网络如图7所示。
图7AVG无人车通信网络
五、 技术优势
1、集成化设备，能够融合IT、OT、CT设备。接口扩展单元可以单设备满足客户不同场景需求。
2、多核计算能力具备强大的计算能力，扩展子卡提供AI加速算力。
3、软件仓库支持应用程序和docker容器一体化管理和部署，兼容第三方编写的应用。
4、瑞斯康达管理平台可以实现设备管理和应用管理并有接口对接第三方平台，支持私有化部署。
5、二层三层链路备份，设备支持双SIM卡、双光纤口互为保护。
6、支持MQTT或MQTTS协议，阿里、百度天工、AWS等多种平台上行，到手可用。
7、支持国密加密算法和身份信息芯片，满足国家敏感行业保密要求。
8、支持PLCopen软PLC功能，支持比如Codesys，LogiCAD等开发软件，满足IEC 61131-3标准。对于无基础人员还可以通过图形化编程方式降低开发难度。
9、通过可选实时以太网专用芯片直接对PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、POWERLINK网络进行采集。
10、工业5G网关内部网络支持PRP保护或者环网保护，适用于对于可靠性和实时性高的行业。
六、 结语
瑞斯康达工业5G边缘计算物联方案致力于打造一个通用化的软硬件平台，让各类采集设备厂家、平台应用厂家和工业APP厂家可以专注于自己的业务，不需要关心硬件适配和各类底层驱动，通过应用入驻模式快速实现各类工业物联网应用快速落地。
