星火有機硅5G智慧工廠
當前，以數(shù)字化、網絡化、智能化為本質特征的第四次工業(yè)革命正在興起。工業(yè)互聯(lián)網作為新一代信息技術與制造業(yè)深度融合的產物，通過對人、機、物的全面互聯(lián)，構建起全要素、全產業(yè)鏈、全價值鏈全面連接的新型生產制造和服務體系，是數(shù)字化轉型的實現(xiàn)途徑，是實現(xiàn)新舊動能轉換的關鍵力量。而5G具備高速率大帶寬、低時延高可靠、大連接廣覆蓋的技術特性，可有效滿足工業(yè)業(yè)務苛刻的安全性、傳輸時延及可靠性要求，支撐工業(yè)互聯(lián)網快速落地。
化工行業(yè)作為國民經濟的重要組成部分，在各國的國民經濟中占有重要地位，是許多國家的基礎產業(yè)和支柱產業(yè)。化工行業(yè)的發(fā)展速度和規(guī)模對社會經濟的各個部門有著直接影響，世界化工產品年產值已超過15000億美元。化工行業(yè)發(fā)展走可持續(xù)發(fā)展道路對于人類經濟、社會發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。
江西藍星星火有機硅有限公司隸屬于中國化工集團的核心企業(yè)，是全球最大的上下游一體化有機硅化工生產基地，也是中國民族有機硅的搖籃，在企業(yè)發(fā)展的過程中，星火有機硅提出了“綠色化、精細化、智能化、國際化和可持續(xù)化” 高質量轉型升級的戰(zhàn)略目標。
一、項目概況
1. 項目背景
2019年江西藍星星火有機硅有限公司與中國電信股份有限公司九江分公司聯(lián)合召開“5G+智能化工”星火研討會，對 “5G+智能化工”星火應用展開討論，并成立“5G+智能化工”聯(lián)合創(chuàng)新實驗室聚合資源創(chuàng)新實踐。
2. 項目簡介
實驗室經過一年多的探索實踐，打造了“基于邊緣云的星火有機硅5G+智慧工廠應用”，項目基于中國電信優(yōu)勢的5G云網融合和創(chuàng)新能力，綜合運用5G、物聯(lián)網、人工智能、邊緣計算和大數(shù)據(jù)等技術，圍繞企業(yè)的安全、質量和效率三大領域的核心訴求，形成了包括5G數(shù)字孿生工廠、5G MEC企業(yè)專網、5G近紅外質量檢測、5G攝像頭移動監(jiān)控、5G安防監(jiān)測、NB在線設備監(jiān)測、5G作業(yè)人員監(jiān)測、5G智能手機巡檢、5G機器人巡檢和5G無人機送樣在內的十大場景的應用，促進了化工企業(yè)數(shù)字化和智能化，能夠有效提升化工企業(yè)的職工人身安全保障、質量管控和生產效率，降低工人勞動強度和企業(yè)用工成本。
3. 項目目標
基于星火有機硅在向高質量轉型升級的過程中遇到的切實問題，項目主要制定了以下目標：
（1）安全生產管理的實時性：通過新技術應用實現(xiàn)安全生產的實時管控、避免重大安全事故、人員事故的發(fā)生。
（2）生產過程的智能化管理：通過新技術實現(xiàn)有機硅合成工藝過程的自動化和智能化。
（3）生產運營效率的提升：通過新技術為企業(yè)提供更高效、更智能化的管理手段，實現(xiàn)生產質量效率降本增效。
二、項目實施概況
5G與工業(yè)互聯(lián)網在化工行業(yè)的應用，不僅有效地改變企業(yè)安全、環(huán)保、應急等傳統(tǒng)應用模式，而且在企業(yè)用工、生產組織方式上會帶來新的變化，將為企業(yè)提供生產環(huán)境數(shù)字化、技術裝備智能化、生產過程可視化、流程質量可控化、信息傳輸網絡化、管理決策智能化的能力。
1．項目總體架構和主要內容
（1）5G網絡建設：2019年，九江電信在星火廠區(qū)完成5G網絡建設，在廠區(qū)內建設了6個宏站和2個室分站，滿足了星火園區(qū)的5G網絡全覆蓋，5G大流量、低延時、大接入的技術能力，為實現(xiàn)企業(yè)的專網建設、質量的在線檢測、人員設備環(huán)境的實時監(jiān)測、多路高清視頻的實時傳輸、生產數(shù)據(jù)的實時上傳等提供了優(yōu)質網絡保障。
（2）5G MEC的部署：在廠區(qū)提前部署了5G+MEC，將5G核心網的部署能力下沉到星火園區(qū)，通過5G MEC的部署，將5G、4G、NB等運營商網絡與企業(yè)工業(yè)內網深度融合，滿足智慧工廠全場景安全連接的需要，同時實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，保證工業(yè)生產數(shù)據(jù)安全；MEC部署專屬應用算法，本地應用端到端時延降低到20ms以下，有效地保障了無人機、機器人以及視頻AI分析的應用。
（3）搭建數(shù)字孿生工廠平臺：通過數(shù)字孿生技術，打造集數(shù)字孿生可視化、運營管理可視化和業(yè)務管理可視化于一體的“5G+智能化工”應用平臺。通過5G工業(yè)網關、智能手環(huán)、5G攝像頭、5G無人機實現(xiàn)對工廠人、機、物的數(shù) 據(jù)采集，以此為基礎疊加大數(shù)據(jù)應用構建全新、全要素數(shù)字孿生工廠平臺，形成裝置運行的可視化管理和維護、安全生產的實時化監(jiān)測和管控、生產作業(yè)的智慧化等方向的AI安防檢測、在線設備監(jiān)測、巡送檢無人機、巡檢機器人等十大場景應用。
? 通過MEC實現(xiàn)5G、4G、NB等運營商網絡與企業(yè)工業(yè)內網深度融合，支持4G/5G/WiFi等多種制式，為企業(yè)全場景連接提供保障，滿足智慧工廠全場景安全連接的需要；同時，通過MEC更靠近用戶側部署，一方面從物理和網絡層面解決了時延問題，另一方面將內容與計算能力下沉，將業(yè)務本地分流，內容本地緩存，本地應用端到端時延降低到20ms，為更多低時延場景應用提供網絡保障；通過UPF下沉將運營商網絡與企業(yè)內網深度融合，實現(xiàn)企業(yè)工業(yè)數(shù)據(jù)及大量視頻數(shù)據(jù)本地化處理，實現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，保證工業(yè)生產數(shù)據(jù)安全，為企業(yè)的信息安全提供保障。
? 利用大數(shù)據(jù)模型算法，對化工裝置在生產過程中產生的多維度海量數(shù)據(jù)進行綜合分析，精準研判出化工裝置的運行狀態(tài)和運行趨勢，并將化工裝置的運行狀態(tài)和趨勢簡化為一張圖，如下圖所示，通過圖中狀態(tài)點的移動范圍即可實時反映出化工裝置的健康情況，同時分析結果實時在數(shù)字孿生平臺中進行可視化呈現(xiàn)，維護作業(yè)人員根據(jù)視圖可快速、準備地定位出存在問題的裝置，同時通過健康趨勢的研判也提高了裝置/設備的預測性維護率，保證化工裝置安全穩(wěn)定地運行。
? 通過5G工業(yè)網關、NB智能手環(huán)、高清攝像頭等載體對工廠人、機、物等多要素進行數(shù)據(jù)采集和匯聚，形成企業(yè)生產數(shù)據(jù)中心，并通過數(shù)字孿生技術將生產過程中的各類實時數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)精準地映射到廠區(qū)的三維仿真地圖，實現(xiàn)了工廠生產、管理、運營的可視化，極大地提升了企業(yè)生產效率，管理成本降低了20%以上。
? 采用近紅外光譜技術，通過將近紅外探針置于化工生產過程中的反應釜、管道、罐體中形成近紅外光譜圖像，利用5G大帶寬、低時延的特性，在邊緣側進行圖譜分析，在線判斷生產過程中成品的質量，大大地縮短產品檢測時間，有效地保證了產品質量的穩(wěn)定性。
? 針對化工企業(yè)安全生產，通過自研視頻AI算法，并與5G MEC技術相結合，在邊緣側對攝像頭采集的視頻畫面進行實時化分析，對于廠區(qū)內出現(xiàn)違規(guī)作業(yè)行為（如未戴安全帽、未穿防護服、發(fā)生煙火等）即時進行多渠道的告警（平臺、短信和現(xiàn)場聲光），實現(xiàn)化工園區(qū)安防監(jiān)測的實時化和閉環(huán)化管理，有效地降低違規(guī)行為80%以上。
? 利用5G技術，實現(xiàn)無人機、機器人的自動化控制，并以此為載體，利用5G無人機實現(xiàn)樣品的自動化送檢，改變了以往“人騎車”的送檢模式，將送檢間隔從4小時縮短到1小時。同時，通過結合5G機器人對廠區(qū)內的化工管廊、塔釜等裝置進行空地一體化的巡檢，減少人工巡檢的“死角”，提高巡檢覆蓋率。
2 安全及可靠性
通過開放5G網絡安全能力、保護化工企業(yè)分布在端網邊云的資產、應用和數(shù)據(jù)，支持化工業(yè)務安全合規(guī)的開展。
1）企業(yè)內網邊界/私有云安全
? 配置邊界防火墻/IPSec網關、MSCG邊界網關和AAA服務器，降低和杜絕常見網絡威脅，如蠕蟲、端口掃描、拒絕服務攻擊（DoS）和分布式拒絕服務攻擊（DDoS）、木馬等。
2）切片安全 (安全管道)
? 采用切片隔離、加密等方式，保證管道安全，防止管理面、信令面攻擊。
3）MEC安全
? 過UPF下沉到園區(qū)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)；基站和MEC之間通過IPSEC加密，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕黄髽I(yè)內網與MEC之間采用防火墻和NAT安全隔離。
? 5G核心網和MEC間部署防火墻FW1，并啟用IPSec VPN：防止外網攻擊、5GC信令被非法篡改。
? 在FW1上啟用IPS功能，實現(xiàn)入侵防護。
? 5GC和MEC側UPF間管理面使用TLS：防止網管指令被非法篡改。
? MEC與安全服務區(qū)間部署防火墻FW2，啟用IPS功能：隔離園區(qū)網絡與企業(yè)內網。
4）終端安全
? 終端通過VPN加密連接接入到MEC園區(qū)網，保護企業(yè)數(shù)據(jù)安全；MEC平臺與園區(qū)應用APP之間的消息交互采用TLS/SSL加密。
? 雙向鑒權和加密：RAN啟用5G CPE/5G 攝像頭與5G網絡進行雙向鑒權和加密(5G AKA標準)，防止仿冒CPE/5G攝像頭接入5G網絡。
? 機卡綁定：CPE終端/5G攝像頭綁定SIM卡， 防止終端仿冒。
5）安全能力開放
? 基于用戶USIM卡和運營商網絡的身份認證體系，為第三方應用提供認證服務和安全傳輸通道。
三、下一步實施計劃
1. 在生產領域的應用
通過5G高精定位、5G工業(yè)數(shù)采及反向控制、5G機器人等技術，加快化工行業(yè)生產制造的自動化和智能化，減少人員作業(yè)，將進一步地提升生產效率、降低安全隱患。
2. 在質量領域的應用
通過5G+AR技術對產線的原材料投送進行精準輔導及分析，利用5G+機器視覺對產品質量進行實時化監(jiān)測，從生產源頭、作業(yè)過程加強產品質量的管控，將有效地降低流程化工不良品的發(fā)生概率。
3. 在效率領域的應用
通過5G技術構建高品質的企業(yè)內外網，打通企業(yè)上下游產業(yè)鏈、價值鏈之間的數(shù)據(jù)鏈條，打造企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網應用，將有力地助推企業(yè)的高質量轉型。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目創(chuàng)新點
（1）5G MEC實現(xiàn)了5G+工業(yè)互聯(lián)網的全場景連接。
（2）模式化大數(shù)據(jù)算法精準研判生產裝置健康狀態(tài)。
（3）5G數(shù)字孿生工廠應用讓工廠管理更加高效化。
（4）浸入式傳感器+5G邊緣計算實現(xiàn)生產的在線質量檢測。
（5）基于5G+AI企業(yè)安全生產全要素數(shù)據(jù)采集與分析。
（6）5G+無人機與機器人實現(xiàn)天地一體化巡檢。
2. 實施效果
（1）通過一期項目的落地實施使星火有機硅預防性維修率提升80%、生產管理成本降低20%、樣品送檢效率提升75%。在工藝安全預判效率提升、生產管理成本降低、產品送檢效率、違規(guī)行為減少等方面取得實效，有效地提升企業(yè)的作業(yè)安全、質量管控和生產效率，降低工人勞動強度和企業(yè)用工成本。
（2）項目在今年工信部主辦的第三屆“綻放杯”5G應用征集大賽中榮獲“5G+工業(yè)互聯(lián)網”專題賽一等獎、全國總決賽二等獎。
（3）項目成功入選2020年國家重大科技專項03專項智能制造示范
（4）助力江西藍星星火有機硅有限公司入選江西省2020年首批“5G+工業(yè)互聯(lián)網”示范試點企業(yè)。
（5）實驗室基于項目的實踐經驗，形成了《5G+智能化工白皮書》。針對化工行業(yè)的安全、質量和效率三大領域，以“5G化工園區(qū)專網、云、模式化大數(shù)據(jù)、安全”四大技術平臺為基礎，提供十大場景應用方案。
聲明
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