星火有機(jī)硅5G智慧工廠
當(dāng)前，以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化為本質(zhì)特征的第四次工業(yè)革命正在興起。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的產(chǎn)物，通過(guò)對(duì)人、機(jī)、物的全面互聯(lián)，構(gòu)建起全要素、全產(chǎn)業(yè)鏈、全價(jià)值鏈全面連接的新型生產(chǎn)制造和服務(wù)體系，是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實(shí)現(xiàn)途徑，是實(shí)現(xiàn)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵力量。而5G具備高速率大帶寬、低時(shí)延高可靠、大連接廣覆蓋的技術(shù)特性，可有效滿足工業(yè)業(yè)務(wù)苛刻的安全性、傳輸時(shí)延及可靠性要求，支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速落地。
化工行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，在各國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位，是許多國(guó)家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)。化工行業(yè)的發(fā)展速度和規(guī)模對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門有著直接影響，世界化工產(chǎn)品年產(chǎn)值已超過(guò)15000億美元。化工行業(yè)發(fā)展走可持續(xù)發(fā)展道路對(duì)于人類經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司隸屬于中國(guó)化工集團(tuán)的核心企業(yè)，是全球最大的上下游一體化有機(jī)硅化工生產(chǎn)基地，也是中國(guó)民族有機(jī)硅的搖籃，在企業(yè)發(fā)展的過(guò)程中，星火有機(jī)硅提出了“綠色化、精細(xì)化、智能化、國(guó)際化和可持續(xù)化” 高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
一、項(xiàng)目概況
1. 項(xiàng)目背景
2019年江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司與中國(guó)電信股份有限公司九江分公司聯(lián)合召開(kāi)“5G+智能化工”星火研討會(huì)，對(duì) “5G+智能化工”星火應(yīng)用展開(kāi)討論，并成立“5G+智能化工”聯(lián)合創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室聚合資源創(chuàng)新實(shí)踐。
2. 項(xiàng)目簡(jiǎn)介
實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)一年多的探索實(shí)踐，打造了“基于邊緣云的星火有機(jī)硅5G+智慧工廠應(yīng)用”，項(xiàng)目基于中國(guó)電信優(yōu)勢(shì)的5G云網(wǎng)融合和創(chuàng)新能力，綜合運(yùn)用5G、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、邊緣計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，圍繞企業(yè)的安全、質(zhì)量和效率三大領(lǐng)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(wǎng)、5G近紅外質(zhì)量檢測(cè)、5G攝像頭移動(dòng)監(jiān)控、5G安防監(jiān)測(cè)、NB在線設(shè)備監(jiān)測(cè)、5G作業(yè)人員監(jiān)測(cè)、5G智能手機(jī)巡檢、5G機(jī)器人巡檢和5G無(wú)人機(jī)送樣在內(nèi)的十大場(chǎng)景的應(yīng)用，促進(jìn)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(zhì)量管控和生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)用工成本。
3. 項(xiàng)目目標(biāo)
基于星火有機(jī)硅在向高質(zhì)量轉(zhuǎn)型升級(jí)的過(guò)程中遇到的切實(shí)問(wèn)題，項(xiàng)目主要制定了以下目標(biāo)：
（1）安全生產(chǎn)管理的實(shí)時(shí)性：通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)的實(shí)時(shí)管控、避免重大安全事故、人員事故的發(fā)生。
（2）生產(chǎn)過(guò)程的智能化管理：通過(guò)新技術(shù)實(shí)現(xiàn)有機(jī)硅合成工藝過(guò)程的自動(dòng)化和智能化。
（3）生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)效率的提升：通過(guò)新技術(shù)為企業(yè)提供更高效、更智能化的管理手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)質(zhì)量效率降本增效。
二、項(xiàng)目實(shí)施概況
5G與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在化工行業(yè)的應(yīng)用，不僅有效地改變企業(yè)安全、環(huán)保、應(yīng)急等傳統(tǒng)應(yīng)用模式，而且在企業(yè)用工、生產(chǎn)組織方式上會(huì)帶來(lái)新的變化，將為企業(yè)提供生產(chǎn)環(huán)境數(shù)字化、技術(shù)裝備智能化、生產(chǎn)過(guò)程可視化、流程質(zhì)量可控化、信息傳輸網(wǎng)絡(luò)化、管理決策智能化的能力。
1．項(xiàng)目總體架構(gòu)和主要內(nèi)容
（1）5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)：2019年，九江電信在星火廠區(qū)完成5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，在廠區(qū)內(nèi)建設(shè)了6個(gè)宏站和2個(gè)室分站，滿足了星火園區(qū)的5G網(wǎng)絡(luò)全覆蓋，5G大流量、低延時(shí)、大接入的技術(shù)能力，為實(shí)現(xiàn)企業(yè)的專網(wǎng)建設(shè)、質(zhì)量的在線檢測(cè)、人員設(shè)備環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、多路高清視頻的實(shí)時(shí)傳輸、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)上傳等提供了優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)保障。
（2）5G MEC的部署：在廠區(qū)提前部署了5G+MEC，將5G核心網(wǎng)的部署能力下沉到星火園區(qū)，通過(guò)5G MEC的部署，將5G、4G、NB等運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)工業(yè)內(nèi)網(wǎng)深度融合，滿足智慧工廠全場(chǎng)景安全連接的需要，同時(shí)實(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，保證工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)安全；MEC部署專屬應(yīng)用算法，本地應(yīng)用端到端時(shí)延降低到20ms以下，有效地保障了無(wú)人機(jī)、機(jī)器人以及視頻AI分析的應(yīng)用。
（3）搭建數(shù)字孿生工廠平臺(tái)：通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)，打造集數(shù)字孿生可視化、運(yùn)營(yíng)管理可視化和業(yè)務(wù)管理可視化于一體的“5G+智能化工”應(yīng)用平臺(tái)。通過(guò)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、智能手環(huán)、5G攝像頭、5G無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)工廠人、機(jī)、物的數(shù) 據(jù)采集，以此為基礎(chǔ)疊加大數(shù)據(jù)應(yīng)用構(gòu)建全新、全要素?cái)?shù)字孿生工廠平臺(tái)，形成裝置運(yùn)行的可視化管理和維護(hù)、安全生產(chǎn)的實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)和管控、生產(chǎn)作業(yè)的智慧化等方向的AI安防檢測(cè)、在線設(shè)備監(jiān)測(cè)、巡送檢無(wú)人機(jī)、巡檢機(jī)器人等十大場(chǎng)景應(yīng)用。
? 通過(guò)MEC實(shí)現(xiàn)5G、4G、NB等運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)工業(yè)內(nèi)網(wǎng)深度融合，支持4G/5G/WiFi等多種制式，為企業(yè)全場(chǎng)景連接提供保障，滿足智慧工廠全場(chǎng)景安全連接的需要；同時(shí)，通過(guò)MEC更靠近用戶側(cè)部署，一方面從物理和網(wǎng)絡(luò)層面解決了時(shí)延問(wèn)題，另一方面將內(nèi)容與計(jì)算能力下沉，將業(yè)務(wù)本地分流，內(nèi)容本地緩存，本地應(yīng)用端到端時(shí)延降低到20ms，為更多低時(shí)延場(chǎng)景應(yīng)用提供網(wǎng)絡(luò)保障；通過(guò)UPF下沉將運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)深度融合，實(shí)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(shí)現(xiàn)企業(yè)數(shù)據(jù)不出廠區(qū)，保證工業(yè)生產(chǎn)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(duì)化工裝置在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的多維度海量數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，精準(zhǔn)研判出化工裝置的運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行趨勢(shì)，并將化工裝置的運(yùn)行狀態(tài)和趨勢(shì)簡(jiǎn)化為一張圖，如下圖所示，通過(guò)圖中狀態(tài)點(diǎn)的移動(dòng)范圍即可實(shí)時(shí)反映出化工裝置的健康情況，同時(shí)分析結(jié)果實(shí)時(shí)在數(shù)字孿生平臺(tái)中進(jìn)行可視化呈現(xiàn)，維護(hù)作業(yè)人員根據(jù)視圖可快速、準(zhǔn)備地定位出存在問(wèn)題的裝置，同時(shí)通過(guò)健康趨勢(shì)的研判也提高了裝置/設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)率，保證化工裝置安全穩(wěn)定地運(yùn)行。
? 通過(guò)5G工業(yè)網(wǎng)關(guān)、NB智能手環(huán)、高清攝像頭等載體對(duì)工廠人、機(jī)、物等多要素進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和匯聚，形成企業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)中心，并通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)將生產(chǎn)過(guò)程中的各類實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與分析數(shù)據(jù)精準(zhǔn)地映射到廠區(qū)的三維仿真地圖，實(shí)現(xiàn)了工廠生產(chǎn)、管理、運(yùn)營(yíng)的可視化，極大地提升了企業(yè)生產(chǎn)效率，管理成本降低了20%以上。
? 采用近紅外光譜技術(shù)，通過(guò)將近紅外探針置于化工生產(chǎn)過(guò)程中的反應(yīng)釜、管道、罐體中形成近紅外光譜圖像，利用5G大帶寬、低時(shí)延的特性，在邊緣側(cè)進(jìn)行圖譜分析，在線判斷生產(chǎn)過(guò)程中成品的質(zhì)量，大大地縮短產(chǎn)品檢測(cè)時(shí)間，有效地保證了產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。
? 針對(duì)化工企業(yè)安全生產(chǎn)，通過(guò)自研視頻AI算法，并與5G MEC技術(shù)相結(jié)合，在邊緣側(cè)對(duì)攝像頭采集的視頻畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)化分析，對(duì)于廠區(qū)內(nèi)出現(xiàn)違規(guī)作業(yè)行為（如未戴安全帽、未穿防護(hù)服、發(fā)生煙火等）即時(shí)進(jìn)行多渠道的告警（平臺(tái)、短信和現(xiàn)場(chǎng)聲光），實(shí)現(xiàn)化工園區(qū)安防監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)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(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)、機(jī)器人的自動(dòng)化控制，并以此為載體，利用5G無(wú)人機(jī)實(shí)現(xiàn)樣品的自動(dòng)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(shí)縮短到1小時(shí)。同時(shí)，通過(guò)結(jié)合5G機(jī)器人對(duì)廠區(qū)內(nèi)的化工管廊、塔釜等裝置進(jìn)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(guò)開(kāi)放5G網(wǎng)絡(luò)安全能力、保護(hù)化工企業(yè)分布在端網(wǎng)邊云的資產(chǎn)、應(yīng)用和數(shù)據(jù)，支持化工業(yè)務(wù)安全合規(guī)的開(kāi)展。
1）企業(yè)內(nèi)網(wǎng)邊界/私有云安全
? 配置邊界防火墻/IPSec網(wǎng)關(guān)、MSCG邊界網(wǎng)關(guān)和AAA服務(wù)器，降低和杜絕常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò)威脅，如蠕蟲(chóng)、端口掃描、拒絕服務(wù)攻擊（DoS）和分布式拒絕服務(wù)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(guò)UPF下沉到園區(qū)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不出園區(qū)；基站和MEC之間通過(guò)IPSEC加密，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩裕黄髽I(yè)內(nèi)網(wǎng)與MEC之間采用防火墻和NAT安全隔離。
? 5G核心網(wǎng)和MEC間部署防火墻FW1，并啟用IPSec VPN：防止外網(wǎng)攻擊、5GC信令被非法篡改。
? 在FW1上啟用IPS功能，實(shí)現(xiàn)入侵防護(hù)。
? 5GC和MEC側(cè)UPF間管理面使用TLS：防止網(wǎng)管指令被非法篡改。
? MEC與安全服務(wù)區(qū)間部署防火墻FW2，啟用IPS功能：隔離園區(qū)網(wǎng)絡(luò)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)。
4）終端安全
? 終端通過(guò)VPN加密連接接入到MEC園區(qū)網(wǎng)，保護(hù)企業(yè)數(shù)據(jù)安全；MEC平臺(tái)與園區(qū)應(yīng)用APP之間的消息交互采用TLS/SSL加密。
? 雙向鑒權(quán)和加密：RAN啟用5G CPE/5G 攝像頭與5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向鑒權(quán)和加密(5G AKA標(biāo)準(zhǔn))，防止仿冒CPE/5G攝像頭接入5G網(wǎng)絡(luò)。
? 機(jī)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(kāi)放
? 基于用戶USIM卡和運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的身份認(rèn)證體系，為第三方應(yīng)用提供認(rèn)證服務(wù)和安全傳輸通道。
三、下一步實(shí)施計(jì)劃
1. 在生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用
通過(guò)5G高精定位、5G工業(yè)數(shù)采及反向控制、5G機(jī)器人等技術(shù)，加快化工行業(yè)生產(chǎn)制造的自動(dòng)化和智能化，減少人員作業(yè)，將進(jìn)一步地提升生產(chǎn)效率、降低安全隱患。
2. 在質(zhì)量領(lǐng)域的應(yīng)用
通過(guò)5G+AR技術(shù)對(duì)產(chǎn)線的原材料投送進(jìn)行精準(zhǔn)輔導(dǎo)及分析，利用5G+機(jī)器視覺(jué)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)化監(jiān)測(cè)，從生產(chǎn)源頭、作業(yè)過(guò)程加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)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(lǐng)域的應(yīng)用
通過(guò)5G技術(shù)構(gòu)建高品質(zhì)的企業(yè)內(nèi)外網(wǎng)，打通企業(yè)上下游產(chǎn)業(yè)鏈、價(jià)值鏈之間的數(shù)據(jù)鏈條，打造企業(yè)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，將有力地助推企業(yè)的高質(zhì)量轉(zhuǎn)型。
四、項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)和實(shí)施效果
1. 項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)
（1）5G MEC實(shí)現(xiàn)了5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的全場(chǎng)景連接。
（2）模式化大數(shù)據(jù)算法精準(zhǔn)研判生產(chǎn)裝置健康狀態(tài)。
（3）5G數(shù)字孿生工廠應(yīng)用讓工廠管理更加高效化。
（4）浸入式傳感器+5G邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的在線質(zhì)量檢測(cè)。
（5）基于5G+AI企業(yè)安全生產(chǎn)全要素?cái)?shù)據(jù)采集與分析。
（6）5G+無(wú)人機(jī)與機(jī)器人實(shí)現(xiàn)天地一體化巡檢。
2. 實(shí)施效果
（1）通過(guò)一期項(xiàng)目的落地實(shí)施使星火有機(jī)硅預(yù)防性維修率提升80%、生產(chǎn)管理成本降低20%、樣品送檢效率提升75%。在工藝安全預(yù)判效率提升、生產(chǎn)管理成本降低、產(chǎn)品送檢效率、違規(guī)行為減少等方面取得實(shí)效，有效地提升企業(yè)的作業(yè)安全、質(zhì)量管控和生產(chǎn)效率，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度和企業(yè)用工成本。
（2）項(xiàng)目在今年工信部主辦的第三屆“綻放杯”5G應(yīng)用征集大賽中榮獲“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”專題賽一等獎(jiǎng)、全國(guó)總決賽二等獎(jiǎng)。
（3）項(xiàng)目成功入選2020年國(guó)家重大科技專項(xiàng)03專項(xiàng)智能制造示范
（4）助力江西藍(lán)星星火有機(jī)硅有限公司入選江西省2020年首批“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”示范試點(diǎn)企業(yè)。
（5）實(shí)驗(yàn)室基于項(xiàng)目的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，形成了《5G+智能化工白皮書(shū)》。針對(duì)化工行業(yè)的安全、質(zhì)量和效率三大領(lǐng)域，以“5G化工園區(qū)專網(wǎng)、云、模式化大數(shù)據(jù)、安全”四大技術(shù)平臺(tái)為基礎(chǔ)，提供十大場(chǎng)景應(yīng)用方案。
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