摘要：信息化建设为企业发展提供了有利条件。然而，当前在信息通信基础设施建设方面，传统的Wi-Fi通信网络已逐渐不能满足实际工作需求，而5G网络部署具备大带宽、低时延、广连接的特性。本文主要介绍了国家电网计量中心采用5G网络并结合边缘计算+物联网+AI视频联动技术的方式，为实际工业应用提供稳定高效的通信保障。
关键词：AI视频联动技术;5G无线网络;边缘计算网关
1需求分析
当前，由于网络延时长、设备老旧等，国家电网计量中心存在计量设备检测效率低下、出入仓错误率高、通信时延过长导致设备立体仓库托盘入位不准确等问题。经过认真分析，结合5G通信的特点，提出采用5G白盒化基站+边缘计算+物联网+AI视频联动技术，改善网络连接，提高出入仓效率，提升入位准确率，并通过视频联动分拣技术，提高检测效率，助力生产运营。
2建设目标
紧跟国家战略，建立新一代5G通信网络在电子智能计量检测行业的应用，打造5G网络在行业计量行业应用实践创新；基于白盒化技术搭建5G网络，减轻数据传输压力，为业界商用5G白盒化技术提供样板；建设边缘计算平台+5GC核心网方案，保证行业计量生产运行数据不出局，满足行业计量行业对网络安全性的要求；通过边缘计算网关实现现场摄像头、机械臂和传送带等设备进行5G互联。借助AI机器视觉进行自动化故障分析与判断，助力产线数字化升级与降本增效。
3建设内容
以智能生产监测业务为主体，建设5G网络承载下的AI视频联动系统，为智能化、无人化巡检发展奠定网络与平台基础，建设内容包含以下3个方面。一是采用符合ORAN标准的白盒化小基站产品，实现计量中心立体仓库5G网络信号全覆盖，通过5G网络eMBB高带宽能力承载现场视频业务。二是建设边缘计算+5GC核心网下沉平台，一方面，为立体仓库诊断应用提供5G网络基础设施服务；另一方面，保证厂区数据不出厂，实现计量中心对通信安全和数据安全隔离。三是建设针对立体仓库系统的5G+AI视频联动故障诊断溯源系统，实现现场视频摄像头、堆垛机、产线故障检测设备等的互通互联，实现现场产线故障发生时快速产生视频告警，记录故障发生过程。
4技术方案
计量中心内全面覆盖5G网络，通过边缘计算网关的方式与现场摄像头、机械臂、传送带等设备进行互联。MEP（MECPlatform）平台上承载5G网络用户面数据，通过多种方式实现流量卸载，如图1所示。
4.15G无线专网
方案中采用5G扩展型小基站产品组成5G无线网络覆盖，其使用数字化有源室分技术，通过光纤承载无线信号传输的分布式微功率完成室内网络覆盖。扩展型小基站由主机（BBU）、扩展单元（RRUHUB）、远端单元（RRU）、网管服务器OMC4个部分组成。白盒化架构和扩展式组网方式，可以满足多种室内环境5G无线覆盖以及垂直行业应用要求，组网拓扑如图2所示。扩展型小基站产品满足5GeMBB业务要求，在100M带宽、2T2R条件下的网络下载上传速率接近理论上限，其主要网元的功能和性能如下。（1）BBU5G系统控制面和数据面全部协议处理功能；基于x86计算平台，软件采用CU-DU分离架构，支持虚拟化或者非虚拟的部署方式；通过PCIe加速卡实现前传和FEC功能，支持GPS/Beidou/1588v2多种同步方式；单BBU支持到16T16R流量（>5Gbps吞吐率），4个4T4R逻辑小区，8个2T2R小区，单小区激活用户数大于128个；支持4G/5G双模，语音业务EPS回落，支持5Q1、QoS以及切片功能。（2）EU将主机下发的数字信号转发至多个远端单元，同时将多个远端单元上传的信号进行接收合路；支持BBU间采用Option7-2或者Option8两种协议分割方式，根据部署需求灵活选择；EU覆盖场景近端部署，通过光纤连接BBU，拉远距离可达10km；通过光电符合缆连接RRU，最大拉远距离为300m；每个EU支持最大8个RRU的连接并支持两级级联；不同EU间的小区合并及分裂。（3）RRU将扩展单元下发的数字信号转成射频信号，实现5GNR的无线覆盖，同时将接收的上行射频信号转成数字信号传至扩展单元；支持2T2R和4T4R两种通道选择，支持多频多模；单通道250MW发射功率；支持SMA外接无源天线，按需部署，降低网络部署成本。
4.25G核心网和边缘数据分流
根据行业用户的不同需求，5G专网的核心网建设有多种方案。本方案采用自建5G专网核心网的方式，实现行业5G网络的快速部署，并达到数据安全隔离的要求。后期可以在此基础上对接运营商核心网，扩展专网边界。此外，凭借5G自建专网，构建基于3GPPMEC分流架构的边缘计算网络，实现5G数据不出园区，同时满足基于边缘云的多样智能应用的用网需求。5G专网核心网采用5G原生云架构，核心网各功能模块相互分离，可以按需部署所需网元功能模块。该5G专网核心网控制平面包括AUSF、UDM、AMF、SMF、PCF网元，用户面包括CoreUPF和EdgeUPF两层。其中，EdgeUPF下沉到园区，与N6接口同平台部署，实现应用数据的按策略分流。边缘云的控制平面与5G专网核心网PCF网元之间通过N5连接，并通过PCF将分流策略配置给SMF，SMF集中所有流量。5G专网核心网和边缘数据分流的网络拓扑如图3所示。具体分流方案采用3GPP定义的ULCL分流，即由SMF在PDU会话建立后或者建立期间，在PDU数据路径中插入一个“ULCL”（UplinkClassifier）。支持ULCL功能的UPF通过匹配SMF提供的流过滤器，将某些流量进行分流。这种分流方法相对简单，UE终端无感知且不参与ULCL相关规则。
4.3边缘计算平台
为保证计量中心数据5G网络覆盖与本地化处理的要求，本次在计量中心内建设边缘计算平台MEP。MEP可以向业务提供IT能力的支撑，也可以访问5G网络资源。MEC解决方案主要由部署在边缘侧的边缘计算平台（MEP）与核心侧的边缘计算管理平台（MEPM）2个部分组成，如图4所示。边缘计算管理平台（MEPM）主要涵盖边缘计算与5G核心网的协调联动模块，边缘计算平台、边缘网络拓扑的发现，是针对应用、资源、流量、域名等策略的生命周期管理。边缘计算平台主要实现管理平台针对应用、资源、流量、域名等模块的，交付本地能力。（1）边缘计算平台虚拟资源周期管理功能具有边缘平台的接入认证功能，实现符合ETSI标准的MX2接口标准的服务认证机制；具有边缘节点的接口配置与微服务管理功能，管理边缘节点的物理接口与平台自身的微服务，如本地DNS服务、虚拟资源管理服务、应用生命周期服务等；具有边缘节点的接口分流配置功能，实现5G核心网UPF下发流量的双向交互。（2）边缘应用生命周期管理功能具有边缘应用的部署功能，实现边缘应用的实例化，支持VM、Container；具有边缘应用的流量策略配置功能，实现应用流量的部署功能，将边缘应用的业务流量下发至边缘计算平台；具有边缘应用的DNS策略配置功能，实现本边缘计算平台内DNS调度策略，保证业务下发。（3）边缘应用生命周期管理功能连接能力将计量中心内各类工业设备与工业系统打通，通过5G网络访问部署在边缘的AI业务。计算能力将边缘测设备与边缘计算平台内GPU/FPGA等加速硬件结合，提供计算、存储、网络以及加速能力给AI业务。（4）边缘基础设施功能轻量化Hypervisor通过裁剪组件（仅保留基础组件，将其他组件作为选配组件）、修改组件服务配置、减少组件服务的工作线程数量，降低对物理资源的消耗，同时将计算和控制统一部署，使得资源得到有效利用。融合化的存储边缘云规模较小，承载业务以本地处理为主，所需的存储容量较小，一般采用本地存储或云存储。本地存储性能高，占用资源少，但可靠性差，并且不支持数据迁移。因此，计算存储融合是一种有效的方案，将分布式存储部署于计算节点上，节约了成本。而且，多副本存储在解决单点故障的同时，可通过策略配置，使虚拟机优先使用本地副本。轻量化的网络通过SDN进行网络自动化配置，而边缘站点由于规模较小，一般采用OVN实现网络自动化部署，提升了运维效率，减少了运维工作量，更能适应业务的频繁变化。
4.4边缘计算网关
计量中心立体仓库故障的自动监测与自当盘点均离不开边缘计算网关，它是立体仓库故障诊断系统的重要载体，具有低功耗、高性能的特点，更适应电厂严苛的工作环境。边缘计算网关具备高度集成的SoC、开放式操作系统、完善的应用程序开发环境和更高性能的接入技术。高度集成的SoC为边缘计算设备所承载的多业务、多应用提供了良好的支持。开放式操作系统是资源管理、应用程序运行的基础，主要包含驱动、操作系统内核、系统库资源、开放式应用编程环境和接口，能为开发者提供统一的编程接口，提高了应用程序的运行效率。完善的应用程序开发环境使得边缘计算具有较强的扩展性，大幅简化了、下载、部署、使用环节。边缘计算设备具有多种网络接入方式，且支持广泛的传感器接入能力，如加速度、陀螺仪、GPS定位、温湿度、震动、气体、心跳等。随着5G技术不断发展，边缘计算能力不断增强，云端数据处理能力不断提高，数据清洗、数据聚合、模式识别、卷积运行等能力逐步下沉至边缘计算设备。边缘计算网关可以通过部署不同应用,实现立体仓库故障监测、视频动态采集、堆垛机设备对接等。边缘计算网关支持计量中心现图5边缘计算网关与摄像头、堆垛机一对多进行关联场设备的采集与控制，支持ModBus协议的各类传感器及设备厂商板卡接入，提供RESTFUL的协议适配能力；具备OPCUA协议适配能力，支持以OPC-UA实现异构协议的标准化格式转换；提供DT/L645行业规约IEC101、104适配；提供基于标准RTSP视频流的采集能力，同时通过海康、大华、宇视等厂家的SDK直接控制摄像头；支持多样化的工业协议，如MTCONNECT、三菱PLC、西门子PLC、欧姆龙PLC、施耐德PLC、罗克威尔PLC。边缘计算设备提供完整的安全防护策略，支持设备在接入平台时提供基于设备硬件属性、软件属性的安全服务注册，支持通过网关的MAC地址、SN码验证、微服务类别、白名单验证设备接入权限，支持设备与平台上下行交互的通信安全认证，支持通过CA证书进行通信安全认证，支持通过AES加密算法对传输数据进行加密。
4.55G+AI视频联动故障诊断溯源系统
立体仓库结构复杂，配套设备众多，堆垛机结构复杂且集成度高，在使用过程中难免发生碰撞、堆叠、卡位等问题。现阶段，对此类问题均为事后发现和处理，导致生产暂停，严重影响了生产效率。因此，需要新的技术手段进行实时监测，及时将故障现场视频回传至产线维护人员，及早发现，迅速处理。将边缘计算网关与摄像头、堆垛机一对多进行关联，实现边缘侧的图像采集与图像协同分析，如图5所示。边缘计算网关通过多个现场接口，接入堆垛机PLC控制器，同时采用RTSP协议接入视频摄像头，在故障发生瞬间，采集PLC数据，截取、推送此时视频数据。此外，边缘计算网关内置智能引擎、运行故障识别模型，通过堆垛机的传感数据与视频摄像头的图形数据，进行自动化分析，判断故障是否发生，大大减少了产线维护人员的工作量，降低了人工成本，提高了生产效率。故障识别模型的训练以边缘计算平台为基础，故障影响数据通过把彩色图片转化成统一的灰度图，对采集的图片分别进行相应的标记（碰撞、堆叠、卡位等），并将所有的灰度图片及标记的数据分为训练集、测试集、验证集。利用训练集开展模型训练，学习深度网络参数，并通过调整参数保证模型的泛化能力，用交叉熵作为损失函数。凭借5G智能巡检方案，故障识别模型与分拣线生产系统无缝对接，保障生产管理安全、稳定、可靠、高效运行。
5总结
计量中心通过5G+AI视频联动工业应用能力提升方案的电力设备落地应用，增强了故障监测及处理能力，提高了工作效率。
作者：胡恒如 田宇轩 单位：中国广电江西网络有限公司 北京遥感设备研究所