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5G揚帆啟航 推動鋼鐵工業高質量發展

發稿時間: 2021-08-12 10:26 來源:中國工信產業網 作者:中國工程院院士 東北大學教授 王國棟 2021-08-12

5G作為“新基建”七大領域之首,將為鋼鐵企業數字化轉型、智能制造提供堅實的基礎,注入強大的發展動力。這既要5G與鋼鐵行業密切結合,重塑標準、場景和目標,鋼鐵行業也要勇于創新,讓5G 技術融入自身、賦能自身,發揮5G技術優勢,推動和支撐大數據、邊緣計算、人工智能、工業互聯網等新一代信息技術在鋼鐵企業落地生根,賦能鋼鐵行業數字化、智能化轉型發展。這是鋼鐵工業轉型升級的重要手段。

1  5G及其技術特點

2020年12月22日,工信部發布《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》,推進工業互聯網網絡互聯互通工程,要在10個重點行業打造30個5G全連接工廠。2021年7月13日,工業和信息化部聯合9部門印發《5G應用“揚帆”行動計劃(2021-2023年)》,明確了未來三年5G發展目標,從標準體系構建、產業基礎強化、行業應用深化、應用生態融通等方面提出了8大專項行動。

5G是一種新型移動通信網絡,可用于生產、生活諸多方面,使無線通信發生質的飛躍,推動更多垂直行業的高質量發展。如圖1,5G的技術特性包括三方面,增強移動寬帶(eMBB)面向互聯網流量爆炸式增長,超高可靠低時延通信(uRLLC)面向對時延和可靠性具有極高要求的垂直行業應用需求,海量物聯(mMTC)面向以傳感和數據采集為目標的應用需求。

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圖1 5G高速率、低時延、廣連接三大場景

5G的創新性切片方案,將一個物理網絡切分為多個專用、虛擬、隔離的邏輯網絡,實現一網多用、多網融合效果,滿足企業差異化的服務訴求。與獨立網絡相比,通過切片實現的統一基礎設施能夠適應差異化業務需求,是進入垂直行業的關鍵。5G核心網架構原生支持多接入邊緣計算(MEC)功能,MEC將多種接入形式的部分功能、內容、應用等一同部署到靠近接入側的網絡邊緣,將核心網用戶面與應用下沉至離用戶更近的位置。此種架構性降低時延至毫秒級。工業集成平臺基于行業應用沉淀的跨行業、跨領域的機理模型、信息模型、工業算法,并通過標準化封裝,對外提供服務。5G低時延大數據傳輸、切片網絡架構和多接入邊緣計算,是工業云平臺建設和落地應用的關鍵。

2  鋼鐵行業智能化需求

我國鋼鐵行業的信息化、自動化水平已經躋身國際前列,擁有良好的數據基礎。同時,作為典型的流程工業,鋼鐵行業全流程各工序均為“黑箱”,各工序內部高度相關,使得鋼鐵生產過程和產品質量具有極強的不確定性,全流程一體化的智能控制亟待加強。我們站在時代發展的高度,需要重新思考與繪制下一代鋼鐵行業轉型發展、柔性制造和智能制造的宏圖,制定企業生產、技術、管理、物流、銷售等整體智能化規劃。

作為典型的流程工業,鋼鐵智能化進程中要將每一工序作為一個垂直行業處理,從底層的邊緣到上層的生產計劃、資源管理等均需海量物聯,處理海量數據。各制造單元之間在流程方向上的海量數據傳輸處理、非結構化數據傳輸處理、虛擬現實與增強現實的傳輸處理等,都將依賴于增強移動帶寬。而超高可靠低時延通信,則為各CPS中物理實體與虛擬世界實時交互與相互映射、即生產中的快速實時控制提供了強力支撐。

流程工業需要進行實時交互,快速反饋,更迫切需要使用邊緣,強化邊緣、平臺層功能下沉到邊緣是互聯網發展的重要趨勢。鋼鐵行業的工業互聯網平臺繼承了鋼鐵工業自動化系統長期形成的實時控制與生產管理的雙層架構形式,采用如圖2所示的由“本地決策層”和“云端智能層”構成的工業互聯網架構。邊緣側被擴展為“智慧邊緣云”,起著“本地決策層”的作用。它以鋼鐵生產線、中試裝備和實驗室裝備形成鋼鐵材料創新實驗工具,將原有基礎自動化和過程自動化等實時控制系統與來自云端平臺層的高保真度數字孿生相融合,布置在邊緣云上,實現實時分析、智能決策、循環賦能的快速實時互動功能。在基礎設施云端的平臺層(PaaS)完成高保真度數字孿生的構建與優化、平臺資源部署與管理,在應用層(SaaS)實現傳統管理業務運行和設備、資源、物流等巨量數據、實時性不強的管理應用創新。

在垂直方向,各生產工序復雜、耗時、數據量極大的數據驅動模型優化,可以通過5G網絡將相關大數據信息反饋給數字感知云端模型學習系統,利用云端算力資源快速處理,進行模型自學習、自適應,強化系統自治功能,實現模型參數的高精度自學習,提高數學模型優化的效率與精度;邊緣側針對高精度設定計算,將設定計算所需實時數據無滯后地反饋給在線動態設定控制系統,進行高精度、短周期的高精度實時控制。

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圖2 鋼鐵工業互聯網平臺架構

在流程方向上,利用5G網絡、現有工業網絡等強化網絡互聯互通,將各工序和各系統形成矩陣式網格聯通,實現各系統、各工序以及各類人員隨時隨地的數據交互,以支撐無處不在的優化決策和智能服務。各單元內部和單元之間的數據傳送,物流、能源、設備等資源的一體化配置和管理,均需要融入5G切片技術的高實時性或大規模數據傳輸。

3  5G在鋼鐵行業的典型應用

按照不同類型和容許延時需求,5G在鋼鐵行業的典型應用可分為實時控制類、質量檢查類、生產管理類和過程顯示類等,鋼鐵工業對不同網絡延時的要求如圖3所示。

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圖3鋼鐵工業對不同網絡延時的要求

鋼鐵工業信息物理系統(CPS)的運行和管理。5G的三大特點將為鋼鐵工業CPS提供強大的神經系統,支撐垂直行業整體系統的循環賦能。針對鋼鐵行業邊緣控制對于實時性和快速性的要求,將MEC按需在邊緣部署,使業務終結到邊緣,實現業務的本地閉環低時延。通過軟件定義控制產品質量和裝備運行,反向作用到運行甚至設計環節實現迭代優化,對于短時延要求極高的軋制過程尤為重要。利用5G和現有工業網絡,可以實現跨網絡、跨行業、異構多技術的融合與協同。通過異構集成,在信息空間進行鋼鐵生產過程全要素重建、全流程虛實映射,實現信息技術與鋼鐵工業生產過程的深度融合,以及多個工序級CPS之間的網絡平臺互聯,使得系統能夠不斷自我演進與學習提升,實現系統自治。以熱連軋、冷連軋生產過程為例,其本地決策層的液壓伺服系統、厚度/張力系統的控制周期為1-2毫秒,5G毫秒級的超低時延為其信息物理系統的實現提供了可能。同時,多個系統之間大規模數據交互,以及信息空間的全要素重建,則只有依靠5G的增強移動帶寬才能實現。

垂直行業的循環賦能與流程方向的資源管理。對于鋼鐵生產全流程智能制造整體架構而言,生產過程的每一工序都可作為一個垂直行業處理,底層邊緣的控制過程與云端的大數據中心及數據分析處理系統之間存在大規模的數據交互,依賴于5G的大帶寬以形成垂直行業的循環賦能。同時,云端智能層的訂單處理、生產計劃編排、工藝制度制定等資源配置與管理過程雖對時延沒有極高的要求,但海量生產過程數據的傳輸處理,以及文本、聲音、圖像和視頻等非結構化數據的傳輸處理,也依賴于5G的大帶寬來提供支撐。

促進非結構化數據的處理、傳輸與控制。圖像、聲音、視頻、文本等非結構化數據可以提供大量的重要信息,但是由于傳統的網絡系統處理、傳輸能力的限制,尤其是上行傳輸能力的瓶頸,其應用受到了限制。5G為增強型的移動寬帶網絡,上行增強技術可讓上行速率達到700Mbps,可以處理大量的非結構化數據,因而推動了非結構化數據的檢測、處理、傳輸與控制技術的發展,為復雜工況的分析、決策與控制提供了強大的發展動力。以5G+AI鋼材表面缺陷檢測為例,靈活部署大帶寬、低時延的5G無線網絡,充分滿足視覺識別的實時性要求。在云端借助卷積神經網絡技術,按照精度和速度要求自動搜索最優網絡模型,在邊緣側支持客戶自主更新模型,滿足長期應用演進需求。機器視覺檢測后,不僅可實現實時檢測,抽檢率也可從45%提升到90%以上。檢測精度可達到微米級,人眼無法檢測的缺陷也可使用機器完成,從而可以實現缺陷的精準分類。

惡劣和重復性工況下關鍵設備運維監控與遠程裝配。鋼鐵生產中存在大量環境惡劣、高溫危險、重復性的現場操作崗位,急需實現遠程和自動化的操作與運維。管理人員通過手機/巡檢儀采集音視頻等,通過5G傳送后臺大數據實時分析,預知設備的運行狀態,對設備運行狀態進行實時監測。在遠程裝配場景中,現場工程師將現場環境視頻和第一視角畫面通過5G 網絡實時推送,技術專家依托AR 的實時標注、音視頻通信、桌面共享等技術,遠程指導進行生產線裝配工作。

總體來說,5G相關應用場景技術成熟度差異較大,機器視覺、視頻監控和遠程巡檢等應用成熟度較高,而數字孿生、預測式維護和遠程控制等多處于起步階段。

4  結語

通過信息行業、鋼鐵行業的交叉合作、產學研用的深度融合,我國已提出鋼鐵行業未來信息化、智能化的架構,給出了諸多應用場景與5G智慧鋼鐵解決方案,以及一大批鋼鐵行業實際應用案例,展示了5G技術推動工業發展的強大能力和行業協同交叉促進鋼鐵工業智能化發展的美好前景。在工業4.0和智能制造的大潮洶涌奔流之際,讓我們共同擁抱鋼鐵數字化轉型的浪潮,為建設新一代國際領先的智能化、數字化中國鋼鐵工業而努力!

新聞附件:

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