小麦新闻｜5G+智慧钢铁的建设方案

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一. 钢铁行业数字化转型趋势分析
当前我国钢铁工业数字化转型成效初显，已成为离智能化最近的行业。工业互联网的蓬勃发展、5G应用“扬帆”行动计划的发布，给钢铁行业制造体系带来了数字化、网络化和智能化赋能与升级，大型企业基本完成了网络化数字化建设，5G应用从生产辅助场景应用向主工序场景应用发展，从企业内部辐射到上下游产业链。据中钢协统计，目前国内已有约80%的钢铁企业在推进智能制造。

从政策环境来看，钢铁行业当前主要面临智能制造、节能降碳两方面要求。一方面，政府大力支持开展智能制造行动计划，积极推进5G、工业互联网、人工智能、商用密码、数字孪生等技术在钢铁行业的应用；另一方面，对行业的双碳和环保要求更趋严格，2021年至今，相关部委先后发布《“十四五”原材料工业发展规划》、《关于促进钢铁工业高质量发展的指导意见》，促使国内企业投入资金和技术，以应对环保和双碳的政策要求。

钢铁行业5G+工业互联网标杆效应初显，引领行业发展。近三年来，钢铁企业根据国家政策要求和企业自身转型升级需求，积极推进“5G+工业互联网”以及智能装备、大数据、人工智能、数字孪生、移动物联等新技术在设计研发、生产运行、质量控制、能源管控等场景的融合创新应用，有效提升了企业全流程各工序的数字化、智能化程度；推广了在环境恶劣、安全风险大、操作重复性高的岗位采用远程操控、机器换人、机器视觉等技术。提质、增效、降本、绿色、安全发展成效初显，一批数字化车间、智能工厂和“5G+工业互联网”示范标杆不断涌现，5G典型应用场景逐步明确，5G+设备预测性维护、5G+天车远控、5G+自动转钢、5G+质量检测等创新应用多点开花。

5G与钢铁行业结合，将有力推动技术应用和商业服务模式创新，实现国际领先的智能制造。当前我国钢铁产业的整体装备水平和国外差距不大，甚至一些企业的装备要优于国外企业，而在产品质量和生产效率上处于相对落后的位置，主要原因是智能制造软实力不足。5G+新技术融入设计、生产、管理、服务等各个环节，将大幅提升设备数据采集、无人操控、工业视觉、数字孪生等技术应用能力，助力钢企实现智能制造、智慧运营和绿色发展。在智能制造领域，5G+工业互联网平台实现全生产要素的连接，对工艺流程进行再造和优化，有效提高生产效率和产品质量，并从更深层次打通决策分析与现场控制系统，实现实时数据采集与决策控制的有机融合，极大提升装备和业务的智能性，进一步赋能无人化、少人化与安全生产。在智慧运营领域，实现对企业运营过程中涉及的“人、机、料、法、环”等要素的连接和管控，提升企业综合运营效率和供应链上下游的产品服务体验。在绿色发展领域，实时采集各生产环节的能源消耗和污染物排放数据，针对问题环节进行工艺优化或设备升级，降低能耗成本和环保成本，实现清洁低碳的绿色生产。当前5G+钢铁应用已经具备良好的发展基础，正在向从“1”到“N”的规模复制演进，需要进一步推动5G赋能产业的深度融合，以需求为导向，加强产业合作升级，打造智慧、安全、绿色的未来工厂，推动中国钢铁行业“从大变强”，迈向世界一流钢铁强国。

二. 重点场景与价值分析
5G+工业互联网打造智能制造，已经成为制造行业发展的必然趋势。5G在钢铁行业的重点创新场景包括设备点检与监测、天车/加渣远程控制、无人天车、AI质检、自动转钢、环保排放及能耗监测等，主要涉及5G+生产运营数据采集、5G+云化PLC远程控制、5G+机器视觉质检、5G+高清视频回传等5G应用类型。当前阶段钢铁行业的重点创新场景如下：

1. 天车/加渣机械臂远程控制
天车远程控制系统一般由操控椅、5G网络和天车三部分组成。对车端进行智能化改造，包括打通PLC和5G网络链路，并通过5G专线与控制端进行连接；配置视频摄像头进行操作相关全景和局部高清视频监控，利用5G网络的超低时延的特点以满足指令的实时下发，实现天车远程操控要求。加渣机械臂远控系统的实现原理与天车远控系统类似。自动加渣机械臂由PLC控制器、摄像头和5G网络三部分组成，加渣机械臂和控制系统通过5G网络互通，通过5G手机实现远程一键启动，自动运行，降低工人在高温锅炉旁作业风险，同时机械臂能均匀喷洒到炼钢锅炉，提升产品质量。

2. 智慧天车无人控制
相对天车远控，行业领先的钢铁公司也在进行自动化程度更高的全无人天车方案的生产现场落地。无人天车由于对接了WMS库存管理系统以及企业IT系统，并且通过更丰富的传感器实现了对现场作业的高度自动化控制，作业效率更高、作业数据更准确，在大型钢铁生产企业强调效率的吊装场景，有更迫切的应用需求。无人天车系统由采集器、5G网络与PLC控制器三部分组成。通过扫描仪采集水平方向与垂直方向信息、测距仪采集距离信息，获取周边物料、坑料、车辆、车斗高度及装卸位置信息和画面，实时将数据传输至MEC端进行数据处理，建立现场三维数据模型，同时构建AI智能算法构建动作指令集，下发给天车执行，从而实现天车无人化自主生产。

3. AI钢表质检
钢材在制造运输过程中可能有压痕、孔洞等问题，长期暴露于空气中也会存在锈斑等问题。钢表检测即通过摄像头高清视频回传，结合机器视觉算法，自动识别、检测钢材表面存在的问题，能够大幅提升钢材表面质检效率，保障钢材产品质量，降低表面质量检测人员工作强度。智能表检系统及算法部署在边缘云服务器上，实现图像数据实时处理（自动缺陷检测和分级分类等）和资源共享；缺陷样本上传到云端训练，减少本地训练算力成本。云端训练生成模型并自动推送到边缘云服务器，不断迭代优化算法。使用工业相机，利用5G网络上传图像数据，在MEC侧对数据进行处理。

4. AI辅助自动转钢
传统转钢岗位需要每岗配备多人，自动转钢能够有效减轻转钢操作人员的工作强度，降低企业人工成本；粗轧环节通过自动转钢每小时可以多轧1块板，可每年增能3万多吨钢。自动转钢即通过高清摄像头视频回传，在MEC上自动分析识别钢坯的方向和角度，并将视觉识别输出结果对接轧机PLC控制系统，自动控制转钢辊道的转向和转速，实现板坯的自动旋转。

5. 环保排放/能耗监测
钢铁行业工作环境恶劣，异味、粉尘充斥，厂内员工、周边居民时有抱怨，加强绿色低碳、环境治理是钢企的重要工作。根据环保规定，钢铁行业炉气排放口必须进行废气自动监测，监测因子除PM2.5外，还至少包含二氧化硫、氮氧化物等。在废气排放口、室内办公室、走道、车间、厂区、居民区等布放固定或便携式粉尘气体检测仪，监测数据实时上传到服务器，通过多点位对比、与国控点对比、趋势对比等得出环境排放影响程度。钢企可根据工作周期、设备启用情况进行分析和控制，以降低排放。

三. 5G+钢铁创新融合发展分析

1.网络融合
5G与钢铁行业融合，构建三网一体化融合、全面感知融合、IT与OT融合的行业专网。

三网一体化融合：为了保证各生产流程的正常高效运行，钢厂现有网络通常由生产网络、园区办公网、视频网三张网组成，彼此隔离。目前钢企智能制造对5G网络架构创新具有如下需求：5G无线网与现场工业网络相叠加，一张网络覆盖钢企基地、集团总部、生产设备，并通过网络分片的方式将生产网络、视频网络、办公网络三网融合，对钢企业务进行统一承载，促进生产网络、视频网络、办公网络数据直达企业数据中心。生产网络区域切片：该区域的业务流大致可区分为对稳定低时延要求最高的工业以太控制业务流，以及数据采集业务流。针对工业控制采用URLLC为代表的低时延切片，实现低时延通信保障；数据采集业务采用大连接技术，以保证海量节点的上行数据传递；如果存在以机器视觉质检等大上行应用，可以考虑额外部署一个大带宽技术为主的切片。视频网络切片：视频网络主要以视频信息为基础，辅助以图像分析等数据AI手段完成任务；这类切片的主要特点表现为大带宽、连续的业务形式，对带宽保证、低时延等有较高要求。办公网络切片：办公网络主要以IT信息为主，对于整体网络的要求体现为联通可达，并与外部广域网络存在较多的信息交互，对网络安全性有较高要求。
全面感知融合：5G与传统有线网络融合，构建全连接网络，对重点区域和生产要素实现全面感知。5G多源异构工业数据采集网关可针对不同的工业传输协议，进行数据的采集和协议转换，并且通过内置的5G模组，将多元、大体量的数据统一传送到无线侧，从而实现工业设备数采、设备远程控制、AI机器视觉、AR运维辅助等主要业务应用，并满足数据不出场等业务需求。钢铁行业中的关键生产场景，如远程控制，对端到端时延、网络可靠性方面要求较高，相对而言对性能、自管理要求不高，建议采用核心网UPF+MEC下沉到园区的模式建设5G专网，为客户提供高带宽、低时延的网络服务。MEC平台部署在靠近业务区域的网络边缘位置，在网络能力上提供可保障的低时延特性，显著提高用户体验和数据安全性。
IT/OT融合：为了支持跨层级数据全连接，5G网络与钢企生产网络的工控网络融合，形成四种融合模式：
1) 生产线集中控制器与单个机器控制器之间的通信：生产线的每个设备有自己的控制单元进行设备内部通信，此外生产线有一个集中控制器，通过对各设备的控制单元控制生产线上的各设备。应用场景如产线自动装配、AGV自动化搬运、传送带、柔性生产等应用。
2) 机器与机器控制器之间的通信：在一个生产域内，通过机器与机器的PLC之间的通信，完成不同机器之间的数据交换，实现协同作业。典型应用场景如钢铁焦化四大车远程协同控制、机械臂协同装配应用。
3) 云端控制器与远程I/O模块之间的通信：某些工业应用中，由于环境恶劣或大规模机器换人等原因，需要云端PLC与其现场I/O模块之间进行通信。应用场景包括天车远程控制、堆取料机远程控制、机器人动作控制等。
4) 设备与计算平台之间的通信：设备与云平台、工业互联网平台、数据采集平台等之间的通信，现场设备通过5G进行数据采集、上云，如钢铁行业智能监控系统、设备预测性维护等。

2.终端融合
终端是5G能否在钢铁行业落地及规模复制最关键的要素之一。钢铁行业5G终端融合包含以下三类终端：
1) 基础连接终端：提供基本的5G网络接入能力，包含5G工业CPE、工业融合网关等。
2) 行业通用终端：行业通用设备，即可在多个行业中应用，具备通用的功能，包含5G超高清摄像头、AR/VR终端、工控终端等。
3) 行业定制终端：根据特定的行业应用场景对终端进行定制化改造，满足行业特殊需求的终端。行业终端集成5G模组或芯片，应用于对可靠性和移动性要求更高的业务场景，包括5G工业巡检机器人、5G工业相机、无人天车、AR眼镜、AGV等。根据场景特征和客户需求，也可以使用5G基础连接终端+普通行业终端的方案，比如使用5G CPE+普通摄像头（未集成5G模组）的方式。

在钢铁生产场景中，存在大量危险、恶劣的生产环境，机器换人的需求尤为强烈。中国电信提出了软硬解耦、设备云化的5G终端融合发展思路，助力钢铁行业实现5G终端融合的落地和规模发展。软硬解耦将终端的硬件部分与软件功能分离，通过定制化的软件赋能通用终端，提升终端的行业融合属性，满足各行业的定制化功能需求，有效降低5G行业终端的研发周期和生产成本；设备云化则进一步在设备侧减少对于控制芯片、CPU、AI芯片、存储模块等硬件的需求，实现云化控制、云AI、云计算、云存储等功能。通过5G+软硬解耦、设备云化的终端融合方案对传统生产设备、物流设备、监控设备等进行改造，提供无线数据的传输和设备的云化控制、云端AI算法等能力，可支持设备远程控制、移动巡检、AI质检、AR辅助运维、AGV物流协同等业务场景需求。

3.平台与新系统融合
5G+工业互联网架构下的智慧钢铁解决方案，以云网为底座，结合AI、大数据等创新技术，构建云边协同、边缘智能的系统融合平台，通过平台建设形成钢铁行业的数据标准规范，并在集成数据平台的基础上，构建满足矿山行业需要的多种智慧化应用。

集成数据平台主要集成三方面数据，包括基础数据、生产运行数据和管理数据。通过部署在生产现场的5G工业融合网关对接工业现场的各类设备，根据不同的通讯协议，实现现场设备数据的采集和协议转换，由高性能的实时数据库汇总，并对现场各种类型的数据进行归一化处理，转换成统一格式的可处理的数据，统一上传到云端的大数据平台；云端平台通过对各类数据的分级分类存储、分析建模和大数据挖掘，将海量多源异构数据从数据资源变为数据资产，可提供基于大数据的调度决策、安全风险分析、设备健康诊断、预测性维护等应用，解决信息孤岛严重、数据难集成、智能化分析水平低等问题。

智慧化应用平台通过融合控制中心的天车远控系统、AI质检系统、后台MES系统和ERP系统等，实现安全生产无人化、运营管理精细化、环境监管数字化，满足钢铁智慧产线升级改造和智能化、绿色化生产要求。为满足业务对网络带宽和时延的要求，采用5G+MEC解决方案实现云边协同和边缘智能：云边协同通过边缘云与中心云的紧密协同能力实现资源协同、数据协同、智能协同、应用管理协同、业务管理协同和服务协同，在网络、业务、应用和智能等方面匹配钢铁行业典型业务场景的需求；边缘智能在云端与边缘节点合理地部署人工智能模型的训练与推理功能，利用AI技术为边缘侧赋能，边缘节点可以借助AI技术提供高级数据分析、场景感知、实时决策、自组织与协同等智能化服务，为钢铁行业典型应用场景提供边缘智能解决方案与服务，如对生产各个环节的视频进行采集、传输、识别和分析处理，实现生产工艺、产品质量、操作合规等智能识别监测。

四. 规模化发展策略建议

在政策推动和产业驱动下，近年来钢铁行业在5G融合创新领域的探索取得了显著成效，有力地驱动了钢铁行业全业务、全流程融合升级，助力龙头企业向全连接、无人化、绿色化等方向发展。后续如何进一步充分响应国家相关产业政策的要求、依托政策给予的便利，充分发挥示范效应，推动5G+工业互联网在钢铁行业的规模复制是下阶段的重点方向，我们应从以下三个方面加强钢铁5G融合应用发展。

1.业务场景碎片化是ToB业务发展的关键特征，需要聚焦企业核心诉求，并构建可快速复制的行业模板。一方面，钢铁行业的企业为数众多，且各个企业之间在企业规模、市场能力、信息化水平和发展愿景等诸多方面存在很大的差异，推动5G应用在钢铁行业的部署，应坚持“没有调查就没有发言权”的原则，以全面而充分的调研为基础，密切关注企业个性化的核心诉求，科学地进行信息化能力的适配；另一方面，在先行部署的客户中，部署的应用如果能全面响应企业的核心诉求和直击信息化发展的痛点，对后续的应用部署也能够形成有说服力的示范效应，从而构成一个良性发展的循环；在此基础上再总结提炼共性核心诉求、构建面向钢铁行业的5G网络模板，形成5G网络在钢铁领域部署、运维及推广的模式，是当前5G在钢铁领域规模化复制推广的关键。

2.生产流程高度复杂加大数字化转型难度，需要针对场景科学规划，有序推广复制。如前所述，钢铁企业是生产流程高度复杂的典型代表，其间的业务需求和空间场景也多种多样。在业务场景的选择上，既要充分响应企业的痛点和诉求，也要遵循“循序渐进、由易到难”的原则，宜从辅助业务流程向主业务流程逐步推进。如从废钢吊运天车、成品库房吊运天车、园区物流、视频监控、AR辅助装配、点检等场景优先做起，再逐步进入到AI钢表面质检、自动化转钢、钢包位置状态跟踪等主生产流程，这样既可以让钢铁企业用户快速上5G，增强对5G承载更多应用的信心，也可以在充分保障生产安全的基础上，稳步提升企业的信息化水平。在空间场景的应对上，既要发挥几年来在移动通信领域的建设经验，又要考虑这些空间场景的客观条件，前期的试点实践证明，基础电信企业在钢铁企业各种空间场景中有着足够的建设应对能力。

3.5G应用发展的核心问题是生态体系的构建，需要联合合作伙伴，推动生态体系重构。在钢铁行业推广5G融合创新，既要充分尊重既有的生态体系，又要正视5G技术和应用所具有的全新特征，基于共同发展的理念推动生态体系的优化和重构。因此，在选择合作伙伴时，既要考虑钢铁企业现有的合作伙伴或推荐的合作伙伴，这类伙伴与钢厂有长期良好的合作关系，了解钢厂的痛点需求，能够较好地维护既有的利益格局，有助于项目的顺利推进。同时也要考虑选择基础电信企业网络优势合作伙伴，如设备制造商、施工方等，这些合作伙伴有着丰富的通信业从业经验，有助于信息化理念在项目中的推动和落实。不同伙伴之间的优势互补和精诚合作是保障项目成功推进的关键要素。

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知乎【科教科技：5G+智慧钢铁的建设方案】