（CWW）随着“十四五”规划的不断落实，制造业整体正逐步向着自动化、数字化、智能化方向转型升级。在高端装备制造业中，我国在世界范围内仍处于较低水平，亟待更多的数字化技术投入来提升盈利水平。而传统工厂的组网技术和组网架构在时延、带宽、抖动、丢包率、安全保密等方面均无法满足生产需求，本文创新提出基于千兆光网和MEC边缘计算，实现“云-网-端”融合协同的智慧工厂创新组网设计，可助力智能制造中的生产环节迈向数字化、柔性化、智能化和高度集成化，并为智慧制造提供有力的网络保障，对提升我国制造行业未来核心竞争力具有一定参考意义。
创新组网设计方案概况
针对千兆光网覆盖下的智慧工厂高新装备制造场景，设计基于MEC边缘计算的智慧工厂创新组网架构，从“云-网-端”融合协同的视角出发，对技术体系架构和关键技术指标进行梳理和分析，提出采用云边协同智能化的方式，实现关键业务网络切片可按需配置SLA、智能生产实时监控，以及与边缘数据融合，助力我国高端制造业整体向自动化、数字化、智能化方向转型升级。
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总体创新组网设计
·利用千兆光网和MEC边缘计算技术实现智慧工厂组网
智慧工厂环境下的网络传输架构，应充分结合千兆光网和MEC边缘计算技术，有效提升工厂感知、处理和运维能力，保障工厂各制造系统稳定的数据传输。同时，把专属MEC边缘计算资源部署到工厂侧可助力构建工厂内云边协同计算的高效工业智能计算框架，提升工业信息处理的时效性和准确性，确保敏感生产数据不出园区。
·“云-网-端”融合协同的体系架构
智慧工厂在生产过程中产生海量的数据，构建终端到平台的数据安全传输通道和基于千兆光网的“云-网-端”融合协同体系架构，有利于提升生产数据上传的准确度，支持多源异构数据的接入融合、分析与挖掘，为智慧工厂的便捷管理提供有力的网络保障。
·基于OTN技术构建超低时延、全工厂范围的本地组网架构
通过工业互联网和现场总线对现场设备PLC、现场摄像头等设备进行连接，并通过OTN技术支持下的千兆光网进行全工厂范围的组网，可实现园区范围1毫秒内超低时延送达，满足智能制造过程中对关键生产流程的实时监控与干预，满足工业控制过程毫秒级时延要求，并达到接近100%的网络传输可靠性。此外，在实时获取现场的人、机、料状态后，智慧工厂管理系统可结合生产工艺，通过智能化的算法和SDN网络技术，实现制造过程中生产任务的动态感知和智能化派发。基于以上3点设计思路组建的总体框架示意图如图1所示。
图1 创新组网设计总体框架示意
在架构最上层，是以私有云方式部署在中心云的工业互联网智能远程运维平台，负责智慧制造流程内全部生产数据处理、数据存储、视频图像智能处理分享、云端协同引擎等核心事务。中层是网络核心层，由智慧工厂企业内网、运营商核心网、SD OTN全光智能网络和边缘云数据服务组成，负责以有线和无线两种方式承载工厂园区内、园区外以及不同园区间的网络控制与数据传输，向上提供边缘云数据服务，向下为终端设备提供无线与有线网络的接入，实现网络控制以及数据的安全可靠传输。最下层是数据设备接入层，由各类视频监控器、传感器、数控设备、AR终端及工厂园区内的有线和无线网络构成，向上统一接入智能网关，部分对时延要求非常敏感的数据处理在智能接入网关处即可完成，大量的CPE边缘计算部署在工厂生产园区内，与园区接入网、终端设备形成“云-网-端”协同。
无线侧创新组网设计
智慧工厂内网在无线侧可采用“5G网络+MEC下沉园区”的连接方式。在生产厂区内采用MEC边缘计算共享UPF用于数据分流，业务数据通过共享UPF转发至共享MEC边缘计算平台，与智慧工厂内网系统实现业务交互。在千兆光网先天支持增强移动带宽、高可靠低时延和海量机器连接的情况下，进一步降低数据传输时延，大带宽业务及保密性高的敏感信息卸载在本地，不仅能够节省智慧制造企业专网建设成本和骨干网专线资费，还能保证制造企业数据安全。无线侧5G MEC边缘计算专网设计如图2所示。
图2 5G MEC边缘计算专网设计
有线侧创新组网设计
智慧工厂内网在有线侧可通过SD OTN技术组建的全光智能千兆网络，进行全园区范围的组网和跨园区的万兆互联，现场设备PLC、现场摄像头等设备则通过工业互联网和现场总线完成连接。采用SD OTN技术的好处如下。1.传输通道采用多路由Mesh组网方式，采用全光组网，可有效减少中转电交换，降低时延。2020年7月10日，从广州新时空机房到深圳坂田研发基地100G带宽SD OTN业务实测时延低于2毫秒。2.SD OTN技术采用OXC自动光调度功能、全光背板，节省90%人工连纤，线路维度可随需扩展，节点光层可快速打通，对突发大颗粒、大流量业务可及时响应。3.SD OTN技术单波道传输带宽已支持200Gbit/s～600Gbit/s，全省范围100G光层业务”一跳直达”，满足智能制造业更大带宽需求。4.基于SD OTN技术的千兆光网可采用产线网络切片技术，按照智慧工厂在柔性制造过程中的需求灵活划分多个网络切片，为不同的核心业务提供差异化网络服务。有线侧利用SD OTN技术组建的全光智能千兆网络设计如图3所示。
图3 利用SD OTN技术组建全光智能千兆网络设计
工厂原有的工业PON组网系统可以与SD OTN技术充分融合，互相成为对方的有益补充，并在不同场景进行灵活应用。例如：可以把SD OTN作为园区间及大型园区内不同生产厂房、车间的互联技术，而在车间、厂房内的“最后50米”互联按需采用工业PON组网实现设备端互联。
设计方案包含两大创新点
传统制造工厂的组网采用普通互联网线路、中低速率SDH组网专线及工业PON组网方式实现园区间及大型园区内生产厂房、车间的互联，存在时延高、抖动大、丢包率高、安全性差、易被攻击、核心关键业务传输带宽无法保证、云网协同效率低等现实问题。基于千兆光网和MEC边缘计算实现“云-网-端”融合协同的智慧工厂创新组网设计，能够实现智能制造过程中生产的数字化、柔性化、智能化和高度集成化，并为智能制造企业全面数字化和数智化变革提供有力的网络保障。
基于云边开放协同的工业智能计算组网设计框架
采用基于-边开放协同的工业智能计算组网设计框架，可有效解决智能制造过程中数据量大、带宽占用高等导致的云边协同系统智能分析模型时效性低的问题，提升复杂情况下数据分析的准确度和拟合度。5G MEC边缘计算技术可以提供强大的通信、计算和存储能力，针对工业场景多连接、大流量、可靠性要求高的特点提供边缘云的能力，就近服务，满足智慧工厂业务层面实时数据处理需求以及用户层面数据安全可靠要求，与人工智能、物联网等技术有机结合，还可创造出基于千兆光网的智能工厂业务，大幅提升工厂生产效率。
基于“云-网-端”一体化平台的智慧工厂设计思路
基于“云-网-端”一体化平台建设的智慧工厂，通过千兆光网可实现生产车间内多路高清视频实时回传，并且借助千兆光网低时延的特性可实现对设备的远程精准控制，既可减少人员现场作业的风险，又能有效降低光纤设备的固定损耗，降低工业园区内设备的维护成本。同时，千兆光网“一跳入云”、扁平化的组网方式，提升了云网协同的通信效率。在固移融合、固移互补方面，采用SD OTN技术的固网与基于5G MEC下沉用户侧的5G移动专网，可分别承载不同生产园区之间及同一生产园区内众多移动检测、生产设备所产生的业务数据，实现毫秒级的数据交换与处理，为超低时延的精细化生产控制提供网络基础。
结语
相信在不久的未来，基于SD OTN技术的千兆光网和5G MEC边缘技术实现“云-网-端”融合协同的智慧工厂，将成为“工业互联网+先进制造业”的重要落地模式之一。同时，智慧工厂也是现代工业、制造业的大势所趋，是实现制造企业转型升级的一条优化路径。目前，北京、上海、广东、深圳、浙江、福建等地已实施千兆光网产业规划，将千兆光网与工业融合应用作为产业规划的重点。截至2023年3月底，广东联通已成功与华为、荣耀、中兴、TCL、汇川科技、美的等众多制造企业紧密合作，提供基于SD OTN技术的千兆光网和5G MEC边缘技术，助力智慧工厂加速实现“云-网-端”融合协同。随着政策推动，信息化、智能化的工业发展趋势将引导中国从制造大国向制造强国转变。
未来，以5G、人工智能、云计算、大数据等为代表的新兴技术与先进制造技术的融合将更加深入，从而减少工作失误、堵塞各种漏洞、提高工作效率，最终在成本合理的前提下，满足市场个性化需求，实现利益最大化。
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