智能仓储5G应用场景及网络部署方案

张建忠

中国电信股份有限公司江苏操作维护中心

0 引言

工业互联网是新一代信息通信技术与工业经济深度融合的全新工业生态、关键基础设施和新型应用模式，通过人、机、物的全面互联，实现全要素、全产业链、全价值链的连接。工业互联网将推动全新的工业生产制造和服务体系的形成。

作为工业互联网的一个重要组成部分，智能仓储在制造业及物流行业占有重要的位置。目前，我国仓储行业存在的主要问题是利用率低、效果不明显、规模不确定、智能化程度低等。在现代科学技术的飞速发展和工业生产的发展带动下，仓储的功能不单单只是以往的“储存”和“管理”，越来越多的企业对仓储的要求更趋向于自动化、智能化，柔性制造系统、计算机集成制造系统和工厂自动化对自动化仓储更是提出更高的要求，包括具有更可靠、更实时的信息，工厂和仓库中的物流必须伴随着并行的信息流。

结合5G网络的优势特征，我们可以看到5G能给仓储行业提供如下几方面的支持：

（1）货物永远在线。仓储最大的特征是货物的移动。在货物移动的场景下，5G网络的全覆盖可以让货物永远在线。这就克服了WIFI、有线网络等带来的局限性。

（2）在线高清视频。5G网络的高带宽可以毫无障碍地将高清监控视频实时传送。高清视频一方面能大大提高仓储安全性，同时也可提高生产效率。例如利用AI技术，可以完成货物的在线识别和清点。

（3）海量货物的接入。5G的海量物联网连接能力，可以将所有货物相关设施同时接入网络中，通过系统进行统一管理和调度。低成本的电子标签和物联网技术，让所有货品的管理变得简单。

（4）高速货物处理。鉴于物流的处理速度要求，5G网络的超低时延，完全可以满足物流场景下所有高速流转的要求。

1 智能仓储的5G应用场景

1.1 智能仓储系统的构成

智能仓储系统是运用软件技术、网络技术、自动分拣技术、物联网技术等先进的科技手段，对物品的进出库、存储、分拣、包装、配送及其信息进行有效地计划、执行和控制的物流系统。它主要包括识别系统、搬运系统、存储系统、分拣系统以及管理系统。具体见表1所示。

表1 智能仓储系统构成表

构成智能仓储的主要是两个系统：仓储管理系统（WMS）和仓储控制系统（WCS）。

WMS是仓库管理的核心系统，具有出库业务、入库业务、仓库调拨、库存调拨、虚仓管理等功能。通过系统还可以完成批次管理、物料对应、库存盘点、质检管理等操作。作为智能仓储的重要特征，WMS还具有精准报表、决策支持、费用管理等高级服务功能。

WCS是位于WMS与物流设备之间的中间层，负责协调、调度底层的各种物流操作设备，从而按照仓储系统的业务流程完成物品的搬运等操作。具体来说，就是将WMS下达的操作指令进行翻译、分解、优化、编排，利用与设备间的系统接口，完成对各种设备的统一指挥、调度和监控。

1.2 货物入库

（1）货物到库后，管理人员用5G手持终端查询到货信息：商品名称、型号、数量、供应商信息等。

（2）用5G RFID标签读写终端读取货物编码，上传到仓库管理系统（WMS）。WMS负责进行送货单据、订货单据、到货商品之间的一致性审核。如果三者匹配，系统自动完成货物入库确认，并自动打印货物入库单据；如果存在不一致的情况，系统通过5G手持终端发出告警信息提示仓库管理人员，仓库管理人员可以拒收货物。

（3）5G高清视频终端对货物入库进行全过程监控，并将视频上传到云端，由AI进行视频设别，清点入库货物数量并判断货物包装是否完好无损。

（4）入库后的货物堆放位置由WMS智能规划。WMS通过5G网络给仓储控制系统（WCS）发布指令。WCS控制堆垛机、5G SDV货物运送小车、5G智能机器人等，将货物运送到指定位置。

1.3 货物出库

（1）仓库管理人员用手持5G终端扫描出库单，通过5G网络将出库请求发送到WMS。

（2）WMS依据出库请求信息，自动查询出符合要求的货品，并生成一份电子拣选单发送给仓库管理人员确认。拣选单内容包括：单号、货品代码、货品名称、型号、数量、仓位号、箱号等。

（3）仓库管理人员对拣选单进行确认。确认后通过5G手持终端给WMS发送出库指令。WMS依据拣货单信息，给WCS发送指令。WCS控制堆垛机、5G SDV货物运送小车、5G机器人等，将货物运送到出库位置。

（4）5G高清视频终端将对货物出库进行全过程监控，并将视频上传到云端，由AI进行视频设别，清点货物数量并判断货物包装是否完好无损。

1.4 货物盘点

（1）仓库管理人员通过手持5G终端发出货物盘点指令，通过5G网络将出库请求发送到WMS。

（2）WMS依据货物盘点指令，自动查询出系统内符合要求的货品清单，并生成一份盘点清单发送给仓库管理人员。清单内容包括：货品名称、型号、数量、仓位号、箱号等。

（3）仓库管理人员根据盘点清单，使用5G RFID标签读写终端读取仓库内相关货物编码，通过5G网络发送到WMS。

（4）WMS依据标签读取信息进行数据核对，并生成各种类型的盘点报表，包括盘盈盘亏、库存、仓位信息等。

1.5 仓储环境及安全监控

（1）安防监控。在库房室内外安装5G高清监控，视频图像实时传送到云端。智能视频AI系统可以在线识别，发现安全隐患时实时报警。

（2）环境温湿度监控。在仓库间隔一段位置安装温湿度传感器，通过物联网技术实时将监测数据上传云端。一旦发现温湿度异常，实时报警。

（3）消防监控。设置烟感传感器等物联网终端。一旦发生异常及时报警，并触发消防系统工作。

（4）门禁系统。进出人员均要进行人脸识别、智慧卡等安全认证。对于未授权的人员及货物进出及时进行报警。

2 基于智能仓储的5G网络部署方案

智能仓储系统大多设置在室内，在不考虑工厂其它空间网络覆盖的情况下，建设5G室内分布系统。

网络建设中涉及到带宽的考虑，可以依据接入设备进行估算。（1）手持终端、标签读写终端可以按照每个终端10Mbps的带宽需求来计算；（2）门禁系统、温湿度传感器的网络需求，可以采用NBIOT网络覆盖来实现；（3）人脸识别系统可以按照每终端100Mbps的带宽需求来计算；（4）高清视频监控可以按照每个摄像头10Mbps的带宽需求来计算；（5）SDV小车、堆垛机、机器人等可以按照每个小车5Mbps的带宽需求来计算。

网络时延的考虑，一般要求在300ms以下，在实际使用中时延越小越好，特别是涉及到机械操作指令的传输，时延最好控制在100ms以内。

具体网络建设方案，可以根据智能仓储客户的实际需求，提供如下4种方式供客户选择。

2.1 全独享方案

这是一套相对独立的5G网络部署方案。控制面功能（CPF）和用户面功能（UPF）独享。具体方案如图1所示。

图1 全独享5GC的5G网络部署方案

智能仓储客户对控制面功能（CPF）和用户面功能（UPF）全部独享。5G核心网（5GC）的所有控制面网元，包括接入和移动性管理功能（AMF）、会话管理功能（SMF）、鉴权服务器功能（AUSF）、统一数据存储功能（UDR）、统一数据管理功能（UDM）、策略控制功能（PCF），以及用户面网元功能（UPF），都需要投资建设。

这种模式建设成本最高，适合于以下几种场景使用：（1）智能仓储与工厂在同一区域内，网络部署考虑到工厂的整体需求；（2）客户从事涉密等级较高的业务，有物理上独立建设网络从而确保数据安全隔离和本地闭环的需求；（3）客户业务对网络时延有较高的要求；（4）客户有很强的网络运行和维护能力；（5）客户有高等级的机房设施，包括不间断电源、精密空调、宽带网络接入等等；（6）WMS等信息化系统全部部署在企业内网。

2.2 轻量5GC方案

这是一套相对独立的5G网络部署方案。CPF部分独享和UPF独享。具体方案如图2所示。

图2 专属轻量5GC的5G网络部署方案

此方案在客户端部署轻量5GC，智能仓储客户对CPF的部分网元和用UPF独享。5GC的部分控制面网元，包括SMF、AUSF、UDR、PCF需要投资建设，UPF也需要独立建设。AMF和UDM利用运营商公网资源。

这种模式建设成本较高，适合于以下几种场景使用：（1）智能仓储与工厂在同一区域内，网络部署考虑到工厂的整体需求；（2）客户从事涉密等级较高的业务，有较高的安全需求；（3）客户业务对网络时延有较高的要求；（4）客户有较强的网络运行和维护能力；（5）客户有一定的机房条件；（6）客户网络终端纳入运营商的管理。

2.3 UPF下沉方案

这是一套性价比较高的5G网络部署方案，UPF独享。具体方案如图3所示。

图3 UFP下沉的5G网络部署方案

5GC采用运营商的平台，UPF独立建设。

这种模式建设成本相对较低，适合于以下几种场景使用：（1）客户对网络隔离有一定的要求；（2）客户的网络维护能力相对较弱，基本上依赖运营商的支撑；（3）客户业务对网络时延有一定的要求。

2.4 DNN方案

这种模式是基于公网的部署方案，建设投资最少。网络接入采用运营商的公共5G移动网元，客户无需建设专用设备。具体方案如图4所示。

图4 全共享模式下专有DNN网络部署方案

考虑到一定的安全性，客户网络部署可以采用定制专用DNN的模式。各类智能仓储终端设置专用的DNN接入码，上线后可以通过VPN接入智能仓储专网。

此模式适合于以下几种场景使用：（1）客户对网络隔离和安全性要求一般；（2）客户的仓库规模较小；（3）客户业务对网络时延要求不高；（4）客户不考虑在网络上投资建设。

2.5 不同仓储场景下的推荐建议

不同的仓库规模、使用场景、智能化水平，决定了不同仓库的网络建设需求。

从仓库的用途来看，大致可以分为6种：（1）大型采购仓库：用于集中储存从各企业收购的商品，一般设在大、中城市，或商品运输枢纽的所在地；（2）批发仓库：用于储存从采购供应库场调进或在当地收购的商品，一般贴近商品销售市场，规模要小一些；（3）零售仓库：用于为商业零售做短期储货，一般是提供店面销售，规模较小，所储存物资周转快；（4）中转仓库：处于货物运输系统的中间环节，一般设置在公路、铁路的场站和水路运输的港口码头附近；（5）企业加工仓库：用于存储企业生产用的原材料或成品，一般设置在制造企业内部；（6）保税仓库：为国际贸易的需要，设置在一国国土之上，但在海关关境以外的仓库。

从仓库的构造结构来看，大致可以分为5种：（1）单层仓库：使用最广泛的一种仓库建筑类型，只有一层，搬运、装卸货物比较方便；（2）多层仓库：由于是多层结构，需要使用垂直输送设备来搬运货物；（3）立体仓库：又称高架仓库，利用高层货架来储存货物，货物的存取需要配套自动化、智能化设备；（4）简仓：用于存放散装的小颗粒或粉末状货物的封闭式仓库，例如存储粮食、水泥和化肥等；（5）露天堆场：在露天堆放货物的场所，一般堆放大宗原材料，或者不怕受潮的货物。

依据仓库的不同用途，网络建设方案推荐如表2所示。

表2 不同用途下网络建设方案的推荐建议

依据仓库的不同构造结构，网络建设方案推荐如表3所示。

表3 不同构造结构下网络建设方案的推荐建议

以上只是推荐建议，具体的网络部署方案，要结合客户仓储用途、规模、管理水平、投入资金等多方面确定。

3 结束语

2B行业应用是5G发展的一个重要方向。智能仓储作为物流、制造行业信息化的一个重要领域，在5G时代有了新的发展空间。如何赋能工业互联网、赋能智能仓储是摆在网络建设者面前的一个重要课题。本文通过对5G网络如何适应不同场景下智能仓储的网络需求进行探讨，为运营商和仓储、物流行业寻求信息化的最佳方案做一些探索。随着仓储信息化、智能化水平的不断提升，5G时代一定会出现更多的智能化设备，对网络的依赖程度也会不断提高。在网络技术和智能设备相互促进、不断进步的推动下，智能仓储行业一定会取得更大的发展。