5 G+UW B 在客车行业MES 中的建设实践

文/刘勇 温振华（安徽安凯汽车股份有限公司）

企业资源计划（ERP）的应用初步解决了企业产销协同的问题，但对于生产制造过程的监控往往是缺失的。相较于乘用车企业，客车企业产品定制化程度高、生产自动化程度低，产品节拍化生产能力弱，进而导致生产现场管理的“黑箱”问题较为严重，这是不少“多品种、小批量”制造企业要解决的共性难题。

对于智慧工厂而言，信息化车间则是基础，因此制造执行系统（MES）是车间智能化过程中不可或缺的重要一步，本方案通过5G 专网与超宽带（Ultra Wide Band,UWB）技术的结合，解决车辆生产制造过程工位流转数据溯源，并在MES 中予以应用，使传统业务开展从物理世界向数字化空间的转型升级，实现了生产管理业务的模式创新，同时也回避了生产自动化程度低造成的数据获取问题，5G 专网的建设也将网络用户面网元（UPF）下沉企业园区以确保数据安全。

一、5G 专网加速数字化转型

1.5G 专网建设

5G 可以实现“人对万物”以及“万物对万物”的连接。5G 的三项核心能力：eMBB（增强移动宽带）、mMTC（海量大连接）、uRLLC（高可靠低时延），对于企业后期的网络拓展都有强烈的吸引作用。另一方面，对于企业来说，有线网络改造通常需要在生产车间施工，甚至涉及停产停工，扩展局限性大；Wi-Fi 大面积覆盖常涉及诸多无线接入点（AP），不具备5G 的高移动性和安全性。

为满足企业5G 专网需求，项目方案采用SA 技术架构，业务由SA 核心网进行承载，通过DNN 技术实现企业业务在5G 网络的专用隔离：通过在园区内部署用户面UPF 设备，实现数据分流不出园区的安全保障，并进一步降低数据转发时延；同时采用5G 网络切片技术，满足隔离性、按需定制和端到端网络保障，提供超低时延保障服务。5G 网络总体逻辑拓扑图如图1所示。

图1 5G 网络总体逻辑拓扑图

2.网络隔离

采用5G DNN 网络隔离方案，即5G SIM签约独立的DNN；终端接入网络设置专用APN。网络接入流程如下：

（1）终端设置正确的APN 并启用，接入网络时上报APN/DNN 信息，5G 核心网进行用户鉴权认证；通过后允许终端接入网络，合法终端允许接入企业内部网络。

（2）终端设置正确的APN 并启用，若5G SIM未签约对应的DNN，5G 核心网在终端请求网络接入时，不予通过，即终端无法接入DNN 网络，实现接入隔离。

（3）个人终端(APN：CMNET)中请求网络接入，若5G SIM 签约信息合法，通过鉴权认证后，允许终端接入CMNET 公网访问互联网，但不允许访问企业内部网络。

通过与运营商合作，采取5G SIM卡授权的方式，有效地将专网与公网隔离，保证了企业信息安全。

3.MEC（边缘计算）

边缘计算是一种分散式运算的架构。在这种架构下，将应用程序、数据资料与服务的运算，由网络的中心节点移往网络逻辑上的边缘节点来处理。边缘运算将原本完全由中心节点处理的大型服务加以分解，切割成更小与更容易管理的部分，分散到边缘节点去处理。

企业内部署一套边缘MEC 设备在机房内，采用先进的硬件平台，单站点通过1 对EOR 交换机对外进行连接。综合考虑企业模型及设备处理能力，MEC按5Gbps 忙时吞吐能力（0.1 万PDU 会话，5Gbps 吞吐量）部署，提供计算资源、存储资源、网络资源和安全基础设施，满足企业5G 智能工厂边缘计算需求。

MEC 网络采用两层（接入、核心）组网、三平面（业务、管理、存储）物理隔离，出口层复用现有各承载网络设备。

表1 边缘MEC 对外接口及承载方案

企业承载场景和流向示意如图2 所示。

图2 企业承载场景和流向示意

二、UWB 重构生产数字空间

1.超宽带（UWB）技术

除了5G 技术的应用，方案还采用了高精度UWB定位技术来确保应用落地。UWB 技术是一种利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据的无线通信方式。该技术采用高带宽、快速脉冲的方式，具有优秀的穿透性和抗干扰性，可以解决基于一维、二维场景下的在制品及物料的定位需求。

企业最终采用到达时间差（Time Difference Of Arrival，TDOA）算法，基于时间差定位技术，在实验室环境下，定位精度达到10 cm 以内，信号覆盖在可视环境下大于100 m。其工作频率为3.9 GHz，具有抗干扰能力强、不影响其他信号，以及难破解、低功耗、高可用的特点。

UWB 定位系统分为三层：现场设备层、网络服务层、管理应用层。系统层次自下而上，层次划分明确，架构清晰，如图3 所示。其中现场设备层主要由定位基站/Anchor、定位标签/Tag 组成。

图3 5G+UWB 系统架构

2.基于位置信息的应用

基于UWB 定位的位置应用的效果突出，主要体现在下列几个方面：

（1）UWB 定位技术，定位精度高、抗干扰性强，结合高效的计算能力采用滤波、优选、限幅、平滑等多种优化算法，支持零维单点、一维线性、二维区域多种定位方式，适用于工厂复杂环境下的人员和车辆定位。

（2）支持图形可视化展示及管理，界面友好、操作便捷、高效运行、扩展性好；支持PC 端、移动端多端、分发访问。

（3）系统采用实时告警触发机制，多达七类告警，告警支持短信、微信等多种联动方式，告警信息传递更及时，便于管理及跟踪。

（4）基于位置信息数据的采集和积累，形成海量数据，根据需求可进行不同维度的数据分析，生成可视图形化数据报表，作为客观数据支持智慧工厂管理决策。

（5）定位系统作为企业信息系统的重要应用之一，整个系统采用分层架构设计，与MES 通过标准API 接口方式集成，可以进一步应用扩展。

三、MES 打造企业新型生产能力

1.集成与应用

企业MES 围绕车间“透明生产”，重点完成生产计划、生产物料清单、生产执行、异常管理、质量管理、设备管理等功能模块对于车间层级业务的覆盖。依托5G 网络大带宽、低延时、高速率特点，实现产线设备连接“剪辫子”；基于UWB 定位标签，实现在制品的车间虚拟映射，最终通过数据的无线采集及MEC 边缘计算为MES 提供数据加工清洗等支持，使车间实现生产过程透明化、异常流程规范化、质量信息可溯化、业务系统集成化。

MES 生产计划模块中涉及的个性化订单需求，来源于企业资源管理（ERP）；生产物料清单需要以PLM（产品生命周期管理）中的EBOM（Engineering BOM）为基础继续编制；生产执行模块与UWB 定位信息的联动，使得工位机PC 自动识别当前工位产品详细信息，实现产前学习内容、产中执行操作的一键查询，以及异常问题的一键反馈。生产模块业务涉及多个信息系统，采用了面向服务的架构（Service-Oriented Architecture,SOA）中间件，对这些系统的集成接口进行统一的解耦与管理。

设备管理模块负责管理企业生产、检测、测量等设备。生产方面集成了总装、涂装部分设备，实现实时数据采集；对检测线相关的尾气排放及OBD 检测等设备进行集成，获取检测报告。

为了便于系统使用，配备了支持5G 专网的PAD、PC 等多种终端。现场工人应用5G-PAD 进行生产执行和质量管理，生产经理在应用生产计划和生产BOM的功能时，可通过PC 端进行。

2.MES 打造新型生产能力的数字化核心举措

安凯客车通过5G+UWB+MES 三位一体的形式，打造的新型生产能力包含了业务数据化、5G 专网、UWB 定位、互联互通、移动在线、异常快速处理、决策看板等数字化举措。业务系统实现生产计划、生产物料清单、生产执行、异常管理、质量管理、设备管理等过程业务数据化，串联起上下游系统以及设备，实现系统与设备互联互通，形成数字化平台的基础。通过数据业务化，为计划员、设计工程师、检验员、操作工等不同的岗位角色开发移动App，使其响应数字空间指令开展工作，设备、车体位置等物理世界信息也实时反馈至数字空间，基于数字空间打造的智慧工厂看板。

为了搭建数字空间以实现新型生产能力，主要实施了以下7 个方面的举措：

（1）业务数据化：企业生产计划、生产准备、生产执行、质量检测全过程业务数据化。

（2）5G 专网：搭建覆盖公司全域的5G-SA 专网，实现公司网络结构优化。

（3）UWB 定位：实现车体位置监控，构建虚拟数字空间。

（4）互联互通：集成各信息系统数据，打通设备数据和BOM、计划等业务数据的通道，联动企业微信平台。

（5）移动在线：为现场操作工、计划员、设计工程师、检验员等提供实时移动服务。

（6）异常快速处理：生产异常在线协同、设计异常推送审批。

（7）决策看板：多维度集成信息系统数据并清洗后产生决策看板。

MES 项目实施之前，公司质量管理、异常管理等模块无有效的数字化支撑手段与工具，专职质量档案管理人员工作量大，溯源难度大；异常管理人员无法有效地将组织记忆力转化为全员改进的方法。项目完成后质量管理实现了电子档案和全程数字化管控，极大减少了工作量，有效地将生产质量管理与DMS（经销商管理系统）结合，车辆质量可随时溯源且方式简化。异常管理模块能够通过Andon 方式记录异常发起时间、类型、响应时间等重要管理参数，有利于形成可复制、可学习、可改进的有效管理措施，提高异常响应效率并提高产品质量。据统计，质量门数据分析效率、问题追溯效率至少提高100%，整车一次交检合格率提升4 个百分点；质量门记录本等相关文印费减少80%。

通过建设5G 专网、UWB 高精度定位，实现了生产设备“剪辫子”连接，可自动统计车间各工位装配时间，解决了工位时间统计困难、无法还原生产时间状态的问题，且有效支撑车间异常时间分析，解决了企业长期以来存在的在产车辆无法定位溯源、产线设备有线连接限制，在企业降本增效、节能减排、安全生产方面都发挥了重要作用。5G 专网扩展了公司网络结构，专网5G 设备下行速度可达1 Gbps，较公司有线网络提升数倍，且网络拓展性极强。据统计，项目上线后，生产计划达成率同比提升5%；且经过负压测试，在产量峰值时，产能提高8%。

四、结语

安凯客车在企业数字化转型过程中，基于5G+UWB+MES 三位一体的应用，实现传统生产业务开展从物理空间向数字化空间的转型升级，在客车企业数字化转型、定制化生产等领域取到了较为明显的成效，特别是5G 与UWB 技术，在现场实施与总结改进等方面起到示范、引领作用。