隨著經濟的飛速發展，在《工業4.0》和《中國制造2025》等戰略背景的引領下，我國的工業體系不斷完善。其中，倉儲物流行業正處于數智化轉型升級階段，其數字化、自動化、智能化的要求也在不斷提升。
自2019年工信部正式發放5G商用牌照以來，5G憑借其無線技術上低延遲、大帶寬和廣連接的特性，靈活的組網方式，支持多樣化的組網場景和使用需求，促使5G技術在倉儲物流行業也隨即展開了大量的研究和驗證。近年來，5G技術的應用已逐漸融入入庫、盤點、揀貨、出庫、配送等多個環節，極大提高了倉儲物流的運轉效率和服務質量。
隨著5G標準向R16、R17、R18快速演進，主要圍繞各大垂直行業應用功能進行拓展研究，推動5G技術在基礎網絡能力、專網定制化能力、網絡指標極致化能力等方面不斷增強，其技術價值也將在垂直行業應用中得到最大體現。
本文針對倉儲物流場景，提出一種基于5G+TSN的智能倉儲物流網絡架構，實現倉儲物流場景下智能終端全連接，并滿足時間同步、確定性傳輸、可靠性保障和多設備協同的靈活自動化生產的需求。
隨著IEEE 802.1時間敏感網絡的出現，IEEE802.1和IEEE 802.3引入了一套確定性通信標準，用來支持以太網的實時通信。通過TSN大規模以太網可以實時傳輸適合工業應用的關鍵數據，大大減少了對特定現場總線協議和特定供應商通信系統的需求。TSN技術將在時間同步、發送定時流量和集中的自動化系統配置這3個方面進一步增強。
5G系統被視為工業用例中無線通信的關鍵使能技術。與此同時，3GPP從一開始就進行了具有前瞻性的設計考慮，為工業用例定義了允許超高可靠低時延通信的技術特性。3GPP R15和R16中規定了各種技術特性以增強可靠性和提供低時延通信，主要包括更快的信令方案、流量優先級、控制系統的冗余性和魯棒性以及數據傳輸等。此外，3GPP還明確了5G與TSN集成的技術框架，如圖1所示。允許5G與TSN集成的基本功能和特性已經在3GPP R16和R17中完成。在5G+TSN集成框架中，5G系統被視為TSN邏輯網橋，其特性主要包括支持數據鏈路層流量控制、在5G網絡中應用以太網頭壓縮技術（EHC）高效傳輸TSN以太網流量、端到端(E2E)時間同步、QoS差異化、將TSN流量的QoS流映射到5G QoS并進行優先級處理、5G+TSN互聯轉換功能等。
5G+TSN，即5G系統與TSN集成，基于5G URLLC的低時延高可靠能力，滿足TSN架構的時間同步、低時延傳輸、高可靠性和資源管理四大嚴苛的功能需求。5G與TSN融合后，可通過5G NR無線替代倉儲內的有線網絡，讓工業生產更加柔性化。
TSN和5G融合應用可具有以下技術優勢。
(1) TSN可用于智能工廠的各個方面，并可與確定性外聯網技術無縫連接。
(2) 5G技術顯著提高了智能工廠內部網的確定性無線通信能力。
(3) 5G與TSN的融合為智能工廠內部網提供了全覆蓋、確定性和低時延的通信保障。
(4) 5G網絡系統可獨立于TSN系統。該網絡系統可以承載和使用TSN，與多個TSN域進行橋接，幾乎滿足TSN的所有特性。
倉儲物流是現代物流行業中的一個主要組成部分，在物流體系中起著至關重要的作用。高效合理的倉儲保證了貨物倉庫管理各個環節數據輸入的速度和準確性，確保企業及時準確地掌握庫存的真實數據，合理保持和控制企業庫存，從而幫助企業加快物資流轉，降低物資周轉成本，保障企業生產物資流轉暢通。
自5G商用以來，智能倉儲物流作為物流行業信息化的一個重要領域，各大運營商和倉儲物流企業均致力于探索5G網絡在倉儲物流場景下的應用。其中，2021年工信部印發的《5G應用“揚帆”行動計劃(2021-2023年)》中就明確提到了“5G+智慧物流”的發展方向。從現階段來看，智能倉儲已初步實現百量級物聯設備同時接入，確保設備穩固連接，安全作業。然而，隨著5G技術的飛速發展，智能倉儲物流場景應用對于5G網絡的需求也日益精細化，需要大量的終端設備進行協同作業，每個操作對時間精度和網絡的穩定性要求非常高。此外，倉儲物流系統中智能終端設備的電纜布線過于復雜，限制了倉儲物流業務朝著智能化和柔性化方向發展。因此，倉儲物流通信網絡還需在低時延特性、可靠性和靈活性等方面有顯著提升。基于此，引入5G+TSN技術滿足智能倉儲場景下大量工業終端設備之間的通信需求。
為了幫助倉儲物流車間的數智化轉型，需搭建一套5G+TSN專網賦能智慧倉儲物流環節應用場景，接入各類智能終端，搭配WMS倉庫管理系統和WCS自動化控制系統軟件，從而實現生產流程全生命周期的自動化、可視化和數據化，有利于物流企業對物流物料狀態實時動態感知、倉儲物流數據實時采集、物流流轉過程精準管理和智能導向全自動化，提高倉儲物流的作業效率。
目前，主流的智慧倉儲物流應用場景按照功能區域可劃分為儲存區、揀選區和分揀區3類。
(1）儲存區采用智能立體倉庫方式，實現物資的密集存儲，大大提高倉庫空間。通過部署在云端的倉庫管理系統（WMS）和倉庫控制系統（WCS）對儲存區域內的各類智能終端進行全面地調度和管理，從而完成物資自動化出入庫工作，實現企業倉儲管理精益化、操作簡便化人性化，提高現代化物流企業生產管理水平。
(2）揀選區主要根據客戶訂單或銷售訂單，從庫存中選擇對應物資商品進行配送或發貨。揀選區域內的各類智能終端在云端部署的倉庫管理系統調度下，按訂單揀選出相應的物資商品，并按訂單目的地進行無人化搬運，有效提升揀選效率和準確率。
(3）分揀區主要是將已經揀選好的商品按照目的地或其它分類標準進行分組、打包和標記，以方便后續配送和交付。采用分揀機器人結合倉庫管理系統平臺的運作方式，大幅提升分揀效率，助力倉儲物流企業實現倉庫無人化、自動化和智能化。
隨著智慧倉儲物流行業的飛速發展，AGV機器人可以在倉庫里面代替人拖著貨架跑,可以大大減少倉庫員工的走動,比人工提升99%的效率。由此可見，AGV智能移動搬運機器人已成為智慧倉儲物流核心設備之一，其可以利用5G+TSN時間同步、低時延傳輸和高可靠性的特性，實現AGV集群調度、協同控制和云化控制等功能，確保各類物資的精準配送。
AGV是現代自動化領域出現的一項高新技術，近年來，隨著AGV技術不斷發展和完善，迅速在各個領域中得到廣泛應用。智能、柔性、安全的AGV無人搬運使物流運轉的自動化水平得到很大的提升。從網絡性能要求方面來看，雖然AGV實時控制所需的傳輸數據量很小，但是數據傳輸的頻率很高，對時延要求也是非常嚴格。
在倉儲物流運轉過程中，AGV小車和機械臂協同作業，可以提高運輸效率和優化生產節拍?；诖耍紤]到協同過程中的安全性和可靠性，需要AGV小車和機械臂之間實現實時交互和同步啟停，這也對通信時延提出了極為苛刻的要求。通信時延要控制在5～10μs，以便留給機電伺服系統更充裕的時間，各AGV之間時鐘同步也要求在1μs。
通過5G通信技術的云化技術，打造一流網絡環境，鏈接多個應用場景，實時數據對接，從而使AGV機器人在移動過程中活動區域將不受限，按需到達各個地點，在不同的應用場景下快速切換工作模式來完成相應的作業任務。在此基礎之上，5G技術具有的大帶寬和低延時特性使得AGV云化視覺導航應用成為未來發展趨勢。可將AGV內置攝像頭采集的視頻/圖像/文本數據經5G網絡上傳至云端，在云端進行統一計算分析，這樣無需在每個AGV設備內置嵌入式GPU處理器和AI算法，可大幅度降低AGV設備成本。
視覺導航一般要求至少每100 ms周期必須刷新上傳一次視覺幀以及下發位置信息，以防碰撞。上傳和下發的時延要控制在20 ms以內，以便給云端的圖像處理和位置計算留出寬裕的時間。
結合倉儲物流通信網絡現狀、應用場景和5G技術發展最新現狀的綜合分析，5G技術驅動智能倉儲物流專網建設，與5G系統橋接的TSN技術是融合信息技術和運營技術的重要橋梁。5G技術與TSN技術的融合應用，在通信機制和數據結構層面實現真正意義的互聯互通，將會重新定義現有的網絡架構。總而言之，5G+TSN技術有望成為下一代連接各智能終端設備的網絡通信技術，滿足智能倉儲物流復雜多變業務場景下的數據傳輸和遠程控制需求。
基于5G+TSN的智能倉儲物流網絡總體架構如圖2所示。以倉儲物流場景下的3個功能分區為示例，有線運營網絡采用時間敏感網絡，無線網絡采用5G網絡?？刂茖用?，由TSN應用功能(AF)網元與UPF中網絡側TSN轉換器（NW-TT）和終端側TSN轉換器（DS-TT）交互，實現5G+TSN網橋端口配置及管理功能。用戶層面，各類智能終端通過終端側TSN轉換器接入支持TSN的5G網絡，外部TSN則通過網絡側TSN轉換器接入支持TSN的5G網絡，中間的5G網絡作為連接TSN系統終端側和網絡側間的透明橋接網絡，實現智能終端與外部TSN控制器的時間敏感通信，滿足智能倉儲物流管理和運轉等業務所需的低時延、高可靠和靈活的傳輸特性。
5G技術與各大垂直行業應用的深度融合勢必將成為移動通信系統未來演進的核心內容。其中，“確定性網絡+工業制造”發展將是重點關注的方向之一。本文介紹了5G+TSN技術，并針對倉儲物流場景進行深入研究，提出一種基于5G與TSN兩者融合部署的通信網絡架構以增強網絡服務能力，實現5G無線網絡和生產運營網絡融合，滿足各類智能終端生產數據傳輸的低延遲和高可靠性需求。然而，5G+TSN技術的應用仍處于初級階段，仍存在一些亟待解決的問題，包括技術融合、場景適配和產業生態不成熟等。未來，隨著5G技術創新和標準化工作進程加快，5G+TSN網絡架構演進及增強技術將逐步完善，推動其與行業應用深度融合，打造更多典型應用場景，引領智能倉儲物流行業智慧升級。
滬公網安備 31011202008041號
