時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)用

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摘要：時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是工業(yè)發(fā)展的重要內(nèi)容?，F(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展缺少完善的、統(tǒng)一的互聯(lián)網(wǎng)規(guī)范，只是讓數(shù)據(jù)在物的前端以采集的方式傳遞給后臺數(shù)據(jù)庫，而后再一層層向上傳遞給應(yīng)用層。本文以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況為基礎(chǔ)，深層探索時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的運(yùn)用情況。

【關(guān)鍵詞】時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；實時以太網(wǎng)

當(dāng)前，時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，引起了工業(yè)界的關(guān)注，大量國際標(biāo)準(zhǔn)化組織都開始進(jìn)行時間敏感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計工作，這也促使工業(yè)企業(yè)開始在內(nèi)部推廣時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，目前不管是國外，還是國內(nèi)工業(yè)引用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的案例都有很多，且已經(jīng)構(gòu)建了相應(yīng)的實驗床，這對時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究工作而言具有積極作用。下面對時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與其在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究與分析。

1工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)分析

“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”是指開放、全球化的網(wǎng)絡(luò)，讓人、數(shù)據(jù)與機(jī)器連接到一起，屬于泛互聯(lián)網(wǎng)的目錄分類。其是全球工業(yè)系統(tǒng)與高級計算、分析、傳感技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的高度融合。通過了解我國以往發(fā)展情況可知，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的概念一直都有，并不只是舶來品。從本質(zhì)上講，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)首先是全面互聯(lián)，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合數(shù)據(jù)流動與研究，加速智能化革新，進(jìn)而獲取新的發(fā)展形勢和業(yè)態(tài)?；ヂ?lián)是發(fā)展的根本，而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)就是讓工業(yè)系統(tǒng)的各個元素互聯(lián)起來，不管是人還是機(jī)器、系統(tǒng)。雖然其解決了通信問題，但更為關(guān)鍵的在于數(shù)據(jù)端到端的流動，因此要做到跨越系統(tǒng)的流動，并在數(shù)據(jù)流動技術(shù)深層探索，以此構(gòu)建模型。伯特提出，智能化生產(chǎn)、個性化定制及服務(wù)延伸等都是以互聯(lián)為基礎(chǔ)落實的。這屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基理，比當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)更注重數(shù)據(jù)，更關(guān)注連接，更強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)的流動、集成與研究、建模等，這是與互聯(lián)網(wǎng)截然不同的內(nèi)容。由此可見，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的本質(zhì)就是要具備數(shù)據(jù)的流動和分析。在新時展背景下，隨著三種元素的逐漸融合，促使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢得到突顯，這與傳統(tǒng)運(yùn)行方式相比有了全新的改變。傳統(tǒng)意義上的統(tǒng)計方式是歷史數(shù)據(jù)收集技術(shù)，其主要是講數(shù)據(jù)、分析及決策分開實施，而隨著現(xiàn)代化系統(tǒng)監(jiān)控與信息技術(shù)成本的減少，工作能力的提升，促使數(shù)據(jù)處理范圍得到拓展，這也為系統(tǒng)操作提供了更為廣闊的視野。機(jī)器分析的提出，可以為研究流動提出新思路，不同的物理方式、行業(yè)特定領(lǐng)域包含的專業(yè)知識等會與當(dāng)前整套“大數(shù)據(jù)”工具合作運(yùn)行。最終，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)會包含傳統(tǒng)方式和新的混合方式，并依據(jù)先進(jìn)的特定行業(yè)分析，科學(xué)引用歷史與實時數(shù)據(jù)。需要注意的是，雖然工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的提出加快了工業(yè)企業(yè)發(fā)展步伐，但也為其帶來了大量安全隱患，而引用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以有效解決問題，下面對其進(jìn)行深層探索。

2時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分析

2.1定義

時間敏感網(wǎng)絡(luò)是以實時以太網(wǎng)為基礎(chǔ)提出的。在實時以太網(wǎng)的概念中，有很多應(yīng)用場景都要講確定性時延定為基礎(chǔ)內(nèi)容，如車輛的駕駛系統(tǒng)、工廠的控制系統(tǒng)等。在這些內(nèi)容中，時間敏感數(shù)據(jù)流傳輸時延的可接受范圍要低于1毫秒。為了實現(xiàn)預(yù)期設(shè)定的傳遞要求，市場中以EtherCAT、Profinet等為核心的實時通信技術(shù)得到了全面推廣，并成為各個領(lǐng)域發(fā)展的根本內(nèi)容。通過研究實踐案例可知，這些技術(shù)是以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為基礎(chǔ)提出的，但也具備專有機(jī)制，這也促使其在工作狀態(tài)下彼此不能兼容，進(jìn)而阻礙實時以太網(wǎng)的發(fā)展。此時，IEEE802工作組提出了“時間敏感網(wǎng)絡(luò)”的理念，想要構(gòu)建一個統(tǒng)一且完善的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，促使其可以在標(biāo)準(zhǔn)化的狀態(tài)下，在各個區(qū)域都能有序工作，進(jìn)而為系統(tǒng)提供實時數(shù)據(jù)信息。這對實時以太網(wǎng)的發(fā)展而言具有積極作用。

2.2特點(diǎn)

從字面上看，時間敏感網(wǎng)絡(luò)最重要的就是“時間”。其在應(yīng)用中的根本目標(biāo)就是提供一種方法來保障信息在一個明確的、可以預(yù)測的時間范圍內(nèi)，從源節(jié)點(diǎn)傳遞到目的節(jié)點(diǎn)。此時，IEEE802工作組提出，時間敏感網(wǎng)絡(luò)可以提供具備有界低延時、低抖動、極低數(shù)據(jù)丟失率的數(shù)據(jù)傳輸能力。具體特點(diǎn)分為以下幾點(diǎn)：（1）時間同步。在運(yùn)行應(yīng)用和控制應(yīng)用的設(shè)備上維持端到端的同步時間，預(yù)期最壞情況會達(dá)到±500ns。這一特點(diǎn)屬于時間敏感網(wǎng)絡(luò)的根本內(nèi)容；（2）有界低延時。依據(jù)多種調(diào)度與管理機(jī)制提出的有界低延時，最終實現(xiàn)零擁塞的丟失率；（3）低抖動。依據(jù)時間同步與數(shù)據(jù)流調(diào)度機(jī)制控制數(shù)據(jù)傳遞階段的抖動；（4）高可用。結(jié)合數(shù)據(jù)幀復(fù)制、主從時間源等機(jī)制提供網(wǎng)絡(luò)的高可用性；（5）匯聚網(wǎng)絡(luò)。時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持需求迥異的大量負(fù)載的同時傳遞；（6）兼容性。依據(jù)引用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)，兼容不同引用場景與既有協(xié)議。在上述特點(diǎn)的支持下，時間敏感網(wǎng)絡(luò)可以展現(xiàn)出下面幾點(diǎn)優(yōu)勢：（1）交換網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳遞時延得到保障；（2）關(guān)鍵負(fù)載與非關(guān)鍵負(fù)載可以在相同網(wǎng)絡(luò)中混合傳遞，非關(guān)鍵負(fù)載的并行傳遞不會影響關(guān)鍵負(fù)載的傳遞時延；（3）大量上層協(xié)議的實時負(fù)載可以在網(wǎng)絡(luò)中一起傳遞；（4）網(wǎng)絡(luò)錯誤可以及時被修復(fù)和研究。

3時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用分析

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度越來越快，促使其對通信網(wǎng)絡(luò)提出了全新要求，此時革新的制造工藝、逐漸完善的控制流程都需要提出一個可以快速、及時通信的網(wǎng)絡(luò)作為保障，傳統(tǒng)意義上的以太網(wǎng)無法滿足當(dāng)前工業(yè)發(fā)展需求。因此，工作人員要在整合以往工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，深層探索工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需求。時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為新時展提出的重要內(nèi)容，是當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)預(yù)期發(fā)展目標(biāo)的關(guān)鍵。

3.1工廠自動化

在離散運(yùn)行的工業(yè)工廠中，每一條生產(chǎn)線上都有大量的機(jī)器人在操作，此時引用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有助于提升操作的林敏性?，F(xiàn)階段，這些機(jī)器人是由本地控制的，彼此只是有限同步，從工廠層以外提出的數(shù)據(jù)訪問都會受到限制。此時要想實施互聯(lián)互通，除了依據(jù)專有網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溝通，再就是依據(jù)工業(yè)網(wǎng)關(guān)實施轉(zhuǎn)發(fā)。由此可見，在這一背景下要想消除本地控制，會在通信網(wǎng)絡(luò)中增加非關(guān)鍵負(fù)載，必然會影響關(guān)鍵負(fù)載通信的效果。時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的引用，不但可以解決問題的發(fā)生，而且有助于提升工作效率和質(zhì)量。讓這些機(jī)器人在時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的輔助下溝通，而后同步到一個全局時鐘上，此時就算在網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)非關(guān)鍵負(fù)載，也可以確?？刂菩盘柕汝P(guān)鍵負(fù)載的傳遞效果。換句話說，在這一背景下，工作人員不但可以繼承控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，而且可以讓分散落實到各個機(jī)器人中的控制功能整合匯集到一個具備強(qiáng)大計算能力的控制云中。最為關(guān)鍵的是，從機(jī)器人中收集的數(shù)據(jù)不需要依據(jù)網(wǎng)關(guān)設(shè)施，就可以直接傳給上層網(wǎng)絡(luò)，這樣不但可以優(yōu)化服務(wù)水平，而且控制了基建支出。

3.2電力行業(yè)

時間敏感網(wǎng)絡(luò)有助于為電力行業(yè)提供更加精確的優(yōu)化工作、成本更低的發(fā)電和維護(hù)工作。發(fā)電站的范圍非常廣泛，構(gòu)成也非常繁瑣，不定期就會向發(fā)電站基礎(chǔ)設(shè)施中增添新的應(yīng)用。因此，為了保障運(yùn)行過程系統(tǒng)的安全性和有效性，工作人員一定要讓多種類型的系統(tǒng)協(xié)作運(yùn)行，以此才能有效發(fā)電。但了解實踐案例可知，系統(tǒng)與系統(tǒng)間一般都存在較大差異的通信平臺，這些平臺會提升系統(tǒng)的復(fù)雜性。在有實時通信需求的區(qū)域，這些系統(tǒng)要保障與上層網(wǎng)絡(luò)彼此相隔。在發(fā)電廠中引用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，促使其作為不同系統(tǒng)的一個標(biāo)準(zhǔn)通信平臺，有助于提升發(fā)電廠架構(gòu)的有效性。研究實踐案例可知，對要確定性實時通信的系統(tǒng)而言，引用時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)后，可以整合各個系統(tǒng)，進(jìn)而一起調(diào)節(jié)它們的時間敏感負(fù)載。而對其他高層的管理和安全協(xié)議等內(nèi)容來說，可以在相同網(wǎng)絡(luò)中一起傳遞，彼此之間不會出現(xiàn)差異。除此之外，時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還有一大特點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)故障可以被及時發(fā)掘，并在組件級中得到修整。因此，各個系統(tǒng)的更密集集成有助于提升實踐工作效率。

4結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段我國時間敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展正處于初級階段，有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究也在逐漸落實，因此我國要在整合國際標(biāo)準(zhǔn)研究工作的基礎(chǔ)上，明確我國工業(yè)發(fā)展情況，而后提出適宜的標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。另外，也要與各個工業(yè)企業(yè)進(jìn)行溝通和交流，一起研究時間敏感網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)領(lǐng)域上的應(yīng)用和發(fā)展，以此為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供有效依據(jù)。

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作者:王碩 單位:河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院