時間敏感網絡技術及其在工業互聯網中的運用

王碩

摘要

時間敏感網絡技術是工業發展的重要內容。現階段物聯網的發展缺少完善的、統一的互聯網規范，只是讓數據在物的前端以采集的方式傳遞給后臺數據庫，而后再一層層向上傳遞給應用層。本文以工業互聯網發展情況為基礎，深層探索時間敏感網絡技術在工業互聯網中的運用情況。

【關鍵詞】時間敏感網絡技術 工業互聯網 實時以太網

當前，時間敏感網絡技術的快速發展，引起了工業界的關注，大量國際標準化組織都開始進行時間敏感網絡標準設計工作，這也促使工業企業開始在內部推廣時間敏感網絡技術，目前不管是國外，還是國內工業引用時間敏感網絡技術的案例都有很多，且已經構建了相應的實驗床，這對時間敏感網絡技術的研究工作而言具有積極作用。下面對時間敏感網絡技術與其在工業互聯網中的應用進行研究與分析。

1 工業互聯網分析

“工業互聯網”是指開放、全球化的網絡，讓人、數據與機器連接到一起，屬于泛互聯網的目錄分類。其是全球工業系統與高級計算、分析、傳感技術和互聯網的高度融合。

通過了解我國以往發展情況可知，工業互聯網的概念一直都有，并不只是舶來品。從本質上講，工業互聯網首先是全面互聯，并在此基礎上結合數據流動與研究，加速智能化革新，進而獲取新的發展形勢和業態。互聯是發展的根本，而工業互聯網就是讓工業系統的各個元素互聯起來，不管是人還是機器、系統。雖然其解決了通信問題，但更為關鍵的在于數據端到端的流動，因此要做到跨越系統的流動，并在數據流動技術深層探索，以此構建模型。伯特提出，智能化生產、個性化定制及服務延伸等都是以互聯為基礎落實的。這屬于工業互聯網的基理，比當前互聯網更注重數據，更關注連接，更強調數據的流動、集成與研究、建模等，這是與互聯網截然不同的內容。由此可見，工業互聯網的本質就是要具備數據的流動和分析。

在新時代發展背景下，隨著三種元素的逐漸融合，促使工業互聯網優勢得到突顯，這與傳統運行方式相比有了全新的改變。傳統意義上的統計方式是歷史數據收集技術，其主要是講數據、分析及決策分開實施，而隨著現代化系統監控與信息技術成本的減少，工作能力的提升，促使數據處理范圍得到拓展，這也為系統操作提供了更為廣闊的視野。機器分析的提出，可以為研究流動提出新思路，不同的物理方式、行業特定領域包含的專業知識等會與當前整套“大數據”工具合作運行。最終，工業互聯網會包含傳統方式和新的混合方式，并依據先進的特定行業分析，科學引用歷史與實時數據。需要注意的是，雖然工業互聯網的提出加快了工業企業發展步伐，但也為其帶來了大量安全隱患，而引用時間敏感網絡技術可以有效解決問題，下面對其進行深層探索。

2 時間敏感網絡技術的分析

2.1 定義

時間敏感網絡是以實時以太網為基礎提出的。在實時以太網的概念中，有很多應用場景都要講確定性時延定為基礎內容，如車輛的駕駛系統、工廠的控制系統等。在這些內容中，時間敏感數據流傳輸時延的可接受范圍要低于1毫秒。為了實現預期設定的傳遞要求，市場中以EtherCAT、Profinet等為核心的實時通信技術得到了全面推廣，并成為各個領域發展的根本內容。通過研究實踐案例可知，這些技術是以傳統以太網為基礎提出的，但也具備專有機制，這也促使其在工作狀態下彼此不能兼容，進而阻礙實時以太網的發展。此時，IEEE802工作組提出了“時間敏感網絡”的理念，想要構建一個統一且完善的物理層和數據鏈路層協議，促使其可以在標準化的狀態下，在各個區域都能有序工作，進而為系統提供實時數據信息。這對實時以太網的發展而言具有積極作用。

2.2 特點

從字面上看，時間敏感網絡最重要的就是“時間”。其在應用中的根本目標就是提供一種方法來保障信息在一個明確的、可以預測的時間范圍內，從源節點傳遞到目的節點。此時，IEEE802工作組提出，時間敏感網絡可以提供具備有界低延時、低抖動、極低數據丟失率的數據傳輸能力。具體特點分為以下幾點：

（1）時間同步。在運行應用和控制應用的設備上維持端到端的同步時間，預期最壞情況會達到±500ns。這一特點屬于時間敏感網絡的根本內容;

（2）有界低延時。依據多種調度與管理機制提出的有界低延時，最終實現零擁塞的丟失率;

（3）低抖動。依據時間同步與數據流調度機制控制數據傳遞階段的抖動;

（4）高可用。結合數據幀復制、主從時間源等機制提供網絡的高可用性;

（5）匯聚網絡。時間敏感網絡技術支持需求迥異的大量負載的同時傳遞;

（6）兼容性。依據引用標準化技術，兼容不同引用場景與既有協議。

在上述特點的支持下，時間敏感網絡可以展現出下面幾點優勢：

（1）交換網絡中的數據傳遞時延得到保障;

（2）關鍵負載與非關鍵負載可以在相同網絡中混合傳遞，非關鍵負載的并行傳遞不會影響關鍵負載的傳遞時延;

（3）大量上層協議的實時負載可以在網絡中一起傳遞;

（4）網絡錯誤可以及時被修復和研究。

3 時間敏感網絡技術在工業互聯網中的應用分析

隨著工業互聯網的發展速度越來越快，促使其對通信網絡提出了全新要求，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、及時通信的網絡作為保障，傳統意義上的以太網無法滿足當前工業發展需求。因此，工作人員要在整合以往工作經驗的基礎上，深層探索工業互聯網的發展需求。時間敏感網絡技術作為新時代發展提出的重要內容，是當前工業互聯網實現預期發展目標的關鍵。

3.1 工廠自動化

在離散運行的工業工廠中，每一條生產線上都有大量的機器人在操作，此時引用時間敏感網絡技術有助于提升操作的林敏性。現階段，這些機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據訪問都會受到限制。此時要想實施互聯互通，除了依據專有網絡進行溝通，再就是依據工業網關實施轉發。由此可見，在這一背景下要想消除本地控制，會在通信網絡中增加非關鍵負載，必然會影響關鍵負載通信的效果。

時間敏感網絡技術的引用，不但可以解決問題的發生，而且有助于提升工作效率和質量。讓這些機器人在時間敏感網絡技術的輔助下溝通，而后同步到一個全局時鐘上，此時就算在網絡中出現非關鍵負載，也可以確保控制信號等關鍵負載的傳遞效果。換句話說，在這一背景下，工作人員不但可以繼承控制網絡與數據網絡，而且可以讓分散落實到各個機器人中的控制功能整合匯集到一個具備強大計算能力的控制云中。最為關鍵的是，從機器人中收集的數據不需要依據網關設施，就可以直接傳給上層網絡，這樣不但可以優化服務水平，而且控制了基建支出。

3.2 電力行業

時間敏感網絡有助于為電力行業提供更加精確的優化工作、成本更低的發電和維護工作。發電站的范圍非常廣泛，構成也非常繁瑣，不定期就會向發電站基礎設施中增添新的應用。因此，為了保障運行過程系統的安全性和有效性，工作人員一定要讓多種類型的系統協作運行，以此才能有效發電。但了解實踐案例可知，系統與系統間一般都存在較大差異的通信平臺，這些平臺會提升系統的復雜性。在有實時通信需求的區域，這些系統要保障與上層網絡彼此相隔。

在發電廠中引用時間敏感網絡技術，促使其作為不同系統的一個標準通信平臺，有助于提升發電廠架構的有效性。研究實踐案例可知，對要確定性實時通信的系統而言，引用時間敏感網絡技術后，可以整合各個系統，進而一起調節它們的時間敏感負載。而對其他高層的管理和安全協議等內容來說，可以在相同網絡中一起傳遞，彼此之間不會出現差異。除此之外，時間敏感網絡技術還有一大特點就是網絡故障可以被及時發掘，并在組件級中得到修整。因此，各個系統的更密集集成有助于提升實踐工作效率。

4 結束語

綜上所述，現階段我國時間敏感網絡技術的發展正處于初級階段，有關標準的研究也在逐漸落實，因此我國要在整合國際標準研究工作的基礎上，明確我國工業發展情況，而后提出適宜的標準內容。另外，也要與各個工業企業進行溝通和交流，一起研究時間敏感網絡在工業領域上的應用和發展，以此為工業互聯網的發展提供有效依據。

參考文獻

[1]楊輝，白巍，張杰.時間敏感空間信息網絡關鍵技術研究[J].無線電通信技術，2017，43（03）：8-12.

[2]林貴華，王艷茹，朱希德.基于時間敏感產品的多廠商供應鏈管理[J].運籌與管理，2017，26（03）：1-6.

[3]羅鑒.國內外數據網技術的新進展[J].信息通信技術，2017，11（06）：16-21.

[4]張源斌，楊劍，占治國等.5G傳送標準進展[J].中興通訊技術，2018（01）：62-66.

[5]金學廣，壽國礎，胡怡紅等.面向成本-收益好的無標度耦合網絡構建方法[J].物理學報，2016，65（09）：358-364.