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探究無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

2023-05-22 23:53:00潘盛祥潘敏捷
互聯(lián)網(wǎng)周刊 2023年9期
關(guān)鍵詞:信息化

潘盛祥 潘敏捷

摘要:工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)深度融合的產(chǎn)物,其目的是為落實(shí)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的管理與監(jiān)督,在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下,對(duì)工業(yè)生產(chǎn)各流程所涉及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行收集與共享。在產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級(jí)的背景下,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)面臨的應(yīng)用環(huán)境日益復(fù)雜,對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的需求也不斷提升,無線化逐漸成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢。在本文的分析中,主要結(jié)合無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基本應(yīng)用,對(duì)其在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的使用價(jià)值展開了探討,以供參考。

關(guān)鍵詞:工業(yè)物聯(lián)網(wǎng);無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù);信息化

引言

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn),推動(dòng)著傳統(tǒng)工業(yè)朝智能化方向發(fā)展,其具有顯著的智能化、自動(dòng)化特征,如網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感器技術(shù)等在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮出了巨大價(jià)值,其中網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的絕對(duì)核心。在5G技術(shù)商用后,其已經(jīng)逐漸成為主要的一項(xiàng)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能化進(jìn)程起到了強(qiáng)大推動(dòng)作用。

1. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述

新時(shí)期,市場經(jīng)濟(jì)體制日漸完善,市場競爭壓力不斷提升,工業(yè)領(lǐng)域面臨的生存與發(fā)展壓力越來越大,企業(yè)只有提高生產(chǎn)效率,做好對(duì)生產(chǎn)線的優(yōu)化,才能有效應(yīng)對(duì)當(dāng)前面臨的壓力。通過減少設(shè)備維修次數(shù)和成本,才能獲得良好收益,而通過工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以更輕松地實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)主要是通過在工業(yè)生產(chǎn)線中嵌入傳感器等智能化裝置,從生產(chǎn)環(huán)節(jié)開始,落實(shí)對(duì)工業(yè)倉庫、物流系統(tǒng)的優(yōu)化,通過對(duì)生產(chǎn)、物流等信息的自動(dòng)識(shí)別,有效改善眾多環(huán)節(jié),促進(jìn)生產(chǎn)效率的提升[1]。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在不斷發(fā)展過程中,集成應(yīng)用了大量先進(jìn)的技術(shù)手段,如人工智能、虛擬現(xiàn)實(shí)、工業(yè)機(jī)器人等,這些技術(shù)的應(yīng)用對(duì)網(wǎng)絡(luò)鏈接寬帶、安全性等有著較高要求,在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的幫助下,可以很好地滿足上述要求,這也是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能發(fā)揮巨大價(jià)值的原因。

2. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的基本應(yīng)用需求

2.1 數(shù)據(jù)采集

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)已經(jīng)非常完善,在物聯(lián)網(wǎng)的幫助下,該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)環(huán)節(jié)各類數(shù)據(jù)信息的采集,如產(chǎn)品標(biāo)號(hào)、物流信息等。充分應(yīng)用這些數(shù)據(jù)信息,有助于工業(yè)生產(chǎn)的把控,支持自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。使用傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸,傳輸效率相對(duì)較低,容易給數(shù)據(jù)采集的效果帶來不良影響,可能難以滿足工業(yè)自動(dòng)化的需求,而通過應(yīng)用5G技術(shù),憑借5G技術(shù)的各項(xiàng)優(yōu)勢,能進(jìn)一步滿足工業(yè)自動(dòng)化對(duì)高效率、低時(shí)延等方面的需求,更有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)線的控制,實(shí)現(xiàn)各環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào),達(dá)到提高工業(yè)生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

2.2 智能機(jī)器人

在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)中,機(jī)器視覺技術(shù)得到了有效應(yīng)用,為提高工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平創(chuàng)造了良好條件。不過要想充分發(fā)揮該技術(shù)功能,在具體應(yīng)用機(jī)器視覺技術(shù)時(shí),必須依靠強(qiáng)大的信息網(wǎng)絡(luò)。采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),能進(jìn)一步提高工業(yè)機(jī)器人的智能性和自主性,便于工業(yè)機(jī)器人高效完成生產(chǎn)任務(wù),進(jìn)一步提高工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化及智能化水平。強(qiáng)化工作人員與機(jī)器人之間的聯(lián)系,結(jié)合生產(chǎn)的實(shí)際情況打造一個(gè)完善的信息管理系統(tǒng),對(duì)工業(yè)生產(chǎn)全過程進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控與在線控制,配合人工智能系統(tǒng),能發(fā)現(xiàn)在工業(yè)生產(chǎn)中的隱患,保障工業(yè)領(lǐng)域的生產(chǎn)安全。

2.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)階段的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中,屬于十分重要的技術(shù)應(yīng)用模塊,該技術(shù)可用于眾多工業(yè)生產(chǎn)場景的模擬,如員工培訓(xùn)、在線監(jiān)控、協(xié)同設(shè)計(jì)。例如,在工業(yè)生產(chǎn)中如某一設(shè)備發(fā)生故障,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能夠快速實(shí)現(xiàn)對(duì)該故障信息的檢測,及時(shí)將信息上傳至控制中心,通過及時(shí)預(yù)警,使工作人員在接收預(yù)警信息后,能及時(shí)安排運(yùn)維人員前往處理,同時(shí)在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下,方便控制中心向運(yùn)維人員下達(dá)工作指令,以此保證設(shè)備維修的精準(zhǔn)性及整體效率。

3. 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場景

3.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于支撐平臺(tái)運(yùn)行的基礎(chǔ),能有效保障平臺(tái)運(yùn)行的安全性。基于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)大致可以分為應(yīng)用層、支撐層、網(wǎng)絡(luò)層與感知層。應(yīng)用層主要是無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)運(yùn)維決策、智能設(shè)計(jì)、需求分析等各環(huán)節(jié),一般是在工業(yè)生產(chǎn)中的具體應(yīng)用層次使用。支撐層主要是為工業(yè)生產(chǎn)提供海量數(shù)據(jù)信息的一個(gè)層面,在這個(gè)層面需要集成運(yùn)行大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等技術(shù)手段。網(wǎng)絡(luò)層主要是指工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)的應(yīng)用,如線下最先進(jìn)的5G+技術(shù),能夠給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供實(shí)時(shí)交互的功能支持。感知層主要是在工業(yè)領(lǐng)域,通過控制軟件、傳感器等的幫助針對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的各類設(shè)備展開控制,規(guī)范工業(yè)生產(chǎn)過程,以保證工業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)能夠順利實(shí)現(xiàn)。除了無線網(wǎng)絡(luò)和平臺(tái)外,以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái),還需要得到網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)的支持,通過搭建網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng),為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的安全性提供保障。

3.2 無人機(jī)巡檢

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié),巡檢是一項(xiàng)重要的工作,對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量有較強(qiáng)的保障。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中,主要以人工巡檢為主。這種巡檢方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力,面臨的安全隱患較大。當(dāng)前,無人機(jī)巡檢模式在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用,如廠區(qū)巡檢、管道巡檢等。傳統(tǒng)無人機(jī)主要是通過無線遙控、程序控制的方式,一般通過藍(lán)牙、Wi-Fi進(jìn)行連接,無人機(jī)巡檢存在距離上的限制,且圖像清晰度有限,實(shí)際應(yīng)用范圍比較狹窄。采用5G等無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),憑借其多種優(yōu)勢,能使無人機(jī)巡檢的范圍進(jìn)一步得到拓展,在遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上回傳高清巡檢畫面,更好地滿足無人機(jī)巡檢的要求。

例如,5G技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)的應(yīng)用,通過提高通信寬帶、數(shù)據(jù)傳輸速度,其與4G技術(shù)相比在傳輸速度上可能不止提升10倍,較高的傳輸速度可以保證無人機(jī)回傳信息的高清水平和時(shí)效性水平。另外,對(duì)無人機(jī)定位的精準(zhǔn)度提升也有很好的幫助,有助于通過無人機(jī)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位[2]。比如,神東煤炭集團(tuán)通過打造“5G+無人機(jī)”智能巡檢系統(tǒng),在上灣煤礦深度500米的位置實(shí)現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋,打造了相對(duì)完善的5G專網(wǎng)架構(gòu),憑借5G基站建設(shè)的優(yōu)勢以及智慧礦山建設(shè)標(biāo)準(zhǔn),使得生產(chǎn)過程的安全性進(jìn)一步得到提升。另外,在5G與無人機(jī)技術(shù)融合應(yīng)用的過程中,還能對(duì)井下一定深度的地方展開實(shí)時(shí)巡檢,其中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要起到支撐作用,能實(shí)時(shí)將巡檢時(shí)的調(diào)查畫面?zhèn)鬏斨帘O(jiān)控中心,讓煤礦生產(chǎn)的安全性進(jìn)一步得到提升。

3.3 工業(yè)AR

AR屬于一種利用多媒體、三維建模等技術(shù)將虛擬信息與真實(shí)世界進(jìn)行連接的技術(shù)手段,能在虛擬世界中對(duì)真實(shí)世界展開模擬,該技術(shù)在當(dāng)前的工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為AR產(chǎn)業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件,其聯(lián)合AR技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,能有效降低工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)成本,支持企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),通過建立3D模型進(jìn)行模擬仿真,及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的漏洞,優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,為后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)提供強(qiáng)有力的指導(dǎo)。

4. 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

4.1 5G技術(shù)的應(yīng)用

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中5G技術(shù)的應(yīng)用,可以根據(jù)不同需求,靈活采取不同的5G專網(wǎng)部署方案,如分片共享專網(wǎng)與完全獨(dú)立專網(wǎng)。5G網(wǎng)絡(luò)主要由5G基站、用戶面、用戶面功能、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、核心網(wǎng)控制面等多個(gè)部分構(gòu)成。在5G網(wǎng)絡(luò)中,用戶可以通過sinking直接形成多接入邊緣計(jì)算的邊緣節(jié)點(diǎn),云計(jì)算的能力下沉到數(shù)據(jù)源邊緣,便于5G專網(wǎng)中數(shù)據(jù)的本地定向存儲(chǔ)和處理,從而有效降低5G網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延。相比于公網(wǎng),5G專網(wǎng)與其最大的差別在于規(guī)模不同,具體構(gòu)成內(nèi)容基本相同[3]。通過部署獨(dú)立的5G專網(wǎng)可以使物理成員與公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)隔離,對(duì)提高工業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的安全性有很好的幫助。該部署模式下5G通信設(shè)施一般由企業(yè)自主建設(shè),能體現(xiàn)出十分優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延性,能保證企業(yè)網(wǎng)絡(luò)自主可控,減少公網(wǎng)給專網(wǎng)帶來的影響。采用該部署方式需要投入的成本較高,對(duì)中小規(guī)模的工業(yè)企業(yè)不太適用。

4.2 Wi-Fi技術(shù)的應(yīng)用

Wi-Fi Halow屬于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中Wi-Fi的新版,可以應(yīng)用于電池供電的可穿戴設(shè)備,也可以部署在工業(yè)設(shè)施中。Wi-Fi Halow主要采用900MHz頻段,低于目前的Wi-Fi頻段,適用于數(shù)據(jù)負(fù)載小、功耗低的設(shè)備。雖然大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備在理想狀態(tài)下只能達(dá)到100米的最大覆蓋范圍,但使用Wi-Fi Halow時(shí),如果配置合適的天線,其覆蓋范圍可以達(dá)到1公里左右,具有較強(qiáng)信號(hào)且抗干擾性較強(qiáng)。通過應(yīng)用Wi-Fi能有效提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性,在技術(shù)應(yīng)用中,采用冗余的方法,實(shí)現(xiàn)基于冗余的條件可能出現(xiàn)問題失效,系統(tǒng)在沒有出現(xiàn)數(shù)據(jù)損失的情況下,利用該技術(shù)可恢復(fù)相關(guān)數(shù)據(jù)。

在Wi-Fi Halow網(wǎng)絡(luò)中,能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)甚至更多相鄰節(jié)點(diǎn)的相互通信。在網(wǎng)絡(luò)通信上具有較強(qiáng)穩(wěn)定性,在這樣的網(wǎng)絡(luò)中倘若某一路徑不暢通,就能自動(dòng)通過其他路徑傳輸數(shù)據(jù)[4]。Wi-Fi Halow在室內(nèi)定位精度高,數(shù)據(jù)傳輸功能強(qiáng)大,主要將TSCH協(xié)議應(yīng)用于資源有限、功耗較低的設(shè)備,基于Wi-Fi Halow網(wǎng)絡(luò),能創(chuàng)建更復(fù)雜的連接系統(tǒng),功耗低、速度快等優(yōu)勢明顯。但不能直接與云端連接,組網(wǎng)能力弱,且對(duì)外網(wǎng)依賴性強(qiáng),存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少的弊端,因此該技術(shù)并不適合多點(diǎn)控制。

4.3 ZigBee技術(shù)的應(yīng)用

ZigBee屬于一種無線網(wǎng)上協(xié)議,低速、短距離是主要特點(diǎn),適用于各類數(shù)據(jù)信息的短距離傳輸。ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)勢在于成本與能耗較低,在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中能支持各生產(chǎn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,在日常Wi-Fi通信協(xié)議使用中,存在距離較短、功耗較大、組網(wǎng)困難等問題,而利用ZigBee技術(shù)能夠彌補(bǔ)這些缺陷。ZigBee是一種建立在網(wǎng)絡(luò)控制和低頻率傳感器之上的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范,因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)的容量比較大,同一區(qū)域中存在的該網(wǎng)絡(luò)較多,在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以將該網(wǎng)絡(luò)分為數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)連接,因此整體上組網(wǎng)靈活性比較強(qiáng),加上ZigBee技術(shù)的應(yīng)用,整體上需要固定的通信渠道,需進(jìn)行碰撞測試,避免數(shù)據(jù)傳輸中的沖突,因此其準(zhǔn)確性也比較高,加上以CRC為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)包能進(jìn)行完整性檢測,在認(rèn)證及健全中也比較有應(yīng)用價(jià)值。通過相應(yīng)的加密算法能提高各應(yīng)用的靈活性及安全性。ZigBee技術(shù)具有低功耗及大容量等特點(diǎn),也決定了該技術(shù)在應(yīng)用過程中的抗干擾性偏差,通信距離有一定限制。

5. 案例分析

5.1 關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用

5G技術(shù)可靠且延遲性較低,通過安全為主的準(zhǔn)確業(yè)務(wù)控制,能夠利用實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)在倉庫車輛自動(dòng)指揮、引導(dǎo)和控制中應(yīng)用。在智能工廠建設(shè)中支持機(jī)器人之間實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信,5G連接是該案例的最佳選擇,相比于Wi-Fi,5G能提供更強(qiáng)穩(wěn)定性、更低的延遲[5]。例如,加拿大某公司與當(dāng)?shù)剡\(yùn)營商建立合作關(guān)系,通過低時(shí)延網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化其系統(tǒng),通過設(shè)計(jì)3D機(jī)器人,在專用的LTE網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)解決方案,利用自動(dòng)化技術(shù)壓縮倉庫貨架為垂直型儲(chǔ)存架構(gòu),機(jī)器人能在這些架構(gòu)中進(jìn)行水平和豎直移動(dòng),并實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)取貨送貨。

5.2 連接老舊設(shè)備

企業(yè)可以利用5G網(wǎng)絡(luò)將資產(chǎn)轉(zhuǎn)化為智能設(shè)備管理,將設(shè)備直接連接在云上,可以輕松可靠地進(jìn)行業(yè)務(wù)控制。目前已經(jīng)有很多國家和地區(qū)利用5G網(wǎng)絡(luò)連接各種設(shè)備至云網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)了很好的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理效果。選擇到云的通信能夠直接繞過對(duì)Wi-Fi的需要,在沒有Wi-Fi訪問的情況下與設(shè)備進(jìn)行連接,這種方式能讓移動(dòng)設(shè)備在無須斷開連接和重新配對(duì)Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的情況下就可以實(shí)現(xiàn)漫游[6]。某工業(yè)企業(yè)基于5G技術(shù)通過與各生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行連接,制定了相對(duì)完善的預(yù)測性維護(hù)解決方案,各個(gè)生產(chǎn)車間都配備十多臺(tái)機(jī)器,每臺(tái)機(jī)器每天需要至少運(yùn)行18小時(shí),為減少設(shè)備停機(jī)導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷,既能保證云端的安全性,也能實(shí)現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定連接。通過部署一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案,在資產(chǎn)部位構(gòu)建一個(gè)預(yù)測維護(hù)模塊,能夠識(shí)別、聚合數(shù)據(jù),并針對(duì)機(jī)器出現(xiàn)的問題進(jìn)行有效分析。如此即可從被動(dòng)維護(hù)轉(zhuǎn)為主動(dòng)預(yù)防,更能提升設(shè)備的穩(wěn)定性。

結(jié)語

綜上所述,工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展主要得益于各項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)的支撐,特別是在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下,為工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)萬物互聯(lián)提供了強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)保障,二者集成應(yīng)用目前已成為推進(jìn)第四次工業(yè)革命的核心動(dòng)力。未來在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)不斷發(fā)展的過程中,還需要不斷對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用展開探索,確保能發(fā)揮無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在其中的最大應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡介:潘盛祥,本科,工程師(中級(jí)),研究方向:軟件工程。

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