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

潘盛祥 潘敏捷

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可視為工業(yè)自動化系統(tǒng)和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)深度融合的產(chǎn)物，其目的是為落實對工業(yè)生產(chǎn)的管理與監(jiān)督，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的幫助下，對工業(yè)生產(chǎn)各流程所涉及數(shù)據(jù)信息進行收集與共享。在產(chǎn)業(yè)不斷轉(zhuǎn)型升級的背景下，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，對其在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的使用價值展開了探討，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)揮出了巨大價值，其中網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的絕對核心。在5G技術(shù)商用后，其已經(jīng)逐漸成為主要的一項無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能化進程起到了強大推動作用。

1. 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)概述

新時期，市場經(jīng)濟體制日漸完善，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，做好對生產(chǎn)線的優(yōu)化，才能有效應(yīng)對當(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，落實對工業(yè)倉庫、物流系統(tǒng)的優(yōu)化，通過對生產(chǎn)、物流等信息的自動識別，有效改善眾多環(huán)節(jié)，促進生產(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)用了大量先進的技術(shù)手段，如人工智能、虛擬現(xiàn)實、工業(yè)機器人等，這些技術(shù)的應(yīng)用對網(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)可以實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)節(jié)各類數(shù)據(jù)信息的采集，如產(chǎn)品標(biāo)號、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，支持自動化生產(chǎn)的實現(xiàn)。使用傳統(tǒng)4G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，傳輸效率相對較低，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)自動化的需求，而通過應(yīng)用5G技術(shù)，憑借5G技術(shù)的各項優(yōu)勢，能進一步滿足工業(yè)自動化對高效率、低時延等方面的需求，更有利于實現(xiàn)對工業(yè)生產(chǎn)線的控制，實現(xiàn)各環(huán)節(jié)相互協(xié)調(diào)，達到提高工業(yè)生產(chǎn)效率的目標(biāo)。

2.2 智能機器人

在現(xiàn)階段的工業(yè)生產(chǎn)中，機器視覺技術(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)用機器視覺技術(shù)時，必須依靠強大的信息網(wǎng)絡(luò)。采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能進一步提高工業(yè)機器人的智能性和自主性，便于工業(yè)機器人高效完成生產(chǎn)任務(wù)，進一步提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化及智能化水平。強化工作人員與機器人之間的聯(lián)系，結(jié)合生產(chǎn)的實際情況打造一個完善的信息管理系統(tǒng)，對工業(yè)生產(chǎn)全過程進行遠(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)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(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。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)能夠快速實現(xiàn)對該故障信息的檢測，及時將信息上傳至控制中心，通過及時預(yù)警，使工作人員在接收預(yù)警信息后，能及時安排運維人員前往處理，同時在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的支持下，方便控制中心向運維人員下達工作指令，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

在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)屬于支撐平臺運行的基礎(chǔ)，能有效保障平臺運行的安全性?；谖锫?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)運維決策、智能設(shè)計、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)信息的一個層面，在這個層面需要集成運行大數(shù)據(jù)、云計算等技術(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)平臺的應(yīng)用，如線下最先進的5G+技術(shù)，能夠給工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供實時交互的功能支持。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)能夠順利實現(xiàn)。除了無線網(wǎng)絡(luò)和平臺外，以無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為支撐的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺，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)平臺的安全性提供保障。

3.2 無人機巡檢

在工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)，巡檢是一項重要的工作，對工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量有較強的保障。傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，主要以人工巡檢為主。這種巡檢方式費時費力，面臨的安全隱患較大。當(dāng)前，無人機巡檢模式在工業(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)無人機主要是通過無線遙控、程序控制的方式，一般通過藍牙、Wi-Fi進行連接，無人機巡檢存在距離上的限制，且圖像清晰度有限，實際應(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，能使無人機巡檢的范圍進一步得到拓展，在遠(yuǎn)程控制的基礎(chǔ)上回傳高清巡檢畫面，更好地滿足無人機巡檢的要求。

例如，5G技術(shù)和無人機技術(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回傳信息的高清水平和時效性水平。另外，對無人機定位的精準(zhǔn)度提升也有很好的幫助，有助于通過無人機實現(xiàn)精準(zhǔn)定位[2]。比如，神東煤炭集團通過打造“5G+無人機”智能巡檢系統(tǒng)，在上灣煤礦深度500米的位置實現(xiàn)了5G網(wǎng)絡(luò)覆蓋，打造了相對完善的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)過程的安全性進一步得到提升。另外，在5G與無人機技術(shù)融合應(yīng)用的過程中，還能對井下一定深度的地方展開實時巡檢，其中無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要起到支撐作用，能實時將巡檢時的調(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)將虛擬信息與真實世界進行連接的技術(shù)手段，能在虛擬世界中對真實世界展開模擬，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)進行產(chǎn)品設(shè)計，通過建立3D模型進行模擬仿真，及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的漏洞，優(yōu)化設(shè)計方案，為后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)提供強有力的指導(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算的邊緣節(jié)點，云計算的能力下沉到數(shù)據(jù)源邊緣，便于5G專網(wǎng)中數(shù)據(jù)的本地定向存儲和處理，從而有效降低5G網(wǎng)絡(luò)的時延。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]。通過部署獨立的5G專網(wǎng)可以使物理成員與公網(wǎng)實現(xiàn)隔離，對提高工業(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)下只能達到100米的最大覆蓋范圍，但使用Wi-Fi Halow時，如果配置合適的天線，其覆蓋范圍可以達到1公里左右，具有較強信號且抗干擾性較強。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)兩個甚至更多相鄰節(jié)點的相互通信。在網(wǎng)絡(luò)通信上具有較強穩(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，且對外網(wǎng)依賴性強，存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少的弊端，因此該技術(shù)并不適合多點控制。

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，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，因為網(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，在一個網(wǎng)絡(luò)中可以將該網(wǎng)絡(luò)分為數(shù)萬個節(jié)點連接，因此整體上組網(wǎng)靈活性比較強，加上ZigBee技術(shù)的應(yīng)用，整體上需要固定的通信渠道，需進行碰撞測試，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)包能進行完整性檢測，在認(rèn)證及健全中也比較有應(yīng)用價值。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，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，能夠利用實驗網(wǎng)絡(luò)在倉庫車輛自動指揮、引導(dǎo)和控制中應(yīng)用。在智能工廠建設(shè)中支持機器人之間實現(xiàn)實時通信，5G連接是該案例的最佳選擇，相比于Wi-Fi，5G能提供更強穩(wěn)定性、更低的延遲[5]。例如，加拿大某公司與當(dāng)?shù)剡\營商建立合作關(guān)系，通過低時延網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化其系統(tǒng)，通過設(shè)計3D機器人，在專用的LTE網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)解決方案，利用自動化技術(shù)壓縮倉庫貨架為垂直型儲存架構(gòu)，機器人能在這些架構(gòu)中進行水平和豎直移動，并實現(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Wi-Fi的需要，在沒有Wi-Fi訪問的情況下與設(shè)備進行連接，這種方式能讓移動設(shè)備在無須斷開連接和重新配對Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)的情況下就可以實現(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)備進行連接，制定了相對完善的預(yù)測性維護解決方案，各個生產(chǎn)車間都配備十多臺機器，每臺機器每天需要至少運行18小時，為減少設(shè)備停機導(dǎo)致的生產(chǎn)中斷，既能保證云端的安全性，也能實現(xiàn)設(shè)備的穩(wěn)定連接。通過部署一個物聯(lián)網(wǎng)解決方案，在資產(chǎn)部位構(gòu)建一個預(yù)測維護模塊，能夠識別、聚合數(shù)據(jù)，并針對機器出現(xiàn)的問題進行有效分析。如此即可從被動維護轉(zhuǎn)為主動預(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)展主要得益于各項先進技術(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)提供了強大的網(wǎng)絡(luò)保障，二者集成應(yīng)用目前已成為推進第四次工業(yè)革命的核心動力。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)用價值。

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作者簡介：潘盛祥，本科，工程師（中級），研究方向：軟件工程。