王碩

摘要

時間敏感網(wǎng)絡技術是工業(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用層。本文以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展情況為基礎，深層探索時間敏感網(wǎng)絡技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的運用情況。

【關鍵詞】時間敏感網(wǎng)絡技術 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng) 實時以太網(wǎng)

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

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，讓人、數(shù)據(jù)與機器連接到一起，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)，并在此基礎上結(jié)合數(shù)據(jù)流動與研究，加速智能化革新，進而獲取新的發(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，不管是人還是機器、系統(tǒng)。雖然其解決了通信問題，但更為關鍵的在于數(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)、個性化定制及服務延伸等都是以互聯(lián)為基礎落實的。這屬于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基理，比當前互聯(lián)網(wǎng)更注重數(shù)據(jù)，更關注連接，更強調(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。

在新時代發(fā)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，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)特定領域包含的專業(yè)知識等會與當前整套“大數(shù)據(jù)”工具合作運行。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)先進的特定行業(yè)分析，科學引用歷史與實時數(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(wǎng)絡技術的分析

2.1 定義

時間敏感網(wǎng)絡是以實時以太網(wǎng)為基礎提出的。在實時以太網(wǎng)的概念中，有很多應用場景都要講確定性時延定為基礎內(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(fā)展的根本內(nèi)容。通過研究實踐案例可知，這些技術是以傳統(tǒng)以太網(wǎng)為基礎提出的，但也具備專有機制，這也促使其在工作狀態(tài)下彼此不能兼容，進而阻礙實時以太網(wǎng)的發(fā)展。此時，IEEE802工作組提出了“時間敏感網(wǎng)絡”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，促使其可以在標準化的狀態(tài)下，在各個區(qū)域都能有序工作，進而為系統(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

從字面上看，時間敏感網(wǎng)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(nèi)，從源節(jié)點傳遞到目的節(jié)點。此時，IEEE802工作組提出，時間敏感網(wǎng)絡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(wǎng)絡的根本內(nèi)容;

（2）有界低延時。依據(jù)多種調(diào)度與管理機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)幀復制、主從時間源等機制提供網(wǎng)絡的高可用性;

（5）匯聚網(wǎng)絡。時間敏感網(wǎng)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(jù)引用標準化技術，兼容不同引用場景與既有協(xié)議。

在上述特點的支持下，時間敏感網(wǎng)絡可以展現(xiàn)出下面幾點優(yōu)勢：

（1）交換網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)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(wǎng)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(xié)議的實時負載可以在網(wǎng)絡中一起傳遞;

（4）網(wǎng)絡錯誤可以及時被修復和研究。

3 時間敏感網(wǎng)絡技術在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的應用分析

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)絡作為保障，傳統(tǒng)意義上的以太網(wǎng)無法滿足當前工業(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)絡技術作為新時代發(fā)展提出的重要內(nèi)容，是當前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)預期發(fā)展目標的關鍵。

3.1 工廠自動化

在離散運行的工業(yè)工廠中，每一條生產(chǎn)線上都有大量的機器人在操作，此時引用時間敏感網(wǎng)絡技術有助于提升操作的林敏性?，F(xiàn)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(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)絡進行溝通，再就是依據(jù)工業(yè)網(wǎng)關實施轉(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(wǎng)絡技術的引用，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。讓這些機器人在時間敏感網(wǎng)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(wǎng)絡中出現(xiàn)非關鍵負載，也可以確?？刂菩盘柕汝P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(wǎng)絡與數(shù)據(jù)網(wǎng)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(shù)據(jù)不需要依據(jù)網(wǎng)關設施，就可以直接傳給上層網(wǎng)絡，這樣不但可以優(yōu)化服務水平，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)電站基礎設施中增添新的應用。因此，為了保障運行過程系統(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)絡彼此相隔。

在發(fā)電廠中引用時間敏感網(wǎng)絡技術，促使其作為不同系統(tǒng)的一個標準通信平臺，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)絡技術后，可以整合各個系統(tǒng)，進而一起調(diào)節(jié)它們的時間敏感負載。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)絡技術還有一大特點就是網(wǎng)絡故障可以被及時發(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)絡技術的發(fā)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(yè)發(fā)展情況，而后提出適宜的標準內(nèi)容。另外，也要與各個工業(yè)企業(yè)進行溝通和交流，一起研究時間敏感網(wǎng)絡在工業(yè)領域上的應用和發(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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