白雪

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5G技術(shù)在智能工廠的應(yīng)用探究

白雪

南寧兩化融合信息科技有限公司，廣西 南寧 530007

5G技術(shù)的發(fā)展是極快的，同時其由于傳輸速率快、容量大、失真度小等優(yōu)點(diǎn)得到了極為廣泛的應(yīng)用，在工廠中應(yīng)用5G技術(shù)可以有效地是實現(xiàn)智能化的控制。對其展開探討，為其進(jìn)一步發(fā)展提供創(chuàng)新的思路。

5G技術(shù)；智能工廠；應(yīng)用

引言

5G技術(shù)是在目前通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，利用更快的、容量更大的網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)資源的采編、審核、清洗、分析、挖掘的等一系列的功能，為業(yè)務(wù)系統(tǒng)和信息服務(wù)提供深入、全面的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提供相應(yīng)數(shù)據(jù)接口，其主要功能有數(shù)據(jù)交換與共享、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理三大部分。5G技術(shù)可以對智能工廠中采集到的各種信息進(jìn)行分類和存儲，能夠按照數(shù)據(jù)來源、數(shù)據(jù)類別、數(shù)據(jù)時間等多種維度進(jìn)行管理，且具備統(tǒng)計分析、監(jiān)控、報表制作等功能。在數(shù)據(jù)的存儲上要求能夠存儲和管理結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，也能夠存儲和管理非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，同時能夠應(yīng)對大數(shù)據(jù)量、多數(shù)據(jù)類型的情況。

1 5G技術(shù)概述

5G是第五代移動電話行動通信標(biāo)準(zhǔn)，也稱第五代移動通信技術(shù)。5G網(wǎng)絡(luò)正朝著多元化、寬帶化、綜合化、智能化的方向發(fā)展。隨著各種智能終端的普及，面向2020年及以后，移動數(shù)據(jù)流量將爆炸式增長。超密集異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為未來5G網(wǎng)絡(luò)提高數(shù)據(jù)流量的關(guān)鍵技術(shù)。未來無線網(wǎng)絡(luò)將部署超過現(xiàn)有站點(diǎn)10倍以上的各種無線節(jié)點(diǎn)，在宏站覆蓋區(qū)內(nèi)，站點(diǎn)間距離將保持10?m以內(nèi)，并且支持在每1?km2范圍內(nèi)為25?000個用戶提供服務(wù)，同時也可能出現(xiàn)活躍用戶數(shù)和站點(diǎn)數(shù)的比例達(dá)到1∶1的現(xiàn)象，即用戶與服務(wù)節(jié)點(diǎn)一一對應(yīng)。密集部署的網(wǎng)絡(luò)拉近了終端與節(jié)點(diǎn)間的距離，使得網(wǎng)絡(luò)的功率和頻譜效率大幅提高，同時也擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，擴(kuò)展了系統(tǒng)容量，并且增強(qiáng)了業(yè)務(wù)在不同接入技術(shù)和各覆蓋層次間的靈活性。

1.1 數(shù)據(jù)存儲

5G數(shù)據(jù)中心由兩臺高性能計算機(jī)作為數(shù)據(jù)庫載體，配以大容量的磁盤陣列和磁帶機(jī)，系統(tǒng)通過光纖存儲交換機(jī)相連，采用雙鏈路備份的方式，保證數(shù)據(jù)庫的可用性與可靠性。系統(tǒng)涉及整合其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，其他數(shù)據(jù)有結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫可能有Oracle或者SQL Server等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)庫，也有NoSQL類型的數(shù)據(jù)庫，或者分布式數(shù)據(jù)庫，同時考慮到與政務(wù)大數(shù)據(jù)平臺相結(jié)合，因此本方案設(shè)計系統(tǒng)把采集過來的數(shù)據(jù)存儲在由Hadoop搭建的分布式存儲系統(tǒng)上，通過HBase進(jìn)行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲，通過逐步建立分布式數(shù)據(jù)分析模型，不斷豐富系統(tǒng)提供的服務(wù)。

1.2 數(shù)據(jù)共享

MapReduce是由Google提供的建立在5G之上的一個并行計算框架，我們需要通過MapReduce框架設(shè)計對共享數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索與分析，為各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)。HBase是一個類似于Google BigTable的分布式NoSQL列數(shù)據(jù)庫。Hive是由Facebook貢獻(xiàn)的一個數(shù)據(jù)倉庫工具提供類SQL查詢方法，使上層數(shù)據(jù)應(yīng)用程序可以通過關(guān)系型數(shù)據(jù)庫訪問的方式查詢分布式文件系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)。Zookeeper是由Facebook提供的一個分布式鎖設(shè)施，在整個平臺中起到協(xié)調(diào)各種操作的作用。Pig是一個大數(shù)據(jù)分析平臺，為用戶提供多種接口，在系統(tǒng)中主要通過其方便的腳本編程接口為上層數(shù)據(jù)應(yīng)用程序提供服務(wù)。

數(shù)據(jù)庫采用鍵值存儲方式，它主要通過集合的方式來存儲，可以進(jìn)行索引。它的主要特點(diǎn)在于在存儲二進(jìn)制數(shù)據(jù)的時候，可以把任何一種文本轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制文件進(jìn)行較快地分塊存儲。在存儲中可以把二進(jìn)制文件存放在多臺服務(wù)器中，使得其存儲能力得到大幅提升。嵌入式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的特殊性使數(shù)據(jù)庫存在著更高的安全性與保密性系統(tǒng)數(shù)據(jù)要求，在設(shè)計系統(tǒng)過程中，應(yīng)將系統(tǒng)連接、安全隔離與過濾信息等安全措施考慮進(jìn)來，從而為系統(tǒng)安全提供保障。不能出現(xiàn)修改數(shù)據(jù)，系統(tǒng)可以提供全面系統(tǒng)的用戶權(quán)限管理體制，為系統(tǒng)授權(quán)用戶合法訪問提供保證，預(yù)防出現(xiàn)非授權(quán)訪問，將應(yīng)用開發(fā)軟件、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)與舊產(chǎn)品、同類其他產(chǎn)品兼容。嵌入式數(shù)據(jù)庫可以利用兩種方式來存儲二進(jìn)制文件。第一種是系統(tǒng)進(jìn)行主動的分片存儲，第二是用戶采用自定義的方式進(jìn)行存儲。分片存儲主要是把二進(jìn)制文件分成多個部分，每個部分通過一條記錄來放入數(shù)據(jù)庫當(dāng)中實現(xiàn)負(fù)載均衡。用戶自定義就是用戶對數(shù)據(jù)塊的大小進(jìn)行分配，管控數(shù)據(jù)的存儲位置，應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)多個分塊服務(wù)器間的通信與調(diào)整。除此之外，還應(yīng)該進(jìn)行自動恢復(fù)，冗余容錯數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)與關(guān)鍵設(shè)備，應(yīng)實施分散控制與集中管理的方式設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使各個子系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡(luò)支持下集中管理，從而擁有著相對完整的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。因此一般選用C++語言進(jìn)行編寫，根據(jù)文件的容量選擇合適的系統(tǒng)版本。如果文件超過了2G，就只能選擇64位系統(tǒng)。

2 工廠智能控制技術(shù)的發(fā)展

5G環(huán)境下的智能控制可以解決離散系統(tǒng)和非線性系統(tǒng)的動態(tài)最優(yōu)化問題，主要包括相關(guān)的策略迭代評價以及加強(qiáng)學(xué)習(xí)的功能。5G環(huán)境下的智能控制是在1977年由Werbos提出的，它主要通過函數(shù)的逐次逼近使整個的優(yōu)化策略越來越接近于實際的需求，這樣就可以得到最優(yōu)化的指標(biāo)。通常情況是用兩個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制，解決非線性問題中5G環(huán)境下的智能控制問題。Bertsekas對于非線性系統(tǒng)中的優(yōu)化控制進(jìn)行了廣泛而深入的研究，提出了動態(tài)規(guī)劃的觀點(diǎn)。所以，5G環(huán)境下的智能控制主要采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方式來進(jìn)行最優(yōu)化問題的求解。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以對自身的權(quán)重進(jìn)行調(diào)整，通過多個數(shù)學(xué)模型來對這些問題進(jìn)行最優(yōu)化解決，因此輔助管理人員可以進(jìn)行情況的判斷與決策，提升整個項目的效率。因此，在很大程度上它具有較強(qiáng)的自學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，所以美國科學(xué)基金會在2016年的研討會上，把這個方法全部統(tǒng)一叫作5G環(huán)境下的智能控制。這也就意味著5G環(huán)境下的智能控制是當(dāng)今優(yōu)化控制科學(xué)中的前沿方向。

5G環(huán)境下的智能控制主要是用函數(shù)逼近的方式來進(jìn)行。最優(yōu)化控制采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，由評判、模型和執(zhí)行三個部分來組成。它們都是通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的，可以采用相關(guān)的函數(shù)來調(diào)整內(nèi)部的權(quán)重，從而達(dá)到分類的目的，并逐次優(yōu)化整體，最終得到全局的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模的方法，可以動態(tài)規(guī)劃自適應(yīng)問題，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依然是當(dāng)前很長一段時間內(nèi)控制科學(xué)的發(fā)展方向。當(dāng)一個控制模型在作用之后，可能會受到環(huán)境的影響，同時也會對自身的評判體制造成一定的影響與反饋。利用設(shè)定好的函數(shù)結(jié)構(gòu)或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，就可以計算執(zhí)行函數(shù)和平方函數(shù)之間的誤差，并最終減少誤差。如果先判斷后執(zhí)行，就需要使評判函數(shù)最小，主要通過貝爾曼的優(yōu)化來進(jìn)行，這樣可以盡量減少系統(tǒng)的計算時間，同時響應(yīng)系統(tǒng)的不確定變化。對于一些權(quán)重與參數(shù)的調(diào)整，本文利用控制函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，最終得到了5G環(huán)境下的智能控制結(jié)果，這樣就完成了一個控制執(zhí)行和評判的過程。

3 總結(jié)

5G技術(shù)在設(shè)計過程中必須確保擁有相應(yīng)的前瞻性，借助成熟、先進(jìn)的設(shè)計理念，在保證性價比高的前提下，選取可靠、成熟的技術(shù)方法與中高端設(shè)備，使開發(fā)出來的智能工廠系統(tǒng)科技含量在整個5G技術(shù)行業(yè)中處于先進(jìn)位置，擁有合理性價比，占據(jù)國內(nèi)領(lǐng)先地位。

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Application of 5G Technology in Intelligent Factory

Bai Xue

Nanning Two-Integration Information Technology Co., Ltd., Guangxi Nanning 530007

The development of 5G technology is very fast. At the same time, it has been widely used because of the advantages of fast transmission rate, large capacity and low distortion. The application of 5G technology in the factory can effectively realize the intelligent control. The paper discusses it and provides an innovative idea for its further development.

5G technology; intelligent factory; application

TN929.5

A

白雪（1981—），女，壯族，廣西龍勝人，本科學(xué)歷，研究方向為計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)。