張婷婷
摘要:高數(shù)據(jù)傳輸速度和低延遲是5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的重要需求,但工作互聯(lián)網(wǎng)同時(shí)也面臨著大規(guī)模設(shè)備互聯(lián)和數(shù)據(jù)安全性及隱私保護(hù)的挑戰(zhàn)。在關(guān)鍵技術(shù)方面,如邊緣計(jì)算、大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全通信協(xié)議都是支撐工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的技術(shù)基礎(chǔ)。本研究主要探討5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,分析其技術(shù)需求、挑戰(zhàn),討論5G環(huán)境下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造、自動(dòng)駕駛、物流與供應(yīng)鏈管理、智慧能源和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞:5G環(huán)境;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);邊緣計(jì)算;大數(shù)據(jù);機(jī)器學(xué)習(xí)
DOI:10.12433/zgkjtz.20233001
一、5G環(huán)境下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需求與挑戰(zhàn)
(一)高數(shù)據(jù)傳輸速度的需求
高數(shù)據(jù)傳輸速度在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中起著關(guān)鍵性作用。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應(yīng)用,如遠(yuǎn)程監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、預(yù)測(cè)性維護(hù)、產(chǎn)品生命周期管理等,都需要大量的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸。無論是高清視頻,還是大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù),都對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度提出了更高的要求。數(shù)據(jù)傳輸速度,能夠保證大數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)的實(shí)時(shí)反饋和精確操作,從而提高生產(chǎn)效率,并降低運(yùn)營成本。
(二)低延遲的需求
在低延遲方面,5G網(wǎng)絡(luò)提供了毫秒級(jí)的超低延遲,這對(duì)需要實(shí)時(shí)反應(yīng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而言是至關(guān)重要的。例如,在自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)駕駛車輛或無人機(jī)等領(lǐng)域,高速且實(shí)時(shí)的反應(yīng)可以顯著提高運(yùn)營效率和安全性。在這些應(yīng)用中,任何微小的延遲都可能會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障或安全事故,因此,低延遲是不可或缺的要素。此外,如遠(yuǎn)程醫(yī)療、工業(yè)自動(dòng)化、虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等,都需要低延遲確保良好的用戶體驗(yàn)和優(yōu)異的系統(tǒng)性能。
(三)設(shè)備大規(guī)?;ヂ?lián)的挑戰(zhàn)
設(shè)備大規(guī)?;ヂ?lián)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的一大特征,也是5G環(huán)境下的一項(xiàng)重要挑戰(zhàn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的廣泛應(yīng)用,這些數(shù)量較多的設(shè)備被接入同一網(wǎng)絡(luò)中,它們的種類和功能各異,從簡(jiǎn)單的傳感器和執(zhí)行器,再到復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人和自動(dòng)化生產(chǎn)線。有效管理和控制這些設(shè)備,可以實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化和協(xié)調(diào)。另外,大規(guī)模的設(shè)備互聯(lián)也會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、可靠性以及擴(kuò)展性提出新的挑戰(zhàn),這就需要更加智能和高效的網(wǎng)絡(luò)管理和控制技術(shù)來解決。
(四)數(shù)據(jù)安全性與隱私保護(hù)的挑戰(zhàn)
數(shù)據(jù)安全性與隱私保護(hù)則是另一個(gè)重要的挑戰(zhàn)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)往往涉及企業(yè)的核心商業(yè)信息,包括生產(chǎn)數(shù)據(jù)、技術(shù)參數(shù)、供應(yīng)鏈信息等,如果這些數(shù)據(jù)被泄露,就可能會(huì)給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失,甚至威脅到企業(yè)的存亡。這就需要在設(shè)計(jì)和實(shí)施工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)時(shí),要充分考慮數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)問題,還要通過相關(guān)的技術(shù)和管理的手段實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸和存儲(chǔ),保障數(shù)據(jù)的完整性和保密性。
二、5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)
(一)邊緣計(jì)算
邊緣計(jì)算是一種在網(wǎng)絡(luò)邊緣執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的技術(shù),它的出現(xiàn)有效解決了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)低延遲、高帶寬和數(shù)據(jù)局部化的問題。在傳統(tǒng)的云計(jì)算模式下,數(shù)據(jù)需要通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心再進(jìn)行處理和分析,這無疑會(huì)增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t,并限制實(shí)時(shí)應(yīng)用的性能。然而,在邊緣計(jì)算模式下,數(shù)據(jù)處理和分析的任務(wù)不再全部由云端完成,而是盡可能地將這些任務(wù)轉(zhuǎn)移到網(wǎng)絡(luò)邊緣的設(shè)備上,如網(wǎng)關(guān)、路由器或是直接的終端設(shè)備等。這樣一來,數(shù)據(jù)無須長時(shí)間的傳輸,可以大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)难舆t,提高數(shù)據(jù)處理速度,并減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用時(shí)間。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,尤其對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程操作等環(huán)節(jié),邊緣計(jì)算可以提供更好的服務(wù)質(zhì)量和用戶體驗(yàn)。
(二)大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)
大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)處理海量數(shù)據(jù)并從中獲得價(jià)值信息的重要工具。隨著工業(yè)設(shè)備和系統(tǒng)的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化,每天都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。要從這些數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的信息和知識(shí),就需要依賴大數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。大數(shù)據(jù)技術(shù)可以有效存儲(chǔ)、處理和分析這些數(shù)據(jù),而機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)可以通過學(xué)習(xí)和建立數(shù)據(jù)模型,然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的分析和挖掘,最終發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)和規(guī)律。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中,大數(shù)據(jù)與機(jī)器學(xué)習(xí)適用于預(yù)測(cè)性維護(hù)、質(zhì)量控制、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)優(yōu)化、供應(yīng)鏈管理等多個(gè)方面,有助于提高生產(chǎn)效率,降低運(yùn)營成本,還可以提高產(chǎn)品和服務(wù)的質(zhì)量。
(三)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)
網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是一種創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì),可以將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切分成多個(gè)獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò),而這些虛擬網(wǎng)絡(luò)被稱為“網(wǎng)絡(luò)切片”。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片都可以根據(jù)其承載的服務(wù)類型和業(yè)務(wù)需求進(jìn)行獨(dú)立的配置和管理,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的高效分配和使用。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中,不同的服務(wù)和應(yīng)用可能會(huì)有不同的網(wǎng)絡(luò)需求,如數(shù)據(jù)傳輸速度、延遲、可靠性等。通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù),網(wǎng)絡(luò)管理員可以為每種服務(wù)創(chuàng)建一個(gè)專門的網(wǎng)絡(luò)切片,而這個(gè)切片具有滿足該服務(wù)特定需求的網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)。這樣既提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率,又確保各類服務(wù)得到了其所需的網(wǎng)絡(luò)性能,從而提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。在5G環(huán)境下,網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)更加明顯。5G網(wǎng)絡(luò)的特性,如高帶寬、低延遲和大連接數(shù),都為多樣化的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了可能。但這些特性并不是所有應(yīng)用都需要的。
(四)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的安全通信協(xié)議
安全通信協(xié)議是一種規(guī)定通信雙方如何進(jìn)行安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?guī)則,包括加密技術(shù)和認(rèn)證技術(shù)兩部分。加密技術(shù)可以確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性和保密性,防止數(shù)據(jù)被竊取或篡改。認(rèn)證技術(shù)可以確認(rèn)通信雙方的身份,防止非法設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中,使用安全通信協(xié)議可以有效防止數(shù)據(jù)泄露、篡改和攻擊,進(jìn)而保障工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)安全運(yùn)行。
三、5G環(huán)境下工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域
(一)智能制造
智能制造可以將信息技術(shù)和制造技術(shù)深度融合,利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù),對(duì)制造全過程進(jìn)行智能化改造,最終實(shí)現(xiàn)制造過程的智能化、產(chǎn)品的智能化以及制造服務(wù)的智能化。
在5G環(huán)境下,智能制造可以充分利用5G的高速度、大容量、低延遲的優(yōu)勢(shì)。例如,可以通過收集設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù),利用大數(shù)據(jù)分析和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù),對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè),然后實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù),從而提高設(shè)備的運(yùn)行效率,減少故障停機(jī)次數(shù),降低維護(hù)成本。同時(shí),通過5G網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備、工藝、物流、人員等全要素的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)智能化生產(chǎn)和智能化決策。
此外,通過5G網(wǎng)絡(luò)和邊緣計(jì)算技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制。例如,可以通過高清視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),然后通過邊緣計(jì)算設(shè)備實(shí)時(shí)處理視頻數(shù)據(jù),可以對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和優(yōu)化。同時(shí),還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作。通過遠(yuǎn)程操作界面,可以實(shí)時(shí)控制生產(chǎn)線的運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn),滿足多樣化的市場(chǎng)需求。智能制造也可以利用5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)的智能化。
(二)自動(dòng)駕駛
自動(dòng)駕駛是通過使用傳感器、雷達(dá)、攝像頭等設(shè)備收集車輛周圍環(huán)境的信息,然后通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和決策,控制車輛的行駛。自動(dòng)駕駛不僅可以提高行駛的安全性,降低交通事故,還可以提高行駛的效率,減少交通擁堵。通過5G網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)時(shí)傳輸大量的環(huán)境信息和行駛數(shù)據(jù),提供更準(zhǔn)確和及時(shí)的決策依據(jù)。同時(shí),5G的低延遲特性還可以確??刂浦噶畹膶?shí)時(shí)傳輸,提高自動(dòng)駕駛的反應(yīng)速度以及行駛的安全性。另外,通過5G網(wǎng)絡(luò),自動(dòng)駕駛車輛可以與其他車輛、交通設(shè)施、行人等進(jìn)行實(shí)時(shí)通信,實(shí)現(xiàn)車對(duì)車(V2V)、車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施(V2I)、車對(duì)人(V2P)的互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)更加智能化的交通管理和控制。通過車隊(duì)基礎(chǔ)設(shè)施通信,可以獲取交通信號(hào)燈的狀態(tài)、道路的擁堵情況等信息,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化行駛路線,提高行駛效率。通過車對(duì)人通信,可以提高行人的安全性。此外,自動(dòng)駕駛也可以與其他工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用結(jié)合,實(shí)現(xiàn)更加智能化的運(yùn)輸和物流服務(wù)。例如,可以結(jié)合物流和供應(yīng)鏈管理,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)駕駛貨車的智能調(diào)度和運(yùn)輸,提高物流效率,降低運(yùn)輸成本。
(三)物流與供應(yīng)鏈管理
物流與供應(yīng)鏈管理是企業(yè)運(yùn)營的關(guān)鍵環(huán)節(jié),運(yùn)行效率和效果將直接影響到運(yùn)營成本和客戶滿意度。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的支持下,物流與供應(yīng)鏈管理正在發(fā)生深刻的變化。而借助5G的高帶寬、低延遲和大連接數(shù)特性,可以實(shí)現(xiàn)物流與供應(yīng)鏈管理的實(shí)時(shí)化、智能化。例如,通過在物流設(shè)備和產(chǎn)品上安裝傳感器,可以實(shí)時(shí)監(jiān)控和追蹤物流狀態(tài),如貨物的位置、溫度、濕度等。通過分析這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可以實(shí)時(shí)調(diào)整物流計(jì)劃,提高物流效率,降低損耗。同樣,供應(yīng)鏈管理也可以借助工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的管理。通過收集和分析供應(yīng)商、生產(chǎn)線、倉庫、銷售點(diǎn)等各個(gè)環(huán)節(jié)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),可以對(duì)供應(yīng)鏈的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理,進(jìn)而減少庫存,提高運(yùn)營效率。此外,通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),物流與供應(yīng)鏈管理可以實(shí)現(xiàn)全要素、全流程的智能化。例如,通過分析銷售數(shù)據(jù),可以預(yù)測(cè)市場(chǎng)需求,實(shí)現(xiàn)智能采購和智能生產(chǎn)。通過分析物流數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)智能調(diào)度和智能配送。
(四)智慧能源
智慧能源是通過新一代信息技術(shù),如云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等,對(duì)能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、使用等全過程智能化管理和控制的能源新模式。智慧能源不僅可以提高能源的使用效率,降低能源消耗,同時(shí)可以提高能源的供應(yīng)安全性,促進(jìn)可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用。例如,通過5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸大量的能源數(shù)據(jù),可以對(duì)能源的生產(chǎn)、傳輸、存儲(chǔ)、使用等全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析,實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理和控制。同時(shí),通過5G網(wǎng)絡(luò),還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備、系統(tǒng)、用戶等全要素的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通,實(shí)現(xiàn)更加智能化的能源管理和服務(wù)。另外,智慧能源可以實(shí)現(xiàn)和建立更加靈活、高效的能源供應(yīng)和消費(fèi)模式。例如,可以通過智能電網(wǎng)的實(shí)時(shí)調(diào)度和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)更加靈活和高效的電力供應(yīng)。通過5G網(wǎng)絡(luò),可以實(shí)現(xiàn)用戶的實(shí)時(shí)能源需求反饋和響應(yīng),實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化和個(gè)性化的能源服務(wù)。此外,智慧能源也可以與其他工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)更加智能化的能源應(yīng)用。例如,可以結(jié)合智能制造,實(shí)現(xiàn)能源設(shè)備的智能化生產(chǎn)和維護(hù);可以結(jié)合自動(dòng)駕駛,實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的智能化充電和調(diào)度。
(五)智慧醫(yī)療
智慧醫(yī)療是醫(yī)療健康領(lǐng)域中信息化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的重要體現(xiàn)。它通過應(yīng)用最新的科技手段,如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等,對(duì)醫(yī)療健康服務(wù)進(jìn)行深度創(chuàng)新,以提高醫(yī)療服務(wù)質(zhì)量,提升患者體驗(yàn),降低醫(yī)療成本,并為公共衛(wèi)生安全提供有力保障。在5G環(huán)境下,智慧醫(yī)療可以實(shí)時(shí)傳輸大量的醫(yī)療數(shù)據(jù),包括電子病歷、檢查報(bào)告、醫(yī)學(xué)影像等,實(shí)現(xiàn)真正的數(shù)字化醫(yī)療服務(wù)。同時(shí),可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生、患者、醫(yī)療設(shè)備等全要素的實(shí)時(shí)互聯(lián)互通,打破地域限制,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷、遠(yuǎn)程醫(yī)療等服務(wù),大大提高醫(yī)療服務(wù)的可及性和便利性。此外,智慧醫(yī)療也可以借助5G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)化和個(gè)性化的醫(yī)療服務(wù)。例如,通過分析患者的健康數(shù)據(jù),可以制定精準(zhǔn)的疾病預(yù)測(cè)和個(gè)性化治療方案,實(shí)現(xiàn)患者健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控和預(yù)警,提高醫(yī)療服務(wù)的效率和效果。在大規(guī)模設(shè)備互聯(lián)的挑戰(zhàn)下,智慧醫(yī)療也可以借助5G網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的智能管理和控制。例如,通過遠(yuǎn)程監(jiān)控醫(yī)療設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的預(yù)防性維護(hù)和故障預(yù)警,提高設(shè)備的使用效率。
四、結(jié)論
5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有較大的發(fā)展?jié)摿?,能夠有效提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本,同時(shí)提升產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。而關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)傳輸速度和低延遲等技術(shù)需求,以及解決設(shè)備大規(guī)?;ヂ?lián)、數(shù)據(jù)安全性和隱私保護(hù)等挑戰(zhàn)都起到了關(guān)鍵作用。在此基礎(chǔ)上,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在智能制造、自動(dòng)駕駛、物流與供應(yīng)鏈管理、智慧能源和智慧醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了顯著的效果??傮w來看,5G環(huán)境下的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正在推動(dòng)工業(yè)生產(chǎn)的智能化、綠色化和高效化的發(fā)展,還推動(dòng)智慧醫(yī)療的發(fā)展和應(yīng)用,展示出了廣闊的發(fā)展前景。
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