米哈伊洛夫·德米特里·米哈伊洛維奇 埃琳娜·托麗娜 亞歷山大·弗拉索夫 亞歷山大·基謝列夫 胡斯尼·加伯·易卜拉欣·?，斈?/p>

(1.金磚國家未來網(wǎng)路研究院(中國·深圳) 廣東深圳 518000;2.莫斯科電力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))無線電工程與電子研究所 俄羅斯莫斯科 111116;3.莫斯科電力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))電力工程研究所 俄羅斯莫斯科 111555;4.莫斯科動力工程學(xué)院(技術(shù)大學(xué))熱電與核電工程研究所 俄羅斯莫斯科州克拉斯諾戈?duì)査箍?143405;5.英國倫敦公平學(xué)院 中國香港 A 001738)

隨著移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度要求不斷增長，傳輸?shù)男畔⒘亢瓦B接到網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備數(shù)量也在不斷增長。不斷發(fā)展的競爭技術(shù)市場為高度互動的應(yīng)用程序和虛擬現(xiàn)實(shí)提供了新的概念。虛擬化似乎是技術(shù)發(fā)展的自然步驟，但在使用老一代網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無法充分滿足為虛擬系統(tǒng)的最終用戶提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)所需的要求。

第五代5G移動通信已經(jīng)在許多國家推出，并且由于創(chuàng)新技術(shù)和新解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。在上一代網(wǎng)絡(luò)中，最終用戶設(shè)備使用單核移動網(wǎng)絡(luò)。5G改變了核心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)，并提供了一種全新移動和連接的方法[1]。5G能夠提供比上一代網(wǎng)絡(luò)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率、帶寬、低延遲等，如表1所示[2]。此外，5G使新的虛擬化技術(shù)成為可能，將允許創(chuàng)建具有不同參與者和角色的新業(yè)務(wù)模型[1]。通過使用云計(jì)算的新范式：邊緣計(jì)算[1,3-4]，擴(kuò)展使用虛擬空間成為可能。

表1 4G和5G標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)特點(diǎn)對比

5G和邊緣計(jì)算的使用在商業(yè)、制造和其他人類活動領(lǐng)域具有巨大的潛力。許多5G 應(yīng)用依靠邊緣計(jì)算來實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)互操作性、本地處理、高數(shù)據(jù)速率和高可用性。特別是物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展、未來的工廠和應(yīng)急響應(yīng)[3,5]，應(yīng)用程序的虛擬化和虛擬機(jī)計(jì)算能力的增長將大大降低企業(yè)技術(shù)設(shè)備的財(cái)務(wù)成本。

能源行業(yè)是迫切需要利用高科技設(shè)備以最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失的行業(yè)之一。發(fā)電廠的設(shè)備需要不斷維護(hù)和持續(xù)監(jiān)測其狀況。設(shè)備停機(jī)、緊急情況或按計(jì)劃規(guī)定的維修和預(yù)防工作，會產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)損失，因此一項(xiàng)重要任務(wù)是監(jiān)控運(yùn)行設(shè)備的主要參數(shù)，以防止緊急情況的發(fā)展，并優(yōu)化維修時(shí)間。除了監(jiān)控之外，還使用當(dāng)設(shè)備參數(shù)超出允許值時(shí)觸發(fā)的保護(hù)系統(tǒng)。將這些系統(tǒng)用于俄羅斯和獨(dú)聯(lián)體國家熱電聯(lián)產(chǎn)工廠使用的設(shè)備尤為重要，因?yàn)樗ǔＲ呀?jīng)耗盡了大部分資源，在運(yùn)行過程中需要更多的關(guān)注。

這些系統(tǒng)需要分析大量數(shù)據(jù)，并使用技術(shù)，以便在數(shù)據(jù)發(fā)生變化時(shí)快速做出響應(yīng)。將移動網(wǎng)絡(luò)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）結(jié)合使用可能會降低安裝和操作此類系統(tǒng)的成本，但由于性能不足和可靠性要求不一致，現(xiàn)在沒有使用此類解決方案。使用5G 系統(tǒng)可以重新審視移動網(wǎng)絡(luò)在這些自動化系統(tǒng)中可能扮演的角色。但在可靠性的背景下，還應(yīng)該注意解決方案URLLC（超可靠低延遲通信），它以低延遲在對象（機(jī)器）之間提供超可靠的通信[3]。5G 有望提供超過99.999%的可靠性，并可成功用于提供遠(yuǎn)程控制和流程自動化[5]。下文更詳細(xì)地描述了實(shí)施所需的自動監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)備和功能塊，描述了5G 技術(shù)的功能，并以Echo 自動設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)為例，對使用5G云計(jì)算時(shí)可能的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了定量評估。

1 熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的自動監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

熱電聯(lián)產(chǎn)用于設(shè)備安全不間斷運(yùn)行、優(yōu)化和降低維修和維護(hù)工作成本的連續(xù)控制系統(tǒng)，可按用途分為設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)和保護(hù)系統(tǒng)兩類。

第一種設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，借助該系統(tǒng)，根據(jù)從各種傳感器連續(xù)接收的數(shù)據(jù)，CHP 人員接收有關(guān)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)、該狀態(tài)變化的動態(tài)、發(fā)展中的缺陷和剩余壽命的信息。基于這些數(shù)據(jù)，可以預(yù)測設(shè)備的進(jìn)一步性能，優(yōu)化維修工作的時(shí)間和性質(zhì)，防止緊急情況的發(fā)展，在發(fā)生嚴(yán)重故障之前，最大限度地減少設(shè)備停機(jī)進(jìn)行維修工作的時(shí)間，并且由于上述所有原因，顯著減少經(jīng)濟(jì)損失并提高設(shè)備運(yùn)行的效率和安全性。

對于自動化監(jiān)測，通常使用設(shè)備的無損檢測的被動方法。目前，最常見的監(jiān)測系統(tǒng)是振動診斷和熱成像（熱）控制，通常一起使用，還應(yīng)該注意的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，引入基于噪聲診斷的監(jiān)測系統(tǒng)正變得有希望[6-7]。下面簡要地分析一下上述系統(tǒng)的運(yùn)行原理。

熱成像控制是使用從溫度傳感器（熱像儀、高溫計(jì)）獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行的。分析設(shè)備各個(gè)部件的溫度及其變化可以全面了解其狀況，此外，診斷傳感器的非侵入性安裝的可能性及其相對較低的成本使得這種方法使用起來非常有吸引力。而應(yīng)該注意的是，這種方法并不適合所有類型的設(shè)備及其組件，這既是由于其對某些元素的研究不足，也是由于解釋與所研究對象附近的冷卻設(shè)備和/或熱源的操作相關(guān)的結(jié)果的復(fù)雜性，并且由于需要仔細(xì)分析和考慮外部因素，例如材料的輻射能力。此外，由于熱過程的高慣性，熱成像控制作為監(jiān)測設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)的系統(tǒng)的使用受到限制。

基于設(shè)備振動的監(jiān)測分析、振動診斷，是目前監(jiān)測熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備狀況的最常用方法。簡而言之，該方法的本質(zhì)可以描述如下：處理從振動傳感器獲得的數(shù)據(jù)，以便將參數(shù)與噪聲信號隔離，噪聲信號的特性受設(shè)備狀態(tài)及其狀態(tài)變化的影響。這些參數(shù)可能包括信號在某個(gè)時(shí)間間隔內(nèi)的最大值、信號的均方根偏差、這些參數(shù)的比率等。盡管外部噪聲可能會在振動圖像中產(chǎn)生重大誤差。對熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的許多元素，通過對這些數(shù)據(jù)的分析，您可以獲得有關(guān)其狀況的詳細(xì)信息，并準(zhǔn)確預(yù)測其時(shí)間變化。專家建議對CHP 設(shè)備使用振動診斷方法，但由于安裝此類系統(tǒng)的高成本和與之相關(guān)的技術(shù)困難，這并不總是普遍可行的：振動傳感器的安裝通常是侵入性的，需要設(shè)備關(guān)閉。

通過噪聲診斷方法，可對設(shè)備發(fā)出的聲學(xué)噪聲的分析。使用從寬帶麥克風(fēng)和壓電傳感器獲得的數(shù)據(jù)，使用現(xiàn)代信號處理方法，可以獲得有關(guān)操作設(shè)備狀態(tài)的信息，其精度可能與振動診斷和熱成像控制的精度相稱。由于振動和噪聲之間的聯(lián)系，噪聲診斷方法理論上結(jié)合了振動診斷的所有積極方面，適用于任何類型的設(shè)備，但同時(shí)它可以具有顯著的競爭優(yōu)勢，主要是由于傳感器的非侵入性安裝，以及由于安裝所需的傳感器數(shù)量的顯著減少。所有這些都使噪聲診斷方法（包括噪聲診斷）更加經(jīng)濟(jì)。

考慮的所有方法都涉及對從傳感器中取出的信號進(jìn)行后處理，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步解釋。廣義功能圖如圖1 所示。目前，人工智能方法，特別是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通常用于自動監(jiān)控系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的部分或全部解釋。

圖1 設(shè)備狀態(tài)自動監(jiān)控的通用功能方案

盡管監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)發(fā)達(dá)，并且通常有助于防止緊急情況，但有時(shí)不可能及時(shí)檢測到正在發(fā)展的缺陷，并且設(shè)備可能進(jìn)入緊急情況或接近緊急運(yùn)行模式。這種情況需要人員的緊急干預(yù)，有時(shí)需要設(shè)備的緊急關(guān)閉。為了確保這種情況造成最小的損壞，chP 設(shè)備配備了用于跟蹤其主要參數(shù)的系統(tǒng)，且如果這些參數(shù)的值超出允許的值，則所使用的系統(tǒng)發(fā)出緊急情況的信號，并且還可以執(zhí)行設(shè)備的緊急關(guān)閉和/或其操作模式的改變（如負(fù)載釋放）。這種系統(tǒng)被稱為保護(hù)系統(tǒng)，它們是熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備最重要的元件。

保護(hù)系統(tǒng)可按類型分為熱和電，并按控制程度分為局部和主要。保護(hù)系統(tǒng)工作的本質(zhì)被簡化為對操作設(shè)備特定參數(shù)的連續(xù)監(jiān)控。對于熱保護(hù)，如壓力和溫度，對電氣-受控電路中電流的強(qiáng)度,如果參數(shù)值在允許的范圍內(nèi)，則設(shè)備在正常模式下運(yùn)行；但如果參數(shù)超出系統(tǒng)規(guī)定的允許值，則根據(jù)過量的程度和允許間隔之外的參數(shù)數(shù)量，觸發(fā)局部（不導(dǎo)致設(shè)備負(fù)載停止或減少，但發(fā)出故障信號）或主要（其操作導(dǎo)致緊急停止或負(fù)載減少）設(shè)備）。通常，保護(hù)系統(tǒng)包括設(shè)備的本地和主保護(hù)，它們是相互關(guān)聯(lián)的。例如：超過一個(gè)參數(shù)會導(dǎo)致觸發(fā)本地保護(hù)，并且超過兩個(gè)會觸發(fā)主要保護(hù)。保護(hù)系統(tǒng)的簡化功能圖可以如圖2所示。

兩者都被認(rèn)為是自動化系統(tǒng)（見圖1、圖2），假設(shè)存在數(shù)據(jù)存儲和處理單元（如服務(wù)器、控制器等），特別是可編程邏輯控制器，借助于其軟件轉(zhuǎn)換從傳感器接收的信號，其存儲和結(jié)果的輸出發(fā)生。由于對CHP設(shè)備，來自傳感器的信號數(shù)量可以相當(dāng)大（數(shù)萬），并且結(jié)果的處理應(yīng)盡可能快地進(jìn)行并且涉及考慮大量條件和對信號的大量數(shù)學(xué)運(yùn)算的行為，因此有必要使用高速通信通道，微處理器，包括那些具有顯著計(jì)算能力和/或大量微處理器的微處理器?？梢詳[脫數(shù)據(jù)處理和存儲單元或?qū)ζ溥M(jìn)行顯著簡化，從而通過使用云解決方案來降低所用系統(tǒng)的成本，這些解決方案允許您將軟件處理傳輸?shù)皆浦?，并將存檔數(shù)據(jù)存儲在虛擬服務(wù)器上。在使用云技術(shù)的框架內(nèi)，新的5G 技術(shù)特別有前途。

圖2 自動化設(shè)備保護(hù)系統(tǒng)功能圖

2 云計(jì)算和5G技術(shù)

使用互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算和存儲數(shù)據(jù)的想法并不新鮮。在這個(gè)概念中，互聯(lián)網(wǎng)充當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)的虛擬云。在提供電子郵件的各種服務(wù)中可以觀察到這種解決方案的示例：每個(gè)用戶在云中免費(fèi)分配幾GB，在那里他可以存儲他的任何信息，通常有可能付費(fèi)擴(kuò)展存儲容量。對于郵件服務(wù)，此服務(wù)可用，因?yàn)榉?wù)器場具有大量數(shù)據(jù)。除了能夠在線托管文件并從任何可以訪問它的設(shè)備下載它們之外，最終用戶還可以獲得另一個(gè)優(yōu)勢：通過在多臺聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)上管理云數(shù)據(jù)，丟失存儲在云中的數(shù)據(jù)的概率遠(yuǎn)低于存儲在本地物理內(nèi)存中時(shí)[4]。

除了存儲之外，云還有其他潛在的重要功能：云計(jì)算。這個(gè)概念可以簡化為一個(gè)應(yīng)用程序，而不是安裝在物理設(shè)備上，而是直接安裝在云中。云計(jì)算可以降低執(zhí)行各種數(shù)據(jù)操作以獲得最終產(chǎn)品所需的高性能設(shè)備的成本。

早在20世紀(jì)中期，就有來自提供云計(jì)算服務(wù)的大型公司的提議。這些“云提供商”為用戶提供各種服務(wù)：從數(shù)據(jù)存儲和分析，到使用具有相當(dāng)高計(jì)算能力的虛擬機(jī)。當(dāng)然，提供商對使用云計(jì)算功能收取費(fèi)用。提供的關(guān)稅的定價(jià)是不同的，取決于特定的服務(wù)提供商[4]。

移動云計(jì)算（MCC）涉及在移動網(wǎng)絡(luò)中使用云計(jì)算，其使用選項(xiàng)分為4種類型：（1）MaaSC-MCC 作為服務(wù)的消費(fèi)者；（2）MaaSP-MCC 作為服務(wù)提供商；（3）MaaSB-MCC作為服務(wù)經(jīng)紀(jì)人；（4）MaaSR-MCC作為該服務(wù)的代表[4]。

但是，在當(dāng)前的MCC 架構(gòu)下，并非所有潛在云計(jì)算用例的可能性都是可行的。

盡管有所有優(yōu)點(diǎn)和便利性，但使用云計(jì)算的可能性非常有限。這主要是由于傳統(tǒng)的云計(jì)算模型無法滿足需要高數(shù)據(jù)傳輸速率、低延遲、嚴(yán)格的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求和高帶寬的高度交互應(yīng)用程序的要求。此外，云可以遠(yuǎn)離用戶設(shè)備（UE），這也增加了功耗[3]。

擴(kuò)展云計(jì)算能力的一種解決方案是使用邊緣計(jì)算。移動邊緣計(jì)算（MEC）在各個(gè)業(yè)務(wù)領(lǐng)域具有巨大的潛力，可以節(jié)省資源并提高小公司的競爭力[4-5]。邊緣云計(jì)算的本質(zhì)可以通過額外的小型本地云的形式進(jìn)行簡化，與位于核心網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)典架構(gòu)云不同，邊緣云計(jì)算位于網(wǎng)絡(luò)邊緣，靠近最終用戶（UE）[1,3-4]。

MES 是5G 網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵新技術(shù)之一[4]，在人類活動的各個(gè)領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。因此列出了導(dǎo)致5G技術(shù)邊緣計(jì)算發(fā)展的主要因素[1,3-4]，具體如下。

（1）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）在虛擬機(jī)中執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)功能，能夠處理大量數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建靈活、自動化、可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。此外，網(wǎng)絡(luò)請求可以在主云和網(wǎng)絡(luò)邊緣處理。事實(shí)上，這是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化，而不參考特定的設(shè)備和制造商，這將促進(jìn)新網(wǎng)絡(luò)功能的引入，因?yàn)樗鼈儸F(xiàn)在將是可定制的軟件組件。

（2）軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）定義了一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)分為控制平面和數(shù)據(jù)平面，以提供網(wǎng)絡(luò)敏捷性和敏捷性，這有助于簡化網(wǎng)絡(luò)管理并提供新服務(wù)。SDN 架構(gòu)基于控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面的物理分離。需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能由邊緣服務(wù)器（即虛擬化）執(zhí)行，從而最大限度地減少延遲。通常，SDN 與NFV 結(jié)合使用。

（3）通過與空中接口相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新，改進(jìn)信號的形式、調(diào)制、編碼，大規(guī)模MIMO天線系統(tǒng)的使用，可以提高頻譜使用效率。后者是一種可顯著增加基站天線陣列元件數(shù)量的技術(shù)。這樣，您就可以減少將任務(wù)同時(shí)上傳到邊緣云時(shí)的延遲時(shí)間和能耗。

（4）新無線電（NR）是用于5G的新無線電接口，其規(guī)范分為兩個(gè)頻段。此技術(shù)允許您將大量低延遲設(shè)備連接到可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)。

（5）設(shè)備到設(shè)備（D2D）通信提供相鄰設(shè)備之間的直接通信，無需將信號傳遞到基站，從而減少了信號在設(shè)備之間傳輸時(shí)的延遲時(shí)間，提高了系統(tǒng)的帶寬和能效，優(yōu)化了頻譜的使用。此功能對于安全系統(tǒng)特別重要，因?yàn)橐粋€(gè)設(shè)備必須快速響應(yīng)另一個(gè)設(shè)備的信號。

根據(jù)調(diào)查[3]，使用5G MES 將解決各種問題：改善數(shù)據(jù)管理，以處理需要實(shí)時(shí)處理的用戶設(shè)備的大量時(shí)間敏感延遲數(shù)據(jù)；提高所提供服務(wù)的質(zhì)量，以滿足未來應(yīng)用程序（包括高度交互式應(yīng)用程序）的要求；預(yù)測和評估所需的網(wǎng)絡(luò)資源，以滿足網(wǎng)絡(luò)和用戶的要求，然后優(yōu)化這些資源。位置感知管理，這將改善設(shè)備之間的通信；改進(jìn)資源管理以優(yōu)化邊緣云網(wǎng)絡(luò)以提高性能。

使用5G 的邊緣計(jì)算可以承擔(dān)以下功能[3]，具體如下。

（1）本地存儲。盡管邊緣服務(wù)器的數(shù)量明顯少于經(jīng)典云（具有幾乎無限的存儲空間），但它們?nèi)匀辉试S您將大量數(shù)據(jù)上傳到邊緣云，例如：來自設(shè)備各種傳感器的長期監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，以便進(jìn)行后續(xù)分析。（2）本地計(jì)算允許您將計(jì)算和過程從各種設(shè)備（小工具，處理器）傳輸?shù)竭吘壴?，邊緣云是一種能夠獨(dú)立自主處理UE數(shù)據(jù)的智能計(jì)算系統(tǒng)。（3）分析本地?cái)?shù)據(jù)。邊緣計(jì)算對從各種應(yīng)用程序附近收集的大量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和執(zhí)行實(shí)時(shí)關(guān)鍵數(shù)據(jù)分析，以生成有價(jià)值的見解。例如：處理和分析設(shè)備組的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，對設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)做出決策，預(yù)測其進(jìn)一步的動態(tài)，從而優(yōu)化預(yù)防和維修措施的時(shí)間。（4）地方一級的決策。邊緣計(jì)算可幫助組織根據(jù)經(jīng)過良好處理的數(shù)據(jù)自動做出實(shí)時(shí)決策和操作。（5）地方政府。邊緣計(jì)算提供遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控，可以提高企業(yè)人員的安全性。（6）提高本地?cái)?shù)據(jù)安全性（與使用經(jīng)典云解決方案相比）。

因此，使用5G 技術(shù)和邊緣云計(jì)算將降低運(yùn)營成本，提高服務(wù)質(zhì)量和能源效率[1,3-5]。所述技術(shù)的功能允許您通過Internet 將數(shù)據(jù)處理和分析功能傳輸?shù)皆浦?，這將消除部分物理設(shè)備的使用或顯著簡化它。此外，網(wǎng)絡(luò)分離將允許您優(yōu)先處理來自各種物理和虛擬UE的數(shù)據(jù)，從而提高保護(hù)和監(jiān)控系統(tǒng)的質(zhì)量。以下是使用5G 技術(shù)用于監(jiān)測熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備狀況的噪聲診斷系統(tǒng)可能帶來的經(jīng)濟(jì)效益的計(jì)算結(jié)果。

3 將云計(jì)算和5G技術(shù)用于設(shè)備監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)

如標(biāo)題熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備的自動監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)敘述內(nèi)容所示，在功能上，自動監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)以類似的方式工作。信號從多個(gè)傳感器接收，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和存儲單元中的各種轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)目的進(jìn)入操作員的工作站或控制設(shè)備以觸發(fā)保護(hù)（見圖1、圖2）。對來自多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行并行分析的要求，以及低延遲的信號處理的要求，需要高性能的計(jì)算設(shè)備，使其無法使用云解決方案，但5G技術(shù)的發(fā)展將允許擺脫處理單元并將該節(jié)點(diǎn)發(fā)送到云端。在這種情況下，廣義功能圖如圖3所示。

圖3 使用云計(jì)算時(shí)自動監(jiān)控或保護(hù)系統(tǒng)的功能示意圖

由于D2D 技術(shù)的發(fā)展，延遲（不超過1 ms）的顯著降低，這種修改成為可能，該技術(shù)不需要通過基站在設(shè)備之間發(fā)送消息數(shù)據(jù)包，從而提高了性能并增加了連接密度。它的使用將大大降低安裝和使用所考慮的自動化系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本。

該文以Echo設(shè)備的自動監(jiān)控系統(tǒng)為例，使用人工智能技術(shù)的噪聲診斷方法進(jìn)行定量評估。計(jì)算是在熱電聯(lián)產(chǎn)使用該系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行的。

Echo系統(tǒng)的固定功能圖，帶有物理服務(wù)器和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸，用于監(jiān)控單個(gè)對象的狀況，如圖4所示。

圖4 基于一個(gè)物體噪聲診斷的自動監(jiān)控系統(tǒng)Echo的功能圖

使用寬帶麥克風(fēng)和/或壓電傳感器（2）從所研究的物體（1）捕獲聲學(xué)噪聲。此外，信號通過集成總線（3）被饋送到智能模塊（6），存儲在信號數(shù)據(jù)庫（4）中，其用于收集和存儲來自傳感器的主要數(shù)據(jù)以及聲學(xué)數(shù)據(jù)分析的結(jié)果。獲得的數(shù)據(jù)可供模式標(biāo)記工作站上的專家進(jìn)行手動分析和標(biāo)記（5）。來自模式標(biāo)記工作站（5）的標(biāo)記數(shù)據(jù)，隨后用于重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，被傳輸?shù)街悄苣K（6），智能模塊（6）分析數(shù)據(jù)并通過軟件模塊（7）將有關(guān)設(shè)備狀態(tài)的信息傳輸?shù)街鞑僮鲉T工作站（8）和通知網(wǎng)關(guān)（9）。該方案可以擴(kuò)展到所需數(shù)量的觀察對象，其數(shù)據(jù)被組合在一個(gè)調(diào)度員/操作員工作站中。

在使用云計(jì)算和5G技術(shù)的方案中，可以一次將多個(gè)塊傳輸?shù)皆浦小?、4、6（如圖5 所示）。在操作過程中，Echo聲學(xué)控制系統(tǒng)使用以下數(shù)據(jù)。

圖5 一個(gè)通用的多級功能圖，用于使用云解決方案監(jiān)視多個(gè)對象的狀態(tài)

（1）噪聲圖片文件的機(jī)制，將來用于重新訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（數(shù)據(jù)集集合）。此類文件的持續(xù)時(shí)間為30 min，大小為329 MB（使用兩個(gè)通道錄制時(shí)：麥克風(fēng)和壓電傳感器）。

（2）噪聲模式文件的機(jī)制，用于通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)確定當(dāng)前時(shí)間的異常。此類文件的持續(xù)時(shí)間為6 s，大小為1.1 MB。

如果神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是直接在設(shè)備上處理數(shù)據(jù)，而是在服務(wù)器上處理數(shù)據(jù)，如圖4所示，或者使用MEC的云，那么，如果延遲不超過2 s（足以在監(jiān)控期間正確顯示結(jié)果），來自一個(gè)設(shè)備的流量將為4.4 Mbit/s。設(shè)備數(shù)量如下：（1）3G網(wǎng)絡(luò)，1個(gè)（或更少）設(shè)備；（2）4G網(wǎng)絡(luò)，3臺設(shè)備；（3）5G網(wǎng)絡(luò)，22臺設(shè)備。

由于在監(jiān)控對象上安裝了多個(gè)傳感器（例如至少需要8個(gè)傳感器來監(jiān)控能源鍋爐），如果傳感器通過單個(gè)GSM調(diào)制解調(diào)器工作，則得到總流量，例如8個(gè)傳感器（能源鍋爐）將是：35.2 Mbit/s。在物理設(shè)備上或在物理服務(wù)器上，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)從設(shè)備傳輸?shù)椒?wù)器。此處的云解決方案僅適用于數(shù)據(jù)存儲。

使用5G網(wǎng)絡(luò)時(shí)，無需直接在設(shè)備上執(zhí)行計(jì)算或使用以太網(wǎng)連接，并且可以放棄部分物理設(shè)備，這意味著顯著的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)計(jì)算，如果與5G 網(wǎng)絡(luò)一起使用，簡化設(shè)備的成本可以降低5.2倍。

4 結(jié)語

該文提供了將5G 技術(shù)用于自動監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的基本原理。結(jié)果表明，兩個(gè)系統(tǒng)對信號的延遲時(shí)間都有嚴(yán)格的要求。它們包括大量的傳感器和數(shù)據(jù)處理和存儲單元，這可能需要大量的計(jì)算能力，這使得這些系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和使用成本很高。云計(jì)算的功能允許將數(shù)據(jù)處理放在虛擬空間中，來擺脫這一瓶頸。但是，老一代網(wǎng)絡(luò)無法滿足自動監(jiān)控和保護(hù)系統(tǒng)的帶寬和延遲要求。新一代5G 網(wǎng)絡(luò)和MES 分布式計(jì)算將允許使用云計(jì)算來改善系統(tǒng)的硬件瓶頸，該文提出了一個(gè)以云計(jì)算為獨(dú)立功能節(jié)點(diǎn)的流程圖，以基于噪聲診斷Echo的監(jiān)測和診斷設(shè)備狀態(tài)的系統(tǒng)為例，使用人工智能技術(shù)，當(dāng)它在CHP 使用時(shí)，定量地顯示了使用5G 的潛在優(yōu)勢。