工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)研究綜述

田輝，賀碩，林尚靜，范紹帥，聶高峰，蔣秀蓉

（1.北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)與交換技術(shù)國家重點實驗室，北京 100876；2.鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.北京郵電大學(xué)安全生產(chǎn)智能監(jiān)控北京市重點實驗室，北京 100876）

1 引言

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是全球工業(yè)體系智能化變革的重要推手，將具有感知、監(jiān)控能力的各類采集或控制器以及泛在技術(shù)、移動通信、智能分析等技術(shù)不斷融入工業(yè)生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，最終將傳統(tǒng)工業(yè)推動到智能化的新階段。早在1948 年，“控制論之父”諾伯特·維納在他的經(jīng)典著作《控制論：或關(guān)于在動物和機(jī)器中控制和通信的科學(xué)》中指出：“控制系統(tǒng)應(yīng)該作為一個復(fù)雜的、連鎖的反饋閉環(huán)?！睆南到y(tǒng)科學(xué)的角度重新審視工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以發(fā)現(xiàn)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是一個多尺度、多相流耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，如圖1 所示。

圖1 “感知-通信-控制”融合多尺度、多相流耦合復(fù)雜系統(tǒng)

然而，現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)通常將傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)作為獨立的子系統(tǒng)分別優(yōu)化設(shè)計。其面臨如下3 個方面的問題。

首先，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在底層通信鏈路存在“不可靠性”。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境存在嚴(yán)重的電磁干擾。工業(yè)電網(wǎng)、高頻振動、電弧等對無線通信干擾嚴(yán)重，工業(yè)生產(chǎn)與監(jiān)控系統(tǒng)中存在大量的異構(gòu)通信設(shè)備，如采用局域網(wǎng)技術(shù)的傳感器設(shè)備、采用廣域網(wǎng)4G、5G 技術(shù)的CPE（customer premises equipment）中繼或者基站設(shè)備等，這些設(shè)備共享有限的無線信道也會造成同頻干擾。此外，廠房中遍布的金屬器械等會對無線信號造成衰落和陰影等影響。復(fù)雜動態(tài)變化的工業(yè)環(huán)境將不可避免地影響無線傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。通信傳輸過程中的時延或者丟包將直接影響工業(yè)控制系統(tǒng)決策的準(zhǔn)確性，以及對現(xiàn)場設(shè)備控制的穩(wěn)定性。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中通信系統(tǒng)的設(shè)計，不能僅考慮優(yōu)化本地的通信網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，同時應(yīng)該考慮控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性約束。

其次，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在前向感知-通信鏈路存在“不準(zhǔn)確性”。一方面，傳感器設(shè)備硬件資源的限制導(dǎo)致分布在不同物理空間的終端僅能獲得工業(yè)設(shè)備狀態(tài)或者工業(yè)生產(chǎn)過程參數(shù)的局部信息，這些局部信息之間不僅存在偏差，甚至是自相矛盾的。通過擴(kuò)展傳感器節(jié)點在時間和空間的覆蓋范圍，可以提高感知準(zhǔn)確性。然而，僅僅通過增加工業(yè)現(xiàn)場中傳感器數(shù)量的方式解決信息感知的“不準(zhǔn)確性”會導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)傳輸負(fù)荷的增加，影響控制決策的時效性。另一方面，現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)流程的復(fù)雜性導(dǎo)致工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中不僅存在以溫度、轉(zhuǎn)速、壓力等模擬量和開關(guān)量為代表的結(jié)構(gòu)化信息，同時存在以大量高清視頻、圖像聲音為代表的非結(jié)構(gòu)化信息。傳感器終端將大量的未經(jīng)分析融合的非結(jié)構(gòu)化信息直接傳到工業(yè)控制系統(tǒng)進(jìn)行決策處理，會進(jìn)一步增加通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸負(fù)荷，并且影響后續(xù)控制決策的準(zhǔn)確性。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知系統(tǒng)的設(shè)計，不能僅考慮感知系統(tǒng)本身的優(yōu)化，同時應(yīng)該考慮通信系統(tǒng)的通信能力約束。

最后，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在反向控制-通信鏈路存在“不確定性”。隨著工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向大型化和復(fù)雜化方向發(fā)展，生產(chǎn)過程呈現(xiàn)多子系統(tǒng)緊密耦合的特征，耦合關(guān)系復(fù)雜，非線性特征明顯。一個子系統(tǒng)內(nèi)部的單點攝動、感知誤差、交互時延等不確定性均會通過物理網(wǎng)絡(luò)的耦合及通信網(wǎng)絡(luò)的連接由此及彼地傳播擴(kuò)散，產(chǎn)生級聯(lián)震蕩，嚴(yán)重影響整個工業(yè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，對生產(chǎn)過程的控制和優(yōu)化，除了需要考慮單個生產(chǎn)裝置或局部子系統(tǒng)性能外，更需兼顧整個系統(tǒng)的全局優(yōu)化。因此，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中控制系統(tǒng)的設(shè)計，同樣不能僅考慮對系統(tǒng)物理量的控制優(yōu)化，必須將感知系統(tǒng)和通信系統(tǒng)作為自身系統(tǒng)的一部分進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計。

目前，國內(nèi)外學(xué)者和研究機(jī)構(gòu)提出了控制通信一體化[1]、物理信息系統(tǒng)[2]和分布式人工智能[3]等未來工業(yè)技術(shù)。但是，現(xiàn)有的研究弱化了通信技術(shù)在閉環(huán)系統(tǒng)中所發(fā)揮的級聯(lián)橋接效應(yīng)，沒有對通信系統(tǒng)在工業(yè)復(fù)雜耦合系統(tǒng)中的作用給予足夠的重視。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)的研究仍處于起步階段。

為了進(jìn)一步推動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)的發(fā)展，本文主要綜述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)方面的相關(guān)研究。首先，以信息的流轉(zhuǎn)為引線介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知-通信-控制三要素之間的復(fù)雜耦合關(guān)系；然后，圍繞工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知通信控制協(xié)同融合問題，對國內(nèi)外研究現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述分析，并總結(jié)了現(xiàn)有研究面臨的問題；最后，對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制融合系統(tǒng)中的解耦機(jī)制、高可靠通信、感知通信融合和穩(wěn)定性控制等開放性研究問題進(jìn)行了細(xì)致的討論和分析。

2 感知-通信-控制三要素間的復(fù)雜耦合關(guān)系

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中，一個任務(wù)的完成需要通過信息在感知流、通信流和控制流之間的高效有序傳遞才能實現(xiàn)。圖2 給出了典型工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)復(fù)雜系統(tǒng)中感知流、通信流和控制流之間的復(fù)雜耦合關(guān)系。

圖2 感知流、通信流和控制流耦合關(guān)系

從本質(zhì)上講，感知流、通信流和控制流是通過信息流在感知執(zhí)行層、通信傳輸層和處理決策層上耦合在一起的。一條信息流從生成到失效會經(jīng)歷4 個階段，即信息的收集、信息的傳遞、信息的處理決策和信息的執(zhí)行。完整的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品的生產(chǎn)過程需要源源不斷的信息流的驅(qū)動。感知執(zhí)行層包括多種不同功能的傳感器和具備執(zhí)行功能的執(zhí)行器。傳感器主要負(fù)責(zé)信息的收集，而執(zhí)行器則根據(jù)控制指令完成信息的執(zhí)行。得益于感知器的多樣性，感知信息的承載業(yè)務(wù)形式包括圖像、視頻、音頻及零星小數(shù)據(jù)（如表征溫度、濕度、電壓、電流等）等。通信傳輸層由若干無線基站組成，負(fù)責(zé)將收集到的信息交付給處理決策層，并將處理決策層的決策執(zhí)行指令下達(dá)至感知執(zhí)行層。信息在通過通信傳輸層時會被抽象為信息傳輸?shù)募s束條件（如時延、可靠性、數(shù)據(jù)速率等），屏蔽不同信息感知的承載業(yè)務(wù)差異。處理決策層則根據(jù)收集到的信息進(jìn)行信息處理，并根據(jù)處理結(jié)果下達(dá)控制指令。由于信息收集的規(guī)模和處理規(guī)則的不同，處理決策層包括多個處理環(huán)節(jié)。

由于信息流的時序因果特性，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的感知執(zhí)行層、通信傳輸層和處理決策層的耦合呈現(xiàn)序貫特性，即通信傳輸層作為中間層將感知執(zhí)行層與處理決策層耦合在一起。在感知執(zhí)行層，信息的收集由多種時空分布不均勻的感知節(jié)點組成。快速進(jìn)行感知數(shù)據(jù)的收集和處理是保證信息流準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)。然而，從感知數(shù)據(jù)產(chǎn)生的原始數(shù)據(jù)需要經(jīng)過通信傳輸層到達(dá)處理決策層進(jìn)行處理。在處理決策層，信息經(jīng)過處理后生成時序控制決策。這些時序控制決策通過通信傳輸層的有序控制指令傳遞，下達(dá)至感知執(zhí)行層的執(zhí)行節(jié)點。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與面臨的問題

由第2 節(jié)的介紹可以看出，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三者之間緊密耦合、序貫相通。本節(jié)將從感知計算、高可靠通信和通信控制3 個方面介紹工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并進(jìn)一步分析現(xiàn)有研究面臨的問題。

3.1 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的感知計算研究

傳統(tǒng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)通常使用集中式服務(wù)器作為計算中心，以光電、溫度、壓力等各種傳感器（如二維條形碼讀取設(shè)備、RFID 標(biāo)簽讀寫器、工業(yè)相機(jī)、高清攝像頭等）和變送器作為工業(yè)自動化生產(chǎn)控制過程的末端感知單元，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行多維、異構(gòu)數(shù)據(jù)融合處理，以支持服務(wù)器進(jìn)行智能決策。

為了實現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中處理異構(gòu)設(shè)備、快速配置與實現(xiàn)、在線服務(wù)生成等方面的智能互聯(lián)，文獻(xiàn)[4]通過靈活配置編程接入模塊連接異構(gòu)的物理制造資源，提出了由定制的接入模塊、訪問中心和本地服務(wù)器組成的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中心處理架構(gòu)。文獻(xiàn)[5]提出了一種新的中間件體系結(jié)構(gòu)——面向信息物理系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)，使傳感器數(shù)據(jù)能夠在高度不可預(yù)測的環(huán)境下及時、可靠地傳播?？偟膩碚f，傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)更多地以集中式處理架構(gòu)為基礎(chǔ)對數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理。

然而，隨著制造工業(yè)智能化進(jìn)程的推進(jìn)，工業(yè)制造領(lǐng)域呈現(xiàn)海量異構(gòu)智能終端設(shè)備連接的特性，這些工業(yè)設(shè)備將產(chǎn)生無法估計的數(shù)據(jù)量，同時智能終端的感知、計算、存儲能力相較以往均有很大提升，能夠?qū)崿F(xiàn)對物理世界的大范圍、長時間、多維度的信息采集以及數(shù)據(jù)空時相關(guān)性的深度挖掘，相應(yīng)的傳統(tǒng)工業(yè)采用的數(shù)據(jù)集中式處理模式在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代并不是最優(yōu)的處理方案[6]。

邊緣計算等技術(shù)的出現(xiàn)，為感知任務(wù)的快速部署和感知數(shù)據(jù)的傳輸與處理提供了新的契機(jī)[7]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的許多控制功能將通過本地設(shè)備完成而無須依賴于云端，計算卸載技術(shù)將感知數(shù)據(jù)的處理工作交給靠近感知數(shù)據(jù)源的邊緣計算設(shè)備；將分布式部署的單一功能傳感器采集到的多維、異質(zhì)、非結(jié)構(gòu)化信息進(jìn)行融合匯聚、智能處理，增強(qiáng)感知系統(tǒng)容錯性，同時最大程度地發(fā)揮實時數(shù)據(jù)的價值，決策通過在邊緣設(shè)備之間共享數(shù)據(jù)和計算來完成，更有利于工業(yè)制造過程的管控。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)逐漸演進(jìn)為“云-管-邊-端”模式，其中，“云”是指物聯(lián)網(wǎng)平臺云，“管”是指有線/無線通信方式，“邊”是指邊緣計算，“端”則涵蓋了智能傳感、智能終端和智能設(shè)備。基于上述模式，文獻(xiàn)[8]提出了一種基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN,software defined network）的云-邊交互架構(gòu)來處理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的大數(shù)據(jù)流，云-邊協(xié)同降低了傳統(tǒng)集中式云計算帶來的時延，中間件SDN 用于克服邊緣設(shè)備和云服務(wù)器之間的大量數(shù)據(jù)遷移導(dǎo)致的底層網(wǎng)絡(luò)擁塞，采用切比雪夫分解的多目標(biāo)進(jìn)化算法進(jìn)行流量調(diào)度。文獻(xiàn)[9]基于SDN 架構(gòu)，結(jié)合分層云和邊緣計算技術(shù)，提出了一種新的工業(yè)應(yīng)用集中式計算卸載策略——軟件定義工業(yè)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，解決了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中資源利用、數(shù)據(jù)處理和系統(tǒng)兼容性等缺陷。

為了獲得云-邊協(xié)同模式最優(yōu)的卸載策略，已有許多研究考慮不同用戶場景下的任務(wù)劃分和任務(wù)分配問題。文獻(xiàn)[10]在功率受限的網(wǎng)絡(luò)下，通過馬爾可夫決策過程（MDP,Markov decision process），利用一維搜索算法實現(xiàn)移動設(shè)備的任務(wù)卸載決策。類似地，文獻(xiàn)[11]基于MDP 問題建模，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下將任務(wù)狀態(tài)分為9 種類型，提出時空計算卸載決策算法，實現(xiàn)了給設(shè)備任務(wù)分配相應(yīng)的傳輸時隙和卸載到最合適的邊緣服務(wù)器的策略。文獻(xiàn)[12]在多用戶場景中，采用啟發(fā)式算法解決卸載決策和資源分配問題，根據(jù)設(shè)備的計算頻率和產(chǎn)生數(shù)據(jù)量大小來定義任務(wù)的優(yōu)先級，以此來部署信道資源和邊緣服務(wù)器的頻率資源。

目前，關(guān)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中涉及的節(jié)點能源資源、計算資源、緩存資源、頻譜資源等不同資源間的聯(lián)合優(yōu)化已有大量研究。文獻(xiàn)[13-15]對計算資源和無線資源進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，文獻(xiàn)[16-20]對計算資源和能源進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，文獻(xiàn)[21-23]研究了無線資源和能源的聯(lián)合優(yōu)化，文獻(xiàn)[24-26]研究了無線資源和存儲資源的聯(lián)合優(yōu)化方案等。不同服務(wù)器間的資源遷移相關(guān)研究較少，文獻(xiàn)[27]主要研究了基于貝爾曼-福特方法的低復(fù)雜度分布式遷移技術(shù)，文獻(xiàn)[28-29]研究了基于激進(jìn)獎勵機(jī)制的資源遷移技術(shù)等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中全面的感知計算階段、泛在的互聯(lián)互通階段、深度的智能控制階段是密不可分的，現(xiàn)階段基于邊緣計算的傳感器信息處理卸載技術(shù)未能很好地考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中的時延約束，無法滿足計算密集型和時延敏感型感知任務(wù)的需求，基于邊緣計算的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延約束下的傳感器感知任務(wù)卸載，以及霧計算節(jié)點之間任務(wù)卸載均有待進(jìn)一步研究。

3.2 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的高可靠通信研究

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景的通信技術(shù)的關(guān)鍵指標(biāo)是低時延和高可靠。在5G 技術(shù)出現(xiàn)之前，針對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的研究主要集中在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN,wireless sensor network）和工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)[30]對WSN 中時隙媒體接入控制（MAC,media access control）的超幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，以在滿足各種不同條件下最小化MAC 訪問時延，但忽略了工業(yè)環(huán)境中的能量消耗問題，無法在實際的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景中實現(xiàn)。文獻(xiàn)[31]研究了WSN 中的聚合調(diào)度問題，提出了一種高效的分布式調(diào)度算法，降低了時延。文獻(xiàn)[32]研究了工業(yè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中的匯聚傳輸調(diào)度問題，提出了一種時延最優(yōu)的調(diào)度策略，但不能在給定的時延約束下最大化其可靠性。針對引入視覺能力的WSN，文獻(xiàn)[33]提出了一種基于事件公平的調(diào)度方案，以減少事件報告時延。該方案能實現(xiàn)一定程度的性能提升，但仍然不支持在傳感器上傳輸實時視頻。文獻(xiàn)[34]針對事件監(jiān)控的M2M 應(yīng)用，引入了一種預(yù)測資源分配算法，該算法利用組內(nèi)M2M 設(shè)備流量模式的相關(guān)性，顯著降低了平均上行時延。以上傳統(tǒng)研究成果都在一定程度上提升了通信網(wǎng)絡(luò)的低時延性能，但仍未能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的毫秒級時延需求。

伴隨著5G 技術(shù)的興起，超可靠低時延通信（uRLLC,ultra-relaible and low latency communications）被引進(jìn)，以實現(xiàn)包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景在內(nèi)的關(guān)鍵機(jī)器通信。目前，面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的5G 技術(shù)主要從非正交多址接入（NOMA,non-orthogonal multiple access）、免調(diào)度傳輸、大規(guī)模多輸入多輸出（massive MIMO）、多連接以及短子幀結(jié)構(gòu)等方面研究uRLLC。

在NOMA 技術(shù)研究方面，業(yè)界提出了一些基本的方案，包括稀疏編碼多址接入（SCMA,sparse code multiple access）方案和多用戶共享接入方案等[35-36]。針對工業(yè)自動化場景，文獻(xiàn)[37]研究了NOMA 和協(xié)作NOMA 在可靠性要求、總能量和時延約束下，聯(lián)合優(yōu)化塊長度和功率分配，最小化譯碼錯誤概率的問題；文獻(xiàn)[38]提出了一種基于SCMA 增強(qiáng)的全雙工方案，并分析了該方案在時延約束下的可靠性。NOMA 的引入為免調(diào)度傳輸提供了天然的空間，基于NOMA 實現(xiàn)免調(diào)度傳輸可以降低信令開銷和傳輸時延。

在免調(diào)度技術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[39]對免調(diào)度傳輸系統(tǒng)的性能進(jìn)行瞬時分析，推導(dǎo)出時延約束下的可靠性。文獻(xiàn)[40]針對5G 標(biāo)準(zhǔn)化中討論的基于停止-等待協(xié)議的機(jī)制和盲重傳機(jī)制，研究了這2 種上行免調(diào)度方案的性能，分析其在時延約束下的可靠性。

在massive MIMO 技術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[41]針對基于毫米波的massive MIMO 系統(tǒng)提出了一種時延控制方法，在時延和可靠性約束下最大化網(wǎng)絡(luò)性能，以支持uRLLC。文獻(xiàn)[42]基于最小二乘信道估計研究了可以實現(xiàn)uRLLC 的多用戶massive MIMO技術(shù)，可以在時延有限和信道狀態(tài)信息不準(zhǔn)確的條件下提高傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

在多連接技術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[43]針對多連接提出了一個基于短碼塊的D2D 擴(kuò)展系統(tǒng)的框架，用以實現(xiàn)uRLLC。文獻(xiàn)[44]研究了用戶在多連接條件下的聯(lián)合譯碼性能。

在短子幀技術(shù)研究方面，文獻(xiàn)[45]設(shè)計了一種通過減少符號時間實現(xiàn)的短子幀結(jié)構(gòu)，減少了數(shù)據(jù)包的傳輸時延。這些針對uRLLC 的研究為實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的超高可靠性和超低時延需求奠定了基礎(chǔ)?？偠灾?，在目前5G 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系之下，uRLLC 技術(shù)還未有統(tǒng)一的系統(tǒng)性方案，仍然有很多工作預(yù)計留至后續(xù)5G 標(biāo)準(zhǔn)體系研究[46]。

現(xiàn)有研究都只是從純通信技術(shù)的方向來實現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的低時延和高可靠需求。但是，在實際的工業(yè)現(xiàn)場流程中，通信和控制是緊密耦合在一起的，要真正達(dá)到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的通信技術(shù)指標(biāo)，需要將通信問題放在控制環(huán)節(jié)一起解決。

3.3 面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的通信控制研究

自動控制理論的發(fā)展主要經(jīng)歷了3 個階段：適用于單輸入單輸出線性對象的經(jīng)典控制理論[47-50]，適用于大型、復(fù)雜、高維、非線性和不確定性嚴(yán)重對象的現(xiàn)代控制理論[51-52]，適用于未知或不確定性嚴(yán)重對象且不依賴對象模型的智能控制理論[53-55]。實際工業(yè)過程難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，但可以方便地使用輸入、輸出與跟蹤誤差等數(shù)據(jù)，從而使基于數(shù)據(jù)的控制方法得到了極大的發(fā)展。目前工業(yè)界應(yīng)用的控制系統(tǒng)大部分采用以跟蹤誤差為基礎(chǔ)的PID 控制技術(shù)，此外，工業(yè)界中也出現(xiàn)了如無模型控制、學(xué)習(xí)控制、模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、仿人行為的智能控制等基于數(shù)據(jù)的控制方法[56-59]。然而，PID控制器適用于具有線性動態(tài)特性的被控對象，難以適用于具有綜合復(fù)雜性的工業(yè)過程。因此，適合復(fù)雜工業(yè)過程的基于數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的先進(jìn)控制技術(shù)的研究受到工業(yè)界的廣泛關(guān)注。針對一類具有非線性和不確定性，并且輸出被控變量不能在線直接連續(xù)測量的復(fù)雜對象，文獻(xiàn)[60]提出了一種基于智能特征模型的智能控制新方法。針對具有多變量、強(qiáng)耦合、強(qiáng)非線性和不確定性且特性隨工況頻繁變化的復(fù)雜工業(yè)過程，文獻(xiàn)[61]提出了基于多模型切換的智能解耦控制方法。針對互聯(lián)系統(tǒng)的協(xié)同控制問題，文獻(xiàn)[62]設(shè)計了適用于無時滯系統(tǒng)的分布式控制器。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)由于包含眾多的子系統(tǒng)，其感知信息與控制決策傳輸?shù)木唧w實現(xiàn)過程與傳統(tǒng)工廠存在很大的差異。控制器執(zhí)行的控制算法性能由工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的通信性能和控制策略共同決定，且二者相互依賴、相互影響，單純優(yōu)化二者之一不能滿足工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性設(shè)計要求，需要將控制和通信視為完全融合的系統(tǒng)進(jìn)行整體設(shè)計[63]。例如，控制系統(tǒng)的采樣速率對控制系統(tǒng)和通信系統(tǒng)都會造成影響，進(jìn)而決定整體的控制性能[64]。提高合理范圍內(nèi)的采樣速率、降低信息傳輸時延以及丟包率可以有效地改善控制系統(tǒng)性能，但是會導(dǎo)致通信系統(tǒng)的能耗增加[64]。因此，最優(yōu)的采樣速率需要聯(lián)合考量控制和無線通信系統(tǒng)。此外，工業(yè)過程運行控制涉及回路控制和回路設(shè)定控制上下2 層反饋控制，二者對應(yīng)的控制周期不同，對通信與控制提出了不同的權(quán)衡設(shè)計要求[50]。因此，控制與通信協(xié)同設(shè)計對于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的性能優(yōu)化至關(guān)重要[65]。

4 種場景下控制和通信系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計的研究工作如下。

1) 無線控制系統(tǒng)場景下，文獻(xiàn)[66]對控制和通信進(jìn)行協(xié)同設(shè)計，通過研究由多子系統(tǒng)、本地傳感器以及遠(yuǎn)端控制-調(diào)度器組成的無線控制系統(tǒng)中無線傳輸穩(wěn)定性對于控制性能的影響，協(xié)同設(shè)計穩(wěn)定性和傳輸調(diào)度機(jī)制減輕不可靠傳輸對于閉環(huán)控制的影響，并且提出了一種分解方案，采用標(biāo)準(zhǔn)線性二次調(diào)節(jié)器和無線資源分配實現(xiàn)最優(yōu)化控制性能的目的。

2) 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)場景下，文獻(xiàn)[67]通過主動方式提高工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的估計性能，首先提出一種霧-云分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和分簇模型，然后設(shè)計分層的傳輸-估計方法，最后采用基于分解方法的塊坐標(biāo)下降法最小化估計誤差和能量消耗的加權(quán)和，從而實現(xiàn)節(jié)能和穩(wěn)定的傳輸-估計協(xié)同設(shè)計。

3) 自動駕駛場景下，文獻(xiàn)[68]針對無線連接自動駕駛車輛排的通信與控制集成系統(tǒng)問題，提出了一種新穎的用于優(yōu)化自動駕駛車輛排操作的框架，綜合考慮無線V2V 網(wǎng)絡(luò)的時延和車輛控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過分析控制系統(tǒng)穩(wěn)定性得出無線系統(tǒng)可靠性的下限和近似表達(dá)式，并采用最大化無線系統(tǒng)可靠性的方法優(yōu)化控制系統(tǒng)的參數(shù)。

4) 信息物理系統(tǒng)場景下，文獻(xiàn)[69]在進(jìn)行短包無線通信的實時信息物理系統(tǒng)場景下考慮了控制和通信系統(tǒng)間的緊密交互，研究了封包化預(yù)測控制與無線資源消耗之間的關(guān)系，提出一種控制和通信協(xié)同設(shè)計方法以優(yōu)化封包化預(yù)測控制的預(yù)測長度，實現(xiàn)了消耗最少無線資源產(chǎn)生非最少無線流量的效果。

綜上所述，目前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)下的控制與通信的協(xié)同已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，但在國際上仍處于探索階段，是一個具有深入研究價值的領(lǐng)域。

3.4 現(xiàn)有研究面臨的問題

在現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引入感知通信計算協(xié)同技術(shù)的初衷，是通過打破3 個環(huán)節(jié)的邊界為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供端到端的服務(wù)保障。尤其是，需要為時延敏感工業(yè)控制類業(yè)務(wù)提供端到端的確定性、可靠服務(wù)保障。然而，現(xiàn)有研究在協(xié)同場景以及協(xié)同模式上，仍然有以下不足之處。

首先，在協(xié)同場景方面，現(xiàn)有的研究普遍側(cè)重單一傳輸場景的協(xié)同。例如，研究在無線局域網(wǎng)（Wi-Fi）或者5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)下通信與控制的協(xié)同。然而，在復(fù)雜傳輸環(huán)境下，信息的獲取與傳輸往往會在有線傳輸與無線傳輸中跨網(wǎng)交互和傳輸。

在有線傳輸場景下，通常采用時延敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN,time sensitive network）來提供確定性時延和可靠性保障。在無線傳輸場景下，通常采用5G uRLLC 技術(shù)來提供低時延、高可靠保障。因此，還需要研究如何在跨TSN以及5G uRLLC混合傳輸場景下為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時延敏感類業(yè)務(wù)提供實時可靠的傳輸保障。

目前，3GPP R16 率先提出了5G 橋接TSN 的架構(gòu)，通過在TSN 中引入新的TSN 應(yīng)用實體（TSN-AF）和設(shè)備側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（DS-TT），在5G網(wǎng)絡(luò)UPF 中引入網(wǎng)絡(luò)側(cè)TSN 轉(zhuǎn)換器（NW-TT），在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中構(gòu)建了跨有線鏈路和無線鏈路的混合傳輸鏈路。然而，考慮到5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)與TSN在通信機(jī)理、協(xié)議機(jī)制、承載資源各個方面均有較大差異，5G-TSN 混合傳輸場景下感知通信控制協(xié)同仍然是一個研究難點[70]。

其次，在協(xié)同模式方面，現(xiàn)有的研究普遍采用松耦合的模式，即將感知通信計算視為一個貫序單向傳遞過程。感知-通信協(xié)同的基礎(chǔ)是“先感知再傳輸”，如圖3(a)所示；通信-計算協(xié)同的基礎(chǔ)也仍然是“先傳輸再計算”，如圖3(b)所示。這樣以通信環(huán)節(jié)作為橋接“感知與計算”的中間環(huán)節(jié)將導(dǎo)致通信傳輸鏈路的性能成為整體協(xié)同性能提升的瓶頸。迫切需要開展“邊感知邊傳輸”以及“邊傳輸邊計算”的感知通信計算一體化的緊耦合模式。

近幾年，空中計算技術(shù)被提出并應(yīng)用到大規(guī)模傳感器數(shù)據(jù)感知領(lǐng)域[71]?？罩杏嬎憷脽o線信號在傳輸過程中的波形疊加屬性，在進(jìn)行信息傳輸?shù)耐瑫r完成了數(shù)據(jù)匯聚，這為感知通信計算一體化設(shè)計提供了一種解決思路。例如，從深度學(xué)習(xí)模型中神經(jīng)元的運算過程中，神經(jīng)元并非對原始的輸入數(shù)據(jù)感興趣，而是對原始輸入數(shù)據(jù)的統(tǒng)計值通過激活函數(shù)后的結(jié)果感興趣。此外，在聯(lián)邦智能推理過程中，邊緣智能服務(wù)器設(shè)備并非對某一個邊緣智能節(jié)點的原始的模型參數(shù)感興趣，而是對多個邊緣智能節(jié)點本地模型參數(shù)的統(tǒng)計值（如加權(quán)算術(shù)平均等）感興趣。因此，利用空中計算技術(shù)，可以在通信傳輸?shù)耐瑫r，實現(xiàn)邊緣計算節(jié)點上神經(jīng)元的運算以及深度模型參數(shù)的融合。

4 未來研究展望

結(jié)合第3 節(jié)所介紹的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及現(xiàn)有研究面臨的問題可以看出，如何打破現(xiàn)有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中對傳感系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和控制系統(tǒng)采用孤立設(shè)計的桎梏，已經(jīng)成為未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)一步發(fā)展亟待解決的問題。本節(jié)結(jié)合前文所述工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制融合技術(shù)發(fā)展趨勢及最新研究進(jìn)展，進(jìn)一步提出了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制融合系統(tǒng)的一些開放性問題，具體總結(jié)如下。

4.1 系統(tǒng)約束下的感知通信控制解耦機(jī)制

為了對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知、通信和控制進(jìn)行解耦，需要解決2 個方面的問題。第一，對感知、通信和控制耦合因素進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。構(gòu)成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實體設(shè)備數(shù)量多、能力差異大。如何屏蔽工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備實體的差異性，選取有效的狀態(tài)變量，是全面刻畫并構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。第二，基于構(gòu)建的模型獲取感知、通信和控制需要遵循的基本準(zhǔn)則。感知流和控制流通過傳輸流耦合在一起。信息在通信傳輸層傳輸時容易受無線信道波動和復(fù)雜通信協(xié)議解析的影響，導(dǎo)致信息傳遞的不可靠性，并進(jìn)一步引發(fā)感知的不準(zhǔn)確性和控制的不確定性。因此需要研究信息流中感知、通信和控制各部分的解耦機(jī)理，獲取感知、通信和控制的基本約束準(zhǔn)則。

4.2 5G 與TSN 的跨域協(xié)同傳輸理論

5G 與TSN 資源形態(tài)、協(xié)議機(jī)制不同。TSN 在設(shè)備間嚴(yán)格時間同步的基礎(chǔ)上，基于不同優(yōu)先級隊列的門控列表及流預(yù)留協(xié)議對數(shù)據(jù)發(fā)送時間、時長等進(jìn)行控制，實現(xiàn)時延敏感類高優(yōu)先級業(yè)務(wù)的確定性傳輸；然而，無線網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在的鏈路共享特性，導(dǎo)致用戶以及用戶的業(yè)務(wù)采用調(diào)度的方式動態(tài)共享無線空口資源，無法執(zhí)行嚴(yán)格的QoS 保障。由此可見，TSN 是采用預(yù)留的方式分配隊列發(fā)送機(jī)會資源的，而5G uRLLC 是采用共享的方式調(diào)度無線時頻資源的。因此，5G uRLLC 與TSN 的融合需要從2個方面進(jìn)行探索研究。一方面，在有線TSN 與無線5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)融合的邊界，強(qiáng)化5G 與TSN 的雙向柔性適配，將時延敏感網(wǎng)絡(luò)門控傳輸與隊列管控思想引入5G 網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，實現(xiàn)5G 與TSN 跨域聯(lián)合實時調(diào)度；另一方面，在5G uRLLC 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部，無線鏈路所固有的隨機(jī)特性給確定性保障帶來了挑戰(zhàn)。針對如何克服無線信道時變帶來的5G 鏈路非確定影響因素這一難題，需要從5G 資源預(yù)留、保障與動態(tài)共享機(jī)制，支持確定性時延的uRLLC 幀結(jié)構(gòu)，基于微時隙的可變粒度資源調(diào)度顆粒等關(guān)鍵技術(shù)方面，強(qiáng)化5G 網(wǎng)絡(luò)針對時延敏感類業(yè)務(wù)的保障能力，實現(xiàn)面向工業(yè)控制業(yè)務(wù)的無線時延敏感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系。

4.3 基于空中計算的通信計算一體化技術(shù)

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的爆炸式增長以及工業(yè)終端設(shè)備存儲容量和計算能力的快速提升，使工業(yè)終端更傾向于在本地處理數(shù)據(jù)，從而促進(jìn)了以聯(lián)邦學(xué)習(xí)為代表的一系列分布式機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的繁榮。然而聯(lián)邦學(xué)習(xí)的高維模型參數(shù)聚合問題給無線分布式邊緣智能系統(tǒng)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。空中計算通過利用無線信號在傳輸過程中的波形疊加屬性以及多用戶的并發(fā)傳輸，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在空中的高速聚合。然而傳統(tǒng)的空中計算方案主要針對窄帶非頻選信道，而由于聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型參數(shù)的高維度特性，需要利用寬帶信道對其進(jìn)行傳輸，由此導(dǎo)致傳統(tǒng)的面向窄帶非頻選信道的空中計算方案精確度下降，難以適用。因此，需要針對聯(lián)邦學(xué)習(xí)的模型參數(shù)聚合特點，設(shè)計新型空中計算方案，以滿足聯(lián)邦學(xué)習(xí)的通信計算一體化傳輸需求。

4.4 基于非完美信息的系統(tǒng)穩(wěn)定控制機(jī)制

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的“非完美信息”，如不確定的通信時延以及不完全可測的系統(tǒng)狀態(tài)信息，是導(dǎo)致穩(wěn)定控制的不確定性的直接原因。信息時延的波動主要是由通信過程中的傳輸負(fù)載、通信資源等的隨機(jī)變化導(dǎo)致。如果能夠完美知曉通信時延，就可以在控制算法中實現(xiàn)精確補償，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定。然而，在實際工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，受硬件能力和無線環(huán)境快速變化的影響，通信時延常伴有不確定性。非確定性時延的存在會使系統(tǒng)控制滯后或錯亂，大大降低了控制系統(tǒng)的控制性能，嚴(yán)重時會影響控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。同時，由于工業(yè)環(huán)境的限制，在設(shè)計控制算法時，由于部分系統(tǒng)狀態(tài)信息不可測取或不易測取，導(dǎo)致系統(tǒng)狀態(tài)信息不完全，給控制系統(tǒng)的穩(wěn)定精確設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此，開展基于非完美信息的系統(tǒng)穩(wěn)定控制機(jī)制研究，通過通信和控制的協(xié)同融合，使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和健壯性是未來研究的重要方向。

5 結(jié)束語

立足于未來工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的感知-通信-控制三大環(huán)節(jié)是從“獨立自治”向“協(xié)同融合”發(fā)展的必然趨勢，本文首先以信息的流轉(zhuǎn)為引線介紹了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中感知-通信-控制三要素間的復(fù)雜耦合關(guān)系，隨后綜述分析了國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀并總結(jié)了現(xiàn)有研究面臨的問題。最后對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)感知通信控制協(xié)同融合技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)和展望，為該領(lǐng)域的未來研究打下了基礎(chǔ)。