1 引言
數(shù)字經(jīng)濟(jì)、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型需要更優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)連接和更強(qiáng)力的算力以滿足超大帶寬、超低時(shí)延、超高安全等業(yè)務(wù)需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為新一代通信技術(shù)(Communication technology,CT)、控制技術(shù)(Operation technology,OT)和信息技術(shù)(Information technology,IT)的有機(jī)結(jié)合,日益成為產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型和發(fā)展的有力支撐,促進(jìn)著社會(huì)、經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展。隨著新基建戰(zhàn)略、東數(shù)西算工程的啟動(dòng)和部署,對(duì)建設(shè)集約高效、經(jīng)濟(jì)適用、智能綠色、安全可靠的網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施提出更高的要求。算力網(wǎng)絡(luò)作為“算力+連接”的集合, 正體現(xiàn)了新基建對(duì)5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等融合基礎(chǔ)設(shè)施和AI、云/邊緣計(jì)算、區(qū)塊鏈等新技術(shù)服務(wù)的融合訴求,以及對(duì)東數(shù)西算工程的有效升級(jí)。
算力網(wǎng)絡(luò)是隨著5G、邊緣計(jì)算的技術(shù)融合和分布式部署發(fā)展而來,是國(guó)內(nèi)通信產(chǎn)業(yè)界首創(chuàng)的新型技術(shù)。5G NFV技術(shù)開創(chuàng)了網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施的融合路徑,邊緣計(jì)算作為計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施向客戶側(cè)的進(jìn)一步延伸,對(duì)降低業(yè)務(wù)的時(shí)延、保障業(yè)務(wù)可靠性等有明顯的優(yōu)勢(shì)。面向算力更加泛在化部署的趨勢(shì),算力網(wǎng)絡(luò)可以有效促進(jìn)中心云、邊緣云、邊緣網(wǎng)關(guān)等多樣化算力節(jié)點(diǎn)的協(xié)同,一方面可以實(shí)現(xiàn)無差別的用戶服務(wù)一致性,滿足極致的業(yè)務(wù)體驗(yàn);另一方面,通過對(duì)資源的高效利用,可以助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”綠色發(fā)展目標(biāo)。算力網(wǎng)絡(luò)目前已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界發(fā)展的熱點(diǎn),運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、科研院校等先后加入“算力網(wǎng)絡(luò)”的研究,基本確立了算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展路線和架構(gòu)體系,并在算力建模、算力感知、算力路由、算力交易等核心技術(shù)方向取得初步成果,發(fā)表多篇論文并推進(jìn)相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化制定,同時(shí)開展了技術(shù)原型的驗(yàn)證和試點(diǎn)工作。
本文結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求和技術(shù)體系,提出了面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的算力網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系,并對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。面向互聯(lián)互通、柔性制造等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展要求,算力網(wǎng)絡(luò)代表新型的基礎(chǔ)設(shè)施和生產(chǎn)力,可以通過與工業(yè)SDN、邊緣計(jì)算等技術(shù)的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)云、網(wǎng)關(guān)、PLC等算力節(jié)點(diǎn)的編排管理,以及算力的實(shí)時(shí)感知和業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)調(diào)度,滿足高帶寬、低時(shí)延的新型工業(yè)視覺、AI等業(yè)務(wù)需求。
2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的演進(jìn) 發(fā)展
2.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)是構(gòu)建工業(yè)環(huán)境下人、機(jī)、物全面互聯(lián)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施,根據(jù)業(yè)務(wù)需求和數(shù)據(jù)流向,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)又可進(jìn)一步劃分為工廠內(nèi)網(wǎng)和工廠外網(wǎng)。工廠內(nèi)網(wǎng)指在工廠或園區(qū)內(nèi)部,滿足工廠內(nèi)部生產(chǎn)、辦公、管理、安防等連接需求,用于生產(chǎn)要素互聯(lián)以及企業(yè)IT管理系統(tǒng)之間連接的網(wǎng)絡(luò)。工廠外網(wǎng)指以支撐工業(yè)全生命周期各項(xiàng)活動(dòng)為目的,滿足工廠數(shù)據(jù)、工業(yè)應(yīng)用、工廠業(yè)務(wù)需要出工廠與云平臺(tái)或者其他網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的需求,用于連接企業(yè)上下游之間、企業(yè)多分支機(jī)構(gòu)、企業(yè)與云應(yīng)用/云業(yè)務(wù)、企業(yè)與智能產(chǎn)品、企業(yè)與用戶之間的網(wǎng)絡(luò)[1]。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施包括部署在工業(yè)外網(wǎng)和內(nèi)網(wǎng)中的中心云、邊緣云、網(wǎng)關(guān)、控制器等。中心云主要處理非實(shí)時(shí)的大規(guī)模數(shù)據(jù),可以部署在企業(yè)外網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng);邊緣云主要處理有一定實(shí)時(shí)性、安全性要求的業(yè)務(wù),通常部署在園區(qū)網(wǎng)絡(luò)或者企業(yè)內(nèi)網(wǎng);網(wǎng)關(guān)主要處理協(xié)議轉(zhuǎn)換等業(yè)務(wù),通常部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng);控制器主要以實(shí)時(shí)閉環(huán)控制業(yè)務(wù)為重點(diǎn),通常部署在企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的車間網(wǎng)絡(luò)。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,云化網(wǎng)關(guān)、云化PLC的形態(tài)也漸漸出現(xiàn),增加了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)算力節(jié)點(diǎn)的種類以及部署形式,不僅要求不同算力節(jié)點(diǎn)間多級(jí)的調(diào)度,同時(shí)對(duì)同類節(jié)點(diǎn)間的調(diào)度也提出了新的需求。
2.2 算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施
算力網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算兩大學(xué)科的融合,如圖1所示,包括以SRv6/G-SRv6、確定性網(wǎng)絡(luò)、無損網(wǎng)絡(luò)為代表的IP網(wǎng)絡(luò)和以全光高速互聯(lián)、全光靈活調(diào)度為代表的光網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,以及以多樣性算力、算力原生為代表的靈活敏捷的算力底座和以邊緣計(jì)算、端計(jì)算為代表的泛在算力基礎(chǔ)設(shè)施。
圖1 算網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施體系[2]
以網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施為基礎(chǔ),算力網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)形態(tài)是實(shí)現(xiàn)算網(wǎng)一體。在算網(wǎng)一體階段,網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施從形態(tài)上走向深度融合甚至一體化,實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)及計(jì)算;業(yè)務(wù)請(qǐng)求將分解至異構(gòu)的分布式服務(wù)節(jié)點(diǎn),利用集中式和分布式調(diào)度結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)極低時(shí)延的信息處理;網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源從整體上實(shí)現(xiàn)一體化編排管理,充分考慮地域、時(shí)間、用戶等性質(zhì)進(jìn)行統(tǒng)一編排。
2.3 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)同發(fā)展相互促進(jìn)
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是新一代信息通信技術(shù)與工業(yè)經(jīng)濟(jì)深度融合的新型基礎(chǔ)設(shè)施,是將互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)引入工業(yè)領(lǐng)域的融合發(fā)展方向。算力網(wǎng)絡(luò)是網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施深度融合而產(chǎn)生的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施,與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以相互促進(jìn)發(fā)展。一方面,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)可以促進(jìn)算力網(wǎng)絡(luò)在垂直行業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,另一方面,算力網(wǎng)絡(luò)可以激發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)新的發(fā)展動(dòng)力,實(shí)現(xiàn)靈活、高效、集約的工業(yè)再升級(jí)。
3 算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景和部 署方式
面向互聯(lián)互通、柔性制造等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)趨勢(shì),算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)內(nèi)網(wǎng)和外網(wǎng),對(duì)異構(gòu)的算力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編排管理,并通過與工業(yè)SDN、IPv6協(xié)議的結(jié)合,實(shí)現(xiàn)算力的實(shí)時(shí)感知調(diào)度,滿足高帶寬、低時(shí)延的新型工業(yè)視覺、工業(yè)控制、工業(yè)智能等業(yè)務(wù)需求,如圖2所示。
圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和算力網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同和應(yīng)用
3.1 算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場(chǎng)景
算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)內(nèi)網(wǎng),對(duì)邊緣云、網(wǎng)關(guān)、PLC等異構(gòu)算力節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編排管理。不同形態(tài)的設(shè)備在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中所處的位置不同,所包含的芯片種類以及計(jì)算和存儲(chǔ)能力不同,相應(yīng)負(fù)責(zé)的業(yè)務(wù)也有所差異。同一類業(yè)務(wù)中的不同任務(wù)可以分別在所對(duì)應(yīng)的計(jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行,例如邊緣智能場(chǎng)景中的云中心訓(xùn)練模型,邊緣節(jié)點(diǎn)可以通過算力網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度更高效地進(jìn)行推理決策。當(dāng)前對(duì)應(yīng)最近的邊緣節(jié)點(diǎn)負(fù)載較高時(shí),可以實(shí)時(shí)調(diào)度到附近負(fù)載較低的邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行業(yè)務(wù)請(qǐng)求。
算力網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用在工業(yè)外網(wǎng),對(duì)不同園區(qū)或不同工廠的云、邊緣云等節(jié)點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同調(diào)度。當(dāng)前云化PLC、云化網(wǎng)關(guān)的趨勢(shì)促使計(jì)算節(jié)點(diǎn)和功能以虛擬化的形式部署,增加了節(jié)點(diǎn)之間的管理和調(diào)度需求。且由于虛擬化技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的提升,跨工廠、跨園區(qū)的遠(yuǎn)程控制、多點(diǎn)協(xié)作場(chǎng)景也逐漸涌現(xiàn),例如通過云化PLC來進(jìn)行遠(yuǎn)程控制作業(yè), 或者跨園區(qū)的多點(diǎn)AR/VR來構(gòu)建虛擬工廠,可通過算力網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算資源的精準(zhǔn)調(diào)度。
3.2 算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的部署方式
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)促進(jìn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)向靈活組網(wǎng)、IP化的趨勢(shì)發(fā)展,結(jié)合工業(yè)SDN、IPv6等技術(shù),算力網(wǎng)絡(luò)可以通過集中式或者分布式的方式實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)(主要指離散工業(yè))基本上都是“剛性生產(chǎn)”模式[3], 制造環(huán)節(jié)中機(jī)器、設(shè)備、輔助工具等需要按照預(yù)先的設(shè)定進(jìn)行互聯(lián)。未來工業(yè)生產(chǎn)大規(guī)模定制化的特點(diǎn)需要資源組織更加靈活和智能,工業(yè)SDN可以通過網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)調(diào)整,打破工廠內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)剛性組織的局限,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的靈活組織及生產(chǎn)設(shè)備的“即插即用”,適應(yīng)智能機(jī)器自組織和生產(chǎn)線敏捷部署的要求。算力網(wǎng)絡(luò)可以與工業(yè)SDN相結(jié)合,進(jìn)一步促進(jìn)工業(yè)靈活化生產(chǎn)的需要。通過增強(qiáng)工業(yè)SDN控制器,對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)算力信息進(jìn)行感知和收集,同時(shí)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)鏈路的狀態(tài)信息,選擇最合適的計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑,滿足新型的工業(yè)場(chǎng)景需求,且實(shí)現(xiàn)成本較低,易于部署。
工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)基本采用總線和工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議,具備很強(qiáng)的專用性和私有性,為互聯(lián)互通帶來較大困難,通過協(xié)議轉(zhuǎn)換等方式也存在效率和可靠性問題。工業(yè)IP化是指將IP協(xié)議延伸至工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)企業(yè)辦公網(wǎng)絡(luò)、生產(chǎn)管理網(wǎng)絡(luò)、過程控制網(wǎng)絡(luò)以及現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)的端到端IP互聯(lián),有利于整個(gè)工業(yè)系統(tǒng)的全面深層次交互。以Profinet、Ethernet/IP等為代表的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議已經(jīng)支持為現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備分配IP地址, 并可以實(shí)現(xiàn)IP流量與控制信息的共線傳送。新一代IPv6協(xié)議當(dāng)前已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)界逐漸應(yīng)用, 算力網(wǎng)絡(luò)可以將IPv6協(xié)議作為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)平面, 利用IPv6協(xié)議的靈活可擴(kuò)展特性, 通過增強(qiáng)邊緣網(wǎng)關(guān)、路由器、交換機(jī)等設(shè)備,實(shí)現(xiàn)對(duì)算力節(jié)點(diǎn)信息的采集;并通過IPv6協(xié)議攜帶相應(yīng)信息至工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中,實(shí)現(xiàn)分布式的算力感知和路由。相較于集中式的實(shí)現(xiàn)方式,分布式方案更高效更實(shí)時(shí)。
4 算力網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)
算力網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的核心技術(shù)包括算力度量、算力感知和路由、在網(wǎng)計(jì)算、確定性網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)等。
算力度量是對(duì)算力需求和資源進(jìn)行統(tǒng)一的抽象描述,并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)形成算網(wǎng)能力模板,提供標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的度量規(guī)則[4]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生產(chǎn)中的業(yè)務(wù)專用性要求相對(duì)較高,差異化需求相對(duì)明顯,對(duì)通信、計(jì)算、存儲(chǔ)等方面的側(cè)重各有不同,算力度量可以幫助衡量計(jì)算任務(wù)所對(duì)應(yīng)的硬件要求,為優(yōu)化整體的服務(wù)性能提供基礎(chǔ)。
算力感知和路由是網(wǎng)絡(luò)對(duì)算力資源和服務(wù)的部署位置、負(fù)載信息等的實(shí)時(shí)感知,為引入計(jì)算因素的算力路由提供信息參考,尋找最合適的計(jì)算服務(wù)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。工業(yè)視覺、AR/VR等業(yè)務(wù)逐漸展開應(yīng)用, 對(duì)網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延和計(jì)算的性能同時(shí)提出了更高的要求,算力感知和路由將在面向未來演進(jìn)的新型業(yè)務(wù)中發(fā)揮優(yōu)勢(shì),保障用戶體驗(yàn)。
在網(wǎng)計(jì)算面向網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算逐步一體化階段,計(jì)算任務(wù)開始從網(wǎng)絡(luò)邊緣的數(shù)據(jù)中心逐漸遷移至網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部,由交換機(jī)、路由器、網(wǎng)關(guān)、服務(wù)器等設(shè)備共同完成計(jì)算任務(wù)。當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的計(jì)算節(jié)點(diǎn)種類、部署方式越來越多樣化,邊緣計(jì)算已經(jīng)促進(jìn)了業(yè)務(wù)的分布式部署,在網(wǎng)計(jì)算可以進(jìn)一步加速工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的處理,提供無處不在的連接和計(jì)算服務(wù)。
確定性網(wǎng)絡(luò)自提出以來,首先在車載網(wǎng)絡(luò)、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)得以應(yīng)用, 當(dāng)前工業(yè)以太網(wǎng)、時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)[5]等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng),IP網(wǎng)絡(luò)的確定性技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)仍在制定中[6]。面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IP化等趨勢(shì),可以預(yù)見確定性網(wǎng)絡(luò)將會(huì)應(yīng)用在更廣的范圍。確定性網(wǎng)絡(luò)提供更可靠、更精準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)連接,和算力網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,將為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)提供端到端的確定性服務(wù)。
數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)是將數(shù)字孿生技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò),構(gòu)建一個(gè)具有物理網(wǎng)絡(luò)實(shí)體及虛擬孿生體,且二者可進(jìn)行實(shí)時(shí)交互映射的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[7]。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中, 數(shù)字孿生網(wǎng)絡(luò)可以通過算力網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力以及實(shí)時(shí)調(diào)度能力更高效準(zhǔn)確地采集數(shù)據(jù)和建模,同時(shí)可以與空間物理系統(tǒng)(Cyber physical system,CPS) [8]相結(jié)合構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)虛擬孿生體,促進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的自動(dòng)化、智能化運(yùn)維和升級(jí)。
5 結(jié)束語(yǔ)
算力網(wǎng)絡(luò)是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的融合網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算兩大領(lǐng)域的新型技術(shù),目標(biāo)是構(gòu)建靈活高效、綠色低碳的新一代融合信息基礎(chǔ)設(shè)施,已經(jīng)成為產(chǎn)業(yè)界的熱點(diǎn)。與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合,算力網(wǎng)絡(luò)可以助力實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化、靈活化承載的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算平面,滿足新型的工業(yè)應(yīng)用需求。目前,算力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展尚處于起步階段,演進(jìn)路線和技術(shù)體系初具雛形,亟需產(chǎn)業(yè)界上下游聯(lián)合推進(jìn),在算力度量、算力感知和路由、在網(wǎng)計(jì)算等技術(shù)方向?qū)崿F(xiàn)突破。
作者簡(jiǎn)介:
劉 鵬 (1991-),男,工程師,現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院,主要研究方向?yàn)橄乱淮鶬P網(wǎng)絡(luò)、確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)和應(yīng)用。
李志強(qiáng) (1987- ),男,工程師,現(xiàn)就職于中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院,主要研究方向?yàn)樗懔W(wǎng)絡(luò)、可編程網(wǎng)絡(luò)等下一代IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
陸 璐 (1979-),女,高級(jí)工程師,現(xiàn)任中國(guó)移動(dòng)通信有限公司研究院基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究所副所長(zhǎng),主要研究方向6G網(wǎng)絡(luò)、算力網(wǎng)絡(luò)以及未來IP網(wǎng)絡(luò)等。
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摘自《自動(dòng)化博覽》2022年2月刊