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5G MEC使能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的思考探討
  • 點擊數(shù):1291     發(fā)布時間:2023-08-30 04:51:45
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MEC借助5G網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)揮重要作用,尤其是在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場景下。為推動MEC商用落地,ETSI、3GPP等標(biāo)準(zhǔn)組織旨在通過基礎(chǔ)技術(shù)架構(gòu)變革滿足新業(yè)務(wù)需求。眾所周知,工業(yè)業(yè)務(wù)類型和場景豐富,對MEC來說是極大的挑戰(zhàn),需要MEC至少滿足設(shè)備管理、QoS感知、融合TSN、邊緣AI推理、云網(wǎng)邊端協(xié)同等能力,以賦能工業(yè)核心生產(chǎn)環(huán)節(jié);推動標(biāo)準(zhǔn)落地,助力工業(yè)智能化升級,是未來的發(fā)展方向。

★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院黃倩

★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司上海市分公司劉彤

★中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院黃蓉

1 背景需求及挑戰(zhàn)

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)濟深度融合的全新工業(yè)生態(tài)、關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和新型應(yīng)用模式。伴隨著以智能制造為主的工業(yè)4.0時代到來,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)核心產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超萬億。國家相關(guān)部門于2021年發(fā)布《“十四五”信息通信行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》明確指出積極發(fā)展高效協(xié)同的融合新型基礎(chǔ)設(shè)施,打破傳統(tǒng)的ISA96金字塔架構(gòu),實現(xiàn)智能化生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、規(guī)模化定制以及服務(wù)化延伸;工業(yè)場景復(fù)雜,設(shè)備種類繁多,需要滿足人、機、物的多樣化連接,對網(wǎng)絡(luò)確定性通信能力要求高。尤其是在生產(chǎn)制造環(huán)節(jié),確定、穩(wěn)定、可靠的網(wǎng)絡(luò)連接是基本要求,是實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和智能控制的基礎(chǔ)。同時,隨著工業(yè)數(shù)據(jù)和應(yīng)用上云,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要面向不同業(yè)務(wù)場景,提供基于云邊端多級協(xié)同計算架構(gòu)的海量異構(gòu)數(shù)據(jù)智能處理能力;因此,工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需要IT、CT、OT技術(shù)深度融合,5G、MEC將成為工業(yè)數(shù)字化和智能化轉(zhuǎn)型的重要手段[1]

5G,作為驅(qū)動工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),可有效解決工業(yè)有線技術(shù)移動性差、組網(wǎng)不靈活、特殊環(huán)境鋪設(shè)困難等問題。但是隨著5G在生產(chǎn)控制環(huán)節(jié)不斷深入發(fā)展,在核心場景(工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場)下,仍然存在較大挑戰(zhàn);在現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)方面,由于CT、IT、OT網(wǎng)絡(luò)各自為主發(fā)展,工業(yè)現(xiàn)場控制與感知數(shù)據(jù)采集協(xié)議繁多且互不相通、控制與感知數(shù)采網(wǎng)絡(luò)形態(tài)各異相互獨立、網(wǎng)絡(luò)過程節(jié)點較多、組網(wǎng)復(fù)雜,以及現(xiàn)場對無線信號的屏蔽等因素,都導(dǎo)致了無法保證網(wǎng)絡(luò)的確定性服務(wù),難以滿足未來工廠柔性生產(chǎn)需求;在現(xiàn)場計算方面,工業(yè)現(xiàn)場存在大量的數(shù)據(jù)感知和采集,往往由工業(yè)云負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)的全量存儲、管理以及中心決策,會造成業(yè)務(wù)處理時延增大,通信傳輸負(fù)載高等問題,且計算節(jié)點間沒有建立有效的協(xié)同機制,當(dāng)大量的數(shù)據(jù)處理、計算等下沉至邊緣時,勢必會有一些計算節(jié)點處于空閑的狀態(tài),無法靈活分配當(dāng)前算力資源。

MEC(Multi-Access Edge Computing,多接入邊緣計算),同時融合了網(wǎng)絡(luò)CT、IT技術(shù),MEC節(jié)點是位于網(wǎng)絡(luò)邊緣的算網(wǎng)樞紐,集“網(wǎng)絡(luò)連接、算力資源、能力應(yīng)用”為一體,提供就近的ICT融合業(yè)務(wù)服務(wù),MEC成為了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的關(guān)鍵抓手之一。但為了解決當(dāng)前生產(chǎn)現(xiàn)場仍存在的問題,亟待底層網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)支持,突破原有瓶頸,滿足未來網(wǎng)絡(luò)要求,目前正處在5G商用推進與6G研究布局的疊加期;3GPP在2021年4月就確定以5G-Advanced作為5G網(wǎng)絡(luò)演進的理念,R18標(biāo)準(zhǔn)化工作正逐步推進,聚焦解決5G網(wǎng)絡(luò)在實際部署應(yīng)用中出現(xiàn)的痛點問題和迫切問題,推動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)扁平化,高實時控制信息與非實時過程信息同步傳輸;解決工業(yè)制造中控制與網(wǎng)絡(luò)傳輸分離,無法剪辮子的問題,實現(xiàn)柔性制造。

綜上,本文將從面向5GMEC標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)演進趨勢,以及在實際工業(yè)場景下應(yīng)用MEC解決問題的關(guān)鍵技術(shù)展開。

2 MEC標(biāo)準(zhǔn)演進趨勢

傳統(tǒng)來說,MEC一般與第三方應(yīng)用部署在靠近用戶附著接入點的位置,通過本地用戶面分流降低時延并實現(xiàn)高效的業(yè)務(wù)分發(fā),并為用戶提供差異化的服務(wù)感知。5G核心網(wǎng)控制面與用戶面分離,用戶面網(wǎng)元UPF靈活下沉部署到網(wǎng)絡(luò)邊緣,策略控制網(wǎng)元PCF以及會話管理網(wǎng)元SMF等控制面功能一般集中部署,當(dāng)5G網(wǎng)絡(luò)支撐邊緣計算時,Application Function向NEF(非授信域)或者向PCF(授信域)發(fā)送AFRequest,具體如圖1所示[2]

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圖1 傳統(tǒng)5G MEC架構(gòu)

從標(biāo)準(zhǔn)推進進展看來,當(dāng)前處于5G-A階段,ETSI、3GPP、CCSA等標(biāo)準(zhǔn)組織正在積極進行邊緣計算的研究,為適應(yīng)新需求,目前整體架構(gòu)上有了新變化。

2.1 ETSI

ETSI(European Telecommunications Standards Institute,歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會),于2014年開始MEC規(guī)范研究,旨在定義基于NFV架構(gòu)的MEC平臺架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn),主要定義了MEO/MEAO/NFVO、MEPM、MEP等核心組件,當(dāng)前已處于第三階段研究:除了繼續(xù)加強支持垂直行業(yè)應(yīng)用需求外,進一步加強與其他標(biāo)準(zhǔn)組織(例如:3GPP、GSMA)的協(xié)作,進行跨MEC系統(tǒng)及MEC與云之間協(xié)同并計劃新增組件[3]、3GPPMEC架構(gòu)與ETSIMEC架構(gòu)映射研究[5];此外,也同步進行企業(yè)園區(qū)專網(wǎng)研究,并同步開展對應(yīng)用開發(fā)者的支持(如:邊緣應(yīng)用包格式及模板定義)、MEC支持切片、支持O-RAN、QoS感知等內(nèi)容。MEC聯(lián)邦架構(gòu)(討論稿)如圖2所示。

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圖2 MEC聯(lián)邦架構(gòu)(討論稿)[3]

2.2 3GPP

3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴計劃),定義了5G基于服務(wù)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),便于網(wǎng)絡(luò)定制化和開放化。從R14版本開始,3GPP開始支持邊緣部署的網(wǎng)絡(luò)側(cè)能力增強;2021年R17版本已完成了5G邊緣計算特性增強項目,重點研究了邊緣業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)、應(yīng)用遷移和網(wǎng)絡(luò)信息開放等內(nèi)容,面向5G-A,在R18階段,進一步深入研究面向邊緣計算的5G網(wǎng)絡(luò)一系列增強技術(shù)問題,例如支持切片、強調(diào)應(yīng)用服務(wù)發(fā)現(xiàn),3GPP關(guān)于邊緣計算增強研究分別在SA2、SA5、SA6三個工作組展開:

(1)SA2,網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義,重點關(guān)注核心網(wǎng)絡(luò)能力增強,定義移動場景下分流方式,業(yè)務(wù)連續(xù)性模式以及關(guān)注加強終端發(fā)現(xiàn)和使用邊緣服務(wù)的能力以及邊緣應(yīng)用發(fā)現(xiàn)、業(yè)務(wù)遷移、邊緣能力開放內(nèi)容研究[4]

(2)SA5,重點針對邊緣計算系統(tǒng)管理編排、計費展開;其中邊緣計算系統(tǒng)管理編排依托3GPP SA6架構(gòu)定義的AC(應(yīng)用客戶端)、EEC(邊緣使能客戶端)、EAS(邊緣應(yīng)用服務(wù)器)、EES(邊緣使能服務(wù)器)、ECS(邊緣配置服務(wù)器)等關(guān)鍵組件研究如何完成邊緣應(yīng)用的部署、服務(wù)保障以及生命周期管理等。計費則針對使用邊緣服務(wù)的用戶進行計費方案討論[3]

(3)SA6,作為5G新成立的一個組,側(cè)重應(yīng)用管理,定義了邊緣應(yīng)用使能架構(gòu),并增強終端能力,研究加強終端與邊緣系統(tǒng)的協(xié)同,完成邊緣應(yīng)用的發(fā)現(xiàn)和調(diào)用,依托SA2定義的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

3GPP定義邊緣應(yīng)用使能架構(gòu)如圖3所示。

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圖3 3GPP定義邊緣應(yīng)用使能架構(gòu)[5]

2.3 CCSA

CCSA(China Communication Standards Association,中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會),在TC5目前已完成了5G核心網(wǎng)邊緣計算平臺技術(shù)要求、測試方法、能力開放、邊緣計算編排器、核心網(wǎng)功能增強等方面的基礎(chǔ)技術(shù)研究;并同步開展了邊緣計算支持網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究、TC1邊緣云互聯(lián)互通技術(shù)研究等開放課題研究。TC13已有工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)邊緣計算系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布,并同步進行5G工業(yè)園區(qū)網(wǎng)絡(luò)下邊緣計算接口技術(shù)要求等。此外,在邊緣應(yīng)用特設(shè)組TC610,圍繞邊緣應(yīng)用包格式、應(yīng)用使能接口等內(nèi)容開展了相關(guān)團標(biāo)研究,為國內(nèi)邊緣云建設(shè)提供參考依據(jù);除上述標(biāo)準(zhǔn)組織外,還有垂直行業(yè)聯(lián)盟或者開源組織,例如:5GAA、AII等圍繞邊緣計算開展不同方面研究,本文不再逐一贅述。

3 MEC賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵能力

工業(yè)領(lǐng)域細(xì)分行業(yè)眾多,不同細(xì)分行業(yè)業(yè)務(wù)類型和場景豐富,各業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)的需求也不盡相同,為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的算網(wǎng)資源分配和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源策略保障;邊緣計算節(jié)點與5G網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)和建設(shè)上深度綁定,面向用戶業(yè)務(wù)開放5G網(wǎng)絡(luò)能力,根據(jù)業(yè)務(wù)需求對接入網(wǎng)絡(luò)進行靈活的配置;此外,邊緣計算平臺可進行云原生升級,完成云化網(wǎng)絡(luò)平臺構(gòu)建,實現(xiàn)邊緣網(wǎng)絡(luò)的資源編排、納管、調(diào)度分配;本文重點圍繞典型能力:開放設(shè)備管理能力、QoS感知、融合TSN、支持邊緣AI推理、支持云網(wǎng)邊端協(xié)同等幾個關(guān)鍵方面展開。

3.1 設(shè)備管理

當(dāng)前OT設(shè)備具備復(fù)雜性和多樣性,而通信技術(shù)相對獨立(例如:5G/4G、WLAN、藍牙等),加之OT數(shù)據(jù)敏感性極高,隱私性極強;部署在工業(yè)園區(qū)本地的MEC,通常需要支持設(shè)備身份管理(例如企業(yè)級AAA認(rèn)證)、設(shè)備標(biāo)識/位置信息設(shè)備組管理等功能。

(1)企業(yè)級AAA認(rèn)證系統(tǒng):可支持固移融合的終端認(rèn)證鑒權(quán)、固定IP地址分配管理、CPE下掛終端管理、黑白名單管理等功能。

(2)設(shè)備標(biāo)識/位置信息:Local UPF/NEF能夠通過AF提供的UE信息返回UE的標(biāo)識信息和位置信息,可返回UE標(biāo)識信息,包括:UE IP、IMSI、MSISDN、SUPI、GPSI;可返回UE的位置信息,包括:UE的小區(qū)號、接入基站號、經(jīng)緯度、高度等位置信息;當(dāng)前以上信息因受MEC部署方式以及核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)能力開放方式影響,如不考慮引進融合定位技術(shù)(例如UWB)UE位置信息開放精度暫無法達到工業(yè)級需求。

(3)設(shè)備組管理:邊緣計算平臺提供基于用戶終端設(shè)備IMSI/MSISDN/IP標(biāo)識,可以被應(yīng)用調(diào)用從而實現(xiàn)對用戶的訪問控制功能,方便對在企業(yè)園區(qū)應(yīng)用訪問進行控制。MEP可以獲取移動用戶的用戶標(biāo)識,滿足基于用戶的網(wǎng)絡(luò)訪問控制,本地分流控制等需求:查看、檢索、創(chuàng)建、編輯終端設(shè)備組。

3.2 Qos感知

通信網(wǎng)絡(luò)的QoS主要考慮通信業(yè)務(wù)的時延和吞吐率(MBR、GBR等)等與連接相關(guān)的性能指標(biāo);隨著5GS與邊緣計算功能之間的網(wǎng)絡(luò)信息開放的交互,也需考慮網(wǎng)絡(luò)能力開放的時延。5GS中當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)開放機制是基于NEF和其他控制平面NFs(如AMF、SMF、PCF等)設(shè)計。對于部署在邊緣托管環(huán)境中的應(yīng)用程序,邊緣應(yīng)用程序服務(wù)器可能是在本地部署的,但在當(dāng)前的3GPP R16中定義,涉及網(wǎng)絡(luò)開放的一些控制平面NFs(如NEF和PCF)可能是集中部署的,為避免頻繁的重新選擇,此時可能因網(wǎng)絡(luò)開放路徑效率較低,導(dǎo)致時延。尤其在工業(yè)控制對網(wǎng)絡(luò)時延要求敏感的場景下:應(yīng)用程序需要實時網(wǎng)絡(luò)信息調(diào)整它們的行為,不良的延遲會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信息延遲,從而導(dǎo)致不安全事故發(fā)生。亟需在網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用程序功能(例如邊緣應(yīng)用程序服務(wù)器)之間快速交換現(xiàn)有QoS信息[4、5]

3.3 融合TSN

隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展,IT和OT融合成為必然,工業(yè)現(xiàn)場對網(wǎng)絡(luò)的實時性、確定性、可靠性、融合度、兼容性提出了新的要求,TSN(時延敏感)技術(shù)是必然選擇。實現(xiàn)多源數(shù)據(jù)整合共享、多業(yè)務(wù)(控制類、狀態(tài)監(jiān)控類等)高質(zhì)量混合承載,多域流量(實時控制子網(wǎng)和非實時控制)確定性共網(wǎng)傳輸,在工業(yè)現(xiàn)場部署了基于5G的TSN網(wǎng)絡(luò)能夠滿足現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)互聯(lián)互通的需求,打通從邊緣云平臺到生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)通路,實現(xiàn)確定性傳輸,保證工業(yè)控制的時間同步和安全性;TSN作為5G智能工廠內(nèi)網(wǎng)組網(wǎng)的主要方式,單獨部署成本較高,但是如果可以借助MEC平臺的優(yōu)勢在平臺中進行改進和加設(shè),將5G/TSN架構(gòu)中的TSN AF、CNC和CUC可以放入MEC平臺進行統(tǒng)一管理;MEC通過移動網(wǎng)關(guān)下沉,更靠近網(wǎng)絡(luò)邊緣,既節(jié)省成本又可以作為綜合解決方案結(jié)合MEC和TSN的優(yōu)勢,為客戶提供更好的服務(wù)[6]

3.4 邊緣AI推理

邊緣節(jié)點側(cè)重多維感知數(shù)據(jù)采集和前端智能處理;邊緣域側(cè)重感知數(shù)據(jù)匯聚、存儲、處理;邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理模塊對生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行初步處理、數(shù)據(jù)分流,一部分生產(chǎn)控制數(shù)據(jù)進入邊緣生產(chǎn)控制系統(tǒng)進行處理,一部分生產(chǎn)數(shù)據(jù)與其他分廠數(shù)據(jù)進行互通,還有一部分業(yè)務(wù)類數(shù)據(jù)向上采集到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的各生產(chǎn)經(jīng)營應(yīng)用;由于邊緣側(cè)設(shè)備在計算、存儲、功耗等方面的限制,需設(shè)計特定的低精度和稀疏化等模式,實現(xiàn)小尺寸、低復(fù)雜度、低功耗等目標(biāo)。進一步,邊緣設(shè)備可基于本地數(shù)據(jù)訓(xùn)練的模型優(yōu)化大模型的性能,實現(xiàn)邊緣自治,強調(diào)個性化增強學(xué)習(xí)[7]

3.5 云網(wǎng)邊端

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)園區(qū)、車間、現(xiàn)場三級區(qū)域內(nèi),拉通不同區(qū)域算力資源,進一步滿足業(yè)務(wù)低時延、數(shù)據(jù)不出園區(qū)的需求,將算力呈現(xiàn)在云、邊、端立體泛在分布,實現(xiàn)算力有序流動,滿足服務(wù)靈活動態(tài)部署需求;“云、邊、端”的協(xié)同架構(gòu),云作為大腦智能中樞,應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù),負(fù)責(zé)集中計算與全局?jǐn)?shù)據(jù)處理;邊作為中心云的觸點延伸,靈活解決近實時業(yè)務(wù)需求;端側(cè)靠近工業(yè)現(xiàn)場,完成智能感知、數(shù)據(jù)采集;云邊端協(xié)同可以將泛在化、異構(gòu)化的算力,通過網(wǎng)絡(luò)化的方式連接在一起,高效分布,智能協(xié)同,實現(xiàn)算力的高效共享,提升資源利用率[8]

4 結(jié)束語

綜上,隨著5G賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)水平不斷提升,從生產(chǎn)外圍環(huán)節(jié)逐步延伸至生產(chǎn)核心環(huán)節(jié);聚焦工業(yè)園區(qū)的接入和服務(wù)能力,定位于實現(xiàn)制造型企業(yè)生產(chǎn)要素(人、機、料、法、環(huán)、測)的實時數(shù)據(jù)管理跟蹤和智能分析決策,推動數(shù)字技術(shù)與工業(yè)深度融合,但當(dāng)前5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展目前還處于上升階段,雖然已經(jīng)涌現(xiàn)了很多成功案例和實踐,但它的變革效應(yīng)、降本增效等優(yōu)勢,其實還沒有完全顯現(xiàn),未來2-3年才將進入大規(guī)模成長期。

MEC作為5G云網(wǎng)融合的錨點,賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)責(zé)無旁貸。本文探討了MEC的標(biāo)準(zhǔn)演進趨勢和賦能工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵能力。但技術(shù)的變革不是一朝一夕完成的,企業(yè)也不可能完全改用5G,而且當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)演進相對超前,受多種因素影響,遠超產(chǎn)品實現(xiàn),如何讓MEC與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)步推進才是下一步需要關(guān)注的重點問題。

★基金項目:國家級城市群一體化新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與示范項目(2020YFB2104203)。

作者簡介:

黃 倩(1992-),女,陜西人,工程師,碩士,現(xiàn)為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院研究員,主要從事邊緣計算網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究、5G/6G標(biāo)準(zhǔn)化工作。

劉 彤(1971-),女,上海人,高級工程師,碩士,現(xiàn)為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司上海市分公司副總經(jīng)理,負(fù)責(zé)政企業(yè)務(wù)總體發(fā)展策略,行業(yè)應(yīng)用及產(chǎn)品規(guī)劃,長期從事網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與智慧城市領(lǐng)域行業(yè)應(yīng)用場景融合等研究。

黃 蓉(1986-),女,四川人,正高級工程師,工學(xué)博士,現(xiàn)為中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院首席研究員,主要從事移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)化以及部署應(yīng)用工作。

參考文獻:

[1] 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟. 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)連接白皮書 (版本1.0) [R]. 2018.

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摘自《自動化博覽》2023年8月刊

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