














摘 要:隨著智能電網(wǎng)的快速發(fā)展,窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)技術(shù)憑借其獨(dú)特的低功耗特性、廣泛的覆蓋范圍以及顯著的成本效益,在眾多物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中脫穎而出,在電力行業(yè)中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。為此,全面探討了面向智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究及其應(yīng)用,包括技術(shù)架構(gòu)、通信終端設(shè)計(jì)、資源管理與核心網(wǎng)技術(shù)等,旨在為智能電網(wǎng)的智能化、高效化轉(zhuǎn)型提供理論支撐和技術(shù)參考。經(jīng)過(guò)一系列深入研究,明確了窄帶物聯(lián)網(wǎng)在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)中的具體應(yīng)用領(lǐng)域,進(jìn)一步拓寬了接入方式,為不同業(yè)務(wù)的差異化承載需求提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)和組網(wǎng)方案,促進(jìn)了電力物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展。
關(guān)鍵詞:窄帶物聯(lián)網(wǎng);智能電網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)架構(gòu);通信終端;資源管理;電力物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)
中圖分類(lèi)號(hào):TP39;TN919.6+4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):2095-1302(2024)12-0-05
0 引 言
隨著智能電網(wǎng)與泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展,大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)正穩(wěn)步融入智能電網(wǎng)體系之中,二者融合的趨勢(shì)日益顯著。這一進(jìn)程不僅豐富了智能電網(wǎng)的功能與應(yīng)用場(chǎng)景,還促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的深度應(yīng)用與廣泛實(shí)踐。這一趨勢(shì)不僅推動(dòng)了智能電網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)上的突破與應(yīng)用,也暴露出了一系列亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。文獻(xiàn)[1]指出,盡管智能電網(wǎng)在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用方面取得了一定進(jìn)展,但面對(duì)海量連接的需求,現(xiàn)有的終端通信接入網(wǎng)技術(shù)在技術(shù)體系和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面仍存在不足,無(wú)法完全滿足物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的海量連接需求。
文獻(xiàn)[2]指出,窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrowband Internet of Things, NB-IoT)憑借其低功耗、廣覆蓋、低成本及強(qiáng)大連接能力的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為了新興的無(wú)線通信技術(shù)典范。其設(shè)計(jì)初衷在于優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的運(yùn)行效率與成本結(jié)構(gòu),為各類(lèi)應(yīng)用場(chǎng)景提供穩(wěn)定可靠的無(wú)線連接解決方案。然而,為了適配智能電網(wǎng)的特殊需求,窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要進(jìn)行優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)面向網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)先級(jí)優(yōu)化與質(zhì)量控制,并滿足電網(wǎng)公司信息安全策略的相關(guān)要求。此外,文獻(xiàn)[3]指出電力行業(yè)內(nèi)不同物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)之間的差異性,以及終端側(cè)缺乏統(tǒng)一硬件與操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)與平臺(tái)的問(wèn)題,進(jìn)一步凸顯了對(duì)窄帶物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)體系研究的迫切需求。因此,當(dāng)前亟需展開(kāi)面向智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)體系研究,研制終端接入設(shè)備,并開(kāi)發(fā)物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái),推進(jìn)窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在電力行業(yè)的業(yè)務(wù)示范應(yīng)用。
1 基于NFV和SDN的端到端電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)
窄帶物聯(lián)網(wǎng)的工作頻段主要為授權(quán)頻段,可與現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)共享資源,支持大規(guī)模設(shè)備接入,滿足智能電網(wǎng)中各類(lèi)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信需求[4]。
基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯(lián)網(wǎng)的總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。
基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要由3部分構(gòu)成,分別是基于SDN的電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信終端、電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)部分和基于NFV的電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)部分。除此之外,物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心可以從核心網(wǎng)側(cè)獲取電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)行情況,并可以由終端訪問(wèn)和分析。下面將從核心網(wǎng)、接入網(wǎng)和終端3方面介紹基于NFV和SDN的端到端窄帶物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
1.1 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的核心網(wǎng)設(shè)計(jì)
本文探討了NFV技術(shù)在NB-IoT核心網(wǎng)中的應(yīng)用,通過(guò)虛擬化技術(shù)整合網(wǎng)絡(luò)設(shè)備至標(biāo)準(zhǔn)硬件,提高資源效率與部署靈活性。NFV使得網(wǎng)絡(luò)功能軟件化,擺脫硬件束縛,實(shí)現(xiàn)按需部署與遷移,無(wú)需額外硬件投資。該技術(shù)不僅可優(yōu)化控制面,也適用于數(shù)據(jù)面處理,被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,為NB-IoT發(fā)展注入新活力[5]。
基于NFV的窄帶物聯(lián)網(wǎng)核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以分為3個(gè)主要部分。基于NFV的網(wǎng)關(guān)方案如圖2所示。
NFVI作為NFV的核心基礎(chǔ)設(shè)施,集成了物理與虛擬資源,為VNF提供了強(qiáng)大的支撐。VNF作為軟件化的網(wǎng)絡(luò)功能,保持了原有功能與接口的穩(wěn)定性,而EM系統(tǒng)則擴(kuò)展了對(duì)虛擬化環(huán)境的管理能力。MANO作為NFV架構(gòu)的智慧大腦,通過(guò)Orchestration、VNFM、VIM三大組件的協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)了對(duì)全局業(yè)務(wù)、VNF及硬件資源的智能化管理與編排,確保了NFV架構(gòu)的高效運(yùn)行。在核心網(wǎng)域,MME作為關(guān)鍵角色,與NFV調(diào)度器緊密合作,實(shí)時(shí)掌握VNF的可用性狀態(tài)。一旦VNF準(zhǔn)備就緒,MME迅速觸發(fā)服務(wù)啟動(dòng)流程,通過(guò)虛擬化基站向電力窄帶終端發(fā)送指令,實(shí)現(xiàn)服務(wù)的即時(shí)響應(yīng)與啟動(dòng)。若VNF不可用,系統(tǒng)則智能地保持靜默,避免資源浪費(fèi)。這一機(jī)制不僅簡(jiǎn)化了服務(wù)部署流程,還確保了網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化配置與服務(wù)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行,充分展現(xiàn)了NFV技術(shù)在提升網(wǎng)絡(luò)靈活性、效率與可靠性方面的巨大潛力。
1.2 窄帶物聯(lián)網(wǎng)的接入網(wǎng)設(shè)計(jì)
電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)設(shè)計(jì)兼顧現(xiàn)有能力,單終端可調(diào)頻點(diǎn)至多16個(gè),上行峰值速率預(yù)估低于300 Kb/s。采用10 ms幀結(jié)構(gòu),針對(duì)25 kHz頻譜,為維持下行承載,設(shè)定3∶1上下行配比。接入網(wǎng)運(yùn)用OFDM調(diào)制,子載波間隔3.75 kHz,每25 kHz信道部署6個(gè)子載波,有效信號(hào)帶寬26.25 kHz,確保高效傳輸[6]。
電力窄帶物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)集成PSM與eDRX技術(shù),前者允許終端在完成數(shù)據(jù)傳輸后請(qǐng)求深度休眠,后者通過(guò)延長(zhǎng)喚醒間隔減少功耗。針對(duì)有/無(wú)能量源終端,接入網(wǎng)差異化配置資源,兼顧通信質(zhì)量與能效。此外,通過(guò)信令優(yōu)化等措施確保海量終端高效、安全接入網(wǎng)絡(luò)。
1.3 窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信終端設(shè)計(jì)
基于SDN架構(gòu)的多模自適應(yīng)終端可以高效地切換網(wǎng)絡(luò)資源,提高網(wǎng)絡(luò)資源的管理能力與不同業(yè)務(wù)終端的接入能力。基于SDN架構(gòu)的多模自適應(yīng)終端技術(shù)架構(gòu)如圖3所示。
基于SDN的核心理念,我們?cè)O(shè)計(jì)了一款多模自適應(yīng)通信終端架構(gòu),該架構(gòu)由控制層與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層構(gòu)成,層次分明。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層集成了多種通信模塊,如NB-IoT、GPRS、ZigBee等,通過(guò)靈活接口機(jī)制,實(shí)現(xiàn)無(wú)縫接入與終端間通信,形成了強(qiáng)大的多模接入能力。該層利用豐富的API接口,如MAC配置、流表交換等,實(shí)現(xiàn)模塊的智能識(shí)別與動(dòng)態(tài)切換,能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。
控制層利用OpenFlow協(xié)議與數(shù)據(jù)層緊密配合,通過(guò)SDN控制器實(shí)施全面網(wǎng)絡(luò)管理,包括資源調(diào)度、接入控制、移動(dòng)性管理、安全策略執(zhí)行及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。引入可編程SDN控制器作為橋梁,通過(guò)南向接口與通信模塊直接通信,確保數(shù)據(jù)高效傳輸;同時(shí),北向接口向上層應(yīng)用開(kāi)放API,支持靈活的應(yīng)用部署。
在運(yùn)作中,通信模塊的選擇至關(guān)重要。SDN技術(shù)賦予終端智能接入選擇能力,綜合考慮接入適配性、移動(dòng)管理策略及業(yè)務(wù)類(lèi)型需求。接入適配模塊收集鏈路參數(shù),為路徑選擇提供依據(jù);移動(dòng)管理模塊確保通信連續(xù)性;業(yè)務(wù)類(lèi)型模塊根據(jù)需求調(diào)整接入策略,實(shí)現(xiàn)最優(yōu)通信效果。三者協(xié)同工作,確保終端在不同技術(shù)間無(wú)縫切換,保障業(yè)務(wù)連續(xù)運(yùn)行。
2 NB-IoT電力物聯(lián)網(wǎng)終端及管理平臺(tái)
2.1 NB-IoT電力物聯(lián)網(wǎng)終端
開(kāi)發(fā)NB-IoT終端需針對(duì)電力業(yè)務(wù)特性,定制化設(shè)計(jì)通信、供電、封裝等要素。整體流程從模組選擇開(kāi)始,經(jīng)硬件與軟件設(shè)計(jì),至設(shè)備調(diào)試與試運(yùn)行。硬件設(shè)計(jì)遵循模塊化原則,分為電源、通信、外設(shè)接口等模塊,以提升設(shè)計(jì)的復(fù)用性和可移植性。軟件則選用C語(yǔ)言編寫(xiě),憑借其高效、輕量、無(wú)需特定運(yùn)行環(huán)境的特點(diǎn),降低了開(kāi)發(fā)難度,提高了代碼的可讀性、可維護(hù)性和移植性。這一綜合設(shè)計(jì)策略旨在打造靈活、可靠的NB-IoT終端解決方案[7]。NB-IoT終端架構(gòu)如圖4所示。
2.2 高適應(yīng)性窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信終端軟件結(jié)構(gòu)
高適應(yīng)性窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端軟件結(jié)構(gòu)核心分為數(shù)據(jù)收發(fā)與功能控制兩大模塊。收發(fā)模塊集成協(xié)議與接口適配功能,確保對(duì)多元通信技術(shù)與協(xié)議的廣泛支持,并通過(guò)交換處理實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效流轉(zhuǎn)。控制模塊則聚焦于硬件資源的抽象與管理,依托資源虛擬化平臺(tái),挖掘可編程潛力,提供統(tǒng)一控制接口。其內(nèi)嵌智能管控、轉(zhuǎn)發(fā)與接口配置子模塊,分別負(fù)責(zé)安全接入管理、網(wǎng)絡(luò)切片與通道控制,以及信道/功率智能調(diào)度,共同保障終端的高效、靈活與可靠運(yùn)行。終端軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。
2.3 高適應(yīng)性窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信終端硬件結(jié)構(gòu)
高適應(yīng)性窄帶物聯(lián)網(wǎng)通信終端的硬件架構(gòu)遵循軟件定義網(wǎng)絡(luò)理念,強(qiáng)調(diào)可編程性與軟硬件解耦[8]。采用通用芯片與標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu),使硬件回歸基礎(chǔ),特色功能則交由軟件實(shí)現(xiàn)。此設(shè)計(jì)允許通過(guò)軟件升級(jí)來(lái)輕松引入新功能與協(xié)議,如同軟件安裝更新,靈活應(yīng)對(duì)調(diào)整、擴(kuò)容或升級(jí)需求。此模式下,底層硬件無(wú)需頻繁更換,大幅降低了成本,并顯著縮短了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的迭代周期,提升了整體效率與靈活性。硬件功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。
高集成窄帶物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)計(jì)精良,性能穩(wěn)定,覆蓋廣泛且穿透力強(qiáng)。其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)150 Mb/s,顯著提升了網(wǎng)絡(luò)接入速率與用戶體驗(yàn)。
2.4 NB-IoT電力物聯(lián)網(wǎng)管理平臺(tái)
本電力物聯(lián)網(wǎng)通信管理平臺(tái)旨在全面監(jiān)測(cè)通信通道狀態(tài)并管理其質(zhì)量,其功能架構(gòu)概覽如圖7所示。底層(采集層)為核心,集主動(dòng)與被動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)于一身,通過(guò)接口適配高效整合數(shù)據(jù),并由數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)模塊依信息模型格式化后妥善保存[9]。
上層(應(yīng)用層)細(xì)化功能,涵蓋業(yè)務(wù)質(zhì)量監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)配置與系統(tǒng)管理3大板塊。業(yè)務(wù)監(jiān)控方面,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)指標(biāo)、流量流向、終端業(yè)務(wù)及狀態(tài)的全面透視;網(wǎng)絡(luò)配置則涵蓋接口、VPN安全、路由及加密卡等關(guān)鍵要素的設(shè)置;系統(tǒng)管理則專(zhuān)注于系統(tǒng)自身健康監(jiān)測(cè)、日志記錄、設(shè)備維護(hù)與數(shù)據(jù)備份。
頂層(展現(xiàn)層)作為用戶交互的窗口,采用B/S或C/S模式,提供物聯(lián)網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)的全方位管理功能[10]。
項(xiàng)目遵循嚴(yán)格的軟件開(kāi)發(fā)流程,從需求分析到設(shè)計(jì)(概要與詳細(xì))、編碼直至測(cè)試,每一環(huán)節(jié)均精心打造[11]。最終呈現(xiàn)的平臺(tái),不僅功能全面,覆蓋配用電通信通道狀態(tài)監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理,更具備高度的靈活性與適應(yīng)性,支持功能模塊與信息獲取的自由組合,輕松適配多樣化的電力業(yè)務(wù)通信場(chǎng)景。電力物聯(lián)網(wǎng)通信通道在線狀態(tài)監(jiān)測(cè)與質(zhì)量管理平臺(tái)模塊化組合如圖8所示。
該管理平臺(tái)配有如下功能:
(1)配置管理:出口IP、業(yè)務(wù)服務(wù)器監(jiān)聽(tīng)端口、超時(shí)時(shí)間、客戶端監(jiān)聽(tīng)端口、加密協(xié)議、最大并發(fā)連接數(shù)、控制與監(jiān)控端口等。同時(shí),支持終端的啟動(dòng)與停止操作,以實(shí)現(xiàn)靈活的系統(tǒng)管理。配置管理頁(yè)面如圖9所示。
(2)資源管理:設(shè)備的信息包括序號(hào)、設(shè)備名稱(chēng)、業(yè)務(wù)類(lèi)型、注冊(cè)狀態(tài)、IP地址、加密卡號(hào)等。在某個(gè)設(shè)備的“具體信息”欄下點(diǎn)擊“查看”,可以進(jìn)一步查看該設(shè)備的信息,包括終端ID、CPU ID、證書(shū)信息和所屬裝置信息等。資源管理頁(yè)面如圖10所示。
(3)統(tǒng)計(jì)報(bào)表:統(tǒng)計(jì)報(bào)表頁(yè)面匯總了系統(tǒng)關(guān)鍵信息,涵蓋資源、流量、告警及接入日志等4大類(lèi)報(bào)表。資源統(tǒng)計(jì)報(bào)表特別提供按位置與自定義統(tǒng)計(jì)維度篩選功能,直觀展現(xiàn)終端配置概覽。資源統(tǒng)計(jì)報(bào)表頁(yè)面如圖11所示。
(4)系統(tǒng)管理:系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)操作日志、告警規(guī)則配置、系統(tǒng)訪問(wèn)管理、賬號(hào)管理和系統(tǒng)配置。系統(tǒng)操作日志如圖12所示。
3 驗(yàn)證測(cè)試
(1)測(cè)試方案
本次測(cè)試聚焦于3種關(guān)鍵接入業(yè)務(wù):用采業(yè)務(wù)(含集中器)、智能配變終端及充電樁(含計(jì)量表)。為確保實(shí)際業(yè)務(wù)運(yùn)行不受干擾,測(cè)試采用真實(shí)業(yè)務(wù)終端搭配模擬業(yè)務(wù)主站的方式進(jìn)行。測(cè)試流程簡(jiǎn)述如下:配用電業(yè)務(wù)終端借由NB通信終端,將數(shù)據(jù)發(fā)送至NB移動(dòng)網(wǎng)基站,隨后數(shù)據(jù)穿越移動(dòng)核心網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng),直達(dá)NB管理平臺(tái),并最終傳遞給業(yè)務(wù)模擬主站,完成整個(gè)傳輸鏈條的驗(yàn)證。測(cè)試模擬流程如圖13所示。
(2)測(cè)試過(guò)程
項(xiàng)目組在國(guó)網(wǎng)某供電公司搭建了實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證環(huán)境,對(duì)用采集中器、智能配變終端、計(jì)量表進(jìn)行業(yè)務(wù)可承載性的測(cè)試工作。采用終端向主站模擬發(fā)包過(guò)程進(jìn)行業(yè)務(wù)連接能力測(cè)試,利用網(wǎng)絡(luò)測(cè)試指令和業(yè)務(wù)包解析工具,驗(yàn)證了項(xiàng)目組所研制的終端對(duì)3項(xiàng)電力業(yè)務(wù)的承載能力。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試如圖14所示。
(3)測(cè)試結(jié)果
業(yè)務(wù)承載性測(cè)試及報(bào)文解析如圖15所示。測(cè)試結(jié)果如圖16所示。
4 結(jié) 語(yǔ)
本文聚焦于窄帶物聯(lián)網(wǎng)與電力業(yè)務(wù)的深度融合及性能優(yōu)化,構(gòu)建了多維度動(dòng)態(tài)匹配模型,全面評(píng)估了兩者的適配性。模型涵蓋數(shù)據(jù)流向、傳輸周期、并發(fā)處理、數(shù)據(jù)包大小、覆蓋距離、帶寬、時(shí)延、可靠性及安全機(jī)制等要素。基于評(píng)估結(jié)果,提出了動(dòng)態(tài)優(yōu)化策略,旨在增強(qiáng)協(xié)同效率與性能。在智能電網(wǎng)背景下,項(xiàng)目研究了基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的端到端NB-IoT技術(shù)體系與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),通過(guò)整合SDN、NFV技術(shù),提出網(wǎng)絡(luò)切片方案,增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合與核心網(wǎng)處理能力,滿足了電力業(yè)務(wù)多樣化通信需求。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片下的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù),項(xiàng)目還探索了安全接入、無(wú)線資源管理與核心網(wǎng)技術(shù),設(shè)計(jì)了資源切片方案,利用網(wǎng)絡(luò)切片的靈活定制與隔離特性,提升了智能電網(wǎng)業(yè)務(wù)接入的靈活性與安全性。通過(guò)這一系列研究,項(xiàng)目明確了NB-IoT在泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用范疇,豐富了接入手段,為差異化業(yè)務(wù)承載提供了技術(shù)支撐與組網(wǎng)依據(jù),推動(dòng)了電力物聯(lián)網(wǎng)的智能化發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
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作者簡(jiǎn)介:邢 星(1985—),女,助理工程師,研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)運(yùn)行管理及電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型發(fā)展。
袁朝洋(2000—),男,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)榕潆娋W(wǎng)運(yùn)行可靠性評(píng)估。
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)2024年12期