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1、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)基于 5G 蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案目錄 HYPERLINK l _TOC_250029 概述1 HYPERLINK l _TOC_250028 需求分析3 HYPERLINK l _TOC_250028 解決方案10 HYPERLINK l _TOC_250028 成功案例16基于 5G 蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案概述背景制造業(yè)正在向數(shù)字化、柔性化等方向發(fā)展,促進(jìn)生產(chǎn)效率和市場(chǎng)規(guī)模的不斷提升。而設(shè)備的廣泛連接,是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和柔性化的重要一環(huán)。在傳統(tǒng)模式下,制造商依靠有線(xiàn)技術(shù)來(lái)連接應(yīng)用,但由于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)、設(shè)備移動(dòng)性等限制,有線(xiàn)設(shè)備的連接數(shù)和場(chǎng)景具有局限性。近些年無(wú)線(xiàn)解決方案逐漸增
2、多,Wi-Fi、藍(lán)牙等近距通信無(wú)線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)在制造車(chē)間立足,隨著連接需求的發(fā)展,這些無(wú)線(xiàn)解決方案在帶寬、可靠性和安全性方面的限制,難以適應(yīng)更高要求的工業(yè)傳輸需求。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展,5G 網(wǎng)絡(luò)將從傳統(tǒng)以人為中心的服務(wù)拓展至以物為中心的服務(wù)。根據(jù)不同的傳輸需求,5G 定義了三大場(chǎng)景: 增強(qiáng)移動(dòng)帶寬( eMBB )、超高可靠低時(shí)延通信(uRLLC)和大規(guī)模機(jī)器類(lèi)通信(mMTC),適用于能源、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)控制等物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的不同應(yīng)用場(chǎng)景。聚焦到工業(yè)領(lǐng)域,5G 致力于為工廠(chǎng)內(nèi)的從設(shè)備層到企業(yè)層的設(shè)備提供可靠、安全、 可保障的通信機(jī)制。 實(shí)施目標(biāo)本項(xiàng)目的目標(biāo)是通過(guò) 5G 蜂窩技術(shù)承載工業(yè)應(yīng)用的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),
3、 提供工廠(chǎng)全連接的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò),用以滿(mǎn)足多種工業(yè)設(shè)備的入網(wǎng)和 通信需求。同時(shí),通過(guò) 5G 蜂窩技術(shù)和 OPC-UA 相結(jié)合,提供工廠(chǎng)內(nèi)由上至下的工業(yè)通信解決方案,支持多種類(lèi)型工業(yè)設(shè)備的 互聯(lián)互通。通過(guò) 5G 蜂窩的解決方案,能夠促進(jìn)工廠(chǎng)的智能化和數(shù)字化改造,使得生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有高度靈活性;工廠(chǎng)車(chē)間的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)可以快速調(diào)整優(yōu)化,有效提升網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同制造與管理水平。適用范圍基于 5G 蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案提供了工業(yè)領(lǐng)域的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),針對(duì) eMBB,mMTC 以及 URLLC 三類(lèi)場(chǎng)景的解決方案, 適用于制造業(yè)的以下場(chǎng)景中:表 1 5G 在制造業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景示例類(lèi)別應(yīng)用場(chǎng)景運(yùn)動(dòng)控制例如:大型打印機(jī),數(shù)
4、控車(chē)床,包裝設(shè)備機(jī)器間控制多臺(tái)獨(dú)立機(jī)器間協(xié)作移動(dòng)面板裝配機(jī)器人(或機(jī)床),移動(dòng)式起重機(jī)工業(yè) AR 及監(jiān)控高清視頻,全高清視頻大規(guī)模連接各種傳感器連接等,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小、連接數(shù)多移動(dòng)機(jī)器人精準(zhǔn)運(yùn)動(dòng)控制,機(jī)器間控制,協(xié)作駕駛,遠(yuǎn)程視頻控制,運(yùn)行路徑管理5G 蜂窩技術(shù)除了適用于上述工業(yè)設(shè)備間的通信,通過(guò)和OPC-UA 的結(jié)合還適用于工廠(chǎng)的設(shè)備層、控制層和企業(yè)層之間的通信,將設(shè)備層數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)狡髽I(yè)層或者云端,企業(yè)的生產(chǎn)監(jiān)控設(shè)備可以實(shí)時(shí)獲得設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài),及早將故障設(shè)備剝離出生產(chǎn)系統(tǒng),避免對(duì)生產(chǎn)造成的影響。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中的位置本解決方案適用于圖中工廠(chǎng)內(nèi)部和工廠(chǎng)外部的通信,即: 智能機(jī)器與工
5、廠(chǎng)控制系統(tǒng)、在制品與智能機(jī)器、在制品與工廠(chǎng)云平臺(tái)、智能機(jī)器與智能機(jī)器、工廠(chǎng)控制系統(tǒng)與工廠(chǎng)云平臺(tái)、工廠(chǎng)云平臺(tái)與用戶(hù)、工廠(chǎng)云平臺(tái)與協(xié)作平臺(tái)以及智能產(chǎn)品與工廠(chǎng)的通信?;?5G 蜂窩通信技術(shù)提供的高可靠、低時(shí)延的數(shù)據(jù)傳輸保障,可以減少數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路的部署、適用于多種環(huán)境以及工業(yè)設(shè)備移動(dòng)的應(yīng)用場(chǎng)景。需求分析圖 1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于多種工業(yè)場(chǎng)景,以及單一工業(yè)場(chǎng)景的不同設(shè)備之間的通信時(shí),對(duì) 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸提出了不同的需求。下表列出了比較典型的工業(yè)應(yīng)用的傳輸需求:表 2 典型工業(yè)應(yīng)用的傳輸需求類(lèi)別傳輸需求運(yùn)動(dòng)控制運(yùn)動(dòng)控制類(lèi)對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)的要求較高:傳輸時(shí)延小于 5ms,傳輸抖動(dòng)為 12
6、9 微秒級(jí)別;傳輸可靠性要求為 99.9999%,數(shù)據(jù)包小于 100 字節(jié)。機(jī)器間控制傳輸時(shí)延小于 10ms,數(shù)據(jù)包 1K 字節(jié),傳輸抖動(dòng)為微秒級(jí)別;傳輸可靠性要求通常小于 99.9999%。移動(dòng)面板傳輸時(shí)延小于 10ms,數(shù)據(jù)包幾百字節(jié)左右,傳輸抖動(dòng)為毫秒級(jí)別; 設(shè)備有小范圍移動(dòng)的需求。工業(yè) AR 及監(jiān)控由于是視頻傳輸需求,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包較大,傳輸速率需求達(dá)到 Gbps 級(jí)別,可靠性要求 99.9%左右。大規(guī)模連接連接數(shù)多,包含各種傳感器數(shù)據(jù)的傳輸,傳輸時(shí)延要求通常在 50ms以上。需要注意的是,大規(guī)模連接中不同設(shè)備的傳輸需求差異較大,該類(lèi)業(yè)務(wù)中基于安全應(yīng)用的傳輸時(shí)延要求在 10ms 以?xún)?nèi)。移動(dòng)
7、機(jī)器人根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人不同的應(yīng)用,傳輸時(shí)延在 1ms1s 的范圍內(nèi),多數(shù)應(yīng)用的傳輸可靠性要求為 99.9999%,對(duì)傳輸網(wǎng)絡(luò)具有移動(dòng)性的需求,移動(dòng)過(guò)程中業(yè)務(wù)不要中斷。在滿(mǎn)足上述工業(yè)傳輸需求的基礎(chǔ)上,5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于工業(yè)場(chǎng)景,可以不受限于存量設(shè)備預(yù)留的數(shù)據(jù)端口限制,滿(mǎn)足存量設(shè)備智能升級(jí)需求。通過(guò) 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)將各種工業(yè)設(shè)備數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控端,不受網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)的限制,可以實(shí)時(shí)確定設(shè)備的健康狀況,及早將故障設(shè)備剝離出生產(chǎn)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)工業(yè)設(shè)備的預(yù)測(cè)性維護(hù)。解決方案方案介紹基于 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)解決方案是以 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為工業(yè)應(yīng)用的傳輸承載網(wǎng)絡(luò),完成不同工業(yè)設(shè)備之間通信的解決方 案。同時(shí),基于 5
8、G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 OPC-UA 的結(jié)合,提供由工廠(chǎng)底層到高層之間的不同層之間的通信以及同一層設(shè)備之間的通信, 實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)內(nèi)設(shè)備的全連接?;?5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)解決方案包含蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及工業(yè)終端設(shè)備。其中,蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備還包含蜂窩網(wǎng)絡(luò)的基站設(shè)備 130 和核心網(wǎng)設(shè)備。工業(yè)終端設(shè)備可以為 SCADA,PLC 以及各種工業(yè)輸入輸出設(shè)備。工業(yè)數(shù)據(jù)通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)傳輸時(shí),工業(yè)設(shè)備需要集成蜂窩模組,并實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用和蜂窩模塊的互通?;?5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)解決方案中還包含邊緣計(jì)算模塊, 基于該模塊可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用的融合,獲取應(yīng)用的多樣數(shù)據(jù)傳輸需求,同時(shí)應(yīng)用的邊緣部署實(shí)現(xiàn)了對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)的快速分析和超低時(shí)延響應(yīng)。
9、圖 2 工業(yè)無(wú)線(xiàn)蜂窩網(wǎng)絡(luò)部署基于 5G 蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案主要包含以下創(chuàng)新點(diǎn):基于 5G 蜂窩技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制根據(jù)不同的工業(yè)傳輸需求,提供數(shù)據(jù)包的傳輸路徑,并為不同的業(yè)務(wù)提供對(duì)應(yīng)的 Qos 保障。5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)既能保障傳輸?shù)母叽_定性和可靠性,也能支持大量工業(yè)設(shè)備的連接場(chǎng)景?;?OPC-UA 的傳輸網(wǎng)絡(luò)互連和傳輸控制機(jī)制主要包括基于 OPC-UA 和蜂窩網(wǎng)絡(luò)的映射,完成蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹С?,以及支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)和其他工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的互連,支持不同工業(yè)場(chǎng)景下傳輸資源的配置和對(duì)工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂啤?131 進(jìn)一步地,支持工業(yè)應(yīng)用在邊緣測(cè)的部署,作為網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用融合的平臺(tái),有效提高工廠(chǎng)的智
10、能化水平。系統(tǒng)架構(gòu)基于 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)解決方案的總體架構(gòu)如圖 3 所示。主要由:工業(yè)平臺(tái)/應(yīng)用、基于 5G 蜂窩技術(shù)的傳輸網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)終端設(shè)備組成,構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分析、工業(yè)設(shè)備控制的端到端總體解決方案系統(tǒng)。圖 3 基于蜂窩技術(shù)的工業(yè)傳輸解決方案總體架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),包含一個(gè)中心(工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備)以及多個(gè)工業(yè)設(shè)備(工業(yè)蜂窩終端設(shè)備)。終端設(shè)備通過(guò)無(wú)線(xiàn)空口與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備交互完成數(shù)據(jù)通信。其中,蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是由網(wǎng)關(guān)設(shè)備(核心網(wǎng)絡(luò))、工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,基站)構(gòu)成。 132 功能設(shè)計(jì)圖 4 工業(yè)無(wú)線(xiàn)蜂窩拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)中核心網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)絡(luò)具有
11、不同的功能,協(xié)同完成整個(gè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳輸?shù)闹С?。蜂窩網(wǎng)絡(luò)接收到業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包之后,數(shù)據(jù)包在蜂窩網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的傳輸流程如下圖 5 所示。從網(wǎng)絡(luò)側(cè)來(lái)看,業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包首先經(jīng)過(guò)核心網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點(diǎn)的有線(xiàn)傳輸,然后數(shù)據(jù)包通過(guò)空中接口發(fā)送到終端設(shè)備。Cellular TerminalCellular NetworkIndustrial NetworkRelayGTP-URelayGAN ProtocolLayersP1UPFPDU Session Anchor)UuN3N6(NG-RANUEL1LL11Lnet MACEtherMACEthernetL22LDP/IPU/IPUDTP-UrotocolyersAN PLa
12、PDU LayerLayerPDUicationApplcationAppli圖 5 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶(hù)面數(shù)據(jù)流作為傳輸網(wǎng)絡(luò),5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)主要支持的功能如下:支持?jǐn)?shù)據(jù)協(xié)同和匯聚,將匯聚的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ艑?duì)端;支持以4G 移動(dòng)通信、5G 移動(dòng)通信等通信接入方式中的一種或多種,包含核心網(wǎng)和接入網(wǎng)功能;支持對(duì) IP 或MAC 格式的工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸; 133 支持對(duì)工業(yè)蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和蜂窩終端設(shè)備的認(rèn)證、設(shè)備管理安全機(jī)制;支持對(duì)網(wǎng)絡(luò)的配置和組網(wǎng);支持 RJ-45,RS485 等物理接口;支持“即插即用”的工作方式;支持版本升級(jí)失敗后回退到前一個(gè)可正常工作的版本。在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中,終端設(shè)備的主要功能如下:支持將數(shù)據(jù)
13、通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式傳遞到蜂窩網(wǎng)絡(luò)設(shè)備;支持對(duì)工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的認(rèn)證和安全功能;支持對(duì)終端設(shè)備的參數(shù)和軟件的配置;支持對(duì)工業(yè)蜂窩終端設(shè)備的性能和狀態(tài)監(jiān)測(cè);支持“即插即用”的工作方式。蜂窩網(wǎng)絡(luò)和 OPC-UA 的集成OPC-UA 是目前較廣泛的工廠(chǎng)內(nèi)應(yīng)用使能技術(shù),定義了一套通用的數(shù)據(jù)描述和語(yǔ)法表達(dá)方法(信息模型),每種系統(tǒng)都可以 將采用 OPC-UA 的信息模型,從而可以被其他系統(tǒng)所獲取和集成。在本解決方案中,通過(guò) 5G 和 OPC-UA 的結(jié)合獲取業(yè)務(wù)傳輸需求以及完成傳輸協(xié)議的映射,支持 5G 對(duì)不同工業(yè)場(chǎng)景業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸,保障不同工業(yè)業(yè)務(wù)的傳輸性能,滿(mǎn)足多種場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求。 134 圖 6 OPC-
14、UA 和蜂窩的集成方案基于 5G 蜂窩和 OPC-UA 的結(jié)合,5G 傳輸網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)的獲取待傳輸工業(yè)業(yè)務(wù)的傳輸需求,并提供對(duì)應(yīng)的傳輸資源,更好的保障不同類(lèi)別業(yè)務(wù)的傳輸性能。其中,圖 7 給出了工業(yè)業(yè)務(wù)傳輸需求獲取以及對(duì)應(yīng)不同需求的蜂窩承載示意圖。圖 7 基于 OPC-UA 的業(yè)務(wù)需求獲取機(jī)制5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)的安全及可靠性1)5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供安全的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供多層次的切片安全保障,為不同類(lèi)別的工業(yè)業(yè)務(wù)提供差異化的隔離服務(wù)。同時(shí),蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持?jǐn)?shù)據(jù)加密, 完整性保護(hù),抗重放,鑒權(quán)(認(rèn)證)等功能,通過(guò)對(duì)空口數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密,確保數(shù)據(jù)不被竊聽(tīng)、篡改,保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。蜂窩網(wǎng)絡(luò)的傳輸可靠性
15、蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持系統(tǒng)級(jí)和鏈路級(jí)的兩類(lèi)可靠性保障機(jī)制。 135 系統(tǒng)級(jí)可靠性保障:蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以提供備份鏈路和備份節(jié)點(diǎn),保障整個(gè)蜂窩系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點(diǎn)的正常工作。鏈路級(jí)可靠性保障:數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中,網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供多個(gè)數(shù)據(jù)傳輸鏈路,保障單個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包在蜂窩內(nèi)部傳輸時(shí)的高可靠性。無(wú)縫移動(dòng)性支持蜂窩網(wǎng)絡(luò)支持終端設(shè)備移動(dòng)過(guò)程中業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包傳輸?shù)倪B續(xù)性,保障無(wú)數(shù)據(jù)包的丟失。根據(jù)終端設(shè)備移動(dòng)范圍的不同,分為終端設(shè)備在接入網(wǎng)絡(luò)(AN)之間的切換和終端設(shè)備在核心網(wǎng)絡(luò)之間的切換。以移動(dòng)過(guò)程中跨越接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為例,切換過(guò)程的流程如下:終端設(shè)備向源接入網(wǎng)絡(luò)發(fā)送無(wú)線(xiàn)測(cè)量報(bào)告,源接入網(wǎng)絡(luò)判斷終端設(shè)備的接收質(zhì)量以及移動(dòng)的位置;源接入
16、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確定終端設(shè)備需要變更接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn), 則向目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)送終端設(shè)備信息,指示目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備該終端設(shè)備的資源;目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為終端設(shè)備配置數(shù)據(jù)傳輸所需的資源, 并向源接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)切換準(zhǔn)備完成;源接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)向終端設(shè)備發(fā)送切換到目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的命令;終端設(shè)備接入目標(biāo)接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。 136 U-plane pathswitchSourceAN2HOCommandTargetAN3HO ConfirmDirectionof UE1HO PreparationCore Network Node圖 8 無(wú)縫移動(dòng)性流程通過(guò)上述過(guò)程,5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)在不中斷終端設(shè)備的現(xiàn)有業(yè)務(wù)的前提下,完
17、成接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的切換,保障了工業(yè)有移動(dòng)性需求的應(yīng)用的數(shù)傳性能。目前,5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)還正在進(jìn)一步的提升切換時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽U辖K端設(shè)備在高速運(yùn)動(dòng)的情況下仍然能夠保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪B續(xù)性,完成接入節(jié)點(diǎn)的切換。成功案例目前 5G 尚未商用,為了驗(yàn)證 5G 對(duì)工業(yè)業(yè)務(wù)的承載性能, 目前正在和上海某大學(xué)的工業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行基于 5G 蜂窩實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)承載工業(yè)場(chǎng)景以及 5G 和 OPC-UA 結(jié)合的驗(yàn)證工作。預(yù)計(jì) 2019 年中驗(yàn)證完成,后續(xù)在相關(guān)工廠(chǎng)進(jìn)行推廣使用。本項(xiàng)目中選定了流水線(xiàn)、機(jī)器人和機(jī)床共同組成的工業(yè)制造場(chǎng)景,驗(yàn)證 5G 蜂窩支持工廠(chǎng)設(shè)備和 PLC 之間、PLC 和 PLC 之間以及 PLC 和監(jiān)控系統(tǒng)之間的通信。 137 圖 9 5G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)承載工廠(chǎng)內(nèi)通信場(chǎng)景在該實(shí)驗(yàn)室,機(jī)床中內(nèi)置與外置的傳感
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