基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生綜合管控平臺(tái)應(yīng)用研究

張國(guó)政

（中船重工信息科技有限公司，北京 100000）

隨著云計(jì)算、人工智能等新一代信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)的深度融合發(fā)展，世界各國(guó)加快了制造業(yè)智能化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略。而數(shù)字孿生（Digital Twins，DT）技術(shù)作為一種新興技術(shù)，也開(kāi)始被應(yīng)用在智能制造、智慧園區(qū)等多個(gè)垂直行業(yè)。數(shù)字孿生技術(shù)早期被應(yīng)用于航天領(lǐng)域，構(gòu)建了航天飛行器的數(shù)字化雙胞胎，通過(guò)對(duì)工作狀態(tài)的模擬、仿真等操作來(lái)提高應(yīng)急處理水平。數(shù)字孿生技術(shù)基于數(shù)據(jù)與模型，是對(duì)物理實(shí)體的一種數(shù)字化映射，并通過(guò)對(duì)可視化數(shù)據(jù)的整合和數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)一些預(yù)測(cè)、驗(yàn)證以及管控物理實(shí)體的技術(shù)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，將重點(diǎn)構(gòu)建工業(yè)場(chǎng)景中常見(jiàn)物理對(duì)象實(shí)物、物理對(duì)象行為、物理對(duì)象工作過(guò)程的數(shù)字化模型，并集成與制造工藝相關(guān)的流程模型、機(jī)理模型等。

本文通過(guò)設(shè)計(jì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的數(shù)字孿生技術(shù)綜合管控平臺(tái)架構(gòu)，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)、平臺(tái)、安全跨域體系，打造人、機(jī)、物、環(huán)、料多源互聯(lián)的數(shù)據(jù)采集架構(gòu)，采用可復(fù)用的智能化應(yīng)用模式。并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，拓展平臺(tái)快速搭建能力，動(dòng)態(tài)配置不同傳感器、設(shè)備的快速接口能力。通過(guò)本文的應(yīng)用研究，盡可能減少數(shù)字孿生在工程項(xiàng)目中的投入和工作量，助力項(xiàng)目降本增速[1-3]。

1 數(shù)字孿生基本概念

數(shù)字孿生早期被定義為連接實(shí)體產(chǎn)品和虛擬產(chǎn)品的數(shù)字化系統(tǒng)，是一種新興的應(yīng)用管理理念，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、仿真推演、數(shù)字建模等方面具有較強(qiáng)的技術(shù)關(guān)聯(lián)性和技術(shù)延續(xù)性。同時(shí)數(shù)字孿生也是多學(xué)科融合的一種典型共性技術(shù)，有跨系統(tǒng)、跨領(lǐng)域融合的特點(diǎn)，存在與三維可視化、模擬仿真等技術(shù)邊界不清晰問(wèn)題。數(shù)字孿生技術(shù)具有一些典型特征：①數(shù)字化雙胞胎，即對(duì)物理對(duì)象實(shí)體在虛擬空間用數(shù)字化來(lái)表示，實(shí)現(xiàn)雙向映射及狀態(tài)交互；②同步性，即通過(guò)數(shù)據(jù)采集完成數(shù)據(jù)獲取，可以實(shí)時(shí)地映射物理實(shí)體的狀態(tài)信息；③推演，即通過(guò)孿生的生命周期模擬及演進(jìn)，進(jìn)而服務(wù)好物理實(shí)體的運(yùn)營(yíng)；④優(yōu)化，即對(duì)物理對(duì)象的運(yùn)行機(jī)理、運(yùn)行過(guò)程數(shù)字化描述，同時(shí)結(jié)合大數(shù)據(jù)分析等手段來(lái)優(yōu)化動(dòng)作指令，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率。

數(shù)字孿生近年來(lái)成為了數(shù)字化發(fā)展的重要手段，國(guó)外一些發(fā)達(dá)國(guó)家，例如美國(guó)、德國(guó)已從國(guó)家的層面制定了一些政策。美國(guó)看重其在軍工行業(yè)及工業(yè)制造行業(yè)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)支撐的載體功能；德國(guó)側(cè)重于制造業(yè)；英國(guó)構(gòu)建了數(shù)字孿生城市，實(shí)現(xiàn)城市級(jí)乃至國(guó)家級(jí)的孿生體。中國(guó)則將數(shù)字孿生技術(shù)寫(xiě)進(jìn)了“十四五”規(guī)劃，并成立了一些聯(lián)盟來(lái)推動(dòng)該技術(shù)的落地應(yīng)用。在行業(yè)應(yīng)用層面，數(shù)字孿生技術(shù)也開(kāi)始形成自身的體系和理論基礎(chǔ)，在流程型制造工業(yè)，如石化、冶金等領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)了重大設(shè)備管理場(chǎng)景的應(yīng)用；在離散制造，如船舶、裝備制造等領(lǐng)域，已實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程運(yùn)維等應(yīng)用；在交通領(lǐng)域，則實(shí)現(xiàn)了城市關(guān)鍵要求數(shù)字化、車路智能管理等應(yīng)用。在市場(chǎng)前景方面，隨著該技術(shù)本身作為新的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)增長(zhǎng)點(diǎn)，預(yù)計(jì)到“十四五”末，市場(chǎng)規(guī)模能達(dá)到400億美元。而作為企業(yè)應(yīng)用主體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)已被大型的IT企業(yè)看重，微軟已與Ansys展開(kāi)合作，阿里在城市大腦方向已開(kāi)展了數(shù)字孿生應(yīng)用，該技術(shù)的附加值正逐步得到應(yīng)用企業(yè)的認(rèn)可[4-5]。

2 基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生綜合管控平臺(tái)研究

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

總體架構(gòu)如圖1所示?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生綜合管控平臺(tái)包含4個(gè)層級(jí)，分別為物理層、數(shù)字孿生層、服務(wù)層、用戶層。物理層是實(shí)物對(duì)象的基礎(chǔ)，是所有數(shù)據(jù)來(lái)源。數(shù)據(jù)采集用于對(duì)前端人、機(jī)、物、料、環(huán)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和標(biāo)識(shí)，完成物理設(shè)備的感知。依托通用支撐技術(shù)，實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)建、數(shù)據(jù)集成、仿真分析等功能，是數(shù)字孿生層的重要支撐載體。服務(wù)層則在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景對(duì)物理目標(biāo)進(jìn)行編號(hào)，模擬處物理目標(biāo)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的行為及影響，以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、工藝分析、閉環(huán)優(yōu)化等功能。用戶層則是用可視化和虛擬現(xiàn)實(shí)為主要應(yīng)用技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

圖1 總體架構(gòu)

2.2 數(shù)據(jù)感知與采集

數(shù)據(jù)感知與采集作為實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，是對(duì)物理實(shí)體精準(zhǔn)映射和數(shù)據(jù)采集的重要步驟，數(shù)據(jù)感知與采集不僅要實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)體的多維度數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，還要做好與業(yè)務(wù)的協(xié)同辦公，做好在時(shí)域空域的標(biāo)識(shí)，保障實(shí)體信息可信可控。標(biāo)識(shí)作為物理實(shí)體在數(shù)字世界的身份信息，在實(shí)現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨級(jí)信息共享的同時(shí)，也是其在數(shù)字孿生數(shù)據(jù)庫(kù)的唯一身份，能夠提供快速索引和關(guān)聯(lián)信息交互等功能。

在數(shù)據(jù)采集方面，傳統(tǒng)的傳感器存在一些不足，與數(shù)字孿生數(shù)據(jù)高精準(zhǔn)的要求還有一定的差距，需采用智能化的傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息進(jìn)行分析、校準(zhǔn)等功能，同時(shí)也要實(shí)現(xiàn)傳感單元保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析等，使其不僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的基本功能，也能自發(fā)上報(bào)自身信息，建成感知的節(jié)點(diǎn)。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用領(lǐng)域，單一的傳感器也存在一些不確定性，可能會(huì)因?yàn)槲⑿」收隙绊憘鞲衅魇褂?，所以也需要考慮多傳感器的信息融合。當(dāng)手機(jī)完成監(jiān)測(cè)目標(biāo)多維數(shù)據(jù)后，需進(jìn)行特征識(shí)別和特征提取，選用常用的人工智能算法，例如聚類、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)合成，確保采集數(shù)據(jù)的合理性。

2.3 通用支撐技術(shù)研究

數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)通信作為數(shù)字孿生管控平臺(tái)通用支撐的基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體信息到數(shù)字化模型的重要橋梁。在制造工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中，現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)是制造場(chǎng)景設(shè)備內(nèi)部之間、設(shè)備與外部設(shè)備之間、設(shè)備與平臺(tái)之間聯(lián)通的基礎(chǔ)，目前主流的主要有無(wú)源RFID、無(wú)線AP、5G以及有線傳輸?shù)确绞?，?gòu)建現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)的多傳輸方式協(xié)同，滿足通信要求的同時(shí)也能提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維能力。高效的數(shù)據(jù)傳輸也是數(shù)字孿生通用支撐的關(guān)鍵技術(shù)，考慮使用智能路由，制定合理的信息交互機(jī)制，使得數(shù)據(jù)信息在傳輸時(shí)候能夠?qū)崿F(xiàn)自關(guān)聯(lián)、調(diào)配等功能，高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的路由配置。

為了解決網(wǎng)絡(luò)故障中常見(jiàn)問(wèn)題，還要采用基于SLA服務(wù)的服務(wù)質(zhì)量架構(gòu)，包含配置規(guī)則、保障機(jī)制、端到端映射規(guī)則等。該技術(shù)可以根據(jù)服務(wù)質(zhì)量的一些共性特征，來(lái)構(gòu)建API封裝的平臺(tái)。

完成數(shù)據(jù)傳輸通信后，在平臺(tái)實(shí)際運(yùn)行中，還需考慮網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，需要構(gòu)建一個(gè)面向網(wǎng)絡(luò)資源的智能調(diào)度技術(shù)，能夠依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、采樣周期等需求，對(duì)計(jì)算資源進(jìn)行協(xié)同編排，實(shí)現(xiàn)對(duì)前端感知數(shù)據(jù)的優(yōu)先傳輸，服務(wù)好管控平臺(tái)，滿足管控平臺(tái)的最優(yōu)部署要求。

2.4 應(yīng)用服務(wù)技術(shù)研究

數(shù)字建模是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生應(yīng)用服務(wù)的基礎(chǔ)，建模主要分為模型抽象、模型表達(dá)、模型構(gòu)建、模型運(yùn)行。首先對(duì)制造工業(yè)場(chǎng)景中的設(shè)備進(jìn)行特征提取，實(shí)現(xiàn)特征抽象化，再對(duì)提取后的信息進(jìn)行數(shù)字化描述，然后通過(guò)三維引擎對(duì)模型進(jìn)行渲染，之后完成數(shù)據(jù)模型的校驗(yàn)。為了更好地實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射，對(duì)通用支撐技術(shù)部分會(huì)提出更高的硬件要求、高性能計(jì)算及存儲(chǔ)要求等。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的典型設(shè)備采用json、xml等語(yǔ)言來(lái)自定義架構(gòu)及描述，通過(guò)MQTT等傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。對(duì)復(fù)雜裝備，則基于Modelica來(lái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在網(wǎng)絡(luò)數(shù)字化建模方面，以SNMP方式為主。通過(guò)對(duì)不同場(chǎng)景的建模分析，可以看出數(shù)字模型主要有幾何模型、機(jī)理模型、信息模型。也可根據(jù)業(yè)務(wù)需要，對(duì)多種模型進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，構(gòu)建出合適的工具和模型庫(kù)，例如場(chǎng)地環(huán)境、規(guī)則模型庫(kù)、工藝知識(shí)規(guī)則模型庫(kù)、典型裝備模型庫(kù)。

數(shù)字仿真是數(shù)字孿生管控平臺(tái)的重要應(yīng)用服務(wù)，在建模正確的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)機(jī)理數(shù)字化轉(zhuǎn)化，只要輸入信息和運(yùn)行數(shù)據(jù)，就可以大體仿真出現(xiàn)實(shí)世界的物理特性和工藝等?；跀?shù)字仿真，可實(shí)現(xiàn)在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的遠(yuǎn)程診斷、智能運(yùn)維、設(shè)備管理、工藝優(yōu)化等，也可對(duì)物理實(shí)體進(jìn)行定制化的分析、推演，并結(jié)合仿真結(jié)果來(lái)優(yōu)化物理實(shí)體的配置。

在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，主要是對(duì)工程系統(tǒng)進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)實(shí)際的制造狀態(tài)在數(shù)字化模型中模擬，再利用仿真來(lái)模擬出對(duì)物理實(shí)體的影響。在該場(chǎng)景中，可以對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)、裝備控制等進(jìn)行單元級(jí)的仿真，也可對(duì)離散或流程型產(chǎn)線進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)仿真，還可對(duì)場(chǎng)景中多個(gè)復(fù)雜子系統(tǒng)進(jìn)行體系級(jí)的仿真。

2.5 展示技術(shù)研究

面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，主要的展示技術(shù)為三維可視化及虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用技術(shù)。展示應(yīng)用技術(shù)基于三維引擎，多層次實(shí)時(shí)渲染，從宏觀的工廠場(chǎng)景到局部的設(shè)備單元細(xì)節(jié)，完成空間物理信息的可視化呈現(xiàn)，達(dá)到工廠、產(chǎn)線一體化，動(dòng)態(tài)靜態(tài)一體化，支持全局和部分的分開(kāi)展示。也可支持場(chǎng)景中無(wú)人設(shè)備、物流設(shè)備、工業(yè)機(jī)器人的模型可視化。

2.6 數(shù)字孿生集成

平臺(tái)的系統(tǒng)集成功能支持不同類型數(shù)據(jù)源的集成，對(duì)開(kāi)放且使用頻率高的數(shù)據(jù)通信協(xié)議制定標(biāo)準(zhǔn)接口，采用適配器方案，將標(biāo)準(zhǔn)接口傳遞的參數(shù)針對(duì)特定的數(shù)據(jù)協(xié)議進(jìn)行適配，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)中間件配置工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)所接設(shè)備及數(shù)據(jù)的相關(guān)信息，生成配置文件；物聯(lián)網(wǎng)中間件將配置文件通過(guò)MQTT通信模塊傳輸并保存至本地；通過(guò)協(xié)議配置解析模塊、數(shù)據(jù)配置解析模塊對(duì)配置文件進(jìn)行解析，獲取工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)設(shè)備和數(shù)據(jù)相關(guān)信息；對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)、端口和服務(wù)器設(shè)置，隨后將設(shè)備和數(shù)據(jù)相關(guān)信息傳至多協(xié)議適配與解析模塊；啟動(dòng)多協(xié)議適配與解析模塊，匹配設(shè)備類型，啟動(dòng)對(duì)應(yīng)協(xié)議庫(kù)，同設(shè)備進(jìn)行通信交互，完成設(shè)備多協(xié)議解析。

3 典型應(yīng)用

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)近年來(lái)已列入了國(guó)家發(fā)展實(shí)施戰(zhàn)略，已經(jīng)成為了制造業(yè)“十四五”發(fā)展的重要一環(huán)。通過(guò)構(gòu)建數(shù)字孿生綜合管控平臺(tái)，基于數(shù)據(jù)和模型，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)與管理的數(shù)據(jù)交互，完成工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)全要素、全鏈條的閉環(huán)優(yōu)化。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)制造場(chǎng)景下，數(shù)字孿生能夠貫穿制造過(guò)程，通過(guò)可視化管理來(lái)提升生產(chǎn)管控能力。對(duì)生產(chǎn)工藝做到可預(yù)測(cè)，故障診斷交互強(qiáng)?；诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生綜合管控平臺(tái)還能促進(jìn)制造企業(yè)進(jìn)行內(nèi)部改革，促使企業(yè)以數(shù)據(jù)帶動(dòng)技術(shù)，帶動(dòng)人才、資金、技術(shù)等多方面優(yōu)化，提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，降低維護(hù)成本等，做到了降本增效。具體應(yīng)用來(lái)說(shuō)，在常見(jiàn)場(chǎng)景中，制造設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控，包括對(duì)生產(chǎn)信息、監(jiān)控信息、維護(hù)信息的可視化呈現(xiàn)，能反饋至工藝過(guò)程，并能實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警與報(bào)警功能。在設(shè)備遠(yuǎn)程診斷方面，可以通過(guò)基于仿真數(shù)據(jù)的故障庫(kù)來(lái)縮短維修時(shí)間，同時(shí)可以縮短人才的培訓(xùn)時(shí)間。還可在此基礎(chǔ)上對(duì)典型工業(yè)設(shè)備進(jìn)行全生命周期管理，完成狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)、制造過(guò)程管控、運(yùn)行情況分析、設(shè)備維修故障庫(kù)等，滿足多層級(jí)管理需求。

工廠的狀態(tài)監(jiān)控及可視化呈現(xiàn)，構(gòu)建虛擬車間/工廠，對(duì)工廠全流程業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，能夠?qū)崿F(xiàn)車間虛實(shí)映射，在模型的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下，完成設(shè)備、生產(chǎn)要素、生產(chǎn)過(guò)程、物流等可視化呈現(xiàn)，進(jìn)而優(yōu)化車間的生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)一些輔助功能，例如生產(chǎn)前產(chǎn)能仿真、生產(chǎn)后問(wèn)題追溯等。

4 總結(jié)

基于數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建綜合管控平臺(tái)，是對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景的一種應(yīng)用探討，數(shù)字孿生技術(shù)近年來(lái)正處于快速發(fā)展期，也成為一些大型企業(yè)信息化管理抓手，不過(guò)國(guó)內(nèi)應(yīng)用目前還是處于初期階段，對(duì)于中小企業(yè)來(lái)說(shuō)，可能前期投資較大，難以成為普適的技術(shù)。同時(shí)數(shù)字孿生對(duì)企業(yè)基礎(chǔ)信息化能力要求較高，也給應(yīng)用帶來(lái)了一定的阻力。而面向行業(yè)來(lái)說(shuō)，跨級(jí)合作較多，資源整合難度也較大。然后在一些機(jī)理模型、數(shù)據(jù)仿真方面，還存在研究深度不夠的問(wèn)題，這也是未來(lái)重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)的方向。后續(xù)將針對(duì)以上問(wèn)題，進(jìn)一步基于平臺(tái)進(jìn)行合作研究，為推動(dòng)該技術(shù)在中國(guó)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展作出貢獻(xiàn)。