【51CTO.com快譯】數(shù)字孿生技術(shù)如今在工業(yè)環(huán)境中很受歡迎，因此了解數(shù)字孿生概念是如何定義以及如何部署至關(guān)重要。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)字孿生的概念

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備是一種通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)從一個(gè)地方傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的硬件(通常是傳感器)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的類型包括傳感器、執(zhí)行器以及更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)設(shè)備。

數(shù)字孿生(Digital Twins)是物理對(duì)象的軟件表示。數(shù)字孿生必須包含它所代表的物理對(duì)象的唯一標(biāo)識(shí)符。然而，只有在添加了附加信息(例如位置、溫度、濕度等感官信息)和驅(qū)動(dòng)能力(開/關(guān)燈)之后才能實(shí)現(xiàn)其目的。數(shù)字孿生通常會(huì)包含額外的輔助數(shù)據(jù)，例如設(shè)備的固件版本、配置、校準(zhǔn)和設(shè)定點(diǎn)數(shù)據(jù)等。

當(dāng)談到驅(qū)動(dòng)時(shí)，人們經(jīng)常將數(shù)字孿生稱為其物理表示的“影子”，以強(qiáng)調(diào)驅(qū)動(dòng)始終是事務(wù)性的這一事實(shí)。例如，數(shù)字孿生改變其設(shè)備狀態(tài)(關(guān)閉或打開)的意圖需要向設(shè)備發(fā)送特定命令，在成功完成驅(qū)動(dòng)之后需要將其傳遞回調(diào)用者。

數(shù)字孿生有時(shí)也被稱為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的虛擬表示，它們并不完全相同。需要仔細(xì)了解這兩個(gè)類別，因?yàn)樗鼈冎g的差異實(shí)際上比人們想象的要大。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)字孿生代表的是同一件事嗎?當(dāng)事情大致相同時(shí)可能是。

公用事業(yè)公司的業(yè)務(wù)通常包括能源(電力、天然氣)和水的調(diào)配和管理。而在公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)中部署連接設(shè)備，并收集有助于更有效和可靠地提供服務(wù)的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建新的服務(wù)和商業(yè)模式。以物聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化和分析軟件年代商Waylay公司為例，該公司提供的解決方案發(fā)揮了重要的集成作用。在這個(gè)例子中，一家公用事業(yè)公司決定為客戶提供一個(gè)平臺(tái)，用戶可以通過這個(gè)平臺(tái)檢查他們的能源和水的消費(fèi)情況，并設(shè)置警報(bào)和閾值進(jìn)行提醒。

在這一示例中，公用事業(yè)公司將智能儀表與LPWAN物聯(lián)網(wǎng)傳感器連接以測(cè)量用水量。其自動(dòng)化規(guī)則的創(chuàng)建基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)查看物理對(duì)象的客戶門戶，并且相當(dāng)簡(jiǎn)單，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)設(shè)備、物理對(duì)象及其數(shù)字孿生存在一對(duì)一的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

當(dāng)物理對(duì)象、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和數(shù)字孿生之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系被打破時(shí)

讓我們?cè)倏匆粋€(gè)更加復(fù)雜的例子，假設(shè)想在一臺(tái)設(shè)備上部署幾個(gè)物理物聯(lián)網(wǎng)傳感器。每個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都可以提供氣壓、溫度、能耗等信息。在這種情況下，無(wú)法定義代表設(shè)備的單個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。必須考慮所有連接的物聯(lián)網(wǎng)傳感器/設(shè)備的組合輸入，以獲得其相關(guān)對(duì)象的完整視圖。當(dāng)將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備放置在更復(fù)雜設(shè)備的不同部分時(shí)，人們不僅對(duì)這些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的每一個(gè)單獨(dú)測(cè)量的內(nèi)容感興趣，而且對(duì)它們揭示的整個(gè)底層對(duì)象的信息感興趣。在這種情況下，數(shù)字孿生成為其所在環(huán)境中物理對(duì)象的虛擬表示。它反映了來(lái)自物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)以及對(duì)設(shè)備性能有影響的環(huán)境條件。

在下面的例子中，法國(guó)能源商ENGIE公司使用Waylay公司的自動(dòng)化技術(shù)為其智能電氣柜設(shè)計(jì)了一個(gè)解決方案。ENGIE Smart Cabin解決方案基于安裝在電壓?jiǎn)卧系囊唤M傳感器來(lái)監(jiān)控高壓電氣柜的電源和關(guān)鍵參數(shù)。這一解決方案還可以監(jiān)控機(jī)柜內(nèi)部的溫度、濕度和門禁。傳感器數(shù)據(jù)首先通過IoT Sigfox網(wǎng)絡(luò)傳輸，然后由Waylay平臺(tái)收集和處理數(shù)據(jù)，以檢測(cè)異常或電源中斷、生成警報(bào)并升級(jí)警報(bào)以進(jìn)行快速干預(yù)。此外，客戶還可以通過Smart Cabin儀表板獲得實(shí)時(shí)狀態(tài)視圖。

在這個(gè)用例中，多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(傳感器)被部署在一個(gè)電氣柜中，可以將其轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)智能電氣柜。這些設(shè)備通過Sigfox網(wǎng)絡(luò)將傳感器讀數(shù)傳輸?shù)絎aylay平臺(tái)。高壓電氣柜的電壓方案及其物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署位置如下圖所示：

ENGIE公司的Smart Cabin解決方案

在這個(gè)項(xiàng)目中，Waylay平臺(tái)解決了以下挑戰(zhàn)：

• 來(lái)自不同物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)必須從幾分鐘到幾小時(shí)的異步時(shí)間范圍內(nèi)合并。
• 自動(dòng)化規(guī)則由來(lái)自不同傳感器的讀數(shù)組合而成。
• 每個(gè)傳感器都有自己的角色(相對(duì)于其他傳感器，而不僅僅是簡(jiǎn)單的“復(fù)合/聚合”關(guān)系)
• 每個(gè)電氣柜都有多個(gè)自動(dòng)化規(guī)則。
• 發(fā)生事故時(shí)，可以針對(duì)不同的電氣柜需要通知不同的人員或角色。
• 必須配置每個(gè)電氣柜，并且必須使用其傳感器組自動(dòng)實(shí)例化邏輯。
• 所有供應(yīng)都必須通過API提供，并從無(wú)代碼門戶運(yùn)行。該解決方案應(yīng)允許在配置設(shè)備后立即應(yīng)用規(guī)則，而無(wú)需預(yù)先發(fā)送數(shù)據(jù)。
• 動(dòng)態(tài)發(fā)現(xiàn)方案應(yīng)允許基于檢測(cè)到的傳感器數(shù)量創(chuàng)建規(guī)則。如果不應(yīng)部署某些傳感器(每個(gè)電氣柜都有自己的特定要求或限制)，則必須根據(jù)數(shù)字孿生的“完整性”自動(dòng)調(diào)整自動(dòng)化規(guī)則。

ENGIE公司的Smart Cabin自動(dòng)化規(guī)則

數(shù)字孿生的配置——零接觸配置

當(dāng)人們談?wù)撐锫?lián)網(wǎng)應(yīng)用程序的可擴(kuò)展性時(shí)，通常會(huì)從存儲(chǔ)容量、查詢時(shí)間、流攝取率等方面考慮。一個(gè)經(jīng)常被忽視但確實(shí)非常重要的問題是配置過程的可擴(kuò)展性。Waylay平臺(tái)的供應(yīng)API部分提供了解決方案，但還可以提供更多幫助。Waylay平臺(tái)的數(shù)字孿生概念基于JSON模式，可以針對(duì)任何特定的垂直領(lǐng)域進(jìn)行擴(kuò)展。Waylay的數(shù)字孿生概念類似于面向?qū)ο缶幊?OOP)世界中的類/對(duì)象關(guān)系。它使數(shù)字孿生能夠利用繼承和關(guān)系建模。

Waylay平臺(tái)的另一個(gè)獨(dú)特功能是能夠?qū)⒆詣?dòng)化規(guī)則與一類數(shù)字孿生相關(guān)聯(lián)，而不是與數(shù)字孿生的單個(gè)實(shí)例相關(guān)聯(lián)。這使得Waylay平臺(tái)的配置過程和新用例的實(shí)施極其快速、高效和可擴(kuò)展——通常也稱為零接觸配置。

最重要的是，自動(dòng)化規(guī)則可以在運(yùn)行時(shí)訪問所有數(shù)字孿生配置，這允許平臺(tái)用戶(設(shè)置供應(yīng)流程的人員)還可以定義客戶特定的設(shè)置，例如自定義閾值設(shè)置、SMS通知號(hào)碼、電子郵件地址等。

向工業(yè)4.0過渡對(duì)數(shù)字孿生的七項(xiàng)要求

在向工業(yè)4.0過渡的過程中使用數(shù)字孿生概念帶來(lái)了具體的挑戰(zhàn)。在選擇合適的數(shù)字孿生技術(shù)和相應(yīng)的自動(dòng)化平臺(tái)時(shí)，需要考慮以下七項(xiàng)要求：

(1)數(shù)字孿生表示不僅與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有關(guān)，還必須涵蓋更廣泛的抽象能力。

(2)必須允許數(shù)字孿生解決方案對(duì)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的關(guān)系進(jìn)行建模。客戶應(yīng)該能夠創(chuàng)建特定于其垂直或用例的新數(shù)字孿生模型。

(3)自動(dòng)化平臺(tái)必須提供一個(gè)配置基礎(chǔ)設(shè)施，可以支持創(chuàng)建數(shù)字孿生，并將其與不同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備相關(guān)聯(lián)(包括建模關(guān)系)。

(4)在這些“復(fù)合”對(duì)象上創(chuàng)建自動(dòng)化場(chǎng)景(規(guī)則)應(yīng)該是無(wú)縫的——也就是說(shuō)，自動(dòng)化模板應(yīng)該可以分配給這些對(duì)象，而不僅僅是分配給物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間的任何特定關(guān)系都應(yīng)在配置過程中自動(dòng)解決。例如，故障或維護(hù)任務(wù)應(yīng)適用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)實(shí)體，而不適用于空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(HVAC)的特定傳感器/傳感測(cè)量。

(5)一般來(lái)說(shuō)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備應(yīng)該能夠在不同的時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)，因此流數(shù)據(jù)的無(wú)縫合并必須是可能的。

(6)自動(dòng)化規(guī)則必須能夠訪問配置數(shù)據(jù)(例如運(yùn)行時(shí)的閾值交叉)，這些配置會(huì)隨著時(shí)間而改變。在運(yùn)行時(shí)，所有自動(dòng)化規(guī)則都必須了解這些更改。

(7)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)允許最終用戶在數(shù)字孿生資產(chǎn)系列上創(chuàng)建自動(dòng)化規(guī)則，這應(yīng)在配置時(shí)完成。這強(qiáng)制要求不同的HVAC系列需要不同的規(guī)則，這些規(guī)則應(yīng)該只配置一次，而不是在單個(gè)資產(chǎn)上配置。

未來(lái)的發(fā)展

在這篇文章中介紹了數(shù)字孿生概念，其中數(shù)字孿生與其物理表示相差不遠(yuǎn)，而數(shù)字孿生則作為現(xiàn)實(shí)世界物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的反映而存在。

最近，很多人開始討論數(shù)字孿生應(yīng)用在虛擬世界中的場(chǎng)景。在這個(gè)世界中，數(shù)字孿生用于模擬現(xiàn)實(shí)并允許對(duì)不同的“假設(shè)”場(chǎng)景進(jìn)行建模，這些場(chǎng)景稍后可以由數(shù)字孿生的物理代表應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)世界。而模擬的想法并不新穎，長(zhǎng)期以來(lái)，工程師一直在飛行模擬中使用這些技術(shù)，在設(shè)計(jì)渦輪機(jī)時(shí)對(duì)動(dòng)態(tài)流動(dòng)進(jìn)行建模，或者在對(duì)人群流動(dòng)進(jìn)行建模為城市規(guī)劃者提供這些技術(shù)。數(shù)字孿生增加的新穎性是實(shí)施場(chǎng)景的可塑性，其具有廣泛的應(yīng)用，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最新進(jìn)展。數(shù)字孿生如今才開始走上激動(dòng)人心的旅程，人們可以期待在未來(lái)可以看到更多的模擬應(yīng)用。

原文標(biāo)題：Challenges of Creating Digital Twins in the Transition to Industry 4.0，作者：Veselin Pizurica

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