基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與邊緣計(jì)算的數(shù)字孿生車(chē)間構(gòu)建研究

陶雄杰

（廣州力控元海信息科技有限公司 廣東省廣州市 510000）

隨著我國(guó)十四五智能制造業(yè)發(fā)展計(jì)劃的出臺(tái)，文中也提到了建立虛實(shí)融合、知識(shí)驅(qū)動(dòng)、動(dòng)態(tài)優(yōu)化、安全高效、綠色低碳的智慧生產(chǎn)體系，以促進(jìn)傳統(tǒng)制造業(yè)進(jìn)行數(shù)字化改造。同時(shí)數(shù)字孿生技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的物理世界和信息世界互聯(lián)互通、信息交互，但數(shù)字孿生車(chē)間是一個(gè)復(fù)雜的離散制造體系，具有動(dòng)態(tài)性和復(fù)雜性等特點(diǎn)。以往采用的云計(jì)算模式是集中式群集模式特點(diǎn)，數(shù)據(jù)計(jì)算節(jié)點(diǎn)一般會(huì)遠(yuǎn)離智能終端，難以支撐起工業(yè)領(lǐng)域?qū)?shù)據(jù)高實(shí)時(shí)、低延遲的需求。邊緣計(jì)算可以解決基于云計(jì)算的數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性差的問(wèn)題。邊緣計(jì)算是一種分布式計(jì)算架構(gòu)，它將在IOT平臺(tái)上的數(shù)據(jù)分析、設(shè)備管理與信息服務(wù)推送到邊緣節(jié)點(diǎn)執(zhí)行。利用邊緣網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)將云平臺(tái)海量數(shù)據(jù)與服務(wù)運(yùn)算進(jìn)行分解處理，將切割分解后的數(shù)據(jù)交由邊緣節(jié)點(diǎn)運(yùn)算。運(yùn)算距離設(shè)備終端越近越容易得到實(shí)時(shí)消息反饋。

本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與邊緣計(jì)算的數(shù)字孿生系統(tǒng)，基于物聯(lián)網(wǎng)(internet of things,IOT)、邊緣計(jì)算、數(shù)字孿生技術(shù)等領(lǐng)先的技術(shù)，通過(guò)設(shè)備-設(shè)備之間、設(shè)備-人之間的互通互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)高效生產(chǎn)與安全預(yù)警，達(dá)到優(yōu)化生產(chǎn)線(xiàn)布局、增強(qiáng)車(chē)間安全保障、提高車(chē)間管理效率的目的。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

近年來(lái)，數(shù)字孿生技術(shù)、IOT云平臺(tái)、邊緣節(jié)點(diǎn)計(jì)算等新技術(shù)在各領(lǐng)域中廣泛運(yùn)用，為探索實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合、安全高效、綠色低碳的智能制造環(huán)境下數(shù)據(jù)融合互通互聯(lián)以迅速應(yīng)答市場(chǎng)需求的云端制造虛實(shí)融合新模式提供了新的參考理念。

1.1 數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（digitaltwin）是以數(shù)字化方式創(chuàng)建物理實(shí)體的虛擬模型，借助數(shù)據(jù)模擬物理實(shí)體在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的行為，通過(guò)虛實(shí)交互反饋、數(shù)據(jù)融合分析、決策迭代優(yōu)化等手段，為物理實(shí)體增加或擴(kuò)展新的能力。洛克希德馬丁、達(dá)索、西門(mén)子、PTC 等近年來(lái)都穩(wěn)步推進(jìn)在數(shù)字孿生領(lǐng)域的研發(fā)與布局，洛克希德馬丁公司的主要研究領(lǐng)域是通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)和IOT等技術(shù)對(duì)多種信息和美國(guó)海軍電子系統(tǒng)的融合，達(dá)索公司研發(fā)方向是對(duì)生產(chǎn)線(xiàn)信息進(jìn)行建模仿真和協(xié)同融合，而西門(mén)子公司則是“數(shù)字孿生”概念的發(fā)起者，其主要研發(fā)方向是對(duì)制造流程和設(shè)計(jì)過(guò)程中的大量信息進(jìn)行研究和管理，PTC 主要針對(duì)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)與數(shù)字孿生的融合使得視覺(jué)效果更為逼真。然而，目前還沒(méi)有相關(guān)研究涉及數(shù)字孿生+IOT云平臺(tái)+邊緣計(jì)算實(shí)現(xiàn)云端智能制造等方向。

1.2 IOT云平臺(tái)

IOT云平臺(tái)是新一代信息技術(shù)與先進(jìn)制造業(yè)結(jié)合形成的新興應(yīng)用模式，在工業(yè)界有著廣泛的應(yīng)用前景，物聯(lián)網(wǎng)是指借助各種無(wú)線(xiàn)設(shè)備將互聯(lián)網(wǎng)延伸至實(shí)體物品，進(jìn)行物物相連、人物相連，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理。IOT云平臺(tái)可通過(guò)與SCADA系統(tǒng)MES系統(tǒng)深度融合，并通過(guò)邊緣節(jié)點(diǎn)將產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)提交到云平臺(tái)打破了工業(yè)組態(tài)軟件在傳輸距離短、傳輸條件差的問(wèn)題并減少了生產(chǎn)環(huán)境的對(duì)統(tǒng)信的影響。利用IOT云平臺(tái)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)智能制造生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與異常預(yù)警，為實(shí)現(xiàn)安全高效、綠色低碳生產(chǎn)提供了重要依據(jù)，加速了企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的步伐。

1.3 邊緣計(jì)算

邊緣計(jì)算將云服務(wù)中心的計(jì)算、分析、存儲(chǔ)等能力擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)邊緣，能夠提供低延遲、高可靠和隱私保護(hù)的本地計(jì)算服務(wù)，解決了數(shù)據(jù)傳輸成本高、延遲大、安全隱私性差等問(wèn)題。因此，針對(duì)數(shù)字孿生車(chē)間在實(shí)現(xiàn)虛實(shí)融合需要接入海量數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)延遲滯后、帶寬競(jìng)爭(zhēng)激烈、可靠性差等問(wèn)題，基于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的解決方案為數(shù)字孿生車(chē)間目前所面臨的問(wèn)題提供了參考。

2 物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的體系構(gòu)建

物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算致力于解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和部署過(guò)程中的問(wèn)題。本文構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算體系，如圖1所示，將不同于傳統(tǒng)云計(jì)算的體系，通過(guò)學(xué)習(xí)與參考工業(yè)生產(chǎn)中的邊緣計(jì)算技術(shù)，提出了以IOT云平臺(tái)+邊緣計(jì)算作為中央處理的“云、管、邊、端”體系。體系中，“云”是指IOT云平臺(tái)將提供各管理系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)、數(shù)據(jù)服務(wù)等安裝部署服務(wù)。“管”是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要組成也是實(shí)現(xiàn)廠級(jí)數(shù)據(jù)展示數(shù)據(jù)交互的通道。"邊"是指邊緣計(jì)算網(wǎng)關(guān)，具有采集、通信、計(jì)算和分析、控制的功能并提供了邊緣計(jì)算服務(wù)。以提高數(shù)據(jù)處理與分析能力。“端”是物理層硬件終端，是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理設(shè)備環(huán)境與運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)信息等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)、采集、感知。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算體系

該體系云平臺(tái)能夠?qū)θ诌M(jìn)行整體管控，對(duì)邊緣節(jié)點(diǎn)提交上來(lái)的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析與挖掘，利用大數(shù)據(jù)分析挖掘出對(duì)企業(yè)升級(jí)轉(zhuǎn)型的有效數(shù)據(jù)；同時(shí)將數(shù)字孿生系統(tǒng)部署在云端利用邊緣計(jì)算分布式布局側(cè)重于局部處理，可以更好的滿(mǎn)足數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)需求。采用邊緣計(jì)算與云計(jì)算相輔相成、相互協(xié)調(diào)并進(jìn)，對(duì)促進(jìn)行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型上提供了有力的支撐。

3 數(shù)字孿生系統(tǒng)設(shè)計(jì)策略

由于數(shù)字孿生具備虛實(shí)融合與實(shí)時(shí)交互、迭代運(yùn)行與優(yōu)化、以及全要素/全流程/全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)等特點(diǎn)，本文提出的基于物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算的數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)分為五層。分別為物理層、邊緣層、服務(wù)層、傳輸層和應(yīng)用層。

3.1 物理層

物理層是指物理車(chē)間現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)環(huán)境，主要包括人、機(jī)、料、等幾大類(lèi)，如操作工人、工業(yè)機(jī)器人、電機(jī)、生產(chǎn)原料、AVG小車(chē)等。各設(shè)備之間通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)互通互聯(lián)是制造車(chē)間的主體。同時(shí)生產(chǎn)環(huán)境也包括了各環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備的布局，溫濕度、管道、風(fēng)機(jī)、粉塵等環(huán)境設(shè)備，通過(guò)傳感器采集的運(yùn)行參數(shù)與基本數(shù)據(jù)，是建立虛擬層并驅(qū)動(dòng)虛擬層的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.2 邊緣層

邊緣層是實(shí)現(xiàn)對(duì)物理層設(shè)備的數(shù)據(jù)采集和協(xié)議轉(zhuǎn)換，邊緣計(jì)算為服務(wù)層與物理層之間搭建數(shù)據(jù)橋梁。邊緣計(jì)算可滿(mǎn)足數(shù)字孿生車(chē)間對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)選取與分析，使得生產(chǎn)車(chē)間的自動(dòng)化水平大大提升，并實(shí)現(xiàn)其對(duì)目標(biāo)屬性的自動(dòng)識(shí)別和故障預(yù)警，輔助實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車(chē)間全自動(dòng)化動(dòng)態(tài)勢(shì)感知的目標(biāo)。

3.3 服務(wù)層

服務(wù)層是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車(chē)間的一個(gè)重要組成部分。能夠?yàn)閿?shù)字孿生車(chē)間提供各項(xiàng)服務(wù)，反映出物理設(shè)備動(dòng)靜變化與提供數(shù)據(jù)支撐，并與物理層設(shè)備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步。服務(wù)層還為各應(yīng)用提供數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)服務(wù)經(jīng)過(guò)加工處理與存儲(chǔ)，為企業(yè)駕駛艙提供信息化服務(wù)。

3.4 傳輸層

傳輸層是連接服務(wù)層和應(yīng)用層的通道。通過(guò)定義數(shù)據(jù)接口和網(wǎng)絡(luò)傳輸，可實(shí)現(xiàn)在兩層級(jí)中進(jìn)行雙向的數(shù)據(jù)傳遞。一方面，傳輸層將邊緣層采集處理好的運(yùn)行數(shù)據(jù)傳送給服務(wù)層，通過(guò)服務(wù)層中的腳本映射完成了物理層與應(yīng)用層的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)映射，另一方面，應(yīng)用層可通過(guò)傳輸層發(fā)送控制指令或數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)服務(wù)層的映射從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制。

3.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的重要組成部分，使用者通過(guò)應(yīng)用層與系統(tǒng)進(jìn)行交互實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生車(chē)間的應(yīng)用，主要功能包含了三維可視化監(jiān)控和虛實(shí)聯(lián)動(dòng)與自動(dòng)巡檢功能。利用三維可視化監(jiān)控功能可實(shí)現(xiàn)對(duì)全局設(shè)備運(yùn)行參數(shù)與狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)同時(shí)設(shè)置故障預(yù)警提升設(shè)備運(yùn)行效率。利用自動(dòng)巡檢功能可自動(dòng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行全方位的監(jiān)控，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效存儲(chǔ)為后期排查與預(yù)警提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

4 構(gòu)建虛擬車(chē)間編輯模式

傳統(tǒng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)基本采用的C/S模式，且客戶(hù)端軟件十分龐大給軟件的安裝與系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)了極大的不便。本文利用WebGL技術(shù)將傳統(tǒng)的C/S模式三維場(chǎng)景構(gòu)建編輯器改進(jìn)為更簡(jiǎn)捷可上云平臺(tái)的B/S模式。圖2所示為本文三維場(chǎng)景構(gòu)建編輯模式結(jié)構(gòu)。

圖2：三維場(chǎng)景構(gòu)建編輯模式結(jié)構(gòu)

通過(guò)編輯模式實(shí)現(xiàn)了不同場(chǎng)景管理。利用繪制工具根據(jù)CAD圖紙1:1復(fù)原，并可根據(jù)需求實(shí)現(xiàn)孿生車(chē)間搭建，同時(shí)也提升了對(duì)車(chē)間進(jìn)行規(guī)劃的效率。通過(guò)對(duì)模型位置的坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換可實(shí)現(xiàn)2D/3D效果的切換，由此實(shí)現(xiàn)了由物理車(chē)間到云端數(shù)字孿生車(chē)間的轉(zhuǎn)變。

5 構(gòu)建虛擬車(chē)間運(yùn)行模式

圖3為本文的虛擬車(chē)間運(yùn)行模式結(jié)構(gòu)。用戶(hù)訪問(wèn)系統(tǒng)選擇對(duì)應(yīng)的場(chǎng)景進(jìn)行工程文件解析，通過(guò)工程文件獲取該工程模型資源進(jìn)行加載。再根據(jù)設(shè)備所映射的點(diǎn)位信息與孿生模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)映射，實(shí)現(xiàn)虛擬場(chǎng)景與物理場(chǎng)景的同步。用戶(hù)通過(guò)虛擬車(chē)間即可查看這個(gè)物理車(chē)間的設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況，同時(shí)通過(guò)響應(yīng)用戶(hù)的交互事件，可以切換不同功能與監(jiān)控界面和場(chǎng)景。

圖3：三維場(chǎng)景運(yùn)行模式結(jié)構(gòu)

6 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用模型分析

6.1 數(shù)字孿生車(chē)間的構(gòu)建

某公司鋰電池材料(燒結(jié))自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)正在進(jìn)行智能標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)車(chē)間升級(jí)改造信息化與數(shù)字孿生車(chē)間，通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)完成了孿生車(chē)間的搭建并在物理車(chē)間接入了邊緣網(wǎng)關(guān)與SCADA系統(tǒng)對(duì)車(chē)間產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備接入IOT云平臺(tái)與數(shù)字孿生系統(tǒng)以提升車(chē)間生產(chǎn)效率與智能化水平，并通過(guò)數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)分析用以提升優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量。

6.2 邊緣計(jì)算與數(shù)字孿生方案驗(yàn)證

6.2.1 姿態(tài)反饋驗(yàn)證

通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，查看數(shù)字孿生系統(tǒng)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)面板數(shù)據(jù)變化與設(shè)備狀態(tài)，可進(jìn)行數(shù)據(jù)映射并復(fù)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程為對(duì)卸缽區(qū)的下料機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)重現(xiàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的控制面板對(duì)運(yùn)行參數(shù)的輸入，實(shí)現(xiàn)對(duì)下料機(jī)械臂控制。同時(shí)數(shù)字孿生系統(tǒng)接收機(jī)械臂的運(yùn)行參數(shù)，查看孿生模型運(yùn)行狀態(tài)與物理機(jī)械臂機(jī)器人實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)是否一致。通過(guò)對(duì)比物理設(shè)備與孿生模型的姿態(tài)，如圖4所示。兩者狀態(tài)一致，說(shuō)明姿態(tài)反饋正確。

圖4：狀態(tài)虛實(shí)聯(lián)動(dòng)

6.2.2 數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性驗(yàn)證

為了減弱系統(tǒng)對(duì)短期實(shí)時(shí)性結(jié)果的影響，本次實(shí)驗(yàn)的終止條件設(shè)置為檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行12h。并根據(jù)該周期內(nèi)的設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)與數(shù)字孿生系統(tǒng)的歷史存儲(chǔ)數(shù)據(jù)作為評(píng)估指標(biāo)，輸出了本次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。首先除數(shù)據(jù)傳輸方式不一致外，其他因素都相同，設(shè)計(jì)了邊緣計(jì)算與傳統(tǒng)的云計(jì)算兩種實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本實(shí)驗(yàn)中采用邊緣計(jì)算傳輸設(shè)備終端運(yùn)行數(shù)據(jù)延遲周期更低。數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，利用邊緣計(jì)算服務(wù)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)流不斷驅(qū)動(dòng)虛擬車(chē)間運(yùn)行達(dá)到的實(shí)時(shí)虛擬聯(lián)動(dòng)效果更佳。

7 結(jié)束語(yǔ)

為了加快數(shù)字化轉(zhuǎn)型與智能賦能的突進(jìn)，本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)與邊緣計(jì)算的數(shù)字孿生車(chē)間架構(gòu)，闡述了可部署云端的數(shù)字孿生系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)出了零代碼編輯器利通過(guò)拖拉拽方式即可完成了虛擬場(chǎng)景的搭建，并通過(guò)進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)完成了物理層和孿生車(chē)間的虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，利用邊緣計(jì)算技術(shù)提升了數(shù)據(jù)傳輸效率可以更加便捷地響應(yīng)設(shè)備請(qǐng)求，提升車(chē)間生產(chǎn)效率，降低車(chē)間安全事故發(fā)生。數(shù)字孿生車(chē)間實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理車(chē)間全方位的實(shí)時(shí)監(jiān)控并進(jìn)行了故障預(yù)警與自動(dòng)巡檢。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)具備較好的實(shí)時(shí)性、交互性與實(shí)用性，為云端智能制造數(shù)字孿生系統(tǒng)的研究提供了一定的參考。