面向數(shù)字孿生的通信控制組件設(shè)計(jì)與應(yīng)用驗(yàn)證研究

張立霞 張帥

[摘 要]在新型智能制造模式下，想要解決賽博世界與物理世界互聯(lián)、互通、互融等難題，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)精準(zhǔn)映射、賽博控制物理的目標(biāo)，可以進(jìn)行數(shù)字孿生的通信控制組件設(shè)計(jì)。首先，本文通過研究數(shù)字孿生技術(shù)，總結(jié)了數(shù)字孿生應(yīng)用對(duì)通信控制的需求，規(guī)定了通信控制組件設(shè)計(jì)和應(yīng)用驗(yàn)證的范圍;其次，提出了通信控制組件的總體框架和設(shè)計(jì)思路;最后，對(duì)通信控制組件的功能和性能等進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證，達(dá)到了良好的效果，為打通互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（Internet Technology，IT）與運(yùn)營(yíng)技術(shù)（Operational Technology，OT）的融合壁壘奠定了實(shí)踐基礎(chǔ)。

[關(guān)鍵詞]數(shù)字孿生;物聯(lián)網(wǎng);互聯(lián)互通;通信控制;信息物理融合

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2020.24.094

[中圖分類號(hào)]TH164;F273[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A[文章編號(hào)]1673-0194（2020）24-0-04

0? ? ?引 言

隨著信息化與工業(yè)化的深度融合，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等新一代信息技術(shù)逐漸滲透到工業(yè)企業(yè)和制造過程的各個(gè)環(huán)節(jié)，推動(dòng)了“網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同、智能化生產(chǎn)、個(gè)性化定制、服務(wù)化延伸”為代表的新型智能制造模式的發(fā)展。這些新型智能制造模式的共同目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)制造的賽博空間與物理空間的精準(zhǔn)映射、賽博控制物理，并通過相互迭代優(yōu)化實(shí)現(xiàn)智能應(yīng)用。然而，實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的共同瓶頸之一是物理空間與賽博空間的互聯(lián)、互通、互融。從目前制造業(yè)設(shè)備孤島嚴(yán)重，通信協(xié)議多、標(biāo)準(zhǔn)雜，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性差，互聯(lián)、互通安全隱患大等難點(diǎn)和急需解決問題的現(xiàn)狀出發(fā)，打破互聯(lián)、互通、互融約束，實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，是數(shù)據(jù)采集與控制過程中必須克服的問題?；诖?，本研究提出了一種面向數(shù)字孿生的通信控制組件設(shè)計(jì)解決方案。

1? ? ?面向數(shù)字孿生的通信控制需求概述

1.1? ?數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生（Digital Twin）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，增加物理實(shí)體或擴(kuò)展新的能力。數(shù)字孿生作為解決智能制造賽博物理融合難題和踐行智能制造理念與目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，在學(xué)術(shù)界和業(yè)界已經(jīng)成為共識(shí)。數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)字孿生應(yīng)用十分重要，是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)力之一，主要源于物理實(shí)體、虛擬模型、服務(wù)系統(tǒng)，同時(shí)在融合處理后又融入各部分中，推動(dòng)了各部分的運(yùn)轉(zhuǎn)，是數(shù)字孿生應(yīng)用的“血液”。因此，數(shù)據(jù)采集與控制就是數(shù)字孿生的“造血干細(xì)胞”，源源不斷地為數(shù)字孿生提供新鮮“血液”。

1.2? ?數(shù)字孿生應(yīng)用對(duì)通信控制的需求

針對(duì)目前數(shù)字孿生應(yīng)用在實(shí)際執(zhí)行過程中物理空間和賽博空間的數(shù)據(jù)還存在部分孤立，一致性與同步性差，執(zhí)行結(jié)果的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性有待提升等現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)賽博物理數(shù)據(jù)之間“上傳下達(dá)”的通信控制組件必須具備以下能力。

1.2.1? ?廣泛異構(gòu)連接

廣泛異構(gòu)連接是通信控制的基礎(chǔ)?？紤]到制造現(xiàn)場(chǎng)存在多源設(shè)備、多樣協(xié)議、異構(gòu)系統(tǒng)等，通信控制組件必須具備靈活網(wǎng)絡(luò)接口、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、快速部署和配置等基礎(chǔ)能力。

1.2.2? ?采集與控制實(shí)時(shí)性

工業(yè)領(lǐng)域的控制、執(zhí)行、檢測(cè)等行為實(shí)時(shí)性高，實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)需要實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)支撐，因此，通信控制組件的數(shù)據(jù)采集和指令控制必須具備實(shí)時(shí)性的能力。

1.2.3? ?數(shù)據(jù)處理與優(yōu)化

通信控制組件作為物理世界到數(shù)字世界的橋梁，是數(shù)據(jù)的第一入口，擁有大量、實(shí)時(shí)、完整的數(shù)據(jù)。在邊緣端預(yù)處理和優(yōu)化爆炸式增長(zhǎng)的“大數(shù)據(jù)”可以減輕云端服務(wù)器存儲(chǔ)、計(jì)算壓力，優(yōu)化資源配置。

1.2.4? ?確定、可靠、安全

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的工作條件要求苛刻、運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣，確定、可靠、安全的工業(yè)組件是保證工業(yè)制造過程連續(xù)創(chuàng)造價(jià)值的重要保障。

2? ? ?可靠的通信控制組件設(shè)計(jì)

2.1? ?通信控制組件的架構(gòu)設(shè)計(jì)

在實(shí)際的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)過程中，本文提出構(gòu)建如圖1所示的通信控制組件總體架構(gòu)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的連接與互動(dòng)，支持不同種類異構(gòu)設(shè)備的廣泛連接和通信協(xié)議解析，并確保敏捷連接實(shí)時(shí)可靠，最終滿足業(yè)務(wù)實(shí)時(shí)、數(shù)據(jù)優(yōu)化、應(yīng)用智能、安全保護(hù)等方面的需求。

2.1.1? ?設(shè)備層

設(shè)備層主要是現(xiàn)場(chǎng)制造過程中用到的各類設(shè)備，包括：以傳感器、采集器等為主的專用采集設(shè)備;以可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）、遠(yuǎn)程終端單元（Remote Terminal Unit，RTU）等為主的通用控制設(shè)備;以數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、自動(dòng)導(dǎo)引運(yùn)輸車（Automated Guided Vehicle，AVG）等為主的智能設(shè)備或裝備。

2.1.2? ?邊緣層

邊緣層主要是指邊緣智能網(wǎng)關(guān)功能，實(shí)現(xiàn)設(shè)備連接、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理。其中，為了提高軟件性能，通信控制組件的邊緣層在邏輯上分為兩層。上一層是網(wǎng)關(guān)層，包含四大服務(wù)：①基礎(chǔ)類服務(wù)，具體功能為接口管理、設(shè)備管理、日志管理、安全管理、負(fù)載均衡等;②控制服務(wù)，具體功能為控制信息建模、協(xié)議適配、指令解析、異常處理反饋;③消息服務(wù)，具體功能為運(yùn)用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸外文名（Message Queuing Telemetry Transport，MQTT）等消息隊(duì)列機(jī)制進(jìn)行數(shù)據(jù)消息的接收與分發(fā);④數(shù)據(jù)預(yù)處理服務(wù)，具體功能為數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)特征標(biāo)識(shí)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)消息接收。下一層是協(xié)議層，主要用于各類設(shè)備連接、協(xié)議解析與轉(zhuǎn)換、雙向通信。

2.1.3? ?應(yīng)用層

應(yīng)用層為生產(chǎn)制造領(lǐng)域中常用的各種應(yīng)用系統(tǒng)和云平臺(tái)相關(guān)應(yīng)用系統(tǒng)。運(yùn)用Pub/Sub模式，使數(shù)據(jù)與應(yīng)用進(jìn)行異步解耦，不同應(yīng)用根據(jù)需求訂閱相應(yīng)主題數(shù)據(jù)，采集上的最新數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)主動(dòng)推送，上層的決策控制指令通過基于超文本傳輸協(xié)議（HyperText Transfer Protocol，HTTP）的接口進(jìn)行下發(fā)。

2.2? ?通信控制組件的特征與優(yōu)勢(shì)

2.2.1? ?組件可配置、可擴(kuò)展

采用插件機(jī)制的協(xié)議驅(qū)動(dòng)模塊擴(kuò)展方式，方便支持各種通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)主流設(shè)備的數(shù)據(jù)采集，且可以按照實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通信需求進(jìn)行協(xié)議擴(kuò)展開發(fā)。

2.2.2? ?組件可靈活部署

通信組件模塊耦合低、采用插件式熱拔插擴(kuò)展協(xié)議驅(qū)動(dòng)，軟件性能強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)可通過動(dòng)態(tài)配置快速滿足需求，靈活部署。

2.2.3? ?具備數(shù)據(jù)采集和設(shè)備控制雙向通信能力

可動(dòng)態(tài)感知設(shè)備數(shù)據(jù)，同時(shí)能基于控制信息模型和數(shù)據(jù)，控制設(shè)備執(zhí)行。

2.2.4? ?異常處理機(jī)制確保組件可靠

構(gòu)建具備初始狀態(tài)還原、網(wǎng)絡(luò)中斷續(xù)傳、設(shè)備故障、反控?cái)?shù)據(jù)重發(fā)、服務(wù)停止自啟動(dòng)等異常處理機(jī)制，保證組件安全可靠。

2.2.5? ?安全機(jī)制

支持?jǐn)?shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)隨機(jī)化、身份認(rèn)證和多域訪問控制等功能，保障數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、共享、通信以及管控的安全性和可靠性。

2.2.6? ?邊云協(xié)同

與應(yīng)用層形成邊云協(xié)同智能效果。云端負(fù)責(zé)全局性、非實(shí)時(shí)、長(zhǎng)周期的大數(shù)據(jù)量處理分析工作;邊緣層快速處理局部、單周期實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，支撐本地業(yè)務(wù)智能化決策與執(zhí)行。

3? ? ?通信控制組件應(yīng)用驗(yàn)證

為避免出現(xiàn)通信控制組件的良好設(shè)計(jì)只是處于束之高閣的“空中閣樓”局面，無法達(dá)到創(chuàng)新實(shí)踐的應(yīng)用價(jià)值，本研究構(gòu)建了相應(yīng)的測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，可以驗(yàn)證通信控制組件的通用性、可行性、可靠性、穩(wěn)定性等。

3.1? ?測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)設(shè)計(jì)與構(gòu)建

本文自主設(shè)計(jì)并構(gòu)建了物聯(lián)網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)，主要組成部分及說明如圖2所示。

該測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境基本包含生產(chǎn)過程全部物理要素：工件、倉(cāng)庫、設(shè)備、物流配送、上下料機(jī)器人、多種控制器、交換機(jī)、路由器等，是一種典型的工業(yè)異構(gòu)設(shè)備組合。另外，還支持局域網(wǎng)連接、互聯(lián)網(wǎng)連接以驗(yàn)證邊云協(xié)同相關(guān)技術(shù)。該測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)能夠在物理空間真實(shí)模擬工件生產(chǎn)過程，以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)，借助自主研發(fā)的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)在賽博空間建立生產(chǎn)過程控制映射模型，進(jìn)而能夠驗(yàn)證物理世界與賽博世界狀態(tài)、行為、變化的一致性與同步性，賽博控制物理執(zhí)行結(jié)果的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性。

3.2? ?測(cè)試驗(yàn)證效果

在多品種、小批量生產(chǎn)模式下，以零件的生產(chǎn)過程控制與調(diào)度為測(cè)試驗(yàn)證場(chǎng)景，本研究測(cè)試了通信控制組件，整體驗(yàn)證效果可視化展示如圖3所示。

3.2.1? ?邊緣網(wǎng)關(guān)能力驗(yàn)證

通過加工零件的種類與數(shù)量、數(shù)據(jù)采集的頻率與周期（PLC數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)）、調(diào)度控制邏輯的復(fù)雜性、控制活動(dòng)執(zhí)行的周期性（開始時(shí)間與結(jié)束時(shí)間）、生產(chǎn)過程實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和自主學(xué)習(xí)等方面進(jìn)行通信控制組件的設(shè)備接入、協(xié)議解析、數(shù)據(jù)預(yù)處理等。

3.2.2? ?穩(wěn)定性驗(yàn)證

通過測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)的平均無故障運(yùn)行時(shí)間驗(yàn)證通信控制組件的穩(wěn)定性，對(duì)測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境進(jìn)行模擬加工過程中的設(shè)備故障、服務(wù)程序意外中斷、測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境隨機(jī)斷網(wǎng)、限速等操作，驗(yàn)證平臺(tái)能否正?；蛘呖焖倩謴?fù)運(yùn)行。

3.2.3? ?安全性驗(yàn)證

通過相應(yīng)的功能操作，查看數(shù)據(jù)采集和控制指令下發(fā)是否正確和符合權(quán)限設(shè)置要求;使用自動(dòng)化工具或者人工方法模擬黑客輸入，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行攻擊性測(cè)試，找出運(yùn)行時(shí)刻存在的安全漏洞;掃描軟件運(yùn)行時(shí)的內(nèi)存信息，查看是否存在一些有致隱患的信息，如緩沖區(qū)溢出漏洞。

3.3? ?通信組件性能

3.3.1? ?規(guī)模指標(biāo)

系統(tǒng)可批量設(shè)置的數(shù)據(jù)采集標(biāo)簽數(shù)量達(dá)10 000個(gè)以上;可管理的設(shè)備數(shù)量不少于100個(gè);一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)可動(dòng)態(tài)處理

1 000量級(jí)的數(shù)據(jù)量;目前，支持5種協(xié)議或接口，支持?jǐn)U展與集成功能，可迅速擴(kuò)展到上百種協(xié)議。

3.3.2? ?實(shí)時(shí)性指標(biāo)

1 000點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集周期為秒級(jí)以內(nèi);500個(gè)采集控制點(diǎn)范圍內(nèi)的“感知-分析-決策-控制”數(shù)據(jù)閉環(huán)周期≤3 s;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更新周期支持在2～5 s調(diào)節(jié);狀態(tài)感知到前端顯示延時(shí)≤2 s。

3.3.3? ?數(shù)據(jù)信息處理指標(biāo)

對(duì)設(shè)置采集點(diǎn)的采集數(shù)據(jù)處理正確率為100%;對(duì)調(diào)度控制輸出的控制指令操作動(dòng)作準(zhǔn)確率為100%。

3.3.4? ?可靠性和可用性指標(biāo)

通信控制組件實(shí)際驗(yàn)證應(yīng)用過程中的無故障運(yùn)行時(shí)間達(dá)到2個(gè)月;網(wǎng)絡(luò)中斷后支持?jǐn)?shù)據(jù)斷點(diǎn)續(xù)傳和數(shù)據(jù)重發(fā)功能，恢復(fù)后系統(tǒng)在2 s內(nèi)正常連續(xù)運(yùn)行;驗(yàn)證環(huán)境整體斷電后再恢復(fù)上電，不需要重新初始化數(shù)據(jù)和再次開展流程性操作，可以通過一鍵恢復(fù)啟動(dòng)，平均10分鐘能夠全面恢復(fù)正常運(yùn)行，系統(tǒng)可用率達(dá)到99%以上。

4? ? ?結(jié) 語

本文從智能制造實(shí)施落地和技術(shù)實(shí)踐創(chuàng)新的角度出發(fā)，通過研究數(shù)字孿生技術(shù)，設(shè)計(jì)了面向數(shù)字孿生的通信控制組件的總體框架，并在自主構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)仿真環(huán)境下驗(yàn)證了通信控制組件的相關(guān)功能和性能，具有較好的技術(shù)應(yīng)用價(jià)值和前景。在后續(xù)的研究探索中，仍要進(jìn)一步探索數(shù)字孿生數(shù)據(jù)的融合與數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能應(yīng)用，不斷提升通信控制組件性能，推動(dòng)智能制造技術(shù)發(fā)展。

主要參考文獻(xiàn)

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