在向工業4.0過渡過程中創造數字孿生的挑戰

數字孿生技術如今在工業環境中很受歡迎，因此瞭解數字孿生概念是如何定義以及如何部署至關重要。

物聯網裝置和數字孿生的概念

物聯網裝置是一種通過網際網路將資料從一個地方傳輸到另一個地方的硬體(通常是感測器)。物聯網裝置的類型包括感測器、執行器以及更復雜的計算機裝置。

數字孿生(Digital Twins)是物理物件的軟體表示。數字孿生必須包含它所代表的物理物件的唯一標識符。然而，只有在添加了附加資訊(例如位置、溫度、溼度等感官資訊)和驅動能力(開/關燈)之後才能實現其目的。數字孿生通常會包含額外的輔助資料，例如裝置的固件版本、配置、校準和設定點資料等。

當談到驅動時，人們經常將數字孿生稱為其物理表示的「影子」，以強調驅動始終是事務性的這一事實。例如，數字孿生改變其裝置狀態(關閉或開啟)的意圖需要向裝置傳送特定命令，在成功完成驅動之後需要將其傳遞迴呼叫者。

數字孿生有時也被稱為物聯網裝置的虛擬表示，它們並不完全相同。需要仔細瞭解這兩個類別，因為它們之間的差異實際上比人們想象的要大。

物聯網裝置和數字孿生代表的是同一件事嗎?當事情大致相同時可能是。

公用事業公司的業務通常包括能源(電力、天然氣)和水的調配和管理。而在公用事業網路中部署連線裝置，並收集有助於更有效和可靠地提供服務的資料，可以創建新的服務和商業模式。以物聯網自動化和分析軟體年代商Waylay公司為例，該公司提供的解決方案發揮了重要的整合作用。在這個例子中，一家公用事業公司決定為客戶提供一個平臺，使用者可以通過這個平臺檢查他們的能源和水的消費情況，並設定警報和閾值進行提醒。

在這一示例中，公用事業公司將智慧儀表與LPWAN物聯網感測器連線以測量用水量。其自動化規則的創建基於物聯網裝置資料檢視物理物件的客戶門戶，並且相當簡單，因為物聯網裝置、物理物件及其數字孿生存在一對一的對應關係。

當物理物件、物聯網裝置和數字孿生之間的對應關係被打破時

讓我們再看一個更加複雜的例子，假設想在一臺裝置上部署幾個物理物聯網感測器。每個物聯網裝置都可以提供氣壓、溫度、能耗等資訊。在這種情況下，無法定義代表裝置的單個物聯網裝置。必須考慮所有連線的物聯網感測器/裝置的組合輸入，以獲得其相關物件的完整檢視。當將物聯網裝置放置在更復雜裝置的不同部分時，人們不僅對這些物聯網裝置中的每一個單獨測量的內容感興趣，而且對它們揭示的整個底層物件的資訊感興趣。在這種情況下，數字孿生成為其所在環境中物理物件的虛擬表示。它反映了來自物聯網感測器的資料以及對裝置效能有影響的環境條件。

在下面的例子中，法國能源商ENGIE公司使用Waylay公司的自動化技術為其智慧電氣櫃設計了一個解決方案。ENGIE Smart Cabin解決方案基於安裝在電壓單元上的一組感測器來監控高壓電氣櫃的電源和關鍵參數。這一解決方案還可以監控機櫃內部的溫度、溼度和門禁。感測器資料首先通過IoT Sigfox網路傳輸，然後由Waylay平臺收集和處理資料，以檢測異常或電源中斷、生成警報並升級警報以進行快速干預。此外，客戶還可以通過Smart Cabin儀表板獲得實時狀態檢視。

在這個用例中，多個物聯網裝置(感測器)被部署在一個電氣櫃中，可以將其轉變為一個智慧電氣櫃。這些裝置通過Sigfox網路將感測器讀數傳輸到Waylay平臺。高壓電氣櫃的電壓方案及其物聯網裝置的部署位置如下圖所示：

在這個項目中，Waylay平臺解決了以下挑戰：

• 來自不同物聯網感測器的資料必須從幾分鐘到幾小時的非同步時間範圍內合併。

• 自動化規則由來自不同感測器的讀數組合而成。

• 每個感測器都有自己的角色(相對於其他感測器，而不僅僅是簡單的「複合/聚合」關係)

• 每個電氣櫃都有多個自動化規則。

• 發生事故時，可以針對不同的電氣櫃需要通知不同的人員或角色。

• 必須配置每個電氣櫃，並且必須使用其感測器組自動例項化邏輯。

• 所有供應都必須通過API提供，並從無程式碼門戶運行。該解決方案應允許在配置裝置後立即應用規則，而無需預先發送資料。

• 動態發現方案應允許基於檢測到的感測器數量創建規則。如果不應部署某些感測器(每個電氣櫃都有自己的特定要求或限制)，則必須根據數字孿生的「完整性」自動調整自動化規則。

ENGIE公司的Smart Cabin自動化規則

數字孿生的配置——零接觸配置

當人們談論物聯網應用程式的可擴展性時，通常會從儲存容量、查詢時間、流攝取率等方面考慮。一個經常被忽視但確實非常重要的問題是配置過程的可擴展性。Waylay平臺的供應API部分提供瞭解決方案，但還可以提供更多幫助。Waylay平臺的數字孿生概念基於JSON模式，可以針對任何特定的垂直領域進行擴展。Waylay的數字孿生概念類似於面向物件程式設計(OOP)世界中的類/物件關係。它使數字孿生能夠利用繼承和關係建模。

Waylay平臺的另一個獨特功能是能夠將自動化規則與一類數字孿生相關聯，而不是與數字孿生的單個例項相關聯。這使得Waylay平臺的配置過程和新用例的實施極其快速、高效和可擴展——通常也稱為零接觸配置。

最重要的是，自動化規則可以在運行時訪問所有數字孿生配置，這允許平臺使用者(設定供應流程的人員)還可以定義客戶特定的設定，例如自定義閾值設定、SMS通知號碼、電子郵件地址等。

向工業4.0過渡對數字孿生的七項要求

在向工業4.0過渡的過程中使用數字孿生概念帶來了具體的挑戰。在選擇合適的數字孿生技術和相應的自動化平臺時，需要考慮以下七項要求：

(1)數字孿生表示不僅與物聯網裝置有關，還必須涵蓋更廣泛的抽象能力。

(2)必須允許數字孿生解決方案對物聯網裝置之間的關係進行建模。客戶應該能夠創建特定於其垂直或用例的新數字孿生模型。

(3)自動化平臺必須提供一個配置基礎設施，可以支援創建數字孿生，並將其與不同的物聯網裝置相關聯(包括建模關係)。

(4)在這些「複合」物件上創建自動化場景(規則)應該是無縫的——也就是說，自動化模板應該可以分配給這些物件，而不僅僅是分配給物聯網裝置。物聯網裝置之間的任何特定關係都應在配置過程中自動解決。例如，故障或維護任務應適用於空氣調節系統(HVAC)實體，而不適用於空氣調節系統(HVAC)的特定感測器/感測測量。

(5)一般來說，物聯網裝置應該能夠在不同的時間傳送資料，因此流資料的無縫合並必須是可能的。

(6)自動化規則必須能夠訪問配置資料(例如運行時的閾值交叉)，這些配置會隨著時間而改變。在運行時，所有自動化規則都必須瞭解這些更改。

(7)物聯網平臺應允許終端使用者在數字孿生資產系列上創建自動化規則，這應在配置時完成。這強制要求不同的HVAC系列需要不同的規則，這些規則應該只配置一次，而不是在單個資產上配置。

未來的發展

在這篇文章中介紹了數字孿生概念，其中數字孿生與其物理表示相差不遠，而數字孿生則作為現實世界物聯網裝置的反映而存在。

最近，很多人開始討論數字孿生應用在虛擬世界中的場景。在這個世界中，數字孿生用於模擬現實並允許對不同的「假設」場景進行建模，這些場景稍後可以由數字孿生的物理代表應用於現實世界。而模擬的想法並不新穎，長期以來，工程師一直在飛行模擬中使用這些技術，在設計渦輪機時對動態流動進行建模，或者在對人群流動進行建模為城市規劃者提供這些技術。

數字孿生增加的新穎性是實施場景的可塑性，其具有廣泛的應用，並利用物聯網技術的最新進展。數字孿生如今才開始走上激動人心的旅程，人們可以期待在未來可以看到更多的模擬應用。