數(shù)字孿生技術如今在工業(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重要。
物聯(lián)網(wǎng)設備和數(shù)字孿生的概念
物聯(lián)網(wǎng)設備是一種通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)從一個地方傳輸?shù)搅硪粋€地方的硬件(通常是傳感器)。物聯(lián)網(wǎng)設備的類型包括傳感器、執(zhí)行器以及更復雜的計算機設備。
數(shù)字孿生(Digital Twins)是物理對象的軟件表示。數(shù)字孿生必須包含它所代表的物理對象的唯一標識符。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)和驅動能力(開/關燈)之后才能實現(xiàn)其目的。數(shù)字孿生通常會包含額外的輔助數(shù)據(jù)，例如設備的固件版本、配置、校準和設定點數(shù)據(jù)等。
當談到驅動時，人們經(jīng)常將數(shù)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(shù)字孿生改變其設備狀態(tài)(關閉或打開)的意圖需要向設備發(fā)送特定命令，在成功完成驅動之后需要將其傳遞回調用者。
數(shù)字孿生有時也被稱為物聯(lián)網(wǎng)設備的虛擬表示，它們并不完全相同。需要仔細了解這兩個類別，因為它們之間的差異實際上比人們想象的要大。
物聯(lián)網(wǎng)設備和數(shù)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(yè)公司的業(yè)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(yè)網(wǎng)絡中部署連接設備，并收集有助于更有效和可靠地提供服務的數(shù)據(jù)，可以創(chuàng)建新的服務和商業(yè)模式。以物聯(lián)網(wǎng)自動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。在這個例子中，一家公用事業(yè)公司決定為客戶提供一個平臺，用戶可以通過這個平臺檢查他們的能源和水的消費情況，并設置警報和閾值進行提醒。
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)傳感器連接以測量用水量。其自動化規(guī)則的創(chuàng)建基于物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)查看物理對象的客戶門戶，并且相當簡單，因為物聯(lián)網(wǎng)設備、物理對象及其數(shù)字孿生存在一對一的對應關系。
當物理對象、物聯(lián)網(wǎng)設備和數(shù)字孿生之間的對應關系被打破時
讓我們再看一個更加復雜的例子，假設想在一臺設備上部署幾個物理物聯(lián)網(wǎng)傳感器。每個物聯(lián)網(wǎng)設備都可以提供氣壓、溫度、能耗等信息。在這種情況下，無法定義代表設備的單個物聯(lián)網(wǎng)設備。必須考慮所有連接的物聯(lián)網(wǎng)傳感器/設備的組合輸入，以獲得其相關對象的完整視圖。當將物聯(lián)網(wǎng)設備放置在更復雜設備的不同部分時，人們不僅對這些物聯(lián)網(wǎng)設備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對象的信息感興趣。在這種情況下，數(shù)字孿生成為其所在環(huán)境中物理對象的虛擬表示。它反映了來自物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)以及對設備性能有影響的環(huán)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能電氣柜設計了一個解決方案。ENGIE Smart Cabin解決方案基于安裝在電壓單元上的一組傳感器來監(jiān)控高壓電氣柜的電源和關鍵參數(shù)。這一解決方案還可以監(jiān)控機柜內部的溫度、濕度和門禁。傳感器數(shù)據(jù)首先通過IoT Sigfox網(wǎng)絡傳輸，然后由Waylay平臺收集和處理數(shù)據(jù)，以檢測異?；螂娫粗袛?、生成警報并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(tài)視圖。
在這個用例中，多個物聯(lián)網(wǎng)設備(傳感器)被部署在一個電氣柜中，可以將其轉變?yōu)橐粋€智能電氣柜。這些設備通過Sigfox網(wǎng)絡將傳感器讀數(shù)傳輸?shù)絎aylay平臺。高壓電氣柜的電壓方案及其物聯(lián)網(wǎng)設備的部署位置如下圖所示：
ENGIE公司的Smart Cabin解決方案
在這個項目中，Waylay平臺解決了以下挑戰(zhàn)：
來自不同物聯(lián)網(wǎng)傳感器的數(shù)據(jù)必須從幾分鐘到幾小時的異步時間范圍內合并。
自動化規(guī)則由來自不同傳感器的讀數(shù)組合而成。
每個傳感器都有自己的角色(相對于其他傳感器，而不僅僅是簡單的“復合/聚合”關系)
每個電氣柜都有多個自動化規(guī)則。
發(fā)生事故時，可以針對不同的電氣柜需要通知不同的人員或角色。
必須配置每個電氣柜，并且必須使用其傳感器組自動實例化邏輯。
所有供應都必須通過API提供，并從無代碼門戶運行。該解決方案應允許在配置設備后立即應用規(guī)則，而無需預先發(fā)送數(shù)據(jù)。
動態(tài)發(fā)現(xiàn)方案應允許基于檢測到的傳感器數(shù)量創(chuàng)建規(guī)則。如果不應部署某些傳感器(每個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”自動調整自動化規(guī)則。
ENGIE公司的Smart Cabin自動化規(guī)則
數(shù)字孿生的配置——零接觸配置
當人們談論物聯(lián)網(wǎng)應用程序的可擴展性時，通常會從存儲容量、查詢時間、流攝取率等方面考慮。一個經(jīng)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部分提供了解決方案，但還可以提供更多幫助。Waylay平臺的數(shù)字孿生概念基于JSON模式，可以針對任何特定的垂直領域進行擴展。Waylay的數(shù)字孿生概念類似于面向對象編程(OOP)世界中的類/對象關系。它使數(shù)字孿生能夠利用繼承和關系建模。
Waylay平臺的另一個獨特功能是能夠將自動化規(guī)則與一類數(shù)字孿生相關聯(lián)，而不是與數(shù)字孿生的單個實例相關聯(lián)。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(guī)則可以在運行時訪問所有數(shù)字孿生配置，這允許平臺用戶(設置供應流程的人員)還可以定義客戶特定的設置，例如自定義閾值設置、SMS通知號碼、電子郵件地址等。
向工業(yè)4.0過渡對數(shù)字孿生的七項要求
在向工業(yè)4.0過渡的過程中使用數(shù)字孿生概念帶來了具體的挑戰(zhàn)。在選擇合適的數(shù)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(shù)字孿生表示不僅與物聯(lián)網(wǎng)設備有關，還必須涵蓋更廣泛的抽象能力。
(2)必須允許數(shù)字孿生解決方案對物聯(lián)網(wǎng)設備之間的關系進行建模?？蛻魬撃軌騽?chuàng)建特定于其垂直或用例的新數(shù)字孿生模型。
(3)自動化平臺必須提供一個配置基礎設施，可以支持創(chuàng)建數(shù)字孿生，并將其與不同的物聯(lián)網(wǎng)設備相關聯(lián)(包括建模關系)。
(4)在這些“復合”對象上創(chuàng)建自動化場景(規(guī)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對象，而不僅僅是分配給物聯(lián)網(wǎng)設備。物聯(lián)網(wǎng)設備之間的任何特定關系都應在配置過程中自動解決。例如，故障或維護任務應適用于空氣調節(jié)系統(tǒng)(HVAC)實體，而不適用于空氣調節(jié)系統(tǒng)(HVAC)的特定傳感器/傳感測量。
(5)一般來說，物聯(lián)網(wǎng)設備應該能夠在不同的時間發(fā)送數(shù)據(jù)，因此流數(shù)據(jù)的無縫合并必須是可能的。
(6)自動化規(guī)則必須能夠訪問配置數(shù)據(jù)(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(guī)則都必須了解這些更改。
(7)物聯(lián)網(wǎng)平臺應允許最終用戶在數(shù)字孿生資產(chǎn)系列上創(chuàng)建自動化規(guī)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(guī)則，這些規(guī)則應該只配置一次，而不是在單個資產(chǎn)上配置。
未來的發(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，而數(shù)字孿生則作為現(xiàn)實世界物聯(lián)網(wǎng)設備的反映而存在。
最近，很多人開始討論數(shù)字孿生應用在虛擬世界中的場景。在這個世界中，數(shù)字孿生用于模擬現(xiàn)實并允許對不同的“假設”場景進行建模，這些場景稍后可以由數(shù)字孿生的物理代表應用于現(xiàn)實世界。而模擬的想法并不新穎，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(tài)流動進行建模，或者在對人群流動進行建模為城市規(guī)劃者提供這些技術。
數(shù)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，并利用物聯(lián)網(wǎng)技術的最新進展。數(shù)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。
