工業物聯網平臺數字孿生版白皮書

1.平臺概述

中服云工業物聯網平臺數字孿生版，重在設備的可視化孿生顯示監控，基于物聯網平臺的數據采集、數據中臺和數據通信控制能力，打造的一款實時數據2D/3D集成展示監控平臺，旨在解決工業物聯網數據的直觀展示、實虛互動、仿真模擬、可視化培訓、數字化交付、故障診斷、告警、預警、預測、實時觀測、實時監控等問題。提供了數據采集、數據底座、監控邏輯、建模工具、展示互動工具、模擬仿真、診斷預測等功能，內置地球、城市、園區、工廠、車間、設備等多個場景。具有直觀性、實時性、集成性、主動性等特點。可應用于實時監控、應急指揮、生產調度、模擬仿真、展示推廣、實體復原、產品測試等多種場景。

1.1.數字孿生的基本概念與發展

隨著數字技術的迅猛發展，數字孿生技術逐漸成為連接虛擬現實與物理世界的橋梁.數字孿生技術概念并不算新，數字孿生概念已提出多年，直到近兩三年才引起廣泛重視，這是因為數字孿生的支撐技術如傳感技術、物聯網技術、大數據技術、人工智能技術、工業互聯網技術的快速發展，為數字孿生的落地應用奠定了基礎，另一方面，也是各行各業的智能化、數字化發展目標與數字孿生相契合的結果。數字孿生技術的應用為工業、城市規劃、醫療、園區、交通、旅游等領域帶來了深刻的變革。

概念：

數字孿生是指通過數字化技術在虛擬環境中創建一個實體或系統的精確模型，以模擬和分析其在現實世界中的運行狀態和行為。這種模擬可以涵蓋從物理結構到運行流程的各個方面。

數字孿生是一種超現實的概念，其又被人命名為數字鏡像或者數字化映射。簡單來說，數字孿生(Digital Twin)就是在虛擬空間中，構建物理實體的“克隆體”，還原現實世界中的場景，從而支持人們對物理實體進一步了解、分析和優化決策。

數字孿生是物理對象的數字模型，該模型可以通過接收來自物理對象的數據而實時演化，從而與物理對象在全生命周期保持一致。基于數字孿生可進行分析、預測、診斷、訓練等（即仿真），并將仿真結果反饋給物理對象，從而幫助對物理對象進行優化和決策。物理對象、數字孿生以及基于數字孿生的仿真及反饋一起構成一個信息物理系統(cyberphysical systems)。面向數字孿生全生命周期（構建、演化、評估、管理、使用）的技術稱為數字孿生技術(DigitalTwin Technology)。數字孿生DT和信息物理系統(Cyber Physical System)之間的關系，即數字模型、基于數字模型的各種活動（仿真）、物理對象以及數字模型和物理對象之間的連接（數據及仿真結果）形成一個信息物理系統。

技術組成要素：

數字孿生技術的構建主要包括數據采集、模型建立、實時仿真、數據存儲、數據分析與可視化等多個要素，通過這些要素的協同工作，實現對實體或系統的全面模擬。

1.2.數字孿生技術架構

l數據采集與實時更新

數字孿生的首要任務是通過各類傳感器、PLC實時采集與監測物理實體的數據。這些數據包括溫度、濕度、壓力、運動狀態等多個方面，為建模提供真實、全面狀態數據、運動數據。

l模型建立與實時仿真

通過采集到的數據，利用建模技術構建數字孿生模型。這些模型需要具備足夠的精度，能夠準確還原物理實體的結構和行為。實時仿真則通過不斷更新的采集到的數據，使數字孿生模型與物理實體保持同步。

l數據分析與預測

數字孿生技術通過對模型中的數據進行深度分析，提取關鍵信息，實現對物理實體行為的理解和預測。這一環節涉及到數學模型、機器學習、人工智能等前沿技術的應用，以更好地服務于決策和優化。

l可視化與交互界面

為了更直觀地展現數字孿生模型的結果，設計直觀、用戶友好的可視化與交互界面是關鍵。這不僅包括對模型數據的三維呈現，還包括用戶與模型進行實時交互的功能，提高用戶體驗。

1.3.數字孿生成熟度模型

作為一種實現信息空間與物理空間深度融合的有效途徑，是促進數字化轉型和智能化提升的有效手段。有些觀點把數字孿生成熟度分為“以虛仿實（L0）、以虛映實（L1）、以虛控實（L2）、以虛預實（L3）、以虛優實（L4）、虛實共生（L5）”六個等級。

零級（L0）：以虛仿實

指利用數字孿生模型對物理實體描述和刻畫，在一定程度上代替物理實體進行仿真分析或實驗驗證，但數字孿生模型與物理實體之間無法通過直接的數據交換實現實時交互。

一級（L1）：以虛映實

指利用數字孿生模型實時復現物理實體的實時狀態和變化過程，從而在一定程度上突破時間、空間和環境約束對于物理實體監測過程的限制。

二級（L2）：以虛控實

指利用數字孿生模型間接控制物理實體的運行過程，虛實映射，具有數字孿生模型到物理實體的數據傳輸通道，實現虛實實時雙向閉環交互，從而賦予物理實體遠程可視化操控的能力。

三級（L3）：以虛預實

指利用數字孿生模型預測物理實體未來一段時間的運行過程和狀態，從而在一定程度上將未知轉化為預知，將突發和偶發問題轉變為常規問題。

四級（L4）：以虛優實

指利用數字孿生模型對物理實體的運行、結構進行優化，利用策略、算法和前期積累沉淀的知識，實現具有時效性的智能決策和優化。

五級（L5）：虛實共生

虛實共生作為數字孿生的理想目標，指物理實體和數字孿生模型在長時間的同步運行，甚至是在全生命周期中通過動態重構實現自主孿生。

1.4.數字孿生常用技術術語

三維建模：用于生成數字孿生的三維模型，可以使用CAD軟件、三維建模軟件等。

數據采集：用于采集物理世界中的數據，可以使用傳感器、PLC、數據庫、設備協議等。

數據處理：用于處理采集到的數據，包括數據預處理、分析、數據挖掘等。

數據清洗：指的是對原始數據進行處理和篩選，以確保數據的準確性、完整性和一致性。

數據建模：是指將現實世界中的物理系統或過程轉化為數字形式的模型。這個過程包括收集、整理和分析相關的數據，然后使用數學、統計學和計算機科學等方法來構建模型。

物聯網技術：用于連接物理世界中的設備和系統，包括傳感器、智能設備、云計算等。

數據傳輸：數據傳輸是非常重要的一環，它扮演著連接實際系統和數字孿生模型的橋梁，起到了數據采集、傳輸和更新的作用。

空間數據融合：用于存儲和處理數字孿生的數據和模型，包括云存儲、云計算、數據中臺等。

原型設計：是指在設計過程中創建一個低保真或高保真的可視化模型，以展示和演示最終產品的外觀、布局和交互。

數據可視化與模擬仿真：用于展示數字孿生的數據和模型，包括圖表、地圖、動畫等。通過建立物理系統的數學模型，數字孿生平臺可以進行虛擬仿真，模擬物理系統在不同條件下的運行情況。

信息物理系統（CPS）：物理實體、數字孿生體以及他們之間的實時數據互通構成了信息物理系統。

2.平臺架構

2.1.數字孿生平臺功能架構

（1）物理對象

數字模型是依賴于物理對象而構建或者為物理對象的仿真，數字孿生的物理對象主要有兩種：

物理實體：指的是物理設備或者裝置或者物體

物理系統：指的是由物理設備、軟件及其生產或運動過程的整體

（2）感知與通信

這里指的是物理對象和數字孿生體之間的數據實時通信，主要包括：數據采集、指令控制、數據傳輸等

（3）數據與知識

這里存儲著數字孿生體運行的數據源，由靜態數據和動態實時數據構成，包括：實時采集數據、系統數據、設備元數據、業務數據、及其相關的資料、知識、圖紙、模型、視頻、圖片、關系、規則等數據以及仿真模擬數據。

（4）數字孿生開發與應用

主要由數字孿生建模有關的工具和重要應用功能構成，包括：

工具：2D/3D組態工具、GIS建模工具、數據可視化工具、數據流處理工具

重要應用功能：可視化監控、可視化建模、可視化培訓、數字化交付、模擬仿真

2.2.數字資產

主要由數字孿生工具開發的重要應用場景模型及集成的數據成果構成，這些成果發布后，支持用戶使用，達到應用的目的。在使用過程中，可修改完善。

2.3.數字孿生平臺的數據架構

1）可視化展示部分

孿生監控：在邏輯空間建立真實物理場景，展示、操控物理空間的實體、狀態、特征、變化；

模擬仿真：在邏輯空間模擬仿真物理空間的實體、狀態、特征、變化，研究場景的物理屬性和變化特征；

可視化培訓：用全廠的三維模型逐步下鉆介紹全廠的布局、車間、設備等情況；也可以建立設備三維模型，用拆開、組裝的辦法詳細介紹設備的性能、參數、拆裝流程等。

2）數據中臺部分

動態和靜態數據是孿生的基礎，主要包括：

數據存儲：各類數據的分布式統一存儲

數據獲取：各類數據的獲取方法和工具

數據瀏覽：數據資料瀏覽查詢

數據關系：數據關系的建立和維護

數據目錄：數據資料的邏輯存儲目錄

數據接口：統一的數據存取API

3）數據管控部分

快速構建工具：2D/3D建模、數據分析、數據處理工具

數據管理瀏覽：以數據的形式監控數據的變化

平臺管理：用戶、權限、配置等管理

4）數據資料的采集與交付

資料上傳：把CAD、圖片、視頻、聲音、手冊等資料上傳到數據中臺

業務數據集成：用etl工具、API接口、手工錄入等方式把其它系統的業務數據傳輸到數據中臺

實時數據采集：基于物聯網平臺把動態實時數據采集到數據中臺或者直接路由給3D模型

l數據轉換及預處理：對其它數據格式進行必要轉換或者計算處理后上載到數據中臺

3.主要功能

3.1.三維建模

主要包括2D/3D數字孿生建模工具、GIS園區建模工具、數據流處理工具以及模型管理。

lCCT建模工具

可視化2D、3D組態頁面設計，設備數據動畫、燈光、文字、圖表綁定等，在線編輯在線部署在線使用。包括3000多個不同行業組件。具有動態數據顯示和直接控制能力。主要包括以下能力和特點：

1）內置機床、裝置、汽車、飛機、動力設備、園區設施、智能樓宇設備、水務、水利、電力、公路、地球等3000多個圖形組件

2）路線漫游

3）數據顯示動態/靜態圖表

4）可視化控制

5）攝像頭視頻

6）仿真模擬

7）交互式互動

8）數據回放

9）報警、診斷語音、畫面提醒

10）虛實景融合

11）數據綁定--動態數據、靜態數據

12）圖形組件兼容多種格式，可以來自數據中臺，也可以來自本地磁盤

lGIS園區建模工具

包括：園區高程地圖、虛實融合、周界、嵌入3D\2D組態、動靜數據展示、物體路線移動、幾何測量、等高線、多種圖層、其它對象嵌入。

l數據流處理工具

對輸入數據進行連續的過濾、變換、聚合、轉換、計算等處理，輸出新的結果；處理流程可圖形化自定義存儲，觸發；可定義多條流程；可用于實時數據流處理和歷史數據的批量處理；高并發支持，高負載承載；支持多種數據格式的輸入輸出。

l模型管理

制作模型的類型、狀態管理

模型發布

3.2.可視化培訓

用三維建模工具，建立整廠三維模型，利用下鉆式方式逐步介紹全廠的環境、生產、設備、工藝等；建立每個設備的拆解過程模型；支持VR培訓等。

3.3.可視化監控

主要包括：重要設備的重要參數數據監控、圖表監控、設備報警、設備診斷數據、工藝流程監控、三維組態監控（利用組態工具建立三維模型，并綁定靜態、動態數據或者計算數據、報警數據等），功能如下系統截圖中的功能菜單。

3.4.模擬仿真

利用本功能可以實現2種用途：1）系統上線后的功能測試；2）設備、工藝運行仿真。主要功能包括：

l各類仿真數據的模擬生成：歷史數據的模擬、未來數據的模擬、以往excel設備數據導入、系統實時生成各類計算數據、真實數據的半自動生成工具等；

l要仿真設備、工藝的三維、二維建模，和仿真數據的綁定，由組態工具制作；

l各類仿真體的運行仿真。

3.5.數據資料庫

l存儲著數字化移交的給類靜態數據資料，主要包括：圖紙、手冊、知識、圖片、視頻、電子設計圖等

l存儲著物聯數采上來的各類設備的測點實時數據

l存儲著設備臺賬數據及其元數據

l存儲著集成過來的其它系統的業務數據

l以及維護這些數據的數據類型及其關系

l各類數據的瀏覽查詢

3.6.電子資料移交

l外部圖片、三維模型、手冊、視頻等各類電子資料的上傳

l外部業務數據的etl自動抽取、api集成

l業務數據源管理

l數據資料目錄維護

3.7.其它功能

l主要包括以下功能：

l系統首頁

l物聯網數據采集配置

l系統故障派單處理

l系統管理

3.8.系統其它截圖

4.行業應用

4.1.制造業

l產品測試：

可以幫助優化零部件設計、改進性能，以及提前發現潛在問題。通過將實際的工廠和設備建模為數字孿生，制造商可以在模擬環境中進行各種測試，如產品驗證、生產流程優化等。數字孿生還可以用來監測和分析設備的狀態和性能，以實現更好的預測性維護和更高的生產效率。

l產品研發設計：

在研發新產品時，可以借助產品數字孿生模型來優化產品設計；在工藝規劃階段，可以通過對數字孿生模型的檢查來確保每個零件的成功制造以及零件的相互協調。

航空航天領域使用數字孿生技術進行飛機零部件的數字化建模，實現了對飛機全壽命周期的數字化管理，提高了維護效率。

l生產過程監控：

在具體制造過程中，還可以搭建從設備到產線、車間、整個工廠的數字孿生模型，通過不斷采集數據、分析數據，實現高效排產，及時發現生產問題。數字孿生可用于建模和仿真制造設備、生產線和整個工廠。通過模擬生產流程，優化工藝、改進設備布局，提高生產效率和降低成本。

l模擬仿真：

汽車制造商利用數字孿生技術建立了虛擬汽車模型，通過數字孿生技術，制造商可以模擬汽車在不同條件下的性能，提前發現潛在問題。另外，對于新車型的研發，也可以使用虛擬環境，數字孿生技術在汽車制造業中為聯網車型構建虛擬模型，更好地幫助車企在投產之前就對產品的性能與實際表現進行精準的評估。

數字孿生技術對于自動駕駛來說也天然契合，我們知道自動駕駛汽車包含許多傳感器，用來收集與車輛本身及汽車周圍環境的相關數據。在數字孿生的世界里，可以通過云端測試場，根據真實道路數據生成的虛擬環境，讓自動駕駛的算法在虛擬世界里進行安全的實驗與測試。

4.2.醫療行業

人體細胞數量形態多，器官復雜，利用數字孿生技術，將人體數字化，即基于人體相關的多學科、多專業知識的系統化研究，將這些知識全部注入人體的數字孿生體中。有利于降低各種手術風險，提高成功率，改進藥物研發，提高藥物的效用。

數字孿生技術在醫療健康領域中的應用主要是在醫學影像方面。通過數字孿生技術，可以將患者的身體部位進行三維建模，并模擬病變情況，從而幫助醫生更準確地診斷和治療疾病。

隨著數字孿生技術的出現，為個體患者提供個體化的診斷和治療將成為可能，對人體健康狀態進行實時監測和預測，為醫療保健提供更加精準的服務。如今數字孿生技術在心血管疾病、癌癥、傳染病等方面的都有應用案例。

手術模擬與培訓：醫療機構通過數字孿生技術建立患者特定的數字模型，為醫生提供實時的手術模擬和培訓環境，提高手術的準確性。

個性化治療：基于患者的數字孿生模型，醫生可以制定個性化的治療方案，提高治療的效果。

個性化護理：醫療保健提供者和制藥公司還可以使用數字孿生體對患者的基因組代碼，生理特征和生活方式進行建模，以便醫療保健公司可以為每位患者提供個性化護理。

4.3.城市規劃與管理

在城市規劃中，基于三維GIS的數字孿生建立虛擬城市模型，模擬城市的交通流、能源使用、環境影響等。這有助于城市規劃者優化城市設計、改善交通流動性，并提升城市的可持續發展，可以用來模擬城市規劃和建筑設計，包括建筑外觀、結構和功能。可以用來模擬城市交通和人口流動，以便城市規劃師了解城市未來的需求和挑戰。在建筑設計方面，數字孿生可以用來評估建筑的能耗和環保指標，幫助建筑師設計更加環保和節能的建筑物。

交通管理：數字孿生技術在交通管理中的應用允許城市規劃者模擬交通流量，提前識別交通瓶頸、優化交通信號和道路設計，并進行智能調度。還支持智能交通系統和自動駕駛車輛的開發和測試。

4.4.能源行業

數字孿生技術在能源領域的應用主要是在能源生產和消費方面。通過數字孿生技術，可以模擬能源生產和消費的過程，從而分析能源的使用效率和優化能源消費方式。

數字孿生可用于能源生產、傳輸和消費系統的建模。通過實時監測和模擬，優化電網運行、提高能源利用效率，并支持可再生能源的集成。可以模擬電網和輸電線路，以幫助能源公司更好地預測和管理電力供應。還可以用來優化風力和太陽能發電廠的運營，以提高電力生成效率。甚至可以用來模擬整個城市的能源消耗情況，以幫助城市規劃師了解城市的能源需求和挑戰。

電網管理：電力公司通過數字孿生技術對電網進行建模，實現對電力分布、供應和需求的實時監控，提高電網的穩定性。

4.5.建筑行業

數字孿生技術在建筑業中的應用主要是在建筑設計、施工過程、建筑園區運維。通過數字孿生技術，可以在計算機上建立建筑物的三維模型，并模擬建筑物在不同環境下的運行情況，如風力、地震等，從而在設計階段發現并解決潛在的問題，避免在實際施工中出現問題。

數字孿生可以用于建筑項目的虛擬建模和仿真，包括設計、施工和運營階段。這有助于優化建筑結構、提高能源效率，并預測設備的維護需求。

建筑設計與模擬：建筑師使用數字孿生技術建立建筑的數字模型，實時模擬建筑在不同光照和氣候條件下的表現。

智能樓宇管理：數字孿生技術在房地產中的應用使得建筑可以實時監控能耗、人流等信息，實現智能樓宇管理。

4.6.農業行業

在農業領域，數字孿生可用于農業生產流程、預測農作物生長情況的建模，并優化農業決策，提高農業生產效益。　

數字孿生可以用來模擬作物生長，幫助農民預測和優化作物收成。數字孿生可以根據不同的地理位置、氣候條件、土壤類型等因素，模擬不同作物的生長過程，包括種子萌發、植物生長、氣候災害等。這樣就可以讓農民更加準確地進行農業生產規劃和管理。

農田管理：通過數字孿生技術對農田進行數字建模，實現對土壤質量、植物生長等方面的監測和優化。通過建立農田的數字孿生模型，可以對農田進行精細化管理和智能化決策，提高農業生產效率和經濟效益。

4.7.物流行業

數字孿生可用于建模供應鏈過程，幫助優化庫存管理、預測需求，并提高供應鏈的效率。

客戶建模和模擬：零售商可以創建客戶角色的數字孿生體，以改善他們提供的客戶體驗。例如，零售商可以根據其數字孿生模型為客戶提供理想的時尚服裝產品。

物流管理：數字孿生技術可以為交通物流行業提供更加智能化的解決方案。通過數字孿生技術建立車輛的虛擬模型，實現對車輛運行狀態的實時監控和預測，提高運輸效率和安全性。

倉庫設計和運營：對貨架、物料、托盤及各類自動化設備等倉庫全景實現高質量孿生重建，實現數字世界與物理世界的映射，還原倉庫實時運行狀態。同時，對各項運營指標進行分析和實時監控，實現全鏈路數據管理，保證倉庫有序、高效運行，最大化釋放企業倉儲潛能。也可以幫助物流公司測試倉庫布局，使公司選擇最有效的倉庫設計，最大限度地提高運營績效。

4.8.教育行業

數字孿生提供了在虛擬環境中學習和實踐的機會，尤其是對于涉及危險或昂貴設備的培訓，如飛行模擬器、工程實驗、爆炸、復雜設備維修等。