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摘 要 ：本文提出了基于工业互联网平台的统一数字孪生模型管理框架,包括模型创建与采集、模型存储与管理、模型分 发与部署、模型更新与优化以及模型安全与隐私保护等关键环节。通过建立标准化、集成化的管理流程,旨在提高数字孪生模 型管理的效率和应用效果,为工业企业实现数字化转型提供支持。实证研究结果表明,该框架在提升生产效率、降低成本和优 化决策等方面取得了显著效果。
Research on Unified Digital Twin Model Management Based onIndustrial Internet Platform
YANG Chuanzhen, YU Zhongjiang, LI Chun, LI Ligang, YANG Shaoping, YANG Fan
(China Tobacco Yunnan Industrial Co., Ltd., Kunming Yunnan 650224)
【Abstract】：This study proposes a unified digital twin model management framework based on industrial internet platforms, including key links such as model creation and collection, model storage and management, model distribution and deployment, model update and optimization, and model security and privacy protection. By establishing standardized and integrated management processes, this study aims to improve the efficiency and application effectiveness of digital twin model management, and provide support for industrial enterprises to achieve digital transformation. The empirical research results indicate that the framework has achieved significant results in improving production efficiency, reducing costs, and optimizing decision-making.
【Key words】：industrial internet;digital twin;unified digital twin model management
0 引言
在工业互联网的快速发展背景下,数字孪生模型作 为一种重要的技术手段,被广泛应用于实现智能化生产 和管理。然而,随着数字孪生模型的增多和复杂性的提 升,如何有效地管理和统一这些模型成为了一个亟待解 决的问题。本研究旨在探讨基于工业互联网平台的统一 数字孪生模型管理方法,以提高数字孪生模型的生命周 期管理和应用效果。
1 工业互联网与数字孪生
1.1 数字孪生助力 OT 与 IT 融合
工业互联网是企业数字化转型过程中的关键一环, 加速了 OT 和 IT 各要素的融合,数据是融合过程中最重 要的粘结剂,要让 OT 部门和 IT 部门融合得更好,首先要处理好数据这项隐形的资产。另外,工业互联网正在 试图打破企业的边界,试图填满 OT 与 IT 之间的各种 缝隙,打造软件定义、数据驱动、模式创新的新生态, 而数字孪生刚好为融合发展提供了数据和技术的接口 [1]。
1.2 打造基于数字孪生的工业 App 服务池
数字孪生服务包括设备服务、技术服务、测试服务、 模拟服务、数据服务、知识服务、模型服务、算法服 务等,此外,还有许多辅助服务,如物流服务、运维服 务、金融服务等。
工业 App 可以充分释放数字孪生的潜力 [2]。工业 App 可以将数字孪生的各种组件分解为可由单个服务完 成的子任务模块,客户按需定制满足一定功能的微模块, 组建起一定功能的微服务组,经服务封装后,数字孪生服务发布到服务池和工业互联网平台。通过微服务,复 杂虚拟模型数字孪生的每个组件都可以统一管理、共享 和使用。
1.3 数字孪生模型管理的现状与挑战
目前,针对数字孪生模型管理的研究和方法仍相对 不足。现有的数字孪生模型管理方法多为零散而独立的 应用,缺乏统一的管理框架和标准,导致模型管理效率 低下、资源浪费和应用难度大。此外,模型隐私和安全 问题也给管理带来了挑战。
2 工业互联网平台统一数字孪生模型管理的框架
通过工业互联网平台统一数字孪生模型管理,可以 更好地理解和掌握工业设备或系统的运行情况,提前发 现潜在问题,并及时采取相应的措施,从而实现工业生 产的智能化、高效化和可持续发展。工业互联网平台统 一数字孪生模型管理的框架可以分为四个层次 ：
(1)设备监控层。对现场设备进行监控管理, 通过 数据采集连接现场设备,将数据上传进行储存与处理 ; (2)采集与处理层。该层负责对采集到的数据进行存储 和处理,包括数据清洗、数据存储、数据分析等。存储 方式可以选择关系型数据库、时序数据库或者分布式文 件系统等 ;(3)数字孪生服务层。负责构建数字孪生模 型,并对其进行优化,以提高模型的精度和准确性。模 型构建可以基于机器学习、深度学习等技术,通过对历 史数据的分析和建模,建立设备或系统的动态模型 ;统 一管理和协同数字孪生模型的生命周期,包括模型的版 本管理、模型的部署和更新,该层还可以提供协同工 作环境,方便多个用户对模型进行共同编辑、讨论和评 估 ;(4)应用层。该层负责将数字孪生模型应用到实际 的工业场景中,提供实时监测、预测分析、故障诊断等服务。该层还可以提供可视化界面,使用户可以直观地 查看和分析数字孪生模型的结果。
3 实证研究与案例分析
云南中烟卷烟工厂紧密围绕产品生产中的人员、设 备、物料、工艺、环境因素,基于数字孪生理念,构建 面向卷烟工厂的卷烟生产线数字孪生模型,形成系统架 构和自组织运行方法,为云南中烟卷烟工厂生产线数字 孪生模型提供示范和标准。
3.1 系统设计
木星数字孪生平台(Jupiter Digital Twin Platform) 是基于物理模型、传感器、运行历史等数据,集成多学 科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程的数据管理 平台。其应用架构核心层包括数据采集层、数据汇聚 层、数据管理层、应用服务层、数字孪生应用层。利用 该平台可为云南中烟数字孪生项目进行赋能来达到降低 数字孪生项目开发难度,减少数字孪生项目的开发周期 的目的。同时这种架构模式较灵活,让数字孪生项目具 备良好的开放和扩展性 [3],可为云南中烟数字孪生项目 提供高质量的信息化服务。平台总体架构如图 1 所示。
3.2 功能设计
(1)统一模型管理。基于工业互联网平台对云南中 烟下的红云红河集团与红塔集团下的个烟厂的数字孪生 模型的全生命周期管理,包括数据采集、存储与处理、 模型构建与优化、模型管理与协同、应用与服务等环节 进行统一管理 [4]。基于云南中烟工业互联网平台设计, 主页可选择查看工厂到成绩到产线以及具体设备。(2) 统一数据管理。基于工业互联网平台对采集的数据进行 储存和处理,包括数据清洗、存储、分析等,从端侧到 边侧再到云端进行全面设计。设备连接管理服务数据架构分别从云侧、边侧和端侧进行设计。1)模型管理功 能从云侧将数字模型库中的模型下载到边侧,边侧再将 模型分发到各个端侧 ;2)设备管理功能对设备数据进 行初始化,初始化完成的数据同步到对应端侧 ;3)配 置管理功能对数据采集、边缘计算和反向控制进行配 置,配置完成的数据同步到对应端侧 ;4)端侧对生产 设备进行数据与边缘计算,采集完成的数据通过行业多 级数据传输通道传输到边侧数据服务进行存储 ;5)设 备监测配置对采集数据和设备管理数据进行组态配置 ; 6)数据服务将数据通过传输通道上传至云侧数据湖和 数字孪生服务中。(3)统一模型管理。对 3D 模型、机 理模型以及数据模型等进行统一管理,使用低代码推拽 式进行使用。(4)设备状态模型管理。设备运行状态、 故障等管理。
3.3 系统安全设计
3.3.1 安全风险分析
云南中烟数字孪生平台面临的安全风险可分为 ：边 缘层安全、IaaS 层安全、PaaS 层安全、SaaS 层安全与 平台数据安全等几个方面,其关系如图 2 所示。
3.3.2 关键防范技术
(1)安全技术 ：主要包括数据安全、平台安全、访 问安全。(2)数据接入安全 ：通过工业防火墙、工业网 闸技术、加密隧道传输技术,防止数据泄露、被侦听或 篡改,保障数据在源头和传输过程中的安全 [5]。(3) 平 台安全 ：通过平台入侵实时检测,网络安全防御系统、 恶意代码防护、网站威胁防护、网页防篡改等技术实现 平台的代码安全、应用安全、数据安全、网站安全和网站安全 [6.7]。(4)访问安全 ：通过建立统一的访问机制, 限制用户范文权限和所能使用的计算资源和网络资源实 现对平台重要资源的访问控制和管理,防止非法访问。
4 结语
基于工业互联网平台的统一数字孪生模型管理方 法,为工业企业实现数字化转型提供了重要的技术支持 和管理手段。然而,本研究仍存在局限性,如实证案例 的规模较小、模型更新机制的完善等。未来的研究可以 进一步完善数字孪生模型管理框架,提升模型的精确性 和实时性,并开展更大规模的应用实践。
参考文献
[1] 刘云飞,郭易木,林冬阳,等.一种新型数字孪生模型在基建 中的应用[J].江苏科技大学学报(自然科学版),2022.36(6):112- 118.
[2] 邱龙波,何文婕.基于数字孪生技术的烟草仓储管理系统建 设[J].物流技术与应用,2022.27(11):110-113.
[3] 卢志敏,饶伟,江琳,等.数字孪生技术在烟丝库的应用研究与 实现[J].自动化仪表,2022.43(10):91-95+100.
[4] 孙涛,杨子兵,彭莹莹,等.数字孪生车间中的信息物理融合技 术应用[J].电子技术,2023.52(1):242-243.
[5] 梁超,唐敬,王吉,等.工业机器人健康管理数字孪生模型研究 及应用[J].电子产品可靠性与环境试验,2022.40(S2):5-10.
[6] 尚立新,李常非,桑腾,等.数字孪生模型在烟草智能仓储中的 应用[J].数字技术与应用,2022.40(2):75-77.
[7] 杜云鹏,王志强,胡煜,等.基于数字孪生的卷烟制丝生产线设 计的研究[J].软件,2023.44(1):153-156.
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