工业物联网平台数字孪生版白皮书

1.平台概述

中服云工业物联网平台数字孪生版，重在设备的可视化孪生显示监控，基于物联网平台的数据采集、数据中台和数据通信控制能力，打造的一款实时数据2D/3D集成展示监控平台，旨在解决工业物联网数据的直观展示、实虚互动、仿真模拟、可视化培训、数字化交付、故障诊断、告警、预警、预测、实时观测、实时监控等问题。提供了数据采集、数据底座、监控逻辑、建模工具、展示互动工具、模拟仿真、诊断预测等功能，内置地球、城市、园区、工厂、车间、设备等多个场景。具有直观性、实时性、集成性、主动性等特点。可应用于实时监控、应急指挥、生产调度、模拟仿真、展示推广、实体复原、产品测试等多种场景。

1.1.数字孪生的基本概念与发展

随着数字技术的迅猛发展，数字孪生技术逐渐成为连接虚拟现实与物理世界的桥梁.数字孪生技术概念并不算新，数字孪生概念已提出多年，直到近两三年才引起广泛重视，这是因为数字孪生的支撑技术如传感技术、物联网技术、大数据技术、人工智能技术、工业互联网技术的快速发展，为数字孪生的落地应用奠定了基础，另一方面，也是各行各业的智能化、数字化发展目标与数字孪生相契合的结果。数字孪生技术的应用为工业、城市规划、医疗、园区、交通、旅游等领域带来了深刻的变革。

概念：

数字孪生是指通过数字化技术在虚拟环境中创建一个实体或系统的精确模型，以模拟和分析其在现实世界中的运行状态和行为。这种模拟可以涵盖从物理结构到运行流程的各个方面。

数字孪生是一种超现实的概念，其又被人命名为数字镜像或者数字化映射。简单来说，数字孪生(Digital Twin)就是在虚拟空间中，构建物理实体的“克隆体”，还原现实世界中的场景，从而支持人们对物理实体进一步了解、分析和优化决策。

数字孪生是物理对象的数字模型，该模型可以通过接收来自物理对象的数据而实时演化，从而与物理对象在全生命周期保持一致。基于数字孪生可进行分析、预测、诊断、训练等（即仿真），并将仿真结果反馈给物理对象，从而帮助对物理对象进行优化和决策。物理对象、数字孪生以及基于数字孪生的仿真及反馈一起构成一个信息物理系统(cyberphysical systems)。面向数字孪生全生命周期（构建、演化、评估、管理、使用）的技术称为数字孪生技术(DigitalTwin Technology)。数字孪生DT和信息物理系统(Cyber Physical System)之间的关系，即数字模型、基于数字模型的各种活动（仿真）、物理对象以及数字模型和物理对象之间的连接（数据及仿真结果）形成一个信息物理系统。

技术组成要素：

数字孪生技术的构建主要包括数据采集、模型建立、实时仿真、数据存储、数据分析与可视化等多个要素，通过这些要素的协同工作，实现对实体或系统的全面模拟。

1.2.数字孪生技术架构

l数据采集与实时更新

数字孪生的首要任务是通过各类传感器、PLC实时采集与监测物理实体的数据。这些数据包括温度、湿度、压力、运动状态等多个方面，为建模提供真实、全面状态数据、运动数据。

l模型建立与实时仿真

通过采集到的数据，利用建模技术构建数字孪生模型。这些模型需要具备足够的精度，能够准确还原物理实体的结构和行为。实时仿真则通过不断更新的采集到的数据，使数字孪生模型与物理实体保持同步。

l数据分析与预测

数字孪生技术通过对模型中的数据进行深度分析，提取关键信息，实现对物理实体行为的理解和预测。这一环节涉及到数学模型、机器学习、人工智能等前沿技术的应用，以更好地服务于决策和优化。

l可视化与交互界面

为了更直观地展现数字孪生模型的结果，设计直观、用户友好的可视化与交互界面是关键。这不仅包括对模型数据的三维呈现，还包括用户与模型进行实时交互的功能，提高用户体验。

1.3.数字孪生成熟度模型

作为一种实现信息空间与物理空间深度融合的有效途径，是促进数字化转型和智能化提升的有效手段。有些观点把数字孪生成熟度分为“以虚仿实（L0）、以虚映实（L1）、以虚控实（L2）、以虚预实（L3）、以虚优实（L4）、虚实共生（L5）”六个等级。

零级（L0）：以虚仿实

指利用数字孪生模型对物理实体描述和刻画，在一定程度上代替物理实体进行仿真分析或实验验证，但数字孪生模型与物理实体之间无法通过直接的数据交换实现实时交互。

一级（L1）：以虚映实

指利用数字孪生模型实时复现物理实体的实时状态和变化过程，从而在一定程度上突破时间、空间和环境约束对于物理实体监测过程的限制。

二级（L2）：以虚控实

指利用数字孪生模型间接控制物理实体的运行过程，虚实映射，具有数字孪生模型到物理实体的数据传输通道，实现虚实实时双向闭环交互，从而赋予物理实体远程可视化操控的能力。

三级（L3）：以虚预实

指利用数字孪生模型预测物理实体未来一段时间的运行过程和状态，从而在一定程度上将未知转化为预知，将突发和偶发问题转变为常规问题。

四级（L4）：以虚优实

指利用数字孪生模型对物理实体的运行、结构进行优化，利用策略、算法和前期积累沉淀的知识，实现具有时效性的智能决策和优化。

五级（L5）：虚实共生

虚实共生作为数字孪生的理想目标，指物理实体和数字孪生模型在长时间的同步运行，甚至是在全生命周期中通过动态重构实现自主孪生。

1.4.数字孪生常用技术术语

三维建模：用于生成数字孪生的三维模型，可以使用CAD软件、三维建模软件等。

数据采集：用于采集物理世界中的数据，可以使用传感器、PLC、数据库、设备协议等。

数据处理：用于处理采集到的数据，包括数据预处理、分析、数据挖掘等。

数据清洗：指的是对原始数据进行处理和筛选，以确保数据的准确性、完整性和一致性。

数据建模：是指将现实世界中的物理系统或过程转化为数字形式的模型。这个过程包括收集、整理和分析相关的数据，然后使用数学、统计学和计算机科学等方法来构建模型。

物联网技术：用于连接物理世界中的设备和系统，包括传感器、智能设备、云计算等。

数据传输：数据传输是非常重要的一环，它扮演着连接实际系统和数字孪生模型的桥梁，起到了数据采集、传输和更新的作用。

空间数据融合：用于存储和处理数字孪生的数据和模型，包括云存储、云计算、数据中台等。

原型设计：是指在设计过程中创建一个低保真或高保真的可视化模型，以展示和演示最终产品的外观、布局和交互。

数据可视化与模拟仿真：用于展示数字孪生的数据和模型，包括图表、地图、动画等。通过建立物理系统的数学模型，数字孪生平台可以进行虚拟仿真，模拟物理系统在不同条件下的运行情况。

信息物理系统（CPS）：物理实体、数字孪生体以及他们之间的实时数据互通构成了信息物理系统。

2.平台架构

2.1.数字孪生平台功能架构

（1）物理对象

数字模型是依赖于物理对象而构建或者为物理对象的仿真，数字孪生的物理对象主要有两种：

物理实体：指的是物理设备或者装置或者物体

物理系统：指的是由物理设备、软件及其生产或运动过程的整体

（2）感知与通信

这里指的是物理对象和数字孪生体之间的数据实时通信，主要包括：数据采集、指令控制、数据传输等

（3）数据与知识

这里存储着数字孪生体运行的数据源，由静态数据和动态实时数据构成，包括：实时采集数据、系统数据、设备元数据、业务数据、及其相关的资料、知识、图纸、模型、视频、图片、关系、规则等数据以及仿真模拟数据。

（4）数字孪生开发与应用

主要由数字孪生建模有关的工具和重要应用功能构成，包括：

工具：2D/3D组态工具、GIS建模工具、数据可视化工具、数据流处理工具

重要应用功能：可视化监控、可视化建模、可视化培训、数字化交付、模拟仿真

2.2.数字资产

主要由数字孪生工具开发的重要应用场景模型及集成的数据成果构成，这些成果发布后，支持用户使用，达到应用的目的。在使用过程中，可修改完善。

2.3.数字孪生平台的数据架构

1）可视化展示部分

孪生监控：在逻辑空间建立真实物理场景，展示、操控物理空间的实体、状态、特征、变化；

模拟仿真：在逻辑空间模拟仿真物理空间的实体、状态、特征、变化，研究场景的物理属性和变化特征；

可视化培训：用全厂的三维模型逐步下钻介绍全厂的布局、车间、设备等情况；也可以建立设备三维模型，用拆开、组装的办法详细介绍设备的性能、参数、拆装流程等。

2）数据中台部分

动态和静态数据是孪生的基础，主要包括：

数据存储：各类数据的分布式统一存储

数据获取：各类数据的获取方法和工具

数据浏览：数据资料浏览查询

数据关系：数据关系的建立和维护

数据目录：数据资料的逻辑存储目录

数据接口：统一的数据存取API

3）数据管控部分

快速构建工具：2D/3D建模、数据分析、数据处理工具

数据管理浏览：以数据的形式监控数据的变化

平台管理：用户、权限、配置等管理

4）数据资料的采集与交付

资料上传：把CAD、图片、视频、声音、手册等资料上传到数据中台

业务数据集成：用etl工具、API接口、手工录入等方式把其它系统的业务数据传输到数据中台

实时数据采集：基于物联网平台把动态实时数据采集到数据中台或者直接路由给3D模型

l数据转换及预处理：对其它数据格式进行必要转换或者计算处理后上载到数据中台

3.主要功能

3.1.三维建模

主要包括2D/3D数字孪生建模工具、GIS园区建模工具、数据流处理工具以及模型管理。

lCCT建模工具

可视化2D、3D组态页面设计，设备数据动画、灯光、文字、图表绑定等，在线编辑在线部署在线使用。包括3000多个不同行业组件。具有动态数据显示和直接控制能力。主要包括以下能力和特点：

1）内置机床、装置、汽车、飞机、动力设备、园区设施、智能楼宇设备、水务、水利、电力、公路、地球等3000多个图形组件

2）路线漫游

3）数据显示动态/静态图表

4）可视化控制

5）摄像头视频

6）仿真模拟

7）交互式互动

8）数据回放

9）报警、诊断语音、画面提醒

10）虚实景融合

11）数据绑定--动态数据、静态数据

12）图形组件兼容多种格式，可以来自数据中台，也可以来自本地磁盘

lGIS园区建模工具

包括：园区高程地图、虚实融合、周界、嵌入3D\2D组态、动静数据展示、物体路线移动、几何测量、等高线、多种图层、其它对象嵌入。

l数据流处理工具

对输入数据进行连续的过滤、变换、聚合、转换、计算等处理，输出新的结果；处理流程可图形化自定义存储，触发；可定义多条流程；可用于实时数据流处理和历史数据的批量处理；高并发支持，高负载承载；支持多种数据格式的输入输出。

l模型管理

制作模型的类型、状态管理

模型发布

3.2.可视化培训

用三维建模工具，建立整厂三维模型，利用下钻式方式逐步介绍全厂的环境、生产、设备、工艺等；建立每个设备的拆解过程模型；支持VR培训等。

3.3.可视化监控

主要包括：重要设备的重要参数数据监控、图表监控、设备报警、设备诊断数据、工艺流程监控、三维组态监控（利用组态工具建立三维模型，并绑定静态、动态数据或者计算数据、报警数据等），功能如下系统截图中的功能菜单。

3.4.模拟仿真

利用本功能可以实现2种用途：1）系统上线后的功能测试；2）设备、工艺运行仿真。主要功能包括：

l各类仿真数据的模拟生成：历史数据的模拟、未来数据的模拟、以往excel设备数据导入、系统实时生成各类计算数据、真实数据的半自动生成工具等；

l要仿真设备、工艺的三维、二维建模，和仿真数据的绑定，由组态工具制作；

l各类仿真体的运行仿真。

3.5.数据资料库

l存储着数字化移交的给类静态数据资料，主要包括：图纸、手册、知识、图片、视频、电子设计图等

l存储着物联数采上来的各类设备的测点实时数据

l存储着设备台账数据及其元数据

l存储着集成过来的其它系统的业务数据

l以及维护这些数据的数据类型及其关系

l各类数据的浏览查询

3.6.电子资料移交

l外部图片、三维模型、手册、视频等各类电子资料的上传

l外部业务数据的etl自动抽取、api集成

l业务数据源管理

l数据资料目录维护

3.7.其它功能

l主要包括以下功能：

l系统首页

l物联网数据采集配置

l系统故障派单处理

l系统管理

3.8.系统其它截图

4.行业应用

4.1.制造业

l产品测试：

可以帮助优化零部件设计、改进性能，以及提前发现潜在问题。通过将实际的工厂和设备建模为数字孪生，制造商可以在模拟环境中进行各种测试，如产品验证、生产流程优化等。数字孪生还可以用来监测和分析设备的状态和性能，以实现更好的预测性维护和更高的生产效率。

l产品研发设计：

在研发新产品时，可以借助产品数字孪生模型来优化产品设计；在工艺规划阶段，可以通过对数字孪生模型的检查来确保每个零件的成功制造以及零件的相互协调。

航空航天领域使用数字孪生技术进行飞机零部件的数字化建模，实现了对飞机全寿命周期的数字化管理，提高了维护效率。

l生产过程监控：

在具体制造过程中，还可以搭建从设备到产线、车间、整个工厂的数字孪生模型，通过不断采集数据、分析数据，实现高效排产，及时发现生产问题。数字孪生可用于建模和仿真制造设备、生产线和整个工厂。通过模拟生产流程，优化工艺、改进设备布局，提高生产效率和降低成本。

l模拟仿真：

汽车制造商利用数字孪生技术建立了虚拟汽车模型，通过数字孪生技术，制造商可以模拟汽车在不同条件下的性能，提前发现潜在问题。另外，对于新车型的研发，也可以使用虚拟环境，数字孪生技术在汽车制造业中为联网车型构建虚拟模型，更好地帮助车企在投产之前就对产品的性能与实际表现进行精准的评估。

数字孪生技术对于自动驾驶来说也天然契合，我们知道自动驾驶汽车包含许多传感器，用来收集与车辆本身及汽车周围环境的相关数据。在数字孪生的世界里，可以通过云端测试场，根据真实道路数据生成的虚拟环境，让自动驾驶的算法在虚拟世界里进行安全的实验与测试。

4.2.医疗行业

人体细胞数量形态多，器官复杂，利用数字孪生技术，将人体数字化，即基于人体相关的多学科、多专业知识的系统化研究，将这些知识全部注入人体的数字孪生体中。有利于降低各种手术风险，提高成功率，改进药物研发，提高药物的效用。

数字孪生技术在医疗健康领域中的应用主要是在医学影像方面。通过数字孪生技术，可以将患者的身体部位进行三维建模，并模拟病变情况，从而帮助医生更准确地诊断和治疗疾病。

随着数字孪生技术的出现，为个体患者提供个体化的诊断和治疗将成为可能，对人体健康状态进行实时监测和预测，为医疗保健提供更加精准的服务。如今数字孪生技术在心血管疾病、癌症、传染病等方面的都有应用案例。

手术模拟与培训：医疗机构通过数字孪生技术建立患者特定的数字模型，为医生提供实时的手术模拟和培训环境，提高手术的准确性。

个性化治疗：基于患者的数字孪生模型，医生可以制定个性化的治疗方案，提高治疗的效果。

个性化护理：医疗保健提供者和制药公司还可以使用数字孪生体对患者的基因组代码，生理特征和生活方式进行建模，以便医疗保健公司可以为每位患者提供个性化护理。

4.3.城市规划与管理

在城市规划中，基于三维GIS的数字孪生建立虚拟城市模型，模拟城市的交通流、能源使用、环境影响等。这有助于城市规划者优化城市设计、改善交通流动性，并提升城市的可持续发展，可以用来模拟城市规划和建筑设计，包括建筑外观、结构和功能。可以用来模拟城市交通和人口流动，以便城市规划师了解城市未来的需求和挑战。在建筑设计方面，数字孪生可以用来评估建筑的能耗和环保指标，帮助建筑师设计更加环保和节能的建筑物。

交通管理：数字孪生技术在交通管理中的应用允许城市规划者模拟交通流量，提前识别交通瓶颈、优化交通信号和道路设计，并进行智能调度。还支持智能交通系统和自动驾驶车辆的开发和测试。

4.4.能源行业

数字孪生技术在能源领域的应用主要是在能源生产和消费方面。通过数字孪生技术，可以模拟能源生产和消费的过程，从而分析能源的使用效率和优化能源消费方式。

数字孪生可用于能源生产、传输和消费系统的建模。通过实时监测和模拟，优化电网运行、提高能源利用效率，并支持可再生能源的集成。可以模拟电网和输电线路，以帮助能源公司更好地预测和管理电力供应。还可以用来优化风力和太阳能发电厂的运营，以提高电力生成效率。甚至可以用来模拟整个城市的能源消耗情况，以帮助城市规划师了解城市的能源需求和挑战。

电网管理：电力公司通过数字孪生技术对电网进行建模，实现对电力分布、供应和需求的实时监控，提高电网的稳定性。

4.5.建筑行业

数字孪生技术在建筑业中的应用主要是在建筑设计、施工过程、建筑园区运维。通过数字孪生技术，可以在计算机上建立建筑物的三维模型，并模拟建筑物在不同环境下的运行情况，如风力、地震等，从而在设计阶段发现并解决潜在的问题，避免在实际施工中出现问题。

数字孪生可以用于建筑项目的虚拟建模和仿真，包括设计、施工和运营阶段。这有助于优化建筑结构、提高能源效率，并预测设备的维护需求。

建筑设计与模拟：建筑师使用数字孪生技术建立建筑的数字模型，实时模拟建筑在不同光照和气候条件下的表现。

智能楼宇管理：数字孪生技术在房地产中的应用使得建筑可以实时监控能耗、人流等信息，实现智能楼宇管理。

4.6.农业行业

在农业领域，数字孪生可用于农业生产流程、预测农作物生长情况的建模，并优化农业决策，提高农业生产效益。　

数字孪生可以用来模拟作物生长，帮助农民预测和优化作物收成。数字孪生可以根据不同的地理位置、气候条件、土壤类型等因素，模拟不同作物的生长过程，包括种子萌发、植物生长、气候灾害等。这样就可以让农民更加准确地进行农业生产规划和管理。

农田管理：通过数字孪生技术对农田进行数字建模，实现对土壤质量、植物生长等方面的监测和优化。通过建立农田的数字孪生模型，可以对农田进行精细化管理和智能化决策，提高农业生产效率和经济效益。

4.7.物流行业

数字孪生可用于建模供应链过程，帮助优化库存管理、预测需求，并提高供应链的效率。

客户建模和模拟：零售商可以创建客户角色的数字孪生体，以改善他们提供的客户体验。例如，零售商可以根据其数字孪生模型为客户提供理想的时尚服装产品。

物流管理：数字孪生技术可以为交通物流行业提供更加智能化的解决方案。通过数字孪生技术建立车辆的虚拟模型，实现对车辆运行状态的实时监控和预测，提高运输效率和安全性。

仓库设计和运营：对货架、物料、托盘及各类自动化设备等仓库全景实现高质量孪生重建，实现数字世界与物理世界的映射，还原仓库实时运行状态。同时，对各项运营指标进行分析和实时监控，实现全链路数据管理，保证仓库有序、高效运行，最大化释放企业仓储潜能。也可以帮助物流公司测试仓库布局，使公司选择最有效的仓库设计，最大限度地提高运营绩效。

4.8.教育行业

数字孪生提供了在虚拟环境中学习和实践的机会，尤其是对于涉及危险或昂贵设备的培训，如飞行模拟器、工程实验、爆炸、复杂设备维修等。