摘要：在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的背景下，數(shù)字孿生模型作為關(guān)鍵技術(shù)元素，已被深度整合進(jìn)智能制造與管理體系。面對(duì)模型數(shù)量激增與復(fù)雜度加劇的挑戰(zhàn)，如何構(gòu)建系統(tǒng)化的管理機(jī)制以有效整合與管理這些模型，成為當(dāng)前技術(shù)發(fā)展的迫切需求。本文致力于探索基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的統(tǒng)一數(shù)字孿生模型管理策略，希望通過優(yōu)化模型的全生命周期管理流程，提升其在實(shí)際應(yīng)用中的效能與效率。
關(guān)鍵詞：數(shù)字孿生；工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)；平臺(tái)構(gòu)建；技術(shù)運(yùn)用
doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2025.01.005
中圖分類號(hào)：TP 273" " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " " 文章編碼：1672-7274（2025）01-00-03
Research on Construction Technology of Industrial Internet Platform for Digital Twin
MOU Wenqing
（Shandong Jierui Digital Technology Co.， Ltd.， Yantai 264003， China）
Abstract： In the context of the rapid development of industrial Internet， the digital twin model， as a key technical element， has been deeply integrated into the core of intelligent manufacturing and management system. Faced with the challenge of a surge in the number and complexity of models， how to build a systematic management mechanism to effectively integrate and manage these models has become an urgent need for current technological development. This article is dedicated to exploring the management strategy of the unified digital twin model based on the industrial Internet platform， which can improve the efficiency and efficiency of the model in practical application by optimizing the model's full life cycle management process.
Keywords： digital twin; industrial internet; platform construction; technical application
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為工業(yè)領(lǐng)域轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，正引領(lǐng)著先進(jìn)制造業(yè)邁向新的高度。根據(jù)工業(yè)和信息化部發(fā)布的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2022年年底，國內(nèi)重點(diǎn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)已成功接入并管理超過8 100萬臺(tái)（套）設(shè)備，廣泛覆蓋國民經(jīng)濟(jì)45個(gè)關(guān)鍵行業(yè)，形成了由綜合型、特色型、專業(yè)型平臺(tái)共同構(gòu)成的多元化工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。在此背景下，數(shù)字孿生技術(shù)作為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的緊密協(xié)作伙伴，憑借其虛擬與實(shí)體世界的深度融合能力，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)數(shù)據(jù)的無縫流通與高效利用。在大數(shù)據(jù)浪潮的推動(dòng)下，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不僅承擔(dān)起生產(chǎn)線、設(shè)備狀態(tài)、人員信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)的全面采集、精細(xì)處理與實(shí)時(shí)分析的重任，更為數(shù)字孿生技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
1" "工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生
1.1 數(shù)字孿生技術(shù)驅(qū)動(dòng)OT與IT的無縫整合
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)作為企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型進(jìn)程中的核心驅(qū)動(dòng)力，極大地促進(jìn)了運(yùn)營技術(shù)（OT）與信息技術(shù)（IT）的深度交融。在此背景下，數(shù)據(jù)作為融合過程中的核心要素，扮演著連接OT與IT的關(guān)鍵角色。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)正積極拓展其邊界，力求打破企業(yè)內(nèi)部及跨界的壁壘，以軟件定義為核心導(dǎo)向，數(shù)據(jù)為關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，模式創(chuàng)新為引領(lǐng)方向，構(gòu)建全新的工業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。在此過程中，數(shù)字孿生技術(shù)扮演了至關(guān)重要的角色，它不僅搭建了數(shù)據(jù)與技術(shù)間的交互平臺(tái)，還進(jìn)一步推動(dòng)了融合發(fā)展的深化與拓展[1]。
1.2 構(gòu)建面向數(shù)字孿生的多維度工業(yè)App服
務(wù)架構(gòu)
數(shù)字孿生技術(shù)憑借其全面的服務(wù)能力，涵蓋了設(shè)備運(yùn)維、技術(shù)支持、測(cè)試驗(yàn)證、模擬仿真、數(shù)據(jù)管理、知識(shí)共享、模型構(gòu)建及算法優(yōu)化等多個(gè)維度，并輔以物流優(yōu)化、運(yùn)維保障、金融服務(wù)等輔助性服務(wù)，共同形成復(fù)雜、高效的服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)App作為這一服務(wù)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通過微服務(wù)化技術(shù)，將數(shù)字孿生的復(fù)雜功能細(xì)分為多個(gè)獨(dú)立且可復(fù)用的服務(wù)模塊，實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的靈活配置與按需組合。用戶可根據(jù)具體需求，自由挑選并組合這些微服務(wù)模塊，構(gòu)建出具有特定功能的微服務(wù)集群。隨后，將數(shù)字孿生服務(wù)集成至服務(wù)池及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜虛擬模型各組件的高效管理、資源的最優(yōu)配置與服務(wù)的快速響應(yīng)。這一模式不僅顯著提升了服務(wù)的靈活性與可擴(kuò)展性，更為工業(yè)應(yīng)用的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力[2]。
2" "基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)字孿生生產(chǎn)線典
型應(yīng)用
2.1 在自動(dòng)裝配生產(chǎn)線中的應(yīng)用
在工業(yè)自動(dòng)化范疇內(nèi)，數(shù)字孿生技術(shù)作為提升生產(chǎn)效能與靈活性的關(guān)鍵策略，特別是在書簽自動(dòng)裝配生產(chǎn)線的優(yōu)化中展現(xiàn)了顯著價(jià)值。該生產(chǎn)線涉及底盒、書簽、盒蓋的集成裝配，通過精細(xì)化的工序最終完成產(chǎn)品組裝并分類存儲(chǔ)。在此過程中，RFID技術(shù)被無縫集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的即時(shí)捕獲與追蹤，同時(shí)，系統(tǒng)持續(xù)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行的電氣參數(shù)（如電壓、電流）及能耗效率，為生產(chǎn)周期的精細(xì)化調(diào)整奠定堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
例如，鑒于書簽裝配線的高度復(fù)雜性和成本考量，其模塊化設(shè)計(jì)包含四個(gè)獨(dú)立工作站，傳統(tǒng)調(diào)試手段面臨重重困難。因此，項(xiàng)目初期即采用數(shù)字孿生技術(shù)，構(gòu)建虛擬模型進(jìn)行裝配工藝的預(yù)先模擬與調(diào)試，極大地促進(jìn)了調(diào)試效率的提高。此方法允許工程師在虛擬環(huán)境中進(jìn)行多次無風(fēng)險(xiǎn)試驗(yàn)，迅速迭代出高效且經(jīng)濟(jì)的裝配方案。數(shù)字孿生技術(shù)首先確保了裝配流程的精確重現(xiàn)，隨后通過精細(xì)的參數(shù)調(diào)整與性能優(yōu)化，確保生產(chǎn)線在實(shí)體部署前即達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。圖1詳細(xì)展示了這一虛擬分析流程。
圖1 書簽自動(dòng)裝配生產(chǎn)線過程分析
2.2 在機(jī)器人生產(chǎn)線中的應(yīng)用
數(shù)字孿生技術(shù)通過預(yù)先設(shè)定并優(yōu)化尺寸參數(shù)，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試，確保工作站運(yùn)行的無縫銜接，有效預(yù)防了尺寸不匹配導(dǎo)致的生產(chǎn)障礙。其卓越的模擬仿真能力，不僅精準(zhǔn)再現(xiàn)了機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑，還促進(jìn)了虛擬與現(xiàn)實(shí)的深度融合，使得機(jī)器人程序的編制與調(diào)試能夠同步進(jìn)行，從而雙重驗(yàn)證了程序的準(zhǔn)確性及工作站任務(wù)的適應(yīng)性[3]。
數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)一步拓寬了對(duì)工作站整體流程仿真調(diào)試的邊界。鑒于主控PLC在實(shí)際操作環(huán)境中易于受損的特性，虛擬調(diào)試功能應(yīng)運(yùn)而生，成為解決之道。該技術(shù)不僅聚焦于機(jī)器人的邏輯驗(yàn)證與編程調(diào)試，更將工作站的整體操作流程納入仿真范疇，為流程優(yōu)化提供了堅(jiān)實(shí)的支撐。通過與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的深度集成，數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的即時(shí)采集與深入分析。如圖2所示。
圖2 工業(yè)機(jī)器人工作站數(shù)字孿生模型
3" "面向數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)構(gòu)建
技術(shù)應(yīng)用
3.1 連接生命周期管理技術(shù)
首先，在構(gòu)建面向數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)時(shí)，物聯(lián)能力的深化是基礎(chǔ)，而連接的持久性及精確性則是保障數(shù)字孿生系統(tǒng)高可用性的關(guān)鍵要素。針對(duì)連接管理的優(yōu)化，鑒于數(shù)字孿生體及其連接環(huán)境的動(dòng)態(tài)特性，需采取一系列精細(xì)化策略：建立物模型與連接模型之間的松耦合設(shè)計(jì)模式，此模式能夠靈活應(yīng)對(duì)連接手段的變化，即便連接對(duì)象保持不變，也能確保連接的持續(xù)有效性[4]。
其次，開發(fā)一套支持復(fù)合物模型構(gòu)建的先進(jìn)建模環(huán)境，通過復(fù)用基礎(chǔ)物模型，快速搭建更高階的復(fù)合模型，以適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上數(shù)字孿生體SoS架構(gòu)的快速擴(kuò)展需求。在工具支持上，需增強(qiáng)物模型與連接模型間的屬性映射功能，并引入低門檻或無代碼技術(shù)來構(gòu)建派生屬性，從而豐富數(shù)字孿生體的信息層次。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)層面，采用ECA（Event-Condition-Action）機(jī)制，該機(jī)制不僅能加速派生屬性的構(gòu)建過程，還能設(shè)定智能報(bào)警規(guī)則，及時(shí)捕捉并處理異常數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)連接問題的精準(zhǔn)診斷與自動(dòng)修復(fù)。
最后，將資產(chǎn)及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)納入全面模型化管理范疇，構(gòu)建時(shí)間線性的變更追蹤體系，確保在環(huán)境變動(dòng)（如網(wǎng)關(guān)替換）時(shí)，連接能自適應(yīng)地重新綁定，數(shù)據(jù)能無縫合并。針對(duì)數(shù)據(jù)處理鏈路的復(fù)雜挑戰(zhàn)，推薦整合統(tǒng)一的ETL工具，并輔以MDS（監(jiān)控與診斷系統(tǒng)），實(shí)施多層次的容錯(cuò)策略，以有效應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)波動(dòng)等不確定性因素。
3.2 從數(shù)據(jù)采集到指標(biāo)呈現(xiàn)的一體化計(jì)算技術(shù)
數(shù)字孿生系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力提出極高要求，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)作為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的核心載體，其計(jì)算任務(wù)可劃分為兩大類別：基礎(chǔ)工況數(shù)據(jù)的直接匯總，通過Historian API或Flink的滑動(dòng)窗口機(jī)制高效實(shí)現(xiàn)；業(yè)務(wù)導(dǎo)向的復(fù)雜數(shù)據(jù)聚合，需結(jié)合具體業(yè)務(wù)對(duì)象進(jìn)行深度處理，并將結(jié)果輸出至指定數(shù)據(jù)源。面對(duì)這些復(fù)雜需求，大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎需著力解決三大技術(shù)難題：一是滑動(dòng)時(shí)間窗口內(nèi)計(jì)算性能的優(yōu)化，以提升處理效率；二是流批混合計(jì)算任務(wù)的靈活調(diào)度與編排，以滿足多樣化的數(shù)據(jù)處理需求；三是物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下特有異常數(shù)據(jù)的穩(wěn)健處理能力，確保數(shù)據(jù)的完整性與準(zhǔn)確性。當(dāng)前市場(chǎng)上的大數(shù)據(jù)計(jì)算引擎雖已相對(duì)成熟，但在實(shí)時(shí)性方面仍有待提升，且多偏向于傳統(tǒng)IT應(yīng)用。為加速數(shù)字孿生應(yīng)用的開發(fā)與部署，還需融合AI數(shù)據(jù)分析工具與先進(jìn)可視化技術(shù)。AI工具能夠深入挖掘數(shù)據(jù)間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，優(yōu)化關(guān)鍵業(yè)務(wù)指標(biāo)；可視化工具則借助WebGL等現(xiàn)代圖形技術(shù)，通過豐富的可視化手段（如漫游圖、爆炸圖等）直觀展現(xiàn)分析結(jié)果，輔助決策制定。值得強(qiáng)調(diào)的是，盡管AI在優(yōu)化指標(biāo)方面展現(xiàn)出強(qiáng)大潛力，但人的主觀判斷與可視化工具的輔助作用同樣重要，二者相互補(bǔ)充，共同推動(dòng)生產(chǎn)流程的優(yōu)化與效率的提升。
4" "實(shí)例分析
在構(gòu)建面向數(shù)字孿生的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的進(jìn)程中， 應(yīng)深刻認(rèn)識(shí)到乙烯裝置的核心價(jià)值，通過技術(shù)層面的革新與商業(yè)模式的重塑， 引領(lǐng)乙烯裝置向智能化轉(zhuǎn)型。
4.1 工廠模型數(shù)據(jù)
智能乙烯工廠模型數(shù)據(jù)服務(wù)作為數(shù)據(jù)管理體系的核心組成部分，該模型通過對(duì)生產(chǎn)活動(dòng)中設(shè)備、物料、運(yùn)營組織等關(guān)鍵要素的詳細(xì)建模與關(guān)聯(lián)關(guān)系分析，形成完整、動(dòng)態(tài)的乙烯工廠數(shù)字鏡像。這一鏡像不僅為業(yè)務(wù)邏輯處理及工業(yè)應(yīng)用提供統(tǒng)一、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持，還促進(jìn)生產(chǎn)過程的可視化與透明化。
4.2 物聯(lián)數(shù)據(jù)
通過支持多種工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議的解析與處理，該服務(wù)能夠?qū)崟r(shí)采集、接收并處理來自DCS、SCADA、PLC系統(tǒng)以及智能儀表、手持終端等設(shè)備的海量數(shù)據(jù)。在此基礎(chǔ)上，通過構(gòu)建實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流處理與規(guī)則引擎機(jī)制，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速集成、轉(zhuǎn)換與標(biāo)準(zhǔn)化處理，為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的智能分析與決策提供實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。
4.3 工業(yè)App
在乙烯工廠的安全、操作、工藝、設(shè)備四大關(guān)鍵崗位框架下，深入剖析運(yùn)營優(yōu)化、生產(chǎn)監(jiān)控、資產(chǎn)管理等核心業(yè)務(wù)領(lǐng)域的運(yùn)作機(jī)理，提煉出相應(yīng)的業(yè)務(wù)邏輯、核心算法與基礎(chǔ)模型。隨后，基于知識(shí)體系的特性進(jìn)行精細(xì)分類，依托全方位的技術(shù)支持、精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)以及高效的業(yè)務(wù)處理能力，為各崗位量身定制工業(yè)應(yīng)用程序（App），并構(gòu)建出與之配套的專屬工作平臺(tái)。
工業(yè)App的部署架構(gòu)依據(jù)其服務(wù)范疇、算法運(yùn)行環(huán)境及數(shù)據(jù)流通需求，可劃分為兩大主要策略。首先，當(dāng)App的數(shù)據(jù)流、算法計(jì)算及用戶交互界面均整合于管理網(wǎng)或工業(yè)控制網(wǎng)內(nèi)部時(shí)，如工藝人員利用辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行乙烯裂解爐模擬計(jì)算的離線仿真，或操作人員直接在工業(yè)控制網(wǎng)中查閱DCS系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)操作流程指南，乃至碳三反應(yīng)器專家控制App的優(yōu)化結(jié)果無縫集成至生產(chǎn)控制流程，此類App適宜采用集中式部署，確保網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)的高效協(xié)同。其次，若App的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)或算法處理環(huán)節(jié)位于數(shù)據(jù)采集層，而用戶交互界面則設(shè)置于管理層，則宜采用分布式架構(gòu)，跨越不同網(wǎng)絡(luò)層級(jí)進(jìn)行部署，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活傳輸與處理。
5" "結(jié)束語
綜上所述，通過對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行深度剖析，可以清晰洞察到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生技術(shù)之間緊密相連、相互促進(jìn)的發(fā)展態(tài)勢(shì)。鑒于企業(yè)間在數(shù)據(jù)分析需求上的差異性，數(shù)字孿生技術(shù)的實(shí)施策略需靈活應(yīng)變，因企制宜。未來的研究應(yīng)致力于探索跨平臺(tái)數(shù)據(jù)整合的新路徑，打破數(shù)據(jù)壁壘，實(shí)現(xiàn)全面互聯(lián)，進(jìn)一步提升數(shù)字孿生與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的集成效能與運(yùn)行可靠性，為企業(yè)的產(chǎn)能升級(jí)與效率提升奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。■
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作者簡(jiǎn)介：牟文青（1976—），女，漢族，山東煙臺(tái)人，工程師，研究生，研究方向?yàn)楣I(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等。
