我國(guó)工業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字智能化的崛起，我們?cè)?jīng)頭頂光環(huán) (IPv6) 站在世界之巔，網(wǎng)絡(luò)空間霸權(quán)也使我們腳踏塵沙，“雪人計(jì)劃”讓我們終于迎來機(jī)會(huì)，工業(yè)重構(gòu)必然是燎原烈火。隨著新賽道的開啟，以及信息化、數(shù)字化、融合化、智能化的發(fā)展，工業(yè)智能化未來可期。雖然供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革能解決快速實(shí)施的問題，但是網(wǎng)絡(luò)安全發(fā)展越來越復(fù)雜化，IoT融合安全道阻且長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)安全必須向更高級(jí)進(jìn)化。虛擬化、數(shù)字孿生是提升實(shí)力的必由之路，各個(gè)行業(yè)需借助數(shù)字孿生技術(shù)推進(jìn)行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。
工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的核心是控制系統(tǒng)，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)的最終目的也是保護(hù)工業(yè)安全，但當(dāng)我們不了解其機(jī)理、狀態(tài)和問題駐留情況時(shí)，就好像在自己家里放了一個(gè)放射物質(zhì)，我們卻全然不知。雖然我國(guó)對(duì)DCS系統(tǒng)的研究發(fā)展與國(guó)外幾乎沒有技術(shù)代差，但是仍存在一定差距。在硬件方面，核心芯片受制于人，工業(yè)軟件發(fā)展緩慢,工業(yè)控制技術(shù)影響先進(jìn)工藝流程的開發(fā)和發(fā)展，因此很難進(jìn)入某些高端行業(yè)領(lǐng)域或特殊工藝的業(yè)務(wù)場(chǎng)景。由于我國(guó)在早期大量引入國(guó)外DCS系統(tǒng)，也造成國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的自主品牌在很長(zhǎng)一段時(shí)間舉步維艱，一旦市場(chǎng)或國(guó)際形勢(shì)發(fā)生變化，很容易造成斷供、斷貨，工業(yè)行業(yè)亟待開啟新的征程。
順大勢(shì)，謀未來。數(shù)字化新時(shí)代的大門已經(jīng)敞開，新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)紛至沓來。如何順應(yīng)工業(yè)互聯(lián)大趨勢(shì)、運(yùn)籌帷幄，最終搶占時(shí)代先機(jī)?作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要信息安全支撐產(chǎn)業(yè)，網(wǎng)絡(luò)安全(尤其是工控安全行業(yè)) 也在積極尋求突破，拓“智”能發(fā)展，“維”新路徑，助力行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈以及宏觀經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。本文講述依據(jù)數(shù)字孿生技術(shù)開發(fā)DCS數(shù)字孿生體，構(gòu)建DCS的眾測(cè)驗(yàn)證平臺(tái)，在DCS物理世界中，通過數(shù)字孿生技術(shù)復(fù)制n份數(shù)字孿生體，為DCS系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)驗(yàn)證、故障模擬數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、智能預(yù)警、智能控制等功能應(yīng)用控制和操作環(huán)境。
數(shù)字孿生背景
通俗來講，數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是指針對(duì)物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構(gòu)建一個(gè)在數(shù)字世界中一模一樣的實(shí)體，借此實(shí)現(xiàn)對(duì)物理實(shí)體的了解、分析和優(yōu)化。從技術(shù)角度而言，數(shù)字孿生集成了建模與仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)、物聯(lián)網(wǎng)、云邊協(xié)同以及人工智能等技術(shù)，通過實(shí)測(cè)、仿真和數(shù)據(jù)分析來實(shí)時(shí)感知、診斷、預(yù)測(cè)物理實(shí)體對(duì)象的狀態(tài)，通過指令來調(diào)控物理實(shí)體對(duì)象的行為，通過相關(guān)數(shù)字模型間的相互學(xué)習(xí)來進(jìn)化自身，合理有效地調(diào)度資源或?qū)ο嚓P(guān)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。
2002年10月在美國(guó)制造工程協(xié)會(huì)管理論壇上，當(dāng)時(shí)的產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）咨詢顧問Michael Grieves 博士提出了數(shù)字孿生最早的概念模型。但是，當(dāng)時(shí)“數(shù)字孿生”一詞還未被正式提出，Grieves博士將這一設(shè)想稱之為“PLM 的概念設(shè)想（Conceptual Ideal for PLM）”。
2009年，美國(guó)空軍實(shí)驗(yàn)室提出“機(jī)身數(shù)字孿生（Airframe Digital Twin）”概念，將數(shù)字孿生概念應(yīng)用于航空航天制造領(lǐng)域。2010年，美國(guó)國(guó)家航空航天局在《建模、仿真、信息技術(shù)和處理》和《材料、結(jié)構(gòu)、機(jī)械系統(tǒng)和制造》兩份技術(shù)路線圖中直接使用了“數(shù)字孿生”這一名稱，并將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。2011年，Grieves博士在其所著的《智能制造之虛擬完美模型：驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新與精益產(chǎn)品》中正式定義了數(shù)字孿生概念，并一直沿用至今。
2012年美國(guó)空軍研究室將數(shù)字孿生應(yīng)用到戰(zhàn)斗機(jī)的維護(hù)中，而這與航空航天行業(yè)最早建設(shè)基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）息息相關(guān)，能夠支撐多類模型敏捷流轉(zhuǎn)和無縫集成。近些年，數(shù)字孿生應(yīng)用已從航空航天領(lǐng)域向工業(yè)各領(lǐng)域全面拓展，西門子、GE等工業(yè)巨頭紛紛打造數(shù)字孿生解決方案，賦能制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。數(shù)字孿生蓬勃發(fā)展的背后與新一代信息技術(shù)的興起、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在多個(gè)行業(yè)的普及應(yīng)用有著莫大聯(lián)系。
各國(guó)數(shù)字孿生發(fā)展情況
(一) 美國(guó)
美國(guó)從戰(zhàn)略規(guī)劃、應(yīng)用實(shí)踐、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新等方面全方位布局?jǐn)?shù)字孿生發(fā)展。
一是“政產(chǎn)研”合力推動(dòng)數(shù)字孿生上升為國(guó)家戰(zhàn)略。二是依托航空航天基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，探索形成了成熟的應(yīng)用路徑。三是供給側(cè)企業(yè)加快技術(shù)創(chuàng)新，利用新一代信息技術(shù)優(yōu)化數(shù)字孿生應(yīng)用效果。如在“IoT+仿真”方面，ANSYS和PTC公司合作構(gòu)建水泵的數(shù)字孿生體，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下的仿真診斷，相較于傳統(tǒng)離線仿真，大大提升了診斷的及時(shí)性和準(zhǔn)確性。在“AI+仿真”方面，MathWorks將數(shù)據(jù)分析工具M(jìn)ATLAB和仿真產(chǎn)品Simulink打通，將MATLAB人工智能訓(xùn)練數(shù)據(jù)集輸入Simulink 中進(jìn)行仿真及驗(yàn)證分析，極大地優(yōu)化了仿真結(jié)果。
因此，美國(guó)數(shù)字孿生的綜合優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在在三個(gè)方面：一是構(gòu)建了基于模型的系統(tǒng)工程方法論，通過統(tǒng)一語(yǔ)義和語(yǔ)法標(biāo)準(zhǔn)、給定系統(tǒng)集成路徑，為數(shù)字孿生應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。二是擁有強(qiáng)大的仿真產(chǎn)業(yè)，ANSYS、MathWorks、Altair等企業(yè)為數(shù)字孿生應(yīng)用提供基礎(chǔ)建模工具。三是擁有豐富的應(yīng)用數(shù)據(jù)和模型，空客公司、洛克希德馬丁公司、特斯拉公司等企業(yè)在產(chǎn)品研制過程中積累了大量機(jī)理模型，持續(xù)優(yōu)化數(shù)字孿生精度。
(二) 德國(guó)
德國(guó)立足標(biāo)準(zhǔn)體系基礎(chǔ)，加快打造數(shù)字孿生競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
德國(guó)立足標(biāo)準(zhǔn)制定基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)，面向數(shù)字孿生打造了數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通、模型互操作的標(biāo)準(zhǔn)體系（即管理殼理論），實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字化資產(chǎn)（數(shù)據(jù)、信息、模型）之間的無縫集成融合，提升物理實(shí)體在虛擬空間映射的精準(zhǔn)度。在數(shù)據(jù)互聯(lián)和信息互通方面，德國(guó)在OPC UA協(xié)議中內(nèi)嵌信息模型，實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式一致性。在模型互操作方面，德國(guó)依托戴姆勒的Modolica標(biāo)準(zhǔn)開展多學(xué)科聯(lián)合仿真，目前已經(jīng)是全球仿真模型互操作的最主流標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，2020年9月，德國(guó)VDMA、ZVEI、Bitkom聯(lián)合20家歐洲龍頭企業(yè)（ABB、西門子、施耐德、SAP等）成立了工業(yè)數(shù)字孿生協(xié)會(huì)，其目標(biāo)是通過統(tǒng)一各個(gè)企業(yè)數(shù)字化工具標(biāo)準(zhǔn)，提升數(shù)字孿生體的并行開發(fā)效率。
此外，相較于美國(guó)更多開展“裝備級(jí)”數(shù)字孿生，德國(guó)具有單點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，西門子是全球極少數(shù)能夠提供“工廠級(jí)”數(shù)字孿生的工業(yè)服務(wù)商。近10年來，工業(yè)自動(dòng)化巨頭西門子花費(fèi)100多億美元收購(gòu)了幾乎全類別的工業(yè)軟件，涵蓋了產(chǎn)品生命周期管理（Teamcenter）、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(NX)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(Mentor)、事件仿真(Simcenter)、制造運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)（Opcenter）等，并持續(xù)將各類工業(yè)軟件集成到MindSphere工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，西門子能夠基于平臺(tái)構(gòu)建全工廠數(shù)字孿生，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)虛實(shí)映射，還能基于工業(yè)自動(dòng)化優(yōu)勢(shì)完成閉環(huán)控制。
(三) 中國(guó)
中國(guó)數(shù)字孿生市場(chǎng)活躍，多主體參與市場(chǎng)，但創(chuàng)新能力有待提升。
中國(guó)各類主體積極參與數(shù)字孿生實(shí)踐，在理論研究、政策制定、產(chǎn)業(yè)實(shí)踐等方面開展探索，但整體上應(yīng)用深度和廣度還需進(jìn)一步拓展，仍待挖掘更多的工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景。
在理論研究方面，中國(guó)關(guān)于數(shù)字孿生思想的研究由來已久，1978年錢學(xué)森提出系統(tǒng)工程理論，由此開創(chuàng)國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界研究系統(tǒng)工程的先河。2004年，繼美國(guó)提出數(shù)字孿生概念，中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所的王飛躍研究員聚焦解決復(fù)雜系統(tǒng)方法論，首次提出平行系統(tǒng)的概念，將系統(tǒng)工程與新一代信息技術(shù)結(jié)合。
在政策制定方面，2021年我國(guó)各部委和地方政府開始紛紛出臺(tái)數(shù)字孿生相關(guān)政策文件。國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)的“上云用數(shù)賦智”、中國(guó)科協(xié)的“未來十大先進(jìn)技術(shù)”、工業(yè)和信息化部的“智能船舶標(biāo)準(zhǔn)”均將數(shù)字孿生列為未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，上海和海南在其城市規(guī)劃中也提出要打造數(shù)字孿生城市。
在產(chǎn)業(yè)實(shí)踐方面，我國(guó)多類主體均開展數(shù)字孿生探索，如恒力石化、中廣核技等企業(yè)積極構(gòu)建三維數(shù)字化工廠，湃睿科技、摩爾軟件等企業(yè)利用AR、VR提升數(shù)字孿生的人機(jī)交互效果，工業(yè)自動(dòng)化企業(yè)華龍迅達(dá)構(gòu)建虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的煙草設(shè)備數(shù)字孿生。盡管我國(guó)多類主體探索數(shù)字孿生的熱情高漲，但大多數(shù)產(chǎn)業(yè)實(shí)踐停留在簡(jiǎn)單的可視化和數(shù)據(jù)分析，與國(guó)外基于復(fù)雜機(jī)理建模的分析應(yīng)用還存在一定差距。
與數(shù)字孿生相關(guān)的政策措施
2020年，“新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)”首次寫入2020年政府工作報(bào)告，“數(shù)字孿生”被不少人大代表和政協(xié)委員所提及。2020年4月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)《關(guān)于推進(jìn)“上云用數(shù)賦智”行動(dòng)培育新經(jīng)濟(jì)發(fā)展實(shí)施方案》，方案中提出要解決企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型所面臨的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、通用軟件和應(yīng)用場(chǎng)景等難題，利用數(shù)字孿生等數(shù)字化轉(zhuǎn)型共性技術(shù)、關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，引導(dǎo)各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案。數(shù)字孿生技術(shù)的受關(guān)注程度和云計(jì)算、人工智能、5G一樣，已經(jīng)上升到國(guó)家高度。
DCS數(shù)字孿生體的需求分析
集散控制系統(tǒng)DCS是一個(gè)集結(jié)構(gòu)、電氣、控制、熱力、信息等多學(xué)科于一體的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來實(shí)現(xiàn)不同工況下工藝的生產(chǎn)、過程控制、專設(shè)保護(hù)設(shè)施驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)狀態(tài)控制指令等功能。在工藝設(shè)備的運(yùn)行過程中，來自現(xiàn)場(chǎng)的傳感器會(huì)向DCS傳輸大量現(xiàn)場(chǎng)物理量信息，通過邏輯運(yùn)算得出相應(yīng)邏輯指令，同時(shí)機(jī)柜自身也會(huì)產(chǎn)生非常多的狀態(tài)信息和測(cè)試信息，這些信息長(zhǎng)期沒有得到很好的關(guān)聯(lián)。在DCS產(chǎn)品數(shù)字化過程中，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和方法容易產(chǎn)生“信息孤島”和“信息重復(fù)”的問題，DCS產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)信息流無法被實(shí)時(shí)調(diào)度以及協(xié)同處理。
通過借鑒數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)研究集散控制系統(tǒng)DCS在不同行業(yè)中對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用及開發(fā)，利用虛擬的DCS孿生環(huán)境，可以完成DCS設(shè)計(jì)驗(yàn)證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、智能預(yù)警、智能控制等功能應(yīng)用控制和操作。基于實(shí)體DCS系統(tǒng)構(gòu)建DCS數(shù)字孿生體的過程可分為如下三步。
1）搭建物理實(shí)體DCS系統(tǒng)環(huán)境，DCS系統(tǒng)（包括控制器、采集模塊、通信模塊和相關(guān)控制應(yīng)用軟件等）可以選用不同的品牌。
2）構(gòu)建DCS孿生體，可以仿真建模實(shí)物DCS，構(gòu)建DCS系統(tǒng)數(shù)字孿生體，DCS孿生體需具備以下功能：
?DCS數(shù)字孿生體操作和管理模塊；
?DCS數(shù)字孿生體仿真和服務(wù)模塊；
?DCS數(shù)字孿生體資源接入和交互模塊；
?DCS數(shù)字孿生體資源組件。
3）建立DCS數(shù)字孿生體測(cè)試床，借助應(yīng)用展示接口為用戶提供實(shí)體交互能力、感知能力，通過DCS數(shù)字孿生體構(gòu)建出的測(cè)試床將通過數(shù)字孿生技術(shù)復(fù)制出一個(gè)數(shù)字孿生體。
DCS數(shù)字孿生體的設(shè)計(jì)方案
(一) DCS數(shù)字孿生體總體架構(gòu)設(shè)計(jì)
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)通過與物理世界不間斷地交互和反饋閉環(huán)信息、融合數(shù)據(jù)，能夠模擬對(duì)象在物理世界中的行為，檢測(cè)物理世界的變化，反映物理世界的運(yùn)行狀況、評(píng)估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題、預(yù)測(cè)未來趨勢(shì)，甚至優(yōu)化和改變物理世界。在數(shù)字孿生體中引入安全監(jiān)測(cè)、測(cè)試驗(yàn)證等工具，可以支持DCS安全檢測(cè)功能，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)完成設(shè)計(jì)驗(yàn)證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、智能預(yù)警、智能控制等功能應(yīng)用控制和操作。
結(jié)合項(xiàng)目DCS數(shù)字孿生體的需求基礎(chǔ)架構(gòu)和能力特點(diǎn)，DCS數(shù)字孿生體系架構(gòu)，可以參考面向制造業(yè)的數(shù)字孿生體系架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 23247，該標(biāo)準(zhǔn)雖然是面向制造業(yè)的數(shù)字孿生體系架構(gòu)，但考慮到ISO標(biāo)準(zhǔn)的專業(yè)性和權(quán)威性，相關(guān)架構(gòu)能夠從很大程度上反映DCS數(shù)字孿生體的關(guān)鍵要素和核心內(nèi)涵。DCS數(shù)字孿生體的框架如圖1所示。
圖1 DCS數(shù)字孿生體的框架
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)包含以下三層。
一是數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體，主要包括數(shù)據(jù)采集子實(shí)體（物聯(lián)感知）與設(shè)備控制子實(shí)體（對(duì)象控制）。數(shù)據(jù)采集子實(shí)體通過監(jiān)測(cè)和傳感設(shè)備面向物理對(duì)象收集信息，實(shí)現(xiàn)物理對(duì)象與數(shù)字孿生體之間的信息同步，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理以及數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)等核心功能。設(shè)備控制子實(shí)體控制和驅(qū)動(dòng)物理對(duì)象，具備指令控制、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行、控制標(biāo)識(shí)等核心功能。
二是核心實(shí)體，核心實(shí)體負(fù)責(zé)將物理對(duì)象映射為數(shù)字孿生體，從而進(jìn)行維護(hù)，包括DCS操作和管理、DCS仿真應(yīng)用和服務(wù)、DCS資源接入和交互三個(gè)子實(shí)體。DCS操作和管理子實(shí)體支持對(duì)物理對(duì)象的數(shù)字化建模、描述、展現(xiàn)、同步，以及對(duì)整個(gè)核心實(shí)體的操作和管理、DCS仿真應(yīng)用和服務(wù)子實(shí)體支持系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析和報(bào)告等功能，而DCS資源接入和交互子實(shí)體向上層的用戶實(shí)體層提供對(duì)核心實(shí)體功能的訪問。作為核心實(shí)體的重要組成部分，數(shù)字孿生組件是構(gòu)建工控業(yè)務(wù)場(chǎng)景的重要基礎(chǔ)，組件可以構(gòu)成組建資源池，借助DCS操作和管理模塊，用戶可以構(gòu)建行業(yè)工藝業(yè)務(wù)基礎(chǔ)環(huán)境。
三是用戶實(shí)體，面向利用數(shù)字孿生體實(shí)現(xiàn)制造應(yīng)用的用戶，包括人員、設(shè)備、應(yīng)用（MES/SCADA）等，實(shí)現(xiàn)高效的人機(jī)交互。
除上述三層外，DCS數(shù)字孿生體系的架構(gòu)中還包括跨系統(tǒng)的各類實(shí)體，用于實(shí)現(xiàn)不同層之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，提供數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、完整性和安全性保障。
物理實(shí)體可以包含多種不同國(guó)外常見品牌的DCS系統(tǒng)物理實(shí)體，用于DCS系統(tǒng)及行業(yè)系統(tǒng)工藝映射適配。DCS數(shù)字孿生體構(gòu)建的測(cè)試床將DCS實(shí)物測(cè)試床（物理實(shí)體）通過數(shù)字孿生技術(shù)復(fù)制出一個(gè)數(shù)字孿生體。
數(shù)據(jù)采集與控制實(shí)體、核心實(shí)體（數(shù)字孿生）以及用戶實(shí)體之間的數(shù)據(jù)流和信息流傳遞，需要信息交換、數(shù)據(jù)保證、安全保障等跨域功能實(shí)體的支持。通過工業(yè)協(xié)議，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生之間交換信息。安全保障負(fù)責(zé)數(shù)字孿生系統(tǒng)安保相關(guān)的認(rèn)證、授權(quán)、保密和完整性。數(shù)據(jù)保證與安全保障確保數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。
(二) DCS數(shù)字孿生體技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)
DCS數(shù)字孿生體技術(shù)架構(gòu)包含基礎(chǔ)層（IaaS）、數(shù)據(jù)層（PaaS）、應(yīng)用層（SaaS）。其中數(shù)據(jù)層包括感知層、傳輸層和平臺(tái)層，DCS數(shù)字孿生體技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)如圖2所示。
接下來將對(duì)DCS數(shù)字孿生體技術(shù)架構(gòu)中的基礎(chǔ)層、感知層、傳輸層、平臺(tái)層和應(yīng)用層進(jìn)行介紹。
圖2 DCS數(shù)字孿生體技術(shù)架構(gòu)的設(shè)計(jì)
基礎(chǔ)層：以化工、食藥、冶金、核電、城市等底層基礎(chǔ)物理設(shè)施為依托，實(shí)現(xiàn)真實(shí)空間與虛擬空間之間的雙向數(shù)據(jù)互通、指令控制、虛實(shí)聯(lián)動(dòng)。
感知層：以高精度、高靈敏的PLC、DCS、采集板卡、智能儀表、物聯(lián)網(wǎng)傳輸設(shè)備、ZigBee、控制輸出板卡等傳感器系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎(chǔ)和萬(wàn)物互聯(lián)感知的入口，通過采用這些系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)虛擬工業(yè)行業(yè)場(chǎng)景中對(duì)物理場(chǎng)景的全息復(fù)制和動(dòng)態(tài)調(diào)整。
傳輸層：異構(gòu)通信技術(shù)，數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨多系統(tǒng)、大連接、海量數(shù)據(jù)的雙向傳輸需求，要利用寬帶（4G、5G、GPRS、NB-IoT）、窄帶（RS-485、M-Bus、HPLC、Lora、RF、Ethernet）等新型異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高速率、高容量和低時(shí)延接入，確保物理電網(wǎng)海量傳感器的接入要求和虛擬電網(wǎng)精準(zhǔn)控制指令的傳達(dá)要求。
平臺(tái)層：數(shù)字孿生模型構(gòu)建與自我優(yōu)化依賴全域全量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，借助于數(shù)據(jù)中臺(tái)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、檢索和大數(shù)據(jù)分析能力，實(shí)現(xiàn)超大規(guī)模全量多源數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、高效讀取，為數(shù)字孿生平臺(tái)優(yōu)化決策提供精細(xì)的數(shù)據(jù)要素。
應(yīng)用層：基于數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)電力系統(tǒng)主要設(shè)備、廠站與環(huán)境精細(xì)三維全景仿真，實(shí)現(xiàn)與采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，在安全驗(yàn)證、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、故障模擬和診斷、智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警、智能控制輸出等各個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中，動(dòng)態(tài)融合展示設(shè)備與關(guān)鍵傳感數(shù)據(jù)。應(yīng)用從超級(jí)可視化到實(shí)時(shí)診斷、智能預(yù)測(cè)、應(yīng)急預(yù)案等多場(chǎng)景中。
(三) DCS數(shù)字孿生體功能設(shè)計(jì)
根據(jù)項(xiàng)目需求，構(gòu)建數(shù)字孿生體是本項(xiàng)目的核心關(guān)鍵件，DCS數(shù)字孿生體可以提供仿真研究服務(wù)，DCS數(shù)字孿生體仿真服務(wù)將根據(jù)DCS實(shí)物模擬一個(gè)仿真模型，可以復(fù)制DCS資產(chǎn)的運(yùn)行情況，也可以通過基本物理原理分析來預(yù)測(cè)DCS的運(yùn)行情況。
采用Emulab軟件進(jìn)行仿真，根據(jù)用戶提交的NS配置腳本，為用戶構(gòu)建一個(gè)具備真實(shí)網(wǎng)絡(luò)組件的模擬實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，用戶可以直接對(duì)實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)安裝操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件，從而進(jìn)行各種網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)。基于Emulab的模擬技術(shù)綜合了軟件與實(shí)物仿真技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、多種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)以及應(yīng)用程序的模擬，仿真度高。與此類似的網(wǎng)絡(luò)模擬實(shí)驗(yàn)床還有DETERLab、PlanetLab等。之所以要采用Emulab、DETERLab這類模擬實(shí)驗(yàn)床來建立DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌且驗(yàn)橐芯緿CS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)的安全性和適應(yīng)性，就必須掌握與所有計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障有關(guān)的功能、行為和狀態(tài)，其中很多是未知的，傳統(tǒng)的NS-2、OMNeT++等網(wǎng)絡(luò)仿真軟件難以滿足這樣的要求。而以Emulab、DETERLab等為代表的一些網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M平臺(tái)，以其特有的軟件系統(tǒng)和基于真實(shí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的特點(diǎn)，已逐漸成為目前的主要技術(shù)手段。
仿真模型結(jié)合數(shù)字孿生體建模管理，利用物聯(lián)感知技術(shù)、采集技術(shù)對(duì)DCS的模型進(jìn)行3D建模，通過CAD等建模軟件，3D孿生體可以根據(jù)實(shí)物的模型尺寸進(jìn)行虛擬化的3D模型還原和繪制，為數(shù)據(jù)的運(yùn)行和狀態(tài)顯示提供虛擬的孿生操作實(shí)體集合。然后基于DCS的工控通信協(xié)議，建立仿真協(xié)議通信接口和運(yùn)行模型，完成通信網(wǎng)絡(luò)的建立。
DCS數(shù)字孿生體還為應(yīng)用模塊（孿生共智）提供交互接口，使用人機(jī)接口或API接口操作，包括人、人機(jī)接口、應(yīng)用軟件和其他相關(guān)數(shù)字孿生體。DCS數(shù)字孿生體也為DCS安全檢測(cè)功能提供數(shù)字孿生系統(tǒng)支持設(shè)計(jì)驗(yàn)證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)、智能預(yù)警、智能控制等功能應(yīng)用控制和操作。DCS數(shù)字孿生體應(yīng)用模塊可以控制DCS數(shù)字孿生體，并使用與實(shí)際物理資產(chǎn)相同的控制軟件和人機(jī)界面去開發(fā)其人機(jī)界面。接下來，工程師可以通過使用這個(gè)與物理設(shè)備相同的控制接口，虛擬地測(cè)試數(shù)字孿生體在不同場(chǎng)景下的表現(xiàn)或操作條件，以查看物理設(shè)備的性能。
此外， DCS數(shù)字孿生體會(huì)仿真建模實(shí)物的DCS,同時(shí)實(shí)現(xiàn)DCS的工控協(xié)議仿真和通信協(xié)議建模，并且實(shí)現(xiàn)黑盒還原的DCS運(yùn)行機(jī)制算法庫(kù)模型。DCS數(shù)字孿生體將DCS實(shí)物控制器和典型行業(yè)工藝流程分別建模，建立DCS數(shù)字孿生體測(cè)試床，并根據(jù)相互之間的關(guān)系進(jìn)行更高級(jí)別的合成，用于構(gòu)建工控仿真場(chǎng)景中的控制單元，同時(shí)控制器還將成為測(cè)試系統(tǒng)中的測(cè)試靶標(biāo)。DCS數(shù)字孿生體還將實(shí)現(xiàn)與行業(yè)實(shí)物工藝流程和行業(yè)仿真工藝流程片段數(shù)字孿生體組合使用，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的增強(qiáng)模擬測(cè)試床靈活組網(wǎng)和構(gòu)建，借助測(cè)試管理平臺(tái)構(gòu)建行業(yè)測(cè)試床，用戶可以通過Web隨時(shí)隨地接入測(cè)試。
DCS數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的功能應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示。
圖3 DCS數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的功能應(yīng)用架構(gòu)
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)具備以下6個(gè)功能。
1．真實(shí)可視化
通過對(duì)控制站硬件的拆解、安裝和維護(hù)操作，真實(shí)還原了控制系統(tǒng)硬件集成的全過程。
2．設(shè)計(jì)驗(yàn)證
通過正確地選擇、組合、安裝和設(shè)置DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)，進(jìn)一步保證了真實(shí)DCS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
3．?dāng)?shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)
通過二維和三維仿真數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互，全方位、立體式地展示控制系統(tǒng)的生產(chǎn)運(yùn)行過程，輔助工程師快速掌握控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，直觀解讀控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)。
4．故障模擬和狀態(tài)監(jiān)測(cè)
對(duì)真實(shí)環(huán)境中，再現(xiàn)硬件與軟件在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的聯(lián)動(dòng)過程，完整地實(shí)現(xiàn)了DCS系統(tǒng)從軟件到硬件的交互過程。
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)行業(yè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景的復(fù)雜控制，尤其是在冶金高爐、化工流程控制、高端智能裝備制造業(yè)務(wù)環(huán)境中。在控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，將實(shí)時(shí)采集的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型中進(jìn)行仿真分析，診斷DCS控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)，從而進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。如果控制系統(tǒng)運(yùn)行的工況發(fā)生改變，優(yōu)化工藝控制策略，對(duì)于擬采取的調(diào)整措施，可以先在仿真平臺(tái)上對(duì)其數(shù)字孿生模型進(jìn)行虛擬驗(yàn)證，如果沒有問題，再對(duì)實(shí)際產(chǎn)品的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在復(fù)雜裝備的運(yùn)維方面，甚至可以通過AR技術(shù)，基于DCS系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型生成工藝組態(tài)、邏輯組態(tài)、服務(wù)器組態(tài)、下載與上傳操作、在線仿真等操作的三維動(dòng)畫。在實(shí)物環(huán)境下，可以通過各種穿戴設(shè)備或移動(dòng)終端進(jìn)行示范教學(xué)。
5．預(yù)警功能
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)可真實(shí)展現(xiàn)DCS系統(tǒng)的自我診斷保護(hù)、預(yù)警功能，在與仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互的共享數(shù)據(jù)流基礎(chǔ)上，可對(duì)控制站進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)、通道級(jí)的故障模擬預(yù)警，輔助生產(chǎn)人員制定反事故措施能力，為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。
6．安全測(cè)試
通過項(xiàng)目提供的安全防護(hù)、檢測(cè)、測(cè)試等工具，利用仿真技術(shù)進(jìn)行孿生復(fù)制，結(jié)合DCS數(shù)字孿生體、行業(yè)工藝產(chǎn)線孿生體，可以實(shí)現(xiàn)DCS系統(tǒng)在安全合規(guī)防護(hù)、安全漏洞測(cè)試、脆弱性驗(yàn)證等方面的測(cè)試研究，加強(qiáng)生產(chǎn)人員對(duì)DCS系統(tǒng)的安全認(rèn)知，對(duì)控制機(jī)理、安全后門有更深的認(rèn)識(shí)。
結(jié)語(yǔ)
基于用戶的數(shù)字孿生應(yīng)用需求，三維DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)分析、在線尋優(yōu)、自學(xué)習(xí)、自診斷等功能，支持預(yù)測(cè)控制、自整定、魯棒控制等先進(jìn)控制算法，助力企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能化控制轉(zhuǎn)型。
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)基于完整的設(shè)備信息模型，通過三維可視化技術(shù)真實(shí)再現(xiàn)了DCS系統(tǒng)，準(zhǔn)確描述了DCS設(shè)備的真實(shí)狀況，從而實(shí)現(xiàn)了以設(shè)備模型對(duì)象為基礎(chǔ)的性能分析，支持與真實(shí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交互。DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)是現(xiàn)代智能工廠的核心組成單元，系統(tǒng)可與真實(shí)DCS及激勵(lì)式仿真系統(tǒng)無縫對(duì)接，具備自我感知、在線操作、數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)預(yù)警、故障模擬演練等功能，能夠快速發(fā)現(xiàn)和解決生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的控制系統(tǒng)故障，保障企業(yè)的安全生產(chǎn)運(yùn)行，真正幫助企業(yè)降低生產(chǎn)運(yùn)維成本、提升生產(chǎn)效率。
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的自我感知能力使得該系統(tǒng)具備真實(shí)可視化和設(shè)計(jì)驗(yàn)證功能，對(duì)于DCS主控制站內(nèi)的所有硬件設(shè)備，可進(jìn)行控制站硬件拆解、安裝和維護(hù)操作，真實(shí)還原了控制系統(tǒng)集成的全過程。通過正確地選擇、組合、安裝和設(shè)置DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)，進(jìn)一步保證了真實(shí)DCS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)的自動(dòng)交互，全方位、立體式地展示生產(chǎn)運(yùn)行過程，輔助工程師快速掌握控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、直觀解讀真實(shí)控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)信號(hào)，支持系統(tǒng)冗余，在與現(xiàn)場(chǎng)DCS及激勵(lì)式仿真系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互的共享數(shù)據(jù)流基礎(chǔ)上，真正做到了與DCS系統(tǒng)融為一體，可真實(shí)再現(xiàn)DCS系統(tǒng)的自我診斷保護(hù)、預(yù)警功能，可對(duì)控制站進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)、模塊級(jí)、通道級(jí)的故障模擬預(yù)警，輔助生產(chǎn)人員制定反事故措施，為企業(yè)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。
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