物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生的全面的解決方案

隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的增加，物理實體的數(shù)字化化身概念的重要性在最近幾年得到了極大的關(guān)注。

最典型的一個例子是Gartner在2016年10月發(fā)布的名為“2017的十大戰(zhàn)略趨勢”的報告，在這個報告中，數(shù)字孿生名列第五。這些數(shù)字化代理預計將構(gòu)建在業(yè)務(wù)專家的知識領(lǐng)域和從設(shè)備中采集的實時數(shù)據(jù)之上。

大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)平臺提供商已經(jīng)開始進行某種形式的數(shù)字孿生的實施，通常會被命名為孿生、影子、設(shè)備虛擬化等等。

在本文中，我們將會討論數(shù)字孿生的起源，以及行業(yè)中的多種實現(xiàn)。然后，我們將會討論在Oracle物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)中實現(xiàn)數(shù)字孿生。

起源

　　術(shù)語“數(shù)字孿生”是由密歇根大學的Michael Grieves博士在2001到2002年期間定義的。他的最初定義是在產(chǎn)品生命周期管理(PLM)當中。在他的論文當中，“數(shù)字孿生”的概念是對所生產(chǎn)的產(chǎn)品的虛擬展現(xiàn)。他提議將數(shù)字孿生與工程設(shè)計進行對比，來更好的理解產(chǎn)品的生產(chǎn)與設(shè)計，在設(shè)計與執(zhí)行之間形成緊密的閉環(huán)。

Graves博士為定義數(shù)字孿生定義了如下術(shù)語：

1．數(shù)字孿生原型(DTP): DTP描述了所創(chuàng)建的資產(chǎn)的信息。比如，DTD會包含資產(chǎn)的3D模型以及描述如何對資產(chǎn)進行制造的物料清單(BOM)和流程清單。北京網(wǎng)站開發(fā)

數(shù)字孿生模型指的不是資產(chǎn)的特定實例，它更像是一個資產(chǎn)制造的配方。

2. 數(shù)字孿生實例(DTI): DTI是關(guān)于資產(chǎn)的一個特定的物理實例。它包括了這個特定資產(chǎn)進行生產(chǎn)所需的精確的零件編號的列表，以及其生產(chǎn)時所遵循的精確的過程步驟。數(shù)據(jù)孿生實例也包含了從連接到資產(chǎn)的探測器上所捕捉到的當前操作的狀態(tài)。

3．數(shù)字孿生匯總(DTA): DTA是對多個DTI的簡單匯總，它能夠?qū)σ唤M資產(chǎn)的信息進行查詢。

 

數(shù)字孿生的價值
數(shù)字孿生的概念非常大。我們簡單的看一下這個概念所提供的典型的好處:

1.可見性: 數(shù)字孿生能夠?qū)崿F(xiàn)機器操作的可見性，以及制造工廠或者機場中大型的互聯(lián)系統(tǒng)的可見性。

2. 預測性: 使用多種建模技術(shù)(基于物理和基于數(shù)學的)，數(shù)字孿生模型能夠用于預測機器未來的狀態(tài)。

3. 假設(shè)分析: 通過適當設(shè)計的接口，可以很容易的與模型進行交互，并且對模型詢問假設(shè)問題，來模擬現(xiàn)實中無法創(chuàng)建的各種條件。

4. 對行為進行理解和解釋的記錄與溝通機制:數(shù)字孿生模型能夠作為一種溝通和記錄機制，能夠?qū)为毜臋C器或者機器的集合的行為進行理解和解釋。

5. 連接不同的系統(tǒng)，比如后端的業(yè)務(wù)應(yīng)用: 如果設(shè)計的正確，數(shù)字孿生模型能夠用來連接后端的業(yè)務(wù)應(yīng)用，在供應(yīng)鏈運作中實現(xiàn)業(yè)務(wù)成果，包括制造、采購、倉儲、運輸、物流、現(xiàn)場服務(wù)等。

行業(yè)實現(xiàn)
看到上面所列的好處，那么，大多數(shù)的物聯(lián)網(wǎng)提供商都對這個概念產(chǎn)生濃厚的興趣，就不奇怪了。幾乎每一個物聯(lián)網(wǎng)平臺都會實現(xiàn)某些數(shù)字孿生的功能——盡管他們的成熟度和視野還存在著明顯的差異。廣義上講，這些實現(xiàn)通常會分為兩類：

1. 簡單的設(shè)備模型

這些實現(xiàn)通常使用包含兩個主要屬性集的JSON文檔：

a．  一組觀測值或者報告值：通常，設(shè)備上的探測器讀取當前值，并更新這些觀測屬性。比如，一臺機器當前觀察的轉(zhuǎn)速(比如 1000 RPM)。

b． 一組期望值：這是控制程序希望在設(shè)備上設(shè)置的值。比如，一個應(yīng)用能夠設(shè)置引擎轉(zhuǎn)速到1200 RPM。

除了這兩組主要的屬性，這些實現(xiàn)也在JSON文檔中存儲了相關(guān)的信息，比如設(shè)備的名字或者序列號，或者當前的位置。

從本質(zhì)上講，這些簡單的設(shè)備模型構(gòu)成了一個簡單的使用MQTT/HTTP傳輸協(xié)議的設(shè)備狀態(tài)異步通訊機制。請注意，異步通信機制是必須的，因為設(shè)備可能是脫機的；或者當后端需要與設(shè)備進行通訊時，卻無法有效的對它進行輪詢。從這個意義上講，這些模型只實現(xiàn)了Grieves博士的DTI概念中的“從實際傳感器數(shù)據(jù)中捕捉的操作狀態(tài)——當前、過去實際”部分。

2. 工業(yè)孿生

這類實現(xiàn)通常被工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)供應(yīng)商所采用，它包括PLM工具設(shè)計機器的信息(類似Grieves博士提出的DTP概念)和一臺設(shè)備的模型(類似于部分DTI概念)。一些工業(yè)供應(yīng)商關(guān)注物理屬性、設(shè)計信息和實時數(shù)據(jù)，并且將他們展現(xiàn)在一個資產(chǎn)/設(shè)備模型圖當中。值得注意的是，這些模型通常都基于機器的物理屬性。

甲骨文物聯(lián)網(wǎng)云服務(wù)中的數(shù)字孿生
下圖描述了在Oracle物聯(lián)網(wǎng)云當中實現(xiàn)數(shù)字孿生的方式：

上圖中描述了實現(xiàn)數(shù)字孿生綜合方法中的要素。在這個方法中有三大支柱。

虛擬孿生：

　　Oracle的設(shè)備虛擬化是指為物理資產(chǎn)創(chuàng)建一個虛擬表示或者是在云中的一個設(shè)備。這需要幾個理由。首先，物理資產(chǎn)可能不會總是連接到應(yīng)用。比如，一輛連接的汽車會因為穿過一個隧道，而在短時間內(nèi)失去連接。對于其他的后端軟件來說，能夠查詢設(shè)備的最終狀態(tài)或者控制設(shè)備的操作參數(shù)是很重要的，即使是在設(shè)備離線或者沒有連接的情況下。其次，設(shè)備是通過大量的協(xié)議或者連接方法連接的。像ERP這類的業(yè)務(wù)應(yīng)用不應(yīng)該被這種復雜性所拖累。設(shè)備虛擬化就為這種業(yè)務(wù)應(yīng)用和設(shè)備之間的的安全的雙向通訊提供了一種抽象。

　　除了類似于簡單的JSON文檔并帶有所觀察和所期待數(shù)值的基本模型，Oracle物聯(lián)網(wǎng)云所交付的設(shè)備虛擬化還使用了強大的語義模型。這種語義模型提供了多種好處。這個語義模型的一個顯著優(yōu)點是，它允許對設(shè)備的屬性設(shè)置一個正常的操作范圍。這大大簡化了邊緣計算和霧計算的實現(xiàn)。一個典型的實現(xiàn)，為了檢測一個給定參數(shù)的閾值違反(比如，溫度過高)，用戶必須寫一個單獨的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用來進行處理，然后要對這個應(yīng)用的生命周期進行管理(部署、升級、安全等)。使用Oracle設(shè)備虛擬化，設(shè)備模型本身就足夠只能，能夠?qū)Ξ惓＿M行檢測，并且生成適當?shù)膱缶?，不需要用戶編寫和部署一個邊緣計算程序。此外，業(yè)務(wù)規(guī)則能夠以聲明方式定義在Oracle物聯(lián)網(wǎng)云當中的復雜事件處理(CEP)引擎之上，能夠在物聯(lián)網(wǎng)的邊緣自動實現(xiàn)實例化。

　　此外，Oracle設(shè)備虛擬化技術(shù)基于內(nèi)建在設(shè)備模型中的語義識別能力，能夠極大的優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)流量和發(fā)布機制。雖然大多數(shù)的主流實現(xiàn)都聚焦于使用高效的協(xié)議，比如MQTT來應(yīng)對網(wǎng)絡(luò)帶寬的成本，以實現(xiàn)增量的方式。而我們則采用基于語義模型的自動邊緣計算建模的革命性方式，數(shù)量級的降低網(wǎng)絡(luò)流量。為了展現(xiàn)這一概念，我們看一個監(jiān)控車隊運行參數(shù)的例子?；谡Z義模型，邊緣計算可以足夠智能的判定運行參數(shù)何時在“正常”范圍之內(nèi)，何時不在“正常”范圍。此外，它還知道哪些消息是緊急的(比如，檢查引擎燈和中斷故障通知)，哪些消息是重要到(比如，低胎壓)，還有哪些消息是常規(guī)的(比如，潤滑油的粘稠度正在緩慢下降，接近不可接受的范圍)?；谡Z義的模型能夠自動優(yōu)化消息的頻率，并且檢測最佳的傳遞機制(比如，是通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)發(fā)送告警信息；還是當汽車完成運輸連接到Wifi網(wǎng)絡(luò)上時再下載數(shù)據(jù))3.jpg

預測孿生：

一旦我們實現(xiàn)了設(shè)備虛擬化，我們就能夠獲得與設(shè)備交互的功能的抽象。比如，我們可以通過虛擬化抽象來查詢或者控制設(shè)備。使用該模型，我們能夠?qū)υO(shè)備的當前狀態(tài)做出反應(yīng)。

然而，僅僅對現(xiàn)狀“做出反應(yīng)”是不夠的，也不是最優(yōu)的。比如，只知道機器出問題了是挺好。但是知道機器可能在未來出現(xiàn)問題，讓使用者有時間在問題發(fā)生之前就對他進行處理，就更加重要了。

行為和預測建?？梢酝ㄟ^兩種方式實現(xiàn)：

1. 基于物理方式：使用物理的方式建模，可以利用資產(chǎn)的精確設(shè)計的知識和制造參數(shù)。像有限元分析之類的技術(shù)，經(jīng)常用于建立高精度模型，來回答“What-if”之類的問題。比如，使用這種模型，用戶能夠根據(jù)給定的負載條件評估機器設(shè)備各個部分的應(yīng)力模式。

在實踐中，創(chuàng)建這些模型需要產(chǎn)品設(shè)計團隊付出巨大的努力，他們要創(chuàng)建具有合理保真度的模型。

通常，創(chuàng)建有限元模型所設(shè)計的數(shù)學算法都是相當復雜的，因此這些模型都趨向于靜態(tài)模型，無法適應(yīng)復雜和持續(xù)變化的環(huán)境。但是這些模型最大的缺點包括(a)它通常由機器設(shè)備的原始設(shè)計者來創(chuàng)建這些模型，但是購買了組合產(chǎn)品的客戶缺無法將他們根據(jù)需要放到一個模型當中，(b) 雖然這些模型可以對各種負載條件下的性能問題進行建模，但是這些模型并沒有為解決問題提供指導。

2. 基于分析/計算模型：預測模型能夠使用機器學習技術(shù)來進行創(chuàng)建，不需要引入原始的設(shè)計人員。數(shù)據(jù)分析師僅僅基于對機器設(shè)備的外部觀察就能夠創(chuàng)建一個預測模型。這個選項被證明是非常實用的，因為它提供了基于終端客戶需求的各種模型的創(chuàng)建。

這些模型目前非常流行的另一個重要方面是，它們考慮了“整個系統(tǒng)”。我們稱之為上下文數(shù)據(jù)。以制造操作為例。根據(jù)石川圖的建議，要確定一個問題，你就需要考慮注明的5個M：人、機、料、法和管理(Man, Machine, Method,Material, Management.)。

使用內(nèi)置的與Oracle和非Oracle應(yīng)用的集成能力，Oracle物聯(lián)網(wǎng)云不僅能夠通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)把傳統(tǒng)的機器數(shù)據(jù)流帶入到后端業(yè)務(wù)應(yīng)用當中，還能夠帶來上下文數(shù)據(jù)。這就讓我們能夠創(chuàng)建比上述物理模型更有效和更可用的模型。

并非所有的預測模型都是平等的。根據(jù)你所要解決的問題，會有一系列的復雜性。模型的樣本通常都會基于數(shù)據(jù)使用的趨勢和模式。對于這些，包含在物聯(lián)網(wǎng)云中的Oracle Stream Explorer(一個帶有聲明式業(yè)務(wù)用戶級UI的復雜事件處理引擎)就足夠了。復雜一點的模型，可以使用物聯(lián)網(wǎng)云中的基于Apache Spark的分析引擎進行創(chuàng)建。除了使用Apache Spark發(fā)行版打包的標準庫之外，Oracle物聯(lián)網(wǎng)云還為處理時間序列數(shù)據(jù)提供了額外的庫。更復雜的模型通常由數(shù)據(jù)科學家使用Oracle R Advanced Analyticsfor Hadoop (ORAAH)進行開發(fā)。這些R語言模型能夠在物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)管道中執(zhí)行。業(yè)務(wù)用戶能夠使用由Oracle大數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品所提供的簡單的接口。Oracle提供了豐富的工具解決多種復雜度的業(yè)務(wù)問題。

 

孿生投影：

預測模型能夠生成預測信息，并且為設(shè)備操作提供洞察。除非這些洞察能夠作為一部分集成到你現(xiàn)有的業(yè)務(wù)流程當中，否則他們毫無用處。這就需要將洞察信息“投影”到你的后端應(yīng)用當中，這樣業(yè)務(wù)應(yīng)用就能夠很方便的與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行交互，來創(chuàng)建智能系統(tǒng)。

孿生投影的目的是：

1. 將物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)生成的洞察信息與業(yè)務(wù)流程集成

2. 觸發(fā)適當?shù)难a救流程

3. 從業(yè)務(wù)應(yīng)用中獲得用于決策支持的上下文數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)

4. 使業(yè)務(wù)應(yīng)用對當前和預測的設(shè)備狀態(tài)和環(huán)境可見

5. Oracle物聯(lián)網(wǎng)云支持如下的集成：

6. 與Oracle應(yīng)用比如Oracle ERP(供應(yīng)鏈、制造、管理應(yīng)用)和CX(服務(wù))本地化預置的集成

7. 通過Oracle集成云實現(xiàn)與超過150中應(yīng)用的集成

8. 使用REST API集成

總結(jié)
當物聯(lián)網(wǎng)部署在你的企業(yè)中越來越多時，數(shù)字孿生是作為重要的概念，將成為你業(yè)務(wù)運營的戰(zhàn)略。

Oracle物聯(lián)網(wǎng)云提供了更全面的方案來實現(xiàn)數(shù)字孿生：

a)     虛擬孿生——通過超越簡單的JSON文檔的設(shè)備虛擬化，展現(xiàn)觀察到的和期望的值

b)     預測孿生——通過使用各種技術(shù)構(gòu)建的分析模型，以適應(yīng)您試圖解決的問題的復雜性。

c)     孿生投影——將孿生產(chǎn)生的洞察力投射到后端業(yè)務(wù)應(yīng)用程序上，使物聯(lián)網(wǎng)成為業(yè)務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施的一個組成部分