关于物联网:EMQ-助力构建工业生产数字孪生基础架构

数字孪生在工业生产的利用

得益于物联网、大数据、云计算、人工智能等新一代信息技术的倒退，数字孪生技术在工业上失去宽泛的利用，笼罩了工业生产的研发仿真、工艺布局、生产制作、检测测试、监控运维等各个环节。

数字孪生技术交融产线的三维模型、地理信息、修建信息、视频监控、人工智能、虚拟现实（AR）及物联网等多种技术，为工业产生过程中的物理对象创立虚构数字空间，并将物理设施的各种属性及运行状态映射到虚构孪生空间中，实现工业物理工厂与孪生虚构工厂的虚实融合与精准映射。

数字孪生技术能够实现：

• 工厂生产三维可视化监控

  通过构建工厂三维几何模型，为各个设施、零部件几何模型增加信息属性，并与对应地位物联网数据相结合，数字孪生平台可实现笼罩人、机、料、法、环的全工厂对象及行为实时监控，联合大数据分析和 AI 算法，能够进一步实现设施碰撞预测、产线 OEE、产量优化、品质与能耗管控、人员平安治理、环境监控、专家近程领导等。

• 设施深度运维治理

  基于数字孪生将设施或生产线模型与物联网实时数据或历史数据以及 AI 算法联合，可能预测和实时剖析产线中的问题，及时理解哪个设施呈现问题以及呈现问题的部位，做出最佳响应决策。

• 虚构仿真培训

  基于数字孪生的虚构仿真培训为现场工程师提供了模仿操作环境，让工程师在虚拟环境中取得和事实世界一样的沉迷式体验。通过对工程师的操作后果做出判断和预测，提供优化倡议，帮忙工程师疾速晋升技能程度。

工业生产数字孪生构建的挑战

在数字孪生的构建中，数据是根底、算法是外围、三维是表现形式。数据感知的覆盖面和感知精准度，将间接影响孪生虚构工厂的实时展现成果和基于历史数据进行 AI 算法等利用的运算后果，从而进一步影响工业物理工厂与孪生虚构工厂虚实融合的覆盖范围与映射的精准度。

从上图能够看出，设施实时数据感知及长久化是整个数字孪生建设的第一步，也是最为要害的环节。而在目前理论工业生产数字孪生我的项目建设中，广泛面临以下问题：

• 海量设施的感知

  一个中等规模的工厂及园区或工厂集群波及到产线、人员、环控、能源、平安、贮存、运输、厂房等环节的工业或物联网设施数量成千上万甚至是几十万，每个设施数据感知点往往在几个到几十个不等，须要进行规模宏大的设施数据采集。

• 各类通信协定繁多

  工业智能设施波及到各类工业类设施、工业零碎和物联网设施，每种设施或零碎都有其本身的通信协定或形式。例如 PLC 有西门子、ABB、欧姆龙等各品牌对应的通信协定，楼控有 BACnet 协定，穿戴设施、门禁等则反对公有 HTTP 协定等。

• 工业生产网络简单

  受生产工艺、平安、环境、设施品种、网络老本等各方面的影响，以及在工业互联网趋势下工业数据上团体云的需要，工业生产的网络环境往往是现场总线、工业以太网、Lora、ZigBee、4G、5G 等各类网络的汇合。同时，因为生产设施间隔的问题，很多状况下网络处于弱网的状态。如何在简单网络环境或互联网的环境中建设高并发、低延时的通信管道，将是实时数据感知的要害。

• 流式数据的解决需要

  因为网络、存储以及计算资源的有限性，数字孪生平台在海量数据传输的过程中，应在边缘端提供数据的荡涤、数据预处理及实时逻辑解决等能力，实现数字孪生平台基于实时感知数据和设施状态的展现。

• 高效数据长久化需要

  数字孪生的外围是算法，有基于大数据的统计分析，也有基于机器学习、神经网络的 AI 仿真预测。两者的实现成果次要取决于算法的科学性和历史数据的精准性。面对工业数据海量、传输频率高、结构复杂的现状，如何将汇聚到公有云或私有云上的数据实时高效地长久化到数据库将是一个微小的挑战。

EMQ 为工业数字孪生构建松软基础架构

基于 EMQ 反对高并发、高吞吐的云边协同数据基础设施，能够为整个工业生产数字孪生平台提供更加高效的数据传输和解决架构，帮忙企业在工业厂级信息中心或团体云上更轻松地实现性能卓越的数字孪生。

1. 边缘端工业协定网关软件 Neuron 用于各类工业设施的接入，反对将数十种工业协定一站式转换为 MQTT 协定，实现在工业生产弱网环境下的各类数据实时感知与稳固传输。
2. 边缘超轻量级 MQTT 音讯服务器 NanoMQ 用于数据的汇聚和缓存，能够买通处于不同网络中的设施、不同零碎间的数据壁垒，打消信息孤岛。NanoMQ 能够在边缘端实现数据断点续传，保障业务数据的完整性，保障数字孪生平台算法的高效与精准。
3. 工业生产感知的数据是海量且间断的，如果全副采纳批量解决不对其进行剖析，难以挖掘数据的价值。因为数字孪生对数据量和提早有很高要求，用传统的批处理办法解决流数据简直是不可能的，因而流解决在边缘侧变得更加重要。超轻量物联网边缘数据流式剖析引擎 eKuiper 可用于流式计算、规定引擎、数据荡涤、AI 扩大，为数字孪生平台提供数据荡涤、数据预处理、事件逻辑解决等具体的能力。
4. 企业级物联网 MQTT 音讯接入平台 EMQX 部署在厂级或团体信息中心，在专网或互联网上为数字孪生平台提供高可用、高并发、低延时、安全可靠的数据传输、剖析、对接能力，让数字孪生真正地实现虚拟世界是事实世界的同步映射。同时，EMQX 基于数字孪生后端算法的数据库也可提供高频、牢靠、高价值的数据长久化能力。

EMQ 基础架构劣势

一体化的「边缘端 - 工厂 - 云」数据感知传输能力

无论是设施在工厂以太网内，还是在 Lora、Zigbee 网络中，或是采纳 4G/5G 物联网网卡；无论数字孪生平台在厂级信息中心或团体云上，EMQ 解决方案提供了设施到边缘端、设施到数字孪生、其余利用到数字孪生的「边缘端 - 工厂 - 云」一体化数据采集、汇聚、传输、对接能力。

云边流式数据处理基座

在边缘端的剖析引擎 eKuiper 和核心端或云端的音讯总线 EMQX 都具备通过规定引擎对数据进行逻辑解决的能力，可在不同的层级单独或者互相协同实现对数据进行实时计算剖析、标准报文、过滤荡涤、智能告警、业务路由等，大大减少了无价值数据对网络和存储资源的耗费。

同时，EMQX 将工厂内各类会集而来的数据以每秒 10W+TPS 的性能写入实时数据库，升高数字孪生展现利用和算法模块的数据处理压力，晋升数字孪生平台展现的实时性以及算法的精准性。

弱小的扩大能力

随着企业数字化过程的推动，必将一直有新的设施接入和新业务平台的建设需要。EMQ 整体计划具备凋谢的接口、横向扩容能力、可热插拔的配置性功能模块，反对基于原来的架构灵便接入新设施，轻松响应新业务对数据的生产需要，帮助企业疾速、低成本扩大新业务。

结语

EMQ 提供的数据底座优化了整个数字孪生平台的架构，海量数据的实时对接和长久化能力帮忙企业在厂级信息中心或团体云上高效构建数字孪生中三维对象和动画特效与数据的同步映射，为数字孪生平台实现浸入式体验、数据驾驶舱、生产三维同步、工业仿真优化、设施故障诊断、设施运行预测、安全事件预判等具体利用奠定了坚实基础。

基于 EMQ 数据基础设施构建高效的云边工业互联网数据通道，能够更加轻松地打造厂级信息中心或团体云上数字孪生平台架构，有利于数字孪生技术在智能制作、冶金煤矿、油气生产等各工业畛域的推广和实际。企业通过虚拟世界三维模型联合感知数据的智能剖析、预测诊断领导事实世界的生产治理，能够节俭运行运维老本，晋升企业管理水平和行业竞争力。

版权申明：本文为 EMQ 原创，转载请注明出处。

原文链接：https://www.emqx.com/zh/blog/building-an-industrial-iot-digital-twin-infrastructure