## 數字孿生在工業生產的應用

得益於物聯網、大資料、雲端計算、人工智慧等新一代資訊科技的發展，數字孿生技術在工業上得到廣泛的應用，覆蓋了工業生產的研發模擬、工藝規劃、生產製造、檢測測試、監控運維等各個環節。

數字孿生技術融合產線的三維模型、地理資訊、建築資訊、影片監控、人工智慧、虛擬現實（AR）及物聯網等多種技術，為工業產生過程中的物理物件建立虛擬數字空間，並將物理裝置的各種屬性及執行狀態對映到虛擬孿生空間中，實現工業物理工廠與孿生虛擬工廠的虛實交融與精準對映。

數字孿生技術可以實現：

- 工廠生產三維視覺化監控

透過構建工廠三維幾何模型，為各個裝置、零部件幾何模型新增資訊屬性，並與對應位置物聯網資料相結合，數字孿生平臺可實現覆蓋人、機、料、法、環的全工廠物件及行為實時監控，結合大資料分析和 AI 演算法，可以進一步實現裝置碰撞預測、產線 OEE、產量最佳化、質量與能耗管控、人員安全管理、環境監控、專家遠端指導等。

- 裝置深度運維管理

基於數字孿生將裝置或生產線模型與物聯網實時資料或歷史資料以及 AI 演算法結合，能夠預測和實時分析產線中的問題，及時瞭解哪個裝置出現問題以及出現問題的部位，做出最佳響應決策。

- 虛擬模擬培訓

基於數字孿生的虛擬模擬培訓為現場工程師提供了模擬操作環境，讓工程師在虛擬環境中獲得和現實世界一樣的沉浸式體驗。透過對工程師的操作結果做出判斷和預測，提供最佳化建議，幫助工程師快速提升技能水平。

## 工業生產數字孿生構建的挑戰

在數字孿生的構建中，資料是基礎、演算法是核心、三維是表現形式。資料感知的覆蓋面和感知精準度，將直接影響孿生虛擬工廠的實時展示效果和基於歷史資料進行 AI 演算法等應用的運算結果，從而進一步影響工業物理工廠與孿生虛擬工廠虛實交融的覆蓋範圍與對映的精準度。
[![1](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/10/21/c3abfff4f39bb9c3.jpeg?x-oss-process=style/bb "1")](https://www.emqx.com/zh/blog/building-an-industrial-iot-digital-twin-infrastructure "1")

從上圖可以看出，裝置實時資料感知及持久化是整個數字孿生建設的第一步，也是最為關鍵的環節。而在目前實際工業生產數字孿生專案建設中，普遍面臨以下問題：

- 海量裝置的感知

一箇中等規模的工廠及園區或工廠叢集涉及到產線、人員、環控、能源、安全、儲存、運輸、廠房等環節的工業或物聯網裝置數量成千上萬甚至是幾十萬，每個裝置資料感知點往往在幾個到幾十個不等，需要進行規模龐大的裝置資料採集。

- 各類通訊協議繁多

工業智慧裝置涉及到各類工業類裝置、工業系統和物聯網裝置，每種裝置或系統都有其自身的通訊協議或方式。例如 [PLC](https://www.emqx.com/zh/blog/mqtt-and-plc) 有西門子、ABB、歐姆龍等各品牌對應的通訊協議，樓控有 BACnet 協議，穿戴裝置、門禁等則支援私有 HTTP 協議等。

- 工業生產網路複雜

受生產工藝、安全、環境、裝置種類、網路成本等各方面的影響，以及在工業網際網路趨勢下工業資料上集團雲的需求，工業生產的網路環境往往是現場匯流排、工業乙太網、Lora、ZigBee、4G、5G 等各類網路的集合。同時，因為生產裝置距離的問題，很多情況下網路處於弱網的狀態。如何在複雜網路環境或網際網路的環境中建立高併發、低延時的通訊管道，將是實時資料感知的關鍵。

- 流式資料的處理需求

由於網路、儲存以及計算資源的有限性， 數字孿生平臺在海量資料傳輸的過程中，應在邊緣端提供資料的清洗、資料預處理及實時邏輯處理等能力，實現數字孿生平臺基於實時感知資料和裝置狀態的展示。

- 高效資料持久化需求

數字孿生的核心是演算法，有基於大資料的統計分析，也有基於機器學習、神經網路的 AI 模擬預測。兩者的實現效果主要取決於演算法的科學性和歷史資料的精準性。面對工業資料海量、傳輸頻率高、結構複雜的現狀，如何將匯聚到私有云或公有云上的資料實時高效地持久化到資料庫將是一個巨大的挑戰。

## EMQ 為工業數字孿生構建堅實基礎架構

基於 EMQ 支援高併發、高吞吐的雲邊協同資料基礎設施，可以為整個工業生產數字孿生平臺提供更加高效的資料傳輸和處理架構，幫助企業在工業廠級資訊中心或集團雲上更輕鬆地實現效能卓越的數字孿生。
[![2](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/10/21/dc4415fe78cf17c9.png?x-oss-process=style/bb "2")](https://www.emqx.com/zh/blog/building-an-industrial-iot-digital-twin-infrastructure "2")

1. [邊緣端工業協議閘道器軟體 Neuron](https://www.emqx.com/zh/products/neuron) 用於各類工業裝置的接入，支援將數十種工業協議一站式轉換為 [MQTT 協議](https://www.emqx.com/zh/mqtt)，實現在工業生產弱網環境下的各類資料實時感知與穩定傳輸。

2. [邊緣超輕量級 MQTT 訊息伺服器 NanoMQ](https://www.emqx.com/zh/products/nanomq) 用於資料的匯聚和快取，可以打通處於不同網路中的裝置、不同系統間的資料壁壘，消除資訊孤島。NanoMQ 可以在邊緣端實現資料斷點續傳， 保障業務資料的完整性，保證數字孿生平臺演算法的高效與精準。

3. 工業生產感知的資料是海量且連續的，如果全部採用批次處理不對其進行分析，難以發掘資料的價值。由於數字孿生對資料量和延遲有很高要求，用傳統的批處理方法處理流資料幾乎是不可能的，因此流處理在邊緣側變得更加重要。超輕量[物聯網邊緣資料流式分析引擎 eKuiper](https://ekuiper.org/zh) 可用於流式計算、規則引擎、資料清洗、AI 擴充套件，為數字孿生平臺提供資料清洗、資料預處理、事件邏輯處理等具體的能力。
[![3](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/10/21/3c33712d22bd5053.jpeg?x-oss-process=style/bb "3")](https://www.emqx.com/zh/blog/building-an-industrial-iot-digital-twin-infrastructure "3")

4. 企業級物聯網 [MQTT 訊息接入平臺 EMQX](https://www.emqx.com/zh/products/emqx) 部署在廠級或集團資訊中心，在專網或網際網路上為數字孿生平臺提供高可用、高併發、低延時、安全可靠的資料傳輸、分析、對接能力，讓數字孿生真正地實現虛擬世界是現實世界的同步對映。同時，EMQX 基於數字孿生後端演算法的資料庫也可提供高頻、可靠、高價值的資料持久化能力。
[![4](http://img.blog.itpub.net/blog/2022/10/21/9c6dc74d17afaeb7.jpeg?x-oss-process=style/bb "4")](https://www.emqx.com/zh/blog/building-an-industrial-iot-digital-twin-infrastructure "4")
## EMQ 基礎架構優勢

### 一體化的「邊緣端-工廠-雲」資料感知傳輸能力

無論是裝置在工廠乙太網內，還是在 Lora、Zigbee 網路中，或是採用 4G/5G 物聯網網路卡；無論數字孿生平臺在廠級資訊中心或集團雲上，EMQ 解決方案提供了裝置到邊緣端、裝置到數字孿生、其他應用到數字孿生的「邊緣端-工廠-雲」一體化資料採集、匯聚、傳輸、對接能力。

### 雲邊流式資料處理基座

在邊緣端的分析引擎 eKuiper 和中心端或雲端的訊息匯流排 EMQX 都具備透過規則引擎對資料進行邏輯處理的能力，可在不同的層級獨自或者相互協同實現對資料進行實時計算分析、規範報文、過濾清洗、智慧告警、業務路由等，大大減少了無價值資料對網路和儲存資源的消耗。

同時，EMQX 將工廠內各類彙集而來的資料以每秒 10W+TPS 的效能寫入實時資料庫，降低數字孿生展示應用和演算法模組的資料處理壓力，提升數字孿生平臺展示的實時性以及演算法的精準性。

### 強大的擴充套件能力

隨著企業數字化程式的推進，必將不斷有新的裝置接入和新業務平臺的建設需求。EMQ 整體方案具備開放的介面、橫向擴容能力、可熱插拔的配置性功能模組，支援基於原來的架構靈活接入新裝置，輕鬆響應新業務對資料的消費需求，協助企業快速、低成本擴充套件新業務。

## 結語

EMQ 提供的資料底座最佳化了整個數字孿生平臺的架構，海量資料的實時對接和持久化能力幫助企業在廠級資訊中心或集團雲上高效構建數字孿生中三維物件和動畫特效與資料的同步對映，為數字孿生平臺實現浸入式體驗、資料駕駛艙、生產三維同步、工業模擬最佳化、裝置故障診斷、裝置執行預測、安全事件預判等具體應用奠定了堅實基礎。

基於 EMQ 資料基礎設施構建高效的雲邊工業網際網路資料通道，可以更加輕鬆地打造廠級資訊中心或集團雲上數字孿生平臺架構，有利於數字孿生技術在智慧製造、冶金煤礦、油氣生產等各工業領域的推廣和實踐。企業透過虛擬世界三維模型結合感知資料的智慧分析、預測診斷指導現實世界的生產管理，可以節省執行運維成本，提升企業管理水平和行業競爭力。

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EMQ 助力構建工業生產數字孿生基礎架構

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