傳感器和邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）無處不在的連接和低成本傳感器的推動(dòng)下，數(shù)字孿生（DT）模型正迅速走進(jìn)制造業(yè)和其他行業(yè)。不過實(shí)施DT計(jì)劃將對(duì)信號(hào)鏈的各個(gè)層級(jí)提出嚴(yán)格要求，特別是在靠近或位于孿生機(jī)器的邊緣節(jié)點(diǎn)上。在本文中，我們將簡(jiǎn)單介紹傳感器和邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)，說明邊緣節(jié)點(diǎn)的重要性，并討論邊緣節(jié)點(diǎn)通信，幫助大家最大限度地發(fā)揮DT的全部潛力。

傳感器和邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)數(shù)字孿生架構(gòu)非常類似于三層物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（圖1）。

位于邊緣節(jié)點(diǎn)的傳感器收集有關(guān)作業(yè)裝置（如工業(yè)機(jī)器人、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)或風(fēng)力渦輪機(jī)）運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)信息，并通過有線或無線局域網(wǎng)（LAN）傳輸這些信息。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與多個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)通信（可能使用各種協(xié)議），并將這些信息整合到廣域網(wǎng)（WAN）中。

企業(yè)節(jié)點(diǎn)接收網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)，將其應(yīng)用于數(shù)字模型，并傳送結(jié)果。

圖1：數(shù)字孿生架構(gòu)與物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)類似，其邊緣節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和企業(yè)節(jié)點(diǎn)上都有傳感器。 有了足夠精確的模型和高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，DT就可以預(yù)測(cè)故障、提高效率，甚至改變實(shí)際操作。

邊緣節(jié)點(diǎn)的重要性DT需要現(xiàn)實(shí)世界持續(xù)不斷的高質(zhì)量數(shù)據(jù)流來驗(yàn)證虛擬機(jī)相對(duì)于其對(duì)應(yīng)物理機(jī)的性能。否則，現(xiàn)實(shí)世界和虛擬世界會(huì)逐漸分化，DT的計(jì)算和預(yù)測(cè)將毫無價(jià)值。 邊緣節(jié)點(diǎn)是這個(gè)數(shù)據(jù)收集過程的基礎(chǔ)，因?yàn)樗?fù)責(zé)收集現(xiàn)實(shí)世界、操作和環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，并包含向上游發(fā)送這些信息的通信鏈路。如果DT可以對(duì)物理過程進(jìn)行更改，邊緣節(jié)點(diǎn)還會(huì)包含允許此過程發(fā)生的執(zhí)行器。 傳感器測(cè)量分為兩類：

操作測(cè)量（與機(jī)器或設(shè)備的物理性能有關(guān)），如抗拉強(qiáng)度、速度、流量、位移、扭矩、作業(yè)溫度或振動(dòng)

環(huán)境或外部數(shù)據(jù)（影響物理過程的運(yùn)行），如環(huán)境溫度、大氣壓和濕度

邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器可以有多種形式。溫度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器和加速度計(jì)等設(shè)備測(cè)量現(xiàn)實(shí)世界的特性并生成數(shù)字信息。傳感器融合系統(tǒng)將多個(gè)傳感器的結(jié)果整合在一起，形成單一設(shè)備無法提供的洞察力。攝像頭和麥克風(fēng)使用復(fù)雜的非結(jié)構(gòu)化信息創(chuàng)建視頻和音頻流，這些信息需要經(jīng)過大量處理才能解釋。

傳統(tǒng)機(jī)器帶來挑戰(zhàn)理想情況下，DT設(shè)計(jì)是從對(duì)現(xiàn)實(shí)設(shè)備建模的數(shù)字設(shè)計(jì)開始，因此提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳感器可以包含在模型中并傳遞到最終版本。在石油和天然氣、核能、航空航天和汽車工業(yè)的許多高科技應(yīng)用中，都是如此。但如果在實(shí)現(xiàn)虛擬模型之前去設(shè)計(jì)機(jī)器，就會(huì)出現(xiàn)問題。升級(jí)邊緣節(jié)點(diǎn)以激活數(shù)字孿生會(huì)帶來一系列新的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)行業(yè)的設(shè)計(jì)師很少有機(jī)會(huì)從頭開始設(shè)計(jì)DT在現(xiàn)實(shí)世界的孿生產(chǎn)品。他們往往必須使用現(xiàn)有的工廠基礎(chǔ)設(shè)施，而這些基礎(chǔ)設(shè)施可能已經(jīng)運(yùn)行了好幾年，甚至幾十年。如果是這樣，DT基礎(chǔ)設(shè)施就必須“嫁接”到現(xiàn)有系統(tǒng)上。盡管底層系統(tǒng)可以改造為支持?jǐn)?shù)字孿生技術(shù)，但如果現(xiàn)有機(jī)器很少或沒有傳感器來監(jiān)測(cè)其性能，那么集成過程的復(fù)雜度會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。在這種情況下，數(shù)十到數(shù)百個(gè)傳感器必須嫁接到一臺(tái)機(jī)器上，然而這臺(tái)機(jī)器在當(dāng)初設(shè)計(jì)時(shí)卻根本沒有考慮過為這些先進(jìn)技術(shù)留出實(shí)施的余地。 即使原來的機(jī)器安裝了傳感器，傳感器的精度也可能不足以為數(shù)字模型提供有用的數(shù)據(jù)。例如，原有的溫度傳感器只能檢測(cè)溫度過高故障，但不提供識(shí)別溫度過高應(yīng)力模式所需的數(shù)據(jù)質(zhì)量，導(dǎo)致無法幫助提前預(yù)測(cè)故障。 現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的容量是另一個(gè)潛在問題。傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備使用許多不同的有線和無線標(biāo)準(zhǔn)將邊緣節(jié)點(diǎn)連接到各自的網(wǎng)關(guān)。這些標(biāo)準(zhǔn)包括以下行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：

Zigbee–適用于低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

Sub-1GHz–適用于低功耗和長(zhǎng)距離傳輸應(yīng)用

Wi-Fi–適用于高速、直接的互聯(lián)網(wǎng)連接

藍(lán)牙–功耗最低

其他

每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都必須經(jīng)過仔細(xì)評(píng)估，以確定它是否能夠處理數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所帶來的負(fù)荷增加。

現(xiàn)有DT應(yīng)用中的常見實(shí)例

盡管在許多行業(yè)，數(shù)字孿生尚處于起步階段，但許多技術(shù)產(chǎn)品在第一個(gè)原型出現(xiàn)之前就已經(jīng)在虛擬世界進(jìn)行了設(shè)計(jì)、測(cè)試和驗(yàn)證；另外這些產(chǎn)品還傾向于從專門的實(shí)時(shí)傳感器收集大量數(shù)據(jù)。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和F1賽車就是兩個(gè)很好的例子：

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)

飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)裝備了很多的儀器儀表。傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)（圖2）包含用來測(cè)量壓力、溫度、氣流、振動(dòng)和速度的傳感器。每種類別都有多個(gè)專用傳感器。例如，對(duì)于壓力，有渦輪壓力、機(jī)油壓力、機(jī)油或燃油濾清器壓差、失速檢測(cè)壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)控制壓力、軸承室壓力等傳感器類型。

圖2：一個(gè)飛機(jī)渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)包含數(shù)百個(gè)傳感器，因此每增加一個(gè)DT，傳感器就需要增加一個(gè)數(shù)量級(jí)。（資料來源：patruflo/Shutterstock.com）

DT比傳統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用需要更多的數(shù)據(jù)，因此它的傳感器設(shè)計(jì)必須適應(yīng)不斷增加的需求。盡管目前大多數(shù)在役飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)所包含的傳感器少于250個(gè)，但制造商正在展示下一代兼容DT的產(chǎn)品，其中包含5000多個(gè)傳感器。另外還有數(shù)據(jù)來自于監(jiān)控燃油流量、燃油和機(jī)油壓力、海拔高度、空速、電力負(fù)荷和外部空氣溫度的傳感器。Rolls-Royce、GE和Pratt & Whitney公司已經(jīng)在使用DT來提高發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性、提升其效率并降低維護(hù)成本。

一級(jí)方程式（F1）賽車

DT技術(shù)有助于提升駕駛員和賽車在F1比賽高壓力環(huán)境下的表現(xiàn)（圖3）。例如，邁凱輪-本田車隊(duì)使用200多個(gè)傳感器來傳輸與發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)器、輪胎、懸架和空氣動(dòng)力學(xué)有關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。在比賽過程中，傳感器向位于英國(guó)沃金的邁凱輪技術(shù)中心發(fā)送最多達(dá)100GB的數(shù)據(jù)，在那里分析人員研究數(shù)據(jù)并使用DT將最佳比賽策略發(fā)送給駕駛員。DT以虛擬方式與實(shí)體車一樣比賽，甚至根據(jù)相同的路況、天氣和溫度進(jìn)行調(diào)整。

圖3：F1賽車可以使用200多個(gè)傳感器來傳輸有關(guān)發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、制動(dòng)器、輪胎、懸架和空氣動(dòng)力學(xué)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)（資料來源：Digital Storm/Shutterstock.com）

DT邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的未來

如果要全面實(shí)現(xiàn)DT模型，必須解決現(xiàn)有邊緣節(jié)點(diǎn)架構(gòu)的幾個(gè)問題：

智能傳感器和邊緣節(jié)點(diǎn)處理

隨著傳感器收集的數(shù)據(jù)量不斷增加，清楚地了解如何在數(shù)字模型中使用數(shù)據(jù)以及在哪里處理數(shù)據(jù)（在節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)還是云中？）就變得非常重要。在節(jié)點(diǎn)上處理會(huì)減少網(wǎng)絡(luò)帶寬的消耗，但會(huì)有信息丟失風(fēng)險(xiǎn)，從而導(dǎo)致DT性能降低。

傳感器的類型會(huì)影響最終決定。盡管許多傳感器是以易于使用的結(jié)構(gòu)化格式傳輸信息（例如，傳輸表示壓力的數(shù)字），但諸如麥克風(fēng)和圖像傳感器之類的傳感器會(huì)生成大量的原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，不經(jīng)過大量處理根本無法使用。

增強(qiáng)的通信接口

盡管增加了邊緣節(jié)點(diǎn)的處理能力，但大幅增加的數(shù)據(jù)流將要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在所有層級(jí)增加網(wǎng)絡(luò)帶寬。例如，飛機(jī)的每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)每秒產(chǎn)生最多5GB數(shù)據(jù)，而商用雙發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)每天產(chǎn)生最多844TB數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)行業(yè)會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，也會(huì)帶來額外的復(fù)雜性：傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的許多遠(yuǎn)程邊緣節(jié)點(diǎn)使用電池和低性能無線協(xié)議來實(shí)現(xiàn)低功耗優(yōu)化?，F(xiàn)有的設(shè)計(jì)權(quán)衡可能需要重新評(píng)估以檢測(cè)通信瓶頸。 穩(wěn)健的邊緣節(jié)點(diǎn)安全性

現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)的邊緣節(jié)點(diǎn)設(shè)備中出現(xiàn)了新的安全問題，加密、安全硬件設(shè)計(jì)、應(yīng)用程序密鑰和設(shè)備證書等安全措施變得越來越普遍。DT應(yīng)用的增加將提高這些技術(shù)的重要性，特別是在增加了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）連接的節(jié)點(diǎn)上，這種連接為潛在的黑客提供了一個(gè)攻擊入口。

結(jié)論

實(shí)施DT計(jì)劃將對(duì)信號(hào)鏈的各個(gè)層級(jí)提出嚴(yán)格要求，特別是在靠近或位于孿生機(jī)器的邊緣節(jié)點(diǎn)上。邊緣節(jié)點(diǎn)是數(shù)字孿生的基礎(chǔ)，因?yàn)樗?fù)責(zé)收集現(xiàn)實(shí)世界、操作和環(huán)境數(shù)據(jù)的傳感器，并包含向上游發(fā)送這些信息的通信鏈路。目前，數(shù)字孿生已在航空航天和汽車等行業(yè)得到應(yīng)用，在這些行業(yè)中，有許多數(shù)字孿生所必需的專用傳感器。在改造設(shè)備以支持?jǐn)?shù)字孿生時(shí)，必須將幾十到數(shù)百個(gè)傳感器嫁接到從未設(shè)計(jì)為容納它們的機(jī)器上。為了使數(shù)字孿生繼續(xù)獲得發(fā)展，有多種解決方案非常重要，它們必須考慮傳感器以及邊緣節(jié)點(diǎn)處理、通信處理和邊緣節(jié)點(diǎn)安全性。