傳感器和邊緣節(jié)點架構

在物聯(lián)網（IoT）無處不在的連接和低成本傳感器的推動下，數(shù)字孿生（DT）模型正迅速走進制造業(yè)和其他行業(yè)。不過實施DT計劃將對信號鏈的各個層級提出嚴格要求，特別是在靠近或位于孿生機器的邊緣節(jié)點上。在本文中，我們將簡單介紹傳感器和邊緣節(jié)點架構，說明邊緣節(jié)點的重要性，并討論邊緣節(jié)點通信，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)點架構數(shù)字孿生架構非常類似于三層物聯(lián)網架構（圖1）。

位于邊緣節(jié)點的傳感器收集有關作業(yè)裝置（如工業(yè)機器人、飛機發(fā)動機或風力渦輪機）運行狀況的實時信息，并通過有線或無線局域網（LAN）傳輸這些信息。

網關節(jié)點與多個邊緣節(jié)點通信（可能使用各種協(xié)議），并將這些信息整合到廣域網（WAN）中。

企業(yè)節(jié)點接收網關數(shù)據(jù)，將其應用于數(shù)字模型，并傳送結果。

圖1：數(shù)字孿生架構與物聯(lián)網架構類似，其邊緣節(jié)點、網關節(jié)點和企業(yè)節(jié)點上都有傳感器。 有了足夠精確的模型和高質量的數(shù)據(jù)，DT就可以預測故障、提高效率，甚至改變實際操作。

邊緣節(jié)點的重要性DT需要現(xiàn)實世界持續(xù)不斷的高質量數(shù)據(jù)流來驗證虛擬機相對于其對應物理機的性能。否則，現(xiàn)實世界和虛擬世界會逐漸分化，DT的計算和預測將毫無價值。 邊緣節(jié)點是這個數(shù)據(jù)收集過程的基礎，因為它包含負責收集現(xiàn)實世界、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可以對物理過程進行更改，邊緣節(jié)點還會包含允許此過程發(fā)生的執(zhí)行器。 傳感器測量分為兩類：

操作測量（與機器或設備的物理性能有關），如抗拉強度、速度、流量、位移、扭矩、作業(yè)溫度或振動

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

邊緣節(jié)點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等設備測量現(xiàn)實世界的特性并生成數(shù)字信息。傳感器融合系統(tǒng)將多個傳感器的結果整合在一起，形成單一設備無法提供的洞察力。攝像頭和麥克風使用復雜的非結構化信息創(chuàng)建視頻和音頻流，這些信息需要經過大量處理才能解釋。

傳統(tǒng)機器帶來挑戰(zhàn)理想情況下，DT設計是從對現(xiàn)實設備建模的數(shù)字設計開始，因此提供實時數(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)的許多高科技應用中，都是如此。但如果在實現(xiàn)虛擬模型之前去設計機器，就會出現(xiàn)問題。升級邊緣節(jié)點以激活數(shù)字孿生會帶來一系列新的挑戰(zhàn)。 傳統(tǒng)行業(yè)的設計師很少有機會從頭開始設計DT在現(xiàn)實世界的孿生產品。他們往往必須使用現(xiàn)有的工廠基礎設施，而這些基礎設施可能已經運行了好幾年，甚至幾十年。如果是這樣，DT基礎設施就必須“嫁接”到現(xiàn)有系統(tǒng)上。盡管底層系統(tǒng)可以改造為支持數(shù)字孿生技術，但如果現(xiàn)有機器很少或沒有傳感器來監(jiān)測其性能，那么集成過程的復雜度會呈指數(shù)級增長。在這種情況下，數(shù)十到數(shù)百個傳感器必須嫁接到一臺機器上，然而這臺機器在當初設計時卻根本沒有考慮過為這些先進技術留出實施的余地。 即使原來的機器安裝了傳感器，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溫度過高故障，但不提供識別溫度過高應力模式所需的數(shù)據(jù)質量，導致無法幫助提前預測故障。 現(xiàn)有通信網絡的容量是另一個潛在問題。傳統(tǒng)的物聯(lián)網設備使用許多不同的有線和無線標準將邊緣節(jié)點連接到各自的網關。這些標準包括以下行業(yè)標準：

Zigbee–適用于低功耗網狀網絡應用

Sub-1GHz–適用于低功耗和長距離傳輸應用

Wi-Fi–適用于高速、直接的互聯(lián)網連接

藍牙–功耗最低

其他

每個標準都必須經過仔細評估，以確定它是否能夠處理數(shù)字孿生數(shù)據(jù)所帶來的負荷增加。

現(xiàn)有DT應用中的常見實例

盡管在許多行業(yè)，數(shù)字孿生尚處于起步階段，但許多技術產品在第一個原型出現(xiàn)之前就已經在虛擬世界進行了設計、測試和驗證；另外這些產品還傾向于從專門的實時傳感器收集大量數(shù)據(jù)。飛機發(fā)動機和F1賽車就是兩個很好的例子：

飛機發(fā)動機

飛機發(fā)動機已經裝備了很多的儀器儀表。傳統(tǒng)的渦扇發(fā)動機（圖2）包含用來測量壓力、溫度、氣流、振動和速度的傳感器。每種類別都有多個專用傳感器。例如，對于壓力，有渦輪壓力、機油壓力、機油或燃油濾清器壓差、失速檢測壓力、發(fā)動機控制壓力、軸承室壓力等傳感器類型。

圖2：一個飛機渦扇發(fā)動機包含數(shù)百個傳感器，因此每增加一個DT，傳感器就需要增加一個數(shù)量級。（資料來源：patruflo/Shutterstock.com）

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

一級方程式（F1）賽車

DT技術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-本田車隊使用200多個傳感器來傳輸與發(fā)動機、變速箱、制動器、輪胎、懸架和空氣動力學有關的實時數(shù)據(jù)。在比賽過程中，傳感器向位于英國沃金的邁凱輪技術中心發(fā)送最多達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以虛擬方式與實體車一樣比賽，甚至根據(jù)相同的路況、天氣和溫度進行調整。

圖3：F1賽車可以使用200多個傳感器來傳輸有關發(fā)動機、變速箱、制動器、輪胎、懸架和空氣動力學的實時數(shù)據(jù)（資料來源：Digital Storm/Shutterstock.com）

DT邊緣節(jié)點架構的未來

如果要全面實現(xiàn)DT模型，必須解決現(xiàn)有邊緣節(jié)點架構的幾個問題：

智能傳感器和邊緣節(jié)點處理

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、網關還是云中？）就變得非常重要。在節(jié)點上處理會減少網絡帶寬的消耗，但會有信息丟失風險，從而導致DT性能降低。

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

增強的通信接口

盡管增加了邊緣節(jié)點的處理能力，但大幅增加的數(shù)據(jù)流將要求系統(tǒng)設計師在所有層級增加網絡帶寬。例如，飛機的每臺發(fā)動機每秒產生最多5GB數(shù)據(jù)，而商用雙發(fā)動機飛機每天產生最多844TB數(shù)據(jù)。

傳統(tǒng)行業(yè)會產生大量數(shù)據(jù)，也會帶來額外的復雜性：傳統(tǒng)工業(yè)物聯(lián)網應用中的許多遠程邊緣節(jié)點使用電池和低性能無線協(xié)議來實現(xiàn)低功耗優(yōu)化?，F(xiàn)有的設計權衡可能需要重新評估以檢測通信瓶頸。 穩(wěn)健的邊緣節(jié)點安全性

現(xiàn)有物聯(lián)網的邊緣節(jié)點設備中出現(xiàn)了新的安全問題，加密、安全硬件設計、應用程序密鑰和設備證書等安全措施變得越來越普遍。DT應用的增加將提高這些技術的重要性，特別是在增加了互聯(lián)網協(xié)議（IP）連接的節(jié)點上，這種連接為潛在的黑客提供了一個攻擊入口。

結論

實施DT計劃將對信號鏈的各個層級提出嚴格要求，特別是在靠近或位于孿生機器的邊緣節(jié)點上。邊緣節(jié)點是數(shù)字孿生的基礎，因為它包含負責收集現(xiàn)實世界、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。在改造設備以支持數(shù)字孿生時，必須將幾十到數(shù)百個傳感器嫁接到從未設計為容納它們的機器上。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)點處理、通信處理和邊緣節(jié)點安全性。