馬 躍,王春曉,尹震宇,李明時(shí),王喆峰,柴安穎

(中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

(中國(guó)科學(xué)院 沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所,沈陽(yáng) 110168)

1 引 言

隨著大型儀器設(shè)備數(shù)量的快速增加及新型互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代信息技術(shù)的飛速發(fā)展,越來(lái)越多的高校與科研院所開始運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)手段對(duì)大型儀器設(shè)備進(jìn)行科學(xué)化、信息化的管理.目前從實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備的管理、使用和維護(hù)方面可以將實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展歷程大概分為以下兩個(gè)階段:

第一階段是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室階段.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室階段是以人工方式進(jìn)行管理與維護(hù),主要由實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)原材料、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及儀器設(shè)備使用情況進(jìn)行手工管理的階段.

第二階段是實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備共享階段.隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及儀器設(shè)備共享平臺(tái)的出現(xiàn),實(shí)驗(yàn)室開始由傳統(tǒng)的人工管理方式向系統(tǒng)智能化管理方式轉(zhuǎn)變,儀器設(shè)備逐步實(shí)現(xiàn)共享管理,提高了儀器設(shè)備的管理和使用效率,避免了儀器設(shè)備資源配置不均的問題.

為推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備管理方式的改進(jìn),中國(guó)科學(xué)院根據(jù)國(guó)家建立的科技資源開放共享機(jī)制以及自身大型儀器設(shè)備管理方面的要求,建立了SAMP平臺(tái)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行信息化管理,促進(jìn)了科技資源開放和共享[1].但是目前依托于SAMP平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)存在儀器設(shè)備故障無(wú)法主動(dòng)預(yù)測(cè),網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定及不便于維護(hù)等問題.數(shù)字孿生技術(shù)的出現(xiàn)可以有效解決以上問題,該技術(shù)能夠有效促進(jìn)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合,從而推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的數(shù)字化建設(shè),以實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室與信息世界的交互融合.

2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室體系架構(gòu)

2.1 數(shù)字孿生技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的融合

數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室通過(guò)運(yùn)用數(shù)字孿生技術(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備等物理實(shí)體的外形、物理狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)以及特征數(shù)據(jù)等進(jìn)行表達(dá)、描述及建模[2],進(jìn)而建立包括物理實(shí)驗(yàn)室(Physical laboratory)、虛擬實(shí)驗(yàn)室(Virtual laboratory)、實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)(Laboratory Digital Twin Data,LDTD)及數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室服務(wù)平臺(tái)(Digital Twin Laboratory Service Platform,DTLSP)四部分的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室能夠基于物聯(lián)網(wǎng)對(duì)儀器設(shè)備的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,有效預(yù)測(cè)儀器設(shè)備故障以及儀器設(shè)備生命周期等信息.依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)室大型儀器設(shè)備、儀器設(shè)備管理單元、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行建模,從實(shí)驗(yàn)室物理形態(tài)到內(nèi)部運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行全方位模型構(gòu)建[3].

2.2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)

依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型是將數(shù)字孿生技術(shù)與儀器共享實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合,儀器設(shè)備共享平臺(tái)作為數(shù)字孿生模型的一部分,為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的建立提供了基礎(chǔ).數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型架構(gòu)主要包括運(yùn)維服務(wù)層、平臺(tái)服務(wù)層、數(shù)據(jù)處理層、決策分析層、模型層、物聯(lián)網(wǎng)層以及物理層七個(gè)部分,數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示.

1)物理層主要包含人員、設(shè)備、實(shí)驗(yàn)儀器等物理實(shí)驗(yàn)室中的實(shí)體,以及物理實(shí)驗(yàn)室對(duì)應(yīng)的活動(dòng)的集合.主要負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行的物理空間實(shí)現(xiàn),同時(shí)具有感知、底層數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)裙δ躘4].

2)模型層主要是指數(shù)字孿生虛擬實(shí)驗(yàn)室以及其對(duì)應(yīng)承擔(dān)的虛擬活動(dòng),包括虛擬實(shí)驗(yàn)室的各類模型、規(guī)則、運(yùn)行等,負(fù)責(zé)物理層所有實(shí)物及其真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況在虛擬空間的仿真、分析、優(yōu)化等[4].

3)物聯(lián)網(wǎng)層是物理實(shí)驗(yàn)室數(shù)字化的關(guān)鍵,是連接物理層與數(shù)據(jù)層之間的橋梁.物聯(lián)網(wǎng)層主要負(fù)責(zé)儀器設(shè)備管理單元的運(yùn)轉(zhuǎn)以及數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室建模所需數(shù)據(jù)的采集.其中主要包括PC端處理模塊、繼電器端處理模塊、孿生數(shù)據(jù)采集模塊以及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器.

4)決策分析層的主要功能是將模型層與數(shù)據(jù)層提供的數(shù)據(jù)整理融合并進(jìn)行數(shù)據(jù)匯聚,統(tǒng)計(jì)分析,進(jìn)而能夠進(jìn)行可視化演示與輔助決策.從而能夠?qū)θ藛T、儀器設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確的管控,并為故障檢測(cè)、設(shè)備健康管理以及安全保障等服務(wù)提供基礎(chǔ).

5)數(shù)據(jù)層是數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的核心,主要負(fù)責(zé)孿生數(shù)據(jù)的融合處理.該層集成了孿生數(shù)據(jù)的生成、處理以及融合等功能,為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室物理平臺(tái)、虛擬平臺(tái)和實(shí)驗(yàn)室服務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行提供了數(shù)據(jù)支撐.

6)平臺(tái)服務(wù)層是數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ),首先平臺(tái)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)了儀器設(shè)備的開放與共享,提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理、預(yù)約管理、結(jié)算管理、采購(gòu)維修、監(jiān)控服務(wù)等功能,其次數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室在原有平臺(tái)服務(wù)基礎(chǔ)上增加了模型展示、故障預(yù)測(cè)等功能,為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的建立提供了基礎(chǔ).

7)運(yùn)維服務(wù)層是在平臺(tái)服務(wù)層的基礎(chǔ)上根據(jù)平臺(tái)所得數(shù)據(jù)對(duì)儀器設(shè)備、基礎(chǔ)設(shè)施等方面進(jìn)行運(yùn)維,實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備進(jìn)行精確控制、保證儀器穩(wěn)定運(yùn)行及對(duì)儀器進(jìn)行可靠維護(hù).

圖1 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 System architecture of digital twin laboratory

3 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制

依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室利用數(shù)字孿生技術(shù)實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)室與虛擬實(shí)驗(yàn)室之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互,從而實(shí)現(xiàn)了全數(shù)據(jù)、全業(yè)務(wù)、全過(guò)程的融合和集成.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室主要包含四個(gè)運(yùn)行主體:物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)以及數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室服務(wù)平臺(tái),數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制如圖2所示[5].

圖2 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制Fig.2 Operation mechanism of digital twin laboratory

3.1 物理實(shí)驗(yàn)室

物理實(shí)驗(yàn)室是真實(shí)實(shí)驗(yàn)室中客觀存在的實(shí)體集合,主要包括實(shí)驗(yàn)儀器、傳感器設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、儀器設(shè)備管理單元四個(gè)部分,負(fù)責(zé)完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)并接受來(lái)自虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)的反饋信息.物理實(shí)驗(yàn)室主要功能包括以下三點(diǎn):1)保證實(shí)驗(yàn)任務(wù)的完成;2)提供實(shí)驗(yàn)儀器的共享管理服務(wù);3)通過(guò)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的接入和融合實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與繼承.

3.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室

虛擬實(shí)驗(yàn)室是物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化表達(dá),其本質(zhì)為數(shù)字模型的集合.虛擬實(shí)驗(yàn)室主要包括兩個(gè)部分:一是物理實(shí)驗(yàn)室中所有物理設(shè)備對(duì)應(yīng)的數(shù)字化表達(dá),具體包括虛擬實(shí)驗(yàn)儀器、虛擬儀器設(shè)備管理單元、虛擬網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、虛擬服務(wù)器等.二是在驅(qū)動(dòng)(如確認(rèn)開啟實(shí)驗(yàn)儀器)與擾動(dòng)(如網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定)下對(duì)實(shí)驗(yàn)室行為特征進(jìn)行刻畫的行為模型.

虛擬實(shí)驗(yàn)室通過(guò)模擬物理實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行,對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進(jìn)行故障診斷與預(yù)測(cè),可以有效預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行故障從而完成對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控.

3.3 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室服務(wù)平臺(tái)(DTLSP)

DTLSP是數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的各類服務(wù)系統(tǒng)功能的集合或總稱,其主要功能是對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理.物理實(shí)驗(yàn)室不斷將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)送至DTLSP,DTLSP同樣不斷接收虛擬實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的仿真分析結(jié)果.服務(wù)模塊將仿真分析結(jié)果與物理實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的真實(shí)結(jié)果分析比對(duì),再將分析結(jié)果傳輸給虛擬實(shí)驗(yàn)室和物理實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)室根據(jù)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化模型,反復(fù)迭代直至模型最優(yōu),物理實(shí)驗(yàn)室則根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果采取相應(yīng)措施,使得系統(tǒng)整體運(yùn)行效率得到優(yōu)化.

3.4 實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)(LDTD)

實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)模塊主要包括物理實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、虛擬實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、DTLSP數(shù)據(jù)以及三者融合后產(chǎn)生的衍生數(shù)據(jù).

其中物理實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)主要包括實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備數(shù)據(jù)(設(shè)備外觀數(shù)據(jù)、工作狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù),待機(jī)狀態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù))、傳感器數(shù)據(jù)(儀器設(shè)備管理單元數(shù)據(jù)、儀器采集數(shù)據(jù))、網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)、儀器管理平臺(tái)數(shù)據(jù)(用戶使用記錄、儀器設(shè)備預(yù)約記錄等);虛擬實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)主要包括模型數(shù)據(jù)(儀器設(shè)備孿生模型,網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)孿生模型等)、仿真數(shù)據(jù)以及評(píng)估、優(yōu)化、預(yù)測(cè)產(chǎn)生的數(shù)據(jù).

LDTD模塊負(fù)責(zé)為物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室及DTLSP的運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐.該模塊集成了孿生數(shù)據(jù)的生成、處理以及融合等數(shù)據(jù)處理功能.該模塊同時(shí)是物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室以及DTLSP運(yùn)行和交互的驅(qū)動(dòng).

3.5 實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)作用

LDTD是數(shù)字孿生技術(shù)的核心要素,推動(dòng)著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)[5].實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)作用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面:

首先,LDTD推動(dòng)DTLSP與物理實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行迭代優(yōu)化.當(dāng)數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室接收到一個(gè)輸入時(shí)(如刷卡上機(jī)操作),物理實(shí)驗(yàn)室會(huì)對(duì)用戶的身份進(jìn)行認(rèn)證,認(rèn)證通過(guò)后客戶端與服務(wù)器之間便開始頻繁的信息交互,系統(tǒng)狀態(tài)信息(如網(wǎng)絡(luò)信息、人員信息、設(shè)備使用信息等)在此過(guò)程中會(huì)發(fā)生改變,描述系統(tǒng)狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)會(huì)傳送到DTLSP,DTLSP將真實(shí)數(shù)據(jù)與虛擬實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)對(duì)比判斷系統(tǒng)狀態(tài)是否異常,將結(jié)果信息反饋給物理實(shí)驗(yàn)室并控制物理實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行,使得整個(gè)系統(tǒng)能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn).如此反復(fù)迭代,直到對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)的管理達(dá)到最優(yōu).

其次,LDTD推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室與DTLSP之間進(jìn)行迭代優(yōu)化.虛擬實(shí)驗(yàn)室接收實(shí)驗(yàn)室各項(xiàng)初始數(shù)據(jù),在歷史數(shù)據(jù)、平臺(tái)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及其他關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,對(duì)孿生實(shí)驗(yàn)室的整體運(yùn)行進(jìn)行仿真、分析以及優(yōu)化,并將以上過(guò)程產(chǎn)生的仿真分析結(jié)果反饋至DTLSP,DTLSP基于這些數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的管理計(jì)劃做出修正和優(yōu)化,并將結(jié)果再次傳入虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行修正,如此反復(fù)迭代,直到實(shí)驗(yàn)室管理平臺(tái)的效率最優(yōu).

最后,LDTD推動(dòng)虛擬實(shí)驗(yàn)室與物理實(shí)驗(yàn)室之間進(jìn)行迭代優(yōu)化.物理實(shí)驗(yàn)室接收實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的指令數(shù)據(jù),按照指令數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳至虛擬實(shí)驗(yàn)室.虛擬實(shí)驗(yàn)室根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)狀態(tài)對(duì)自身進(jìn)行狀態(tài)的更新,并將物理實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際數(shù)據(jù)與預(yù)定義產(chǎn)生的虛擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,如果兩者數(shù)據(jù)不一致,則虛擬實(shí)驗(yàn)室會(huì)對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室的擾動(dòng)因素進(jìn)行辨識(shí),并在擾動(dòng)因素的作用下對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室所有實(shí)物及其真實(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行仿真.虛擬實(shí)驗(yàn)室會(huì)基于實(shí)時(shí)仿真數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)等數(shù)字孿生數(shù)據(jù),多角度對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)情況進(jìn)行評(píng)估、優(yōu)化和預(yù)測(cè)[6].

數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行過(guò)程中,實(shí)驗(yàn)室在完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)將此過(guò)程中產(chǎn)生的所有數(shù)據(jù)存入DTLSP中,并且通過(guò)不同階段的迭代優(yōu)化,使得孿生數(shù)據(jù)被不斷更新與擴(kuò)充,虛擬實(shí)驗(yàn)室也將不斷地進(jìn)化和完善.

4 實(shí)施方案

4.1 建設(shè)目標(biāo)

目前將數(shù)字孿生技術(shù)與實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合的理論研究及應(yīng)用研究非常少,依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室旨在將數(shù)字孿生技術(shù)與儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)室相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)預(yù)知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)預(yù)知等功能,從而能夠有效預(yù)測(cè)儀器共享實(shí)驗(yàn)室可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn).

4.2 主要功能

數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)室與虛擬實(shí)驗(yàn)室的雙向?qū)崟r(shí)交互建立孿生實(shí)驗(yàn)室模型,實(shí)現(xiàn)了物理實(shí)驗(yàn)室、虛擬實(shí)驗(yàn)室、DTLSP之間的全要素、全流程、全業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的集成與融合[7].數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室能夠在滿足特定實(shí)驗(yàn)任務(wù)和操作約束的前提下,到達(dá)實(shí)驗(yàn)室管控最優(yōu)的一種實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行新模式.

依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室能夠利用多種傳感器并結(jié)合數(shù)據(jù)處理方法對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估,預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備故障以及儀器設(shè)備的剩余壽命,將實(shí)驗(yàn)室管理人員對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的事后維修轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑邦A(yù)測(cè)及維護(hù)[8].

4.3 實(shí)施步驟

依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的建立主要包括儀器設(shè)備共享平臺(tái)的建立、數(shù)據(jù)的采集與處理、模型的建立與融合、數(shù)據(jù)的融合、故障預(yù)測(cè)與儀器設(shè)備健康管理五個(gè)步驟,具體實(shí)施步驟如圖3所示.

步驟1.儀器設(shè)備共享平臺(tái)的建立.儀器設(shè)備共享平臺(tái)是數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室建立的基礎(chǔ).中科院SAMP平臺(tái)作為實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備共享管理平臺(tái),在實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備開放和共享的同時(shí),還為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的構(gòu)建提供了基礎(chǔ).

圖3 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型實(shí)施步驟圖Fig.3 Implementation step diagram of digital twin laboratory model

中科院SAMP平臺(tái)主要由儀器設(shè)備共享平臺(tái)和儀器設(shè)備管理單元組成,如圖4所示,平臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)信息查閱、檢測(cè)預(yù)約、審核分析、采購(gòu)維修、工作狀況、儀器狀況、系統(tǒng)管理和流程設(shè)置等八大功能.在此基礎(chǔ)上,中科院SAMP平臺(tái)可以為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室提供數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理等服務(wù),同時(shí)可以進(jìn)一步為數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室提供動(dòng)態(tài)展示環(huán)境.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室服務(wù)平臺(tái)是在原儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加了模型展示與故障預(yù)警功能,將數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型展示在儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)的前端頁(yè)面中并對(duì)于數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室預(yù)測(cè)出的故障部分顯示警告,進(jìn)而作為一個(gè)環(huán)路促進(jìn)整個(gè)數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的迭代優(yōu)化與呈現(xiàn).

圖4 數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備共享管理系統(tǒng)功能圖Fig.4 Function diagram of digital twin laboratory instruments sharing management system

步驟2.數(shù)據(jù)的采集與處理.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室中多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的采集是實(shí)驗(yàn)室建立的基礎(chǔ),而數(shù)據(jù)采集的效率將直接關(guān)系到數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)轉(zhuǎn)的效率.為了提高數(shù)字孿生系統(tǒng)的運(yùn)行效率,保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)迭代優(yōu)化,需要建立標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)通信與轉(zhuǎn)換裝置來(lái)對(duì)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,從而實(shí)現(xiàn)不同通訊接口之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)統(tǒng)一封裝,此裝置能夠?qū)Χ囝愋汀⒍喑叨?、多粒度的物理?shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)劃、清洗以及封裝,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一規(guī)范處理,從而實(shí)現(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的集成和融合.在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步采用基于服務(wù)的統(tǒng)一規(guī)范化協(xié)議,將物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)上傳至虛擬實(shí)驗(yàn)室和DTLSP.

步驟3.模型的建立與融合.該階段是建立數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的核心環(huán)節(jié),此階段能夠?qū)崿F(xiàn)物理實(shí)驗(yàn)室到虛擬實(shí)驗(yàn)室的真實(shí)完整映射,其重點(diǎn)是分析與研究各個(gè)維度的模型之間的關(guān)聯(lián)及其映射關(guān)系.

首先從幾何、物理、行為、規(guī)則等多個(gè)維度對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行全方位的建模[4],通過(guò)建立各層模型間的聯(lián)系,從結(jié)構(gòu)和功能兩方面對(duì)模型進(jìn)行集成與融合,其次使用物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室所建立的模型進(jìn)行評(píng)估和驗(yàn)證,最后形成虛擬實(shí)驗(yàn)室的綜合模型.最后生成綜合模型的仿真運(yùn)行過(guò)程將以三維表現(xiàn)形式在SAMP平臺(tái)中進(jìn)行可視化呈現(xiàn).

步驟4.數(shù)據(jù)的融合.如圖5所示,首先對(duì)物理實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、建模,其次對(duì)其結(jié)果進(jìn)行聚類、挖掘,最后將物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、虛擬實(shí)驗(yàn)室的模型數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)以及DTLSP數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代、演化與融合,從而將物理數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室服務(wù)平臺(tái)數(shù)據(jù)和模型數(shù)據(jù)進(jìn)行融合,使虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠真實(shí)反映出物理實(shí)驗(yàn)的全部要素在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的運(yùn)行狀態(tài).

圖5 實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)融合圖Fig.5 Laboratory twin data fusion graph

步驟5.故障預(yù)測(cè)與儀器設(shè)備健康管理.孿生模型建成后,在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下,物理設(shè)備與虛擬設(shè)備的同步映射與實(shí)時(shí)交互為儀器設(shè)備的故障檢測(cè)提供基礎(chǔ).

物理實(shí)驗(yàn)室實(shí)時(shí)感知實(shí)驗(yàn)室整體運(yùn)行狀態(tài)將實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的孿生數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至DTLSP,DTLSP將孿生數(shù)據(jù)傳輸至虛擬實(shí)驗(yàn)室,虛擬實(shí)驗(yàn)室中的虛擬儀器設(shè)備在孿生數(shù)據(jù)的驅(qū)動(dòng)下保持與物理儀器設(shè)備的同步運(yùn)行,并且在此過(guò)程中不斷產(chǎn)生儀器設(shè)備評(píng)估數(shù)據(jù),故障預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)以及維修決策數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù).物理實(shí)驗(yàn)設(shè)備與虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)將與現(xiàn)有的孿生數(shù)據(jù)進(jìn)一步融合,DTLSP將根據(jù)所得融合數(shù)據(jù)評(píng)估儀器狀態(tài)、預(yù)測(cè)儀器故障從而能夠快速捕捉儀器故障事件、準(zhǔn)確定位儀器故障原因并能夠合理設(shè)計(jì)維修策略.該階段的難點(diǎn)在于模型與實(shí)體的一致性,因此解決虛實(shí)自主交互機(jī)制,制定虛實(shí)一致的辨別規(guī)則是通過(guò)仿真模型進(jìn)行故障預(yù)測(cè)的關(guān)鍵問題.

5 分析論證

本節(jié)將從實(shí)驗(yàn)室故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性方面對(duì)提出的依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型進(jìn)行理論分析及論證.

虛擬實(shí)驗(yàn)室作為物理實(shí)驗(yàn)室的數(shù)字化表達(dá),主要包括實(shí)驗(yàn)室所有設(shè)備(實(shí)驗(yàn)儀器、儀器設(shè)備管理單元、服務(wù)器等)物理特征對(duì)應(yīng)的數(shù)字化表達(dá)以及對(duì)實(shí)驗(yàn)室行為特征進(jìn)行刻畫的行為模型.根據(jù)數(shù)字孿生體建立的兩個(gè)要素(外表與行為),對(duì)儀器設(shè)備的物理特征與行為特征分別進(jìn)行建模.物理特征方面主要采集了包括材料,幾何形狀和尺寸等方面的數(shù)據(jù).最終,物理特征的數(shù)字化表達(dá)還原度可以達(dá)到97%.行為特征方面主要根據(jù)儀器設(shè)備管理單元采集實(shí)驗(yàn)儀器運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)行為特征進(jìn)行建模,行為模型的置信度約能達(dá)到86%[10].

如圖6所示,物理特征對(duì)應(yīng)的數(shù)字化表達(dá)約占實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)的10%,行為模型約占孿生數(shù)據(jù)的81%,其他數(shù)據(jù)約占9%.目前數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室只能通過(guò)內(nèi)部運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備故障及其生命周期進(jìn)行預(yù)測(cè),無(wú)法預(yù)測(cè)通過(guò)外部物理作用給機(jī)器造成的故障.因此通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析可以發(fā)現(xiàn)依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室的儀器設(shè)備故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度約為70%.

圖6 實(shí)驗(yàn)室孿生數(shù)據(jù)占比圖Fig.6 Percentage chart of laboratory twin data

經(jīng)過(guò)理論分析及論證,依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型可以使得實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行故障預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率到達(dá)70%,有效提高了實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行穩(wěn)定性,降低了實(shí)驗(yàn)室的整體維護(hù)成本.

6 總 結(jié)

數(shù)字孿生技術(shù)是指利用現(xiàn)有的理論知識(shí)對(duì)物理實(shí)體從外形、行為、性能等方面建立虛擬模型[11],同時(shí)利用虛擬模型對(duì)物理世界進(jìn)行仿真和預(yù)測(cè)的過(guò)程和方法.通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)能夠進(jìn)一步探索和研究更好的解決方法和實(shí)施途徑.本文將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)室,以中科院SAMP平臺(tái)為依托,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了依托中科院SAMP平臺(tái)的數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型,詳細(xì)設(shè)計(jì)了數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行機(jī)制及工作流程.通過(guò)有效分析虛擬實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)進(jìn)而預(yù)測(cè)物理實(shí)驗(yàn)室可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn),從根本上解決了實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備運(yùn)行故障無(wú)法預(yù)知、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定、不便于維護(hù)等問題.數(shù)字孿生實(shí)驗(yàn)室模型的建立也為儀器設(shè)備共享實(shí)驗(yàn)室的下一步發(fā)展提供了新的思路,從而優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)、引領(lǐng)儀器共享實(shí)驗(yàn)室的智能化發(fā)展.