基于物聯網技術和數字孿生技術的智慧園區構架分析

何茵錡,王坷馨,林志朋

(成都理工大學 產業技術學院,四川 宜賓 644000)

0 引言

隨著物聯網技術、數字孿生技術以及云計算的誕生與發展,依賴于人工的傳統園區逐漸向智慧園區轉型升級,完善智慧園區的理論建設迫在眉睫。 國家對智慧園區投入不斷提升,技術研發難度不斷增大,需要引進和完善各種有效的新型技術解決虛擬、計算、監控等短板。 因此,通過物聯網技術和數字孿生技術的結合將為智慧園區提供有力的實時信息傳遞支持與虛擬平臺支持,解決相應的技術短板,推進智慧園區的發展。

1 智慧園區的概念

智慧園區是通過物聯網技術、云計算、大數據和數字孿生虛擬技術等高新通信智能技術來實現信息的及時傳遞、整合、分析、處理,有產業高度耦合能力、促進企業經濟化、全方位多層次管理、可持續發展的智能化科技園區。 智慧園區系統的整體構架,如圖1 所示。

圖1 智慧園區系統的整體構架

2 數字孿生技術

2.1 數字孿生技術的概念

數字孿生技術是物理實體通過數字化技術實現的虛擬實體,它充分使用物理模型、傳感器技術、運行數據保存技術,集成多學科、多尺度、多概率的仿真技術,在虛擬空間中建設實體化物理模型,從而反映出物理實體的整個生命過程及周期。 數字孿生技術是數字化轉型的重要技術支撐[1];將物理世界的實物體數字化,在網絡空間中構建園區的虛擬體,實現了物理維度上的世界和虛擬維度上的世界的虛實結合、同生共存的碩大格局。 通過虛實結合的方式,數字孿生技術將助力企業提高產品研發能力和產品的質量,有力促進產品技術的迭代更新,實現企業經濟實力的大幅度增長[2]。

2.2 數字孿生技術在智慧園區中的應用

數字孿生技術的基礎核心在于數據的采集。 該項技術基于對物理實體特征的觀察及描述,把傳感器作為描述信息傳遞的中轉站,將物理世界實體的生命體征和生命周期及其周圍的物理實體環境的實時變化傳送給仿生數字模擬平臺,然后通過虛擬平臺的實體模擬和實驗,改善物理實體的境況,對物理環境的缺陷和不足進行完善和升級,實現物理實體的功能化和智能化,保證物理世界秩序的正常運行[3]。 虛擬建模,即物理實體及周遭環境的數字化實現。 通過傳感器的數據收集和特征數字化轉述,利用程序設計和仿真技術實現物理世界的虛擬構建,然后通過虛擬實驗來實現物理世界中無法完成的實驗,最后通過全息鏡像技術實現虛擬實驗的投影以及數據分析,這將縮短升級改造的能源管理系統的時間、減少實驗所需的經濟開銷,實現對物理世界的遠程實時監測和及時的維修升級。 能源系統的數字化可以輔助智慧園區有機聯動各系統。對于各系統功能部署方面,我們可以通過對各業務系統的特征提取與分析,構建各業務的價值體系,從而實現園區的精準化管理。 與此同時,我們可以利用各系統的自主學習機理讓它們通過對歷史數據的學習和分析實現各業務系統自動地更新換代來有效降低計算機程序以及人工的工作量,最后再次利用數字孿生的映射技術使智慧園區的各個功能系統清晰化,輔助園區實現智能化和企業化,為園區提供有力的后背支撐。

2.3 數字孿生技術的實例化分析

在某一產品的功能設計方面,通過傳感器的實時掃描將產品的數據特征和環境特征送入數字孿生平臺,通過對產品的數字化建模來驗證產品的性能是否完備。 同時通過模擬不同的環境狀況來測試產品在不同環境里的狀態從而保證產品性能的持續有效性。 對于產品的生產智慧園區,數字孿生技術還可以通過對生產模式的智能化調控和生產技術的智能化革新提升產品智慧園區的生產效率,優化生產機制和生產設備保證生產的有效執行[4]。

3 樓宇控制體系

3.1 樓宇自控系統

基于物聯網技術和云計算,樓宇控制體系分為樓宇控制系統與硬件設備。 樓宇控制系統通過傳感器、智能監控設備、員工GPS 追蹤器等基層信息采集設備對樓宇能耗、空氣質量、公共照明、停車場剩余可容量等樓宇狀態進行信息數據采集,采用開放式或非開放式的網絡協議將設備、數字孿生技術與自身系統連接將樓宇狀態網絡數字化,自控系統選擇合適的網絡構架實現樓宇的自控[5]。 通常網絡構架會選擇集散型控制方式,分為三級設備和二級網絡,通過三級設備與一級網絡把機電集中以及二級網絡進行實時監控完成參數的精確采集。 二級網絡一般以BACnet 技術為主,借助現場總線技術并遵循BACnet 協議。 自控系統是門禁系統、防火防盜系統等子系統的集合,大多采用分布式系統提高控制機群的抗干擾能力。 樓宇控制體系,如圖2 所示。

圖2 樓宇控制體系

3.2 智能安全監控與實時傳感系統

基于物聯網技術,智慧園區要求傳感系統接收信息與傳遞信息要高度實時以達到自控系統能迅速做出相應措施進行管理和調節的目的,同時要求監控設備能夠對園區的設備和人員進行安全分析。 當有非法人員非法進入園區,能夠實現對人員的智能定位與移動監控并喚醒防火防盜系統,對園區的設備進行安全評估與實時監控,及時將相關信息通過網絡反映給樓宇控制系統,控制系統做出管理和調節。

3.3 系統構架體系的建立

對于智慧園區的系統建立,應利用物聯網技術實現信息的全方位收集、穩定安全傳遞與自動分析處理。實現信息的全面采集是系統結構體系建立的基石[6]。利用RFID[7]、傳感網[8]等技術和傳感器等工具來使園區內的信息能夠被感知并且轉化為數字信息,且實現園區全覆蓋無死角,完成對信息的全面采集。 與此同時,實時的信息傳遞將有助于園區內設施的巡查監控,滿足確保設施安全與迅速發現解決問題的需求。 信息傳遞是信息收集統一與處理分析之間的橋梁。 通過網絡實施信息的遠程傳輸與園區內的信息互通。 伴隨著5G 的發展與普及,信息的傳遞也將更加高速。 另外,信息的安全傳遞也是重要的一點。 安全且迅速地傳遞才能為信息處理的完善精準打下基礎。 同時,系統構架體系建立時應實現多部門之間的信息共享,有效安全地實現信息交換。 唯有確保信息共享,才能實現協同工作,提高智慧園區整體的工作能力與生產效率。而利用云計算、大數據等新時代智能技術對傳遞來的全方位信息進行分析處理與整合,保留數據于系統當中,為專業人員對園區的改進提供精準有效的數據。信息的采集、傳遞與處理,如圖3 所示。

圖3 信息的采集、傳遞與處理

3.4 設計優化中心

智慧園區系統作為一切工作的基體,安全性是至關重要的一點[9]。 無論在何時何地使用中都應保證數據安全傳遞不向外泄漏,對數據功能不越權訪問,對用戶隱私不侵犯泄露。 隨著智慧園區的發展,其業務將會有一定程度的變化,對于系統功能的需求也將更加豐富。 智慧園區的系統在面對業務變化時應提供與其相對應且匹配的改變措施。 因此,在設計初期也就要考慮系統需要具有一定的可擴展性與足夠的系統容量。 當智慧園區擴大時能夠便利地添加修改相關功能。 在升級與完善系統的同時,應盡可能地不影響原有功能的正常運行,或只是產生少部分影響,這要求系統具有相當高的可修改性。避免在升級與完善系統的同時頻繁出現問題或難以修改系統,以至于對智慧園區的日常工作產生影響。

3.5 防火墻設計

防火墻的設計是為了保證信息的安全,防止信息外泄,同時盡可能地減小對平臺信息交流順暢程度的影響,保證內部信息的安全高效傳遞。面對潛在威脅應做出相應反應,分析與處理這樣的潛在威脅。 在防火墻的設計當中,其設計成本與信息的價值之間應取得一個平衡,應根據信息的重要程度確定防火墻設計的成本預算。 其次,在設計之中也應考慮智慧園區之后的發展,確保防火墻不會對智慧園區的擴展發展造成影響。 智慧園區的防火墻面對眾多的服務對象,對防火墻系統的管理應采用集中管理的方式。 集中管理防火墻系統可以制定統一的安全策略,施行統一監控。 面對突如其來的安全問題,集中管理的方式具有迅速判斷安全問題發生地點的能力。

4 智慧園區實現的難點

當代智慧園區的實現難點通常分為經濟難點與技術難點。 在我國各種園區板塊中,智慧園區的實現工程量大、涉及知識精度深、成本需求高,盡管國家對智慧園區的年投入資金早已超1 200 億元,啟動項目超400 個,經濟困難仍然是制約智慧園區發展的困難點。另外,智慧園區工程技術要求高,涉及尖端的軟硬件技術,技術短板通常為傳感層的實時傳感時效性低,監控層智能監控不成熟,自控系統的智慧控制不靈活等,需安保人員處理相關參數和問題確保智慧園區高效運行。

5 結語

智慧園區借助數字孿生技術、物聯網技術、云計算等技術實現樓宇控制系統。 通過對監控和傳感方面的技術提升,達到實時安全的目的,并同時實現對工作人員工作情況的掌控。 通過系統構架構建與防火墻的設計實現智慧園區對內對外的安全數據傳遞。 如果相關經濟和技術問題被攻破,相信智慧園區會被廣泛應用于各領域,提高國家整體軟實力。