基于數字孿生的物聯網工業系統設計研究★

彭 瑾

（安徽水利水電職業技術學院， 安徽 合肥 230000）

0 引言

伴隨著物聯網技術的飛速發展，如何對于數字孿生技術進行分析，并將其廣泛運用于物聯網技術裝備之中，提高其技術效果成為針對于物聯網以及相關系統控制的中心點。本文設計了一種基于數字孿生的物聯網工業運維系統，以MQTT 協議為基礎云計算平臺，并且對于運維系統控制裝置與結構進行分析。進一步提高其使用效率，針對設備運行情況互聯網裝備控制特點以及裝備信息結構進行調整。以便對于工業設備、云巡邏結構進行組合優化[1]。

1 系統設計

1.1 系統功能

在本次工業物聯網系統運維控制過程中，員工可以通過工號在物聯網平臺上進行登錄，并進入到物聯網云平臺界面內。該界面包括多種模式，如工業現場實時運行模式、運維平臺控制、歷史數據監測、工業現場調試、遠程專家指導、壓力測試和預案推演等等。通過這些模式的控制設計與分析，滿足預案推演狀態模擬和應急演練等等功能，也符合系統控制的一般性需要。

1.2 系統設計目標

本設計只是基于小型工廠與客戶之間的交互，因此不需要非常高級的軟硬件技術，本著開發的項目可以適用于市面上絕大部分設備為目標進行設計，采用jsp 技 術、strust2 框 架、spring 框 架、hibernate 框 架、tomcat 服務器和mysql 數據庫，使用eclipsejee 進行開發。jsp 程序性能優越可以用最簡單的方式來實現最復雜的應用，也可跨平臺開發。strust2 框架、spring 框架和hibernate 框架合稱SSH 框架，具有良好的擴展性和可維護性，頁面脈絡清晰，占用內存少等優勢。在經濟可行性上，程序員開發出網頁程序后，購買方可以通過網絡進行輕松下單，并能實時了解訂單當前處理狀況，而工廠方通過網頁可以看到全部訂單信息的合集，并實時更新訂單信息，系統后期只需要程序員定期維護，經濟上可行性沒有問題?；谏鲜龇治霰鞠到y在技術和經濟方面都具有可行性，可以進行下一步的開發。在本物聯網平臺的設計過程中，需要考慮到整體平臺的并發性能，因此本文選取了MQTT 協議作為平臺的運送協議，協議專為低功率的目標進行設計，其特點是在每一個消息頭部相較于其他協議都會縮小兩個自己的長度用于減少長時間的連接，防止資源損耗[2-3]。

2 模塊設計

2.1 現場設備層

在物聯網平臺的設計過程中，需要考慮整體平臺的警方性能。在流量計、壓力計和溫度傳感器的設計過程中，通過采集這些傳感器與運行的數據。對于現場監測設備和實時裝備做出分析此外，現場設備層還負責數字的實現與控制。它的目的是將生產現場的數據信息進行整合，本文借助unity3D 對于裝備的位置、外貌特征和操作牌的性質進行分析。該模型與真實的物理場景基本一致，體現了現場設備層對于設備實體的真實寫照。同時也符合其中的一些基礎設備，還需要對于現場數據和實時數據進行監測，實現環境匹配和模型匹配，以此完成虛擬環境和物理環境的同步[4]。

2.2 網絡通信層

在網絡通信層的設計過程中，主要是通過MQTT協議去對其進行實現?；赥CP/IP 協議，該協議是對于信息的傳輸進行控制，訂閱者信息管理者和發布者所組成，其中客戶端、訂閱者、發布者、消息代理者、MQTT 協議的代理服務商。由于消息代理的存在，訂閱者和發布者無需相互確認，通過中間位置和端口網絡數據進行信息，傳輸接著網絡通信層作為代理服務器會繼續對其進行控制。在代理服務管理過程中，MQTT 代理服務器的信息傳輸包括三種分別為只有一次，最多一次和至少一次等等，通過此連接網絡可以將信息準確無誤地傳遞到系統之中。

2.3 工廠后臺需求分析

本設計模擬了一個生產工廠，上架商品均為制作羽毛球的各種原材料，如不同形狀的羽毛、不同材質的羽毛球頭和粘合用的膠水等。本模塊有如下幾大功能：

1）登陸功能：管理員用戶名及密碼已提前預設好，在頁面上可以直接登陸。

2）管理商品：管理員可以上架、下架或刪除商品，以及價格與詳細信息調整。

3）管理訂單信息：管理員可以查看下單訂單的全部信息，并進行是否完成第一階段、是否完成第二階段和是否發貨的操作。

4）管理用戶信息：管理員可以查看所有已注冊用戶的信息，并且可以查詢或刪除這些信息。

5）修改登錄密碼：輸入兩次完全一致的新密碼后密碼修改成功[5]。

2.4 用戶下單界面需求分析

本模塊設計目標在為下單用戶提供優質的購物體驗，讓用戶足不出戶就能瀏覽到工廠所出售的商品類別與品質，并且下單后能夠實時查看訂單進展進度，節省人力、物力、時間。本模塊有如下幾大功能：

1）注冊功能：用戶通過輸入自己的個人基本信息即可注冊成為會員，同時有檢測用戶名是否重復的功能，防止多對一導致訂單錯誤的問題的發生。

2）登陸功能：已注冊的用戶通過注冊時輸入的用戶名和密碼即可登陸本系統。

3）瀏覽網頁：本系統首頁顯示上新最新產品和購買鏈接，左側商品分類導航欄可以快速定位至某分類商品目錄下，右上角有搜索欄支持模糊搜索。

4）購物車管理：用戶登錄系統后可以查看、添加或刪除商品。

5）訂單管理：已登錄用戶可以查看自己訂單的詳細信息，如下單時間、訂單狀態等。

6）修改登錄密碼：輸入兩次完全一致的新密碼后密碼修改成功。

2.5 數據字典

一個數據庫中的數據需要用數據字典來描述，基于需求分析階段，是下一設計階段的基礎，可以根據實際情況不斷修正。對于數據庫，可以規范數據的格式并對存儲數據進行描述。對于開發中的項目，可以規范項目中數據的格式，并使存儲項目中的數據和現實社會相對應。對于使用中的項目，可以通過模糊查詢自動匹配用戶的輸入，使用戶輸入的數據更加準確。根據上述數據流圖，本設計的數據字典主要包括數據項、數據流、數據結構、數據存儲和處理過程這幾部分，具體內容如表1 所示。

表1 關鍵數據項

搭建項目之前必須先要把數據庫建好，把數據庫建好的關鍵就在于前期需要根據用戶的需求，把想要放進數據庫中的實體全部羅列出來，如果在設計的過程中發現有遺漏或邏輯錯誤等，雖然修改數據庫并不困難，但有可能涉及的工程極為繁瑣，工程量過于繁重，因此前期的需求分析極為重要。通過本文的調研分析，本數據庫需要5 個表，分別是存儲用戶詳細信息的users 表，存儲商品詳細信息的commoditys 表，存儲商品種類的commodityclasses 表，存儲訂單詳細信息的orderform 表和存儲管理員信息的admins 表[6-7]。

3 系統結果與分析

3.1 項目分層

在開發項目的時候，一定要先有頁面再發請求，層層調用項目才不會出錯。項目一共分三層：表現層、業務邏輯層、數據庫層。清楚項目的架構，可以明確請求的發送流程，可以使項目的搭建變簡單。第一層為表現層，或稱展示層，將數據展示給用戶看，一般會使用css、html、js、jQuery、jsp 等技術，動態網頁通常用jsp 等技術實現，用jsp 展示數據用jstl 標簽+El 表達式。前端框架有JqueryEasyUI 和BootStrap。第二層為java 后臺的業務邏輯層，其中還要劃分三層：控制層或接入層、服務層和持久層?？刂茖佑脕斫邮沼脩舻恼埱笠约皡?，調用服務層，用request 或session 存儲數據，進行資源跳轉（跳轉至jsp 或Servlet 等）。常用控制層框架有struts2 和SpringMVC。服務層又稱中間層，用來處理業務邏輯，拋除自定義異常，調用持久層。中間層框架為Spring。持久層與數據庫打交道，進行數據的增刪改查，數據永久有效，拋出Sql 異常，通過jdbc 讓java 代碼與數據庫交互。持久層框架有Mybatis 和Hibernate。第三層為數據庫層DB，通常會用Mysql 或Oracle。系統在設計步數之后登錄借點、點擊粗軋，低壓系統，可以進入到該車間的虛擬界面內。系統中的左下角可以選擇第一人稱、第二視角或者第三視角等等系統在左下角可以選擇第一人稱，圖1 為第三視角巡查站的截圖。在第三視角下，可以實現其整體粗軋低壓棒的外觀觀察和設計控制。

圖1 系統結果

3.2頁面樣式設計

本工廠下單系統整體采用藍色調的設計，在首頁左上角標注當前日期，右上角標明系統名稱，頭部導航欄可以快速跳轉到首頁、在線購、我的購物車、用戶登錄和用戶注冊這五大模塊，左側商品分類導航欄可快速跳轉到某一類商品的合集頁面，正中央展示當前系統銷售的包括商品名稱、原價、現價的兩件商品，還可以通過點擊相應按鈕加入購物車或查看商品詳情。右側的搜索欄可以通過模糊搜索查詢到想要查詢的商品。購物車模塊可以跳轉到登錄用戶的購物車界面，未為登錄用戶會跳轉到登錄界面。用戶登錄模塊提供登錄、注冊和找回密碼三大模塊。左下角的論壇公告模塊不停滾動“工廠下單系統開通了，歡迎廣大客戶光臨”。其他頁面的設計思路與主頁面基本一致，因此本文就只集中介紹主頁面的設計。

4 結語

通過基于數字孿生的物聯網工業運維系統設計，該系統還使用了數字孿生技術，將十字車間裝置進行虛擬化，并且完成了在工業系統控制以及結構上的優化?；谀壳肮I裝置和物流系統的控制與可持續化分析，通過MQTT 協議，建立服務端和可視化前端界面，進一步提高工業系統的穩定性。