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我國工業(yè)正在經(jīng)歷數(shù)字智能化的崛起，我們曾經(jīng)頭頂光環(huán) (IPv6) 站在世界之巔，網(wǎng)絡空間霸權也使我們腳踏塵沙，“雪人計劃”讓我們終于迎來機會，工業(yè)重構必然是燎原烈火。隨著新賽道的開啟，以及信息化、數(shù)字化、融合化、智能化的發(fā)展，工業(yè)智能化未來可期。雖然供給側結構性改革能解決快速實施的問題，但是網(wǎng)絡安全發(fā)展越來越復雜化，IoT融合安全道阻且長，網(wǎng)絡安全必須向更高級進化。虛擬化、數(shù)字孿生是提升實力的必由之路，各個行業(yè)需借助數(shù)字孿生技術推進行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。

工業(yè)網(wǎng)絡的核心是控制系統(tǒng)，工業(yè)網(wǎng)絡安全建設的最終目的也是保護工業(yè)安全，但當我們不了解其機理、狀態(tài)和問題駐留情況時，就好像在自己家里放了一個放射物質，我們卻全然不知。雖然我國對DCS系統(tǒng)的研究發(fā)展與國外幾乎沒有技術代差，但是仍存在一定差距。在硬件方面，核心芯片受制于人，工業(yè)軟件發(fā)展緩慢,工業(yè)控制技術影響先進工藝流程的開發(fā)和發(fā)展，因此很難進入某些高端行業(yè)領域或特殊工藝的業(yè)務場景。由于我國在早期大量引入國外DCS系統(tǒng)，也造成國內市場的自主品牌在很長一段時間舉步維艱，一旦市場或國際形勢發(fā)生變化，很容易造成斷供、斷貨，工業(yè)行業(yè)亟待開啟新的征程。

順大勢，謀未來。數(shù)字化新時代的大門已經(jīng)敞開，新的機遇與挑戰(zhàn)紛至沓來。如何順應工業(yè)互聯(lián)大趨勢、運籌帷幄，最終搶占時代先機?作為國民經(jīng)濟的重要信息安全支撐產業(yè)，網(wǎng)絡安全(尤其是工控安全行業(yè)) 也在積極尋求突破，拓“智”能發(fā)展，“維”新路徑，助力行業(yè)產業(yè)鏈以及宏觀經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。本文講述依據(jù)數(shù)字孿生技術開發(fā)DCS數(shù)字孿生體，構建DCS的眾測驗證平臺，在DCS物理世界中，通過數(shù)字孿生技術復制n份數(shù)字孿生體，為DCS系統(tǒng)提供設計驗證、故障模擬數(shù)據(jù)聯(lián)動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作環(huán)境。

數(shù)字孿生背景

通俗來講，數(shù)字孿生（Digital Twin，DT）是指針對物理世界中的物體，通過數(shù)字化的手段構建一個在數(shù)字世界中一模一樣的實體，借此實現(xiàn)對物理實體的了解、分析和優(yōu)化。從技術角度而言，數(shù)字孿生集成了建模與仿真、虛擬現(xiàn)實、物聯(lián)網(wǎng)、云邊協(xié)同以及人工智能等技術，通過實測、仿真和數(shù)據(jù)分析來實時感知、診斷、預測物理實體對象的狀態(tài)，通過指令來調控物理實體對象的行為，通過相關數(shù)字模型間的相互學習來進化自身，合理有效地調度資源或對相關設備進行維護。

2002年10月在美國制造工程協(xié)會管理論壇上，當時的產品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）咨詢顧問Michael Grieves 博士提出了數(shù)字孿生最早的概念模型。但是，當時“數(shù)字孿生”一詞還未被正式提出，Grieves博士將這一設想稱之為“PLM 的概念設想（Conceptual Ideal for PLM）”。

2009年，美國空軍實驗室提出“機身數(shù)字孿生（Airframe Digital Twin）”概念，將數(shù)字孿生概念應用于航空航天制造領域。2010年，美國國家航空航天局在《建模、仿真、信息技術和處理》和《材料、結構、機械系統(tǒng)和制造》兩份技術路線圖中直接使用了“數(shù)字孿生”這一名稱，并將其定義為“集成了多物理量、多尺度、多概率的系統(tǒng)或飛行器仿真過程”。2011年，Grieves博士在其所著的《智能制造之虛擬完美模型：驅動創(chuàng)新與精益產品》中正式定義了數(shù)字孿生概念，并一直沿用至今。

2012年美國空軍研究室將數(shù)字孿生應用到戰(zhàn)斗機的維護中，而這與航空航天行業(yè)最早建設基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE）息息相關，能夠支撐多類模型敏捷流轉和無縫集成。近些年，數(shù)字孿生應用已從航空航天領域向工業(yè)各領域全面拓展，西門子、GE等工業(yè)巨頭紛紛打造數(shù)字孿生解決方案，賦能制造業(yè)數(shù)字化轉型。數(shù)字孿生蓬勃發(fā)展的背后與新一代信息技術的興起、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)在多個行業(yè)的普及應用有著莫大聯(lián)系。

各國數(shù)字孿生發(fā)展情況

(一) 美國

美國從戰(zhàn)略規(guī)劃、應用實踐、產業(yè)創(chuàng)新等方面全方位布局數(shù)字孿生發(fā)展。

一是“政產研”合力推動數(shù)字孿生上升為國家戰(zhàn)略。二是依托航空航天基礎優(yōu)勢，探索形成了成熟的應用路徑。三是供給側企業(yè)加快技術創(chuàng)新，利用新一代信息技術優(yōu)化數(shù)字孿生應用效果。如在“IoT+仿真”方面，ANSYS和PTC公司合作構建水泵的數(shù)字孿生體，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)驅動下的仿真診斷，相較于傳統(tǒng)離線仿真，大大提升了診斷的及時性和準確性。在“AI+仿真”方面，MathWorks將數(shù)據(jù)分析工具MATLAB和仿真產品Simulink打通，將MATLAB人工智能訓練數(shù)據(jù)集輸入Simulink 中進行仿真及驗證分析，極大地優(yōu)化了仿真結果。

因此，美國數(shù)字孿生的綜合優(yōu)勢體現(xiàn)在在三個方面：一是構建了基于模型的系統(tǒng)工程方法論，通過統(tǒng)一語義和語法標準、給定系統(tǒng)集成路徑，為數(shù)字孿生應用提供理論指導。二是擁有強大的仿真產業(yè)，ANSYS、MathWorks、Altair等企業(yè)為數(shù)字孿生應用提供基礎建模工具。三是擁有豐富的應用數(shù)據(jù)和模型，空客公司、洛克希德馬丁公司、特斯拉公司等企業(yè)在產品研制過程中積累了大量機理模型，持續(xù)優(yōu)化數(shù)字孿生精度。

(二) 德國

德國立足標準體系基礎，加快打造數(shù)字孿生競爭優(yōu)勢。

德國立足標準制定基礎優(yōu)勢，面向數(shù)字孿生打造了數(shù)據(jù)互聯(lián)、信息互通、模型互操作的標準體系（即管理殼理論），實現(xiàn)各類數(shù)字化資產（數(shù)據(jù)、信息、模型）之間的無縫集成融合，提升物理實體在虛擬空間映射的精準度。在數(shù)據(jù)互聯(lián)和信息互通方面，德國在OPC UA協(xié)議中內嵌信息模型，實現(xiàn)通信數(shù)據(jù)格式一致性。在模型互操作方面，德國依托戴姆勒的Modolica標準開展多學科聯(lián)合仿真，目前已經(jīng)是全球仿真模型互操作的最主流標準。同時，2020年9月，德國VDMA、ZVEI、Bitkom聯(lián)合20家歐洲龍頭企業(yè)（ABB、西門子、施耐德、SAP等）成立了工業(yè)數(shù)字孿生協(xié)會，其目標是通過統(tǒng)一各個企業(yè)數(shù)字化工具標準，提升數(shù)字孿生體的并行開發(fā)效率。

此外，相較于美國更多開展“裝備級”數(shù)字孿生，德國具有單點優(yōu)勢，西門子是全球極少數(shù)能夠提供“工廠級”數(shù)字孿生的工業(yè)服務商。近10年來，工業(yè)自動化巨頭西門子花費100多億美元收購了幾乎全類別的工業(yè)軟件，涵蓋了產品生命周期管理（Teamcenter）、計算機輔助設計(NX)、電子設計自動化(Mentor)、事件仿真(Simcenter)、制造運營管理系統(tǒng)（Opcenter）等，并持續(xù)將各類工業(yè)軟件集成到MindSphere工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。在此基礎上，西門子能夠基于平臺構建全工廠數(shù)字孿生，不僅能夠實現(xiàn)虛實映射，還能基于工業(yè)自動化優(yōu)勢完成閉環(huán)控制。

(三) 中國

中國數(shù)字孿生市場活躍，多主體參與市場，但創(chuàng)新能力有待提升。

中國各類主體積極參與數(shù)字孿生實踐，在理論研究、政策制定、產業(yè)實踐等方面開展探索，但整體上應用深度和廣度還需進一步拓展，仍待挖掘更多的工業(yè)應用場景。

在理論研究方面，中國關于數(shù)字孿生思想的研究由來已久，1978年錢學森提出系統(tǒng)工程理論，由此開創(chuàng)國內學術界研究系統(tǒng)工程的先河。2004年，繼美國提出數(shù)字孿生概念，中國科學院自動化研究所的王飛躍研究員聚焦解決復雜系統(tǒng)方法論，首次提出平行系統(tǒng)的概念，將系統(tǒng)工程與新一代信息技術結合。

在政策制定方面，2021年我國各部委和地方政府開始紛紛出臺數(shù)字孿生相關政策文件。國家發(fā)展和改革委員會的“上云用數(shù)賦智”、中國科協(xié)的“未來十大先進技術”、工業(yè)和信息化部的“智能船舶標準”均將數(shù)字孿生列為未來發(fā)展的關鍵技術，上海和海南在其城市規(guī)劃中也提出要打造數(shù)字孿生城市。

在產業(yè)實踐方面，我國多類主體均開展數(shù)字孿生探索，如恒力石化、中廣核技等企業(yè)積極構建三維數(shù)字化工廠，湃?？萍?、摩爾軟件等企業(yè)利用AR、VR提升數(shù)字孿生的人機交互效果，工業(yè)自動化企業(yè)華龍迅達構建虛實聯(lián)動的煙草設備數(shù)字孿生。盡管我國多類主體探索數(shù)字孿生的熱情高漲，但大多數(shù)產業(yè)實踐停留在簡單的可視化和數(shù)據(jù)分析，與國外基于復雜機理建模的分析應用還存在一定差距。

與數(shù)字孿生相關的政策措施

2020年，“新型基礎設施建設”首次寫入2020年政府工作報告，“數(shù)字孿生”被不少人大代表和政協(xié)委員所提及。2020年4月，國家發(fā)展和改革委員會印發(fā)《關于推進“上云用數(shù)賦智”行動培育新經(jīng)濟發(fā)展實施方案》，方案中提出要解決企業(yè)數(shù)字化轉型所面臨的數(shù)字基礎設施、通用軟件和應用場景等難題，利用數(shù)字孿生等數(shù)字化轉型共性技術、關鍵技術的研發(fā)應用，引導各方參與提出數(shù)字孿生的解決方案。數(shù)字孿生技術的受關注程度和云計算、人工智能、5G一樣，已經(jīng)上升到國家高度。

DCS數(shù)字孿生體的需求分析

集散控制系統(tǒng)DCS是一個集結構、電氣、控制、熱力、信息等多學科于一體的分布式控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來實現(xiàn)不同工況下工藝的生產、過程控制、專設保護設施驅動，系統(tǒng)狀態(tài)控制指令等功能。在工藝設備的運行過程中，來自現(xiàn)場的傳感器會向DCS傳輸大量現(xiàn)場物理量信息，通過邏輯運算得出相應邏輯指令，同時機柜自身也會產生非常多的狀態(tài)信息和測試信息，這些信息長期沒有得到很好的關聯(lián)。在DCS產品數(shù)字化過程中，傳統(tǒng)的設計理念和方法容易產生“信息孤島”和“信息重復”的問題，DCS產生的動態(tài)信息流無法被實時調度以及協(xié)同處理。

通過借鑒數(shù)字孿生技術的優(yōu)勢，重點研究集散控制系統(tǒng)DCS在不同行業(yè)中對數(shù)字孿生技術的應用及開發(fā)，利用虛擬的DCS孿生環(huán)境，可以完成DCS設計驗證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作。基于實體DCS系統(tǒng)構建DCS數(shù)字孿生體的過程可分為如下三步。

1）搭建物理實體DCS系統(tǒng)環(huán)境，DCS系統(tǒng)（包括控制器、采集模塊、通信模塊和相關控制應用軟件等）可以選用不同的品牌。

2）構建DCS孿生體，可以仿真建模實物DCS，構建DCS系統(tǒng)數(shù)字孿生體，DCS孿生體需具備以下功能：

• DCS數(shù)字孿生體操作和管理模塊；
• DCS數(shù)字孿生體仿真和服務模塊；
• DCS數(shù)字孿生體資源接入和交互模塊；
• DCS數(shù)字孿生體資源組件。

3）建立DCS數(shù)字孿生體測試床，借助應用展示接口為用戶提供實體交互能力、感知能力，通過DCS數(shù)字孿生體構建出的測試床將通過數(shù)字孿生技術復制出一個數(shù)字孿生體。

DCS數(shù)字孿生體的設計方案

(一) DCS數(shù)字孿生體總體架構設計

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)通過與物理世界不間斷地交互和反饋閉環(huán)信息、融合數(shù)據(jù)，能夠模擬對象在物理世界中的行為，檢測物理世界的變化，反映物理世界的運行狀況、評估物理世界的狀態(tài)，診斷發(fā)生的問題、預測未來趨勢，甚至優(yōu)化和改變物理世界。在數(shù)字孿生體中引入安全監(jiān)測、測試驗證等工具，可以支持DCS安全檢測功能，通過數(shù)字孿生系統(tǒng)完成設計驗證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作。

結合項目DCS數(shù)字孿生體的需求基礎架構和能力特點，DCS數(shù)字孿生體系架構，可以參考面向制造業(yè)的數(shù)字孿生體系架構標準ISO/DIS 23247，該標準雖然是面向制造業(yè)的數(shù)字孿生體系架構，但考慮到ISO標準的專業(yè)性和權威性，相關架構能夠從很大程度上反映DCS數(shù)字孿生體的關鍵要素和核心內涵。DCS數(shù)字孿生體的框架如圖1所示。

圖1 DCS數(shù)字孿生體的框架

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)包含以下三層。

一是數(shù)據(jù)采集與控制實體，主要包括數(shù)據(jù)采集子實體（物聯(lián)感知）與設備控制子實體（對象控制）。數(shù)據(jù)采集子實體通過監(jiān)測和傳感設備面向物理對象收集信息，實現(xiàn)物理對象與數(shù)字孿生體之間的信息同步，具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預處理以及數(shù)據(jù)標識等核心功能。設備控制子實體控制和驅動物理對象，具備指令控制、驅動執(zhí)行、控制標識等核心功能。

二是核心實體，核心實體負責將物理對象映射為數(shù)字孿生體，從而進行維護，包括DCS操作和管理、DCS仿真應用和服務、DCS資源接入和交互三個子實體。DCS操作和管理子實體支持對物理對象的數(shù)字化建模、描述、展現(xiàn)、同步，以及對整個核心實體的操作和管理、DCS仿真應用和服務子實體支持系統(tǒng)仿真、數(shù)據(jù)分析和報告等功能，而DCS資源接入和交互子實體向上層的用戶實體層提供對核心實體功能的訪問。作為核心實體的重要組成部分，數(shù)字孿生組件是構建工控業(yè)務場景的重要基礎，組件可以構成組建資源池，借助DCS操作和管理模塊，用戶可以構建行業(yè)工藝業(yè)務基礎環(huán)境。

三是用戶實體，面向利用數(shù)字孿生體實現(xiàn)制造應用的用戶，包括人員、設備、應用（MES/SCADA）等，實現(xiàn)高效的人機交互。

除上述三層外，DCS數(shù)字孿生體系的架構中還包括跨系統(tǒng)的各類實體，用于實現(xiàn)不同層之間的數(shù)據(jù)轉換，提供數(shù)據(jù)準確性、完整性和安全性保障。

物理實體可以包含多種不同國外常見品牌的DCS系統(tǒng)物理實體，用于DCS系統(tǒng)及行業(yè)系統(tǒng)工藝映射適配。DCS數(shù)字孿生體構建的測試床將DCS實物測試床（物理實體）通過數(shù)字孿生技術復制出一個數(shù)字孿生體。

數(shù)據(jù)采集與控制實體、核心實體（數(shù)字孿生）以及用戶實體之間的數(shù)據(jù)流和信息流傳遞，需要信息交換、數(shù)據(jù)保證、安全保障等跨域功能實體的支持。通過工業(yè)協(xié)議，可以實現(xiàn)數(shù)字孿生之間交換信息。安全保障負責數(shù)字孿生系統(tǒng)安保相關的認證、授權、保密和完整性。數(shù)據(jù)保證與安全保障確保數(shù)字孿生系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準確性和完整性。

(二) DCS數(shù)字孿生體技術架構設計

DCS數(shù)字孿生體技術架構包含基礎層（IaaS）、數(shù)據(jù)層（PaaS）、應用層（SaaS）。其中數(shù)據(jù)層包括感知層、傳輸層和平臺層，DCS數(shù)字孿生體技術架構的設計如圖2所示。

接下來將對DCS數(shù)字孿生體技術架構中的基礎層、感知層、傳輸層、平臺層和應用層進行介紹。

圖2 DCS數(shù)字孿生體技術架構的設計

基礎層：以化工、食藥、冶金、核電、城市等底層基礎物理設施為依托，實現(xiàn)真實空間與虛擬空間之間的雙向數(shù)據(jù)互通、指令控制、虛實聯(lián)動。

感知層：以高精度、高靈敏的PLC、DCS、采集板卡、智能儀表、物聯(lián)網(wǎng)傳輸設備、ZigBee、控制輸出板卡等傳感器系統(tǒng)是實現(xiàn)DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的基礎和萬物互聯(lián)感知的入口，通過采用這些系統(tǒng)實現(xiàn)虛擬工業(yè)行業(yè)場景中對物理場景的全息復制和動態(tài)調整。

傳輸層：異構通信技術，數(shù)字孿生系統(tǒng)面臨多系統(tǒng)、大連接、海量數(shù)據(jù)的雙向傳輸需求，要利用寬帶（4G、5G、GPRS、NB-IoT）、窄帶（RS-485、M-Bus、HPLC、Lora、RF、Ethernet）等新型異構網(wǎng)絡技術實現(xiàn)高速率、高容量和低時延接入，確保物理電網(wǎng)海量傳感器的接入要求和虛擬電網(wǎng)精準控制指令的傳達要求。

平臺層：數(shù)字孿生模型構建與自我優(yōu)化依賴全域全量的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，借助于數(shù)據(jù)中臺的數(shù)據(jù)存儲、檢索和大數(shù)據(jù)分析能力，實現(xiàn)超大規(guī)模全量多源數(shù)據(jù)的安全存儲、高效讀取，為數(shù)字孿生平臺優(yōu)化決策提供精細的數(shù)據(jù)要素。

應用層：基于數(shù)字孿生技術對電力系統(tǒng)主要設備、廠站與環(huán)境精細三維全景仿真，實現(xiàn)與采集數(shù)據(jù)的實時交互，在安全驗證、數(shù)據(jù)聯(lián)動、故障模擬和診斷、智能監(jiān)測與預警、智能控制輸出等各個應用場景中，動態(tài)融合展示設備與關鍵傳感數(shù)據(jù)。應用從超級可視化到實時診斷、智能預測、應急預案等多場景中。

(三) DCS數(shù)字孿生體功能設計

根據(jù)項目需求，構建數(shù)字孿生體是本項目的核心關鍵件，DCS數(shù)字孿生體可以提供仿真研究服務，DCS數(shù)字孿生體仿真服務將根據(jù)DCS實物模擬一個仿真模型，可以復制DCS資產的運行情況，也可以通過基本物理原理分析來預測DCS的運行情況。

采用Emulab軟件進行仿真，根據(jù)用戶提交的NS配置腳本，為用戶構建一個具備真實網(wǎng)絡組件的模擬實驗網(wǎng)絡，用戶可以直接對實驗網(wǎng)絡中的每個節(jié)點安裝操作系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件和應用軟件，從而進行各種網(wǎng)絡模擬實驗?；贓mulab的模擬技術綜合了軟件與實物仿真技術，可以實現(xiàn)各層網(wǎng)絡協(xié)議、多種網(wǎng)絡服務以及應用程序的模擬，仿真度高。與此類似的網(wǎng)絡模擬實驗床還有DETERLab、PlanetLab等。之所以要采用Emulab、DETERLab這類模擬實驗床來建立DCS系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲，是因為要研究DCS系統(tǒng)通信網(wǎng)絡的安全性和適應性，就必須掌握與所有計算機網(wǎng)絡故障有關的功能、行為和狀態(tài)，其中很多是未知的，傳統(tǒng)的NS-2、OMNeT++等網(wǎng)絡仿真軟件難以滿足這樣的要求。而以Emulab、DETERLab等為代表的一些網(wǎng)絡實驗模擬平臺，以其特有的軟件系統(tǒng)和基于真實網(wǎng)絡設備的特點，已逐漸成為目前的主要技術手段。

仿真模型結合數(shù)字孿生體建模管理，利用物聯(lián)感知技術、采集技術對DCS的模型進行3D建模，通過CAD等建模軟件，3D孿生體可以根據(jù)實物的模型尺寸進行虛擬化的3D模型還原和繪制，為數(shù)據(jù)的運行和狀態(tài)顯示提供虛擬的孿生操作實體集合。然后基于DCS的工控通信協(xié)議，建立仿真協(xié)議通信接口和運行模型，完成通信網(wǎng)絡的建立。

DCS數(shù)字孿生體還為應用模塊（孿生共智）提供交互接口，使用人機接口或API接口操作，包括人、人機接口、應用軟件和其他相關數(shù)字孿生體。DCS數(shù)字孿生體也為DCS安全檢測功能提供數(shù)字孿生系統(tǒng)支持設計驗證、故障模擬、數(shù)據(jù)聯(lián)動、智能預警、智能控制等功能應用控制和操作。DCS數(shù)字孿生體應用模塊可以控制DCS數(shù)字孿生體，并使用與實際物理資產相同的控制軟件和人機界面去開發(fā)其人機界面。接下來，工程師可以通過使用這個與物理設備相同的控制接口，虛擬地測試數(shù)字孿生體在不同場景下的表現(xiàn)或操作條件，以查看物理設備的性能。

此外， DCS數(shù)字孿生體會仿真建模實物的DCS,同時實現(xiàn)DCS的工控協(xié)議仿真和通信協(xié)議建模，并且實現(xiàn)黑盒還原的DCS運行機制算法庫模型。DCS數(shù)字孿生體將DCS實物控制器和典型行業(yè)工藝流程分別建模，建立DCS數(shù)字孿生體測試床，并根據(jù)相互之間的關系進行更高級別的合成，用于構建工控仿真場景中的控制單元，同時控制器還將成為測試系統(tǒng)中的測試靶標。DCS數(shù)字孿生體還將實現(xiàn)與行業(yè)實物工藝流程和行業(yè)仿真工藝流程片段數(shù)字孿生體組合使用，實現(xiàn)虛實結合的增強模擬測試床靈活組網(wǎng)和構建，借助測試管理平臺構建行業(yè)測試床，用戶可以通過Web隨時隨地接入測試。

DCS數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的功能應用架構如圖3所示。

圖3  DCS數(shù)據(jù)孿生系統(tǒng)的功能應用架構

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)具備以下6個功能。

1．真實可視化

通過對控制站硬件的拆解、安裝和維護操作，真實還原了控制系統(tǒng)硬件集成的全過程。

2．設計驗證

通過正確地選擇、組合、安裝和設置DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)，進一步保證了真實DCS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3．數(shù)據(jù)聯(lián)動

通過二維和三維仿真數(shù)據(jù)的實時交互，全方位、立體式地展示控制系統(tǒng)的生產運行過程，輔助工程師快速掌握控制系統(tǒng)的結構，直觀解讀控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)。

4．故障模擬和狀態(tài)監(jiān)測

對真實環(huán)境中，再現(xiàn)硬件與軟件在正常狀態(tài)和異常狀態(tài)下的聯(lián)動過程，完整地實現(xiàn)了DCS系統(tǒng)從軟件到硬件的交互過程。

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠實現(xiàn)行業(yè)業(yè)務場景的復雜控制，尤其是在冶金高爐、化工流程控制、高端智能裝備制造業(yè)務環(huán)境中。在控制系統(tǒng)運行過程中，將實時采集的傳感器數(shù)據(jù)傳遞到其數(shù)字孿生模型中進行仿真分析，診斷DCS控制系統(tǒng)的健康狀態(tài)，從而進行故障預測。如果控制系統(tǒng)運行的工況發(fā)生改變，優(yōu)化工藝控制策略，對于擬采取的調整措施，可以先在仿真平臺上對其數(shù)字孿生模型進行虛擬驗證，如果沒有問題，再對實際產品的運行參數(shù)進行調整。在復雜裝備的運維方面，甚至可以通過AR技術，基于DCS系統(tǒng)的數(shù)字孿生模型生成工藝組態(tài)、邏輯組態(tài)、服務器組態(tài)、下載與上傳操作、在線仿真等操作的三維動畫。在實物環(huán)境下，可以通過各種穿戴設備或移動終端進行示范教學。

5．預警功能

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)可真實展現(xiàn)DCS系統(tǒng)的自我診斷保護、預警功能，在與仿真系統(tǒng)實時交互的共享數(shù)據(jù)流基礎上，可對控制站進行系統(tǒng)級、模塊級、通道級的故障模擬預警，輔助生產人員制定反事故措施能力，為企業(yè)安全生產保駕護航。

6．安全測試

通過項目提供的安全防護、檢測、測試等工具，利用仿真技術進行孿生復制，結合DCS數(shù)字孿生體、行業(yè)工藝產線孿生體，可以實現(xiàn)DCS系統(tǒng)在安全合規(guī)防護、安全漏洞測試、脆弱性驗證等方面的測試研究，加強生產人員對DCS系統(tǒng)的安全認知，對控制機理、安全后門有更深的認識。

結語

基于用戶的數(shù)字孿生應用需求，三維DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)具備大數(shù)據(jù)分析、在線尋優(yōu)、自學習、自診斷等功能，支持預測控制、自整定、魯棒控制等先進控制算法，助力企業(yè)實現(xiàn)智能化控制轉型。

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)基于完整的設備信息模型，通過三維可視化技術真實再現(xiàn)了DCS系統(tǒng)，準確描述了DCS設備的真實狀況，從而實現(xiàn)了以設備模型對象為基礎的性能分析，支持與真實系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時交互。DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)是現(xiàn)代智能工廠的核心組成單元，系統(tǒng)可與真實DCS及激勵式仿真系統(tǒng)無縫對接，具備自我感知、在線操作、數(shù)據(jù)聯(lián)動預警、故障模擬演練等功能，能夠快速發(fā)現(xiàn)和解決生產過程中出現(xiàn)的控制系統(tǒng)故障，保障企業(yè)的安全生產運行，真正幫助企業(yè)降低生產運維成本、提升生產效率。

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的自我感知能力使得該系統(tǒng)具備真實可視化和設計驗證功能，對于DCS主控制站內的所有硬件設備，可進行控制站硬件拆解、安裝和維護操作，真實還原了控制系統(tǒng)集成的全過程。通過正確地選擇、組合、安裝和設置DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)，進一步保證了真實DCS系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

DCS數(shù)字孿生系統(tǒng)的數(shù)據(jù)聯(lián)動，可實現(xiàn)二維和三維數(shù)據(jù)的自動交互，全方位、立體式地展示生產運行過程，輔助工程師快速掌握控制系統(tǒng)結構、直觀解讀真實控制系統(tǒng)傳遞的數(shù)據(jù)信號，支持系統(tǒng)冗余，在與現(xiàn)場DCS及激勵式仿真系統(tǒng)實時交互的共享數(shù)據(jù)流基礎上，真正做到了與DCS系統(tǒng)融為一體，可真實再現(xiàn)DCS系統(tǒng)的自我診斷保護、預警功能，可對控制站進行系統(tǒng)級、模塊級、通道級的故障模擬預警，輔助生產人員制定反事故措施，為企業(yè)安全生產保駕護航。