数字孪生如何助力工业通讯创新？

本文节选自作者参加工业通讯创新发展生态成员扩充会华南站上所做的演讲《工业通讯创新中的数字孪生场景》，工业通讯创新发展生态体系是以工业通讯与创新发展相结合为主题，由从事工业网络通讯领域相关的研发、生产、信息、应用、服务等业务的企业、事业单位和个人自愿组成的行业性生态组织，是国际性、非营利性社会团体。

今天的主题是工业通讯创新，当然不仅仅是协议通讯协议的创新，通讯标准的创新和通讯设备的创新，更多的创新是应用的创新、产品的创新和商业模式的创新。

我们经常说眼睛是心灵的窗户，眼睛也是创新的窗户。在看不见的环境里面进行创新是非常困难的。要想创新，一定要看得见。

有人一定奇怪了，通讯信号怎么看的见？抛开通讯协议和标准，通讯不就是把一个信号，或者信息，从一点传输到另一点吗？不管是有线信号、无线信号，怎么看见呢？

比起信号传输，我们更想了解的是传递的是什么信号，这个信号传输的目的是什么，上下文环境是什么，换句话说，我们是在什么场景里面去应用工业通讯的技术？

今天我给大家分享的内容，不是去讲ISA95标准、OSI七层网络模型，而是给大家分享如何利用数字孪生的手段，建立工业通讯的三维体验环境，在看得见的环境中进行应用创新、产品创新和商业模式创新。我将用三组实例，来展示工厂中的工业通讯体验创新环境、产品内部线缆开发创新的体验场景和5G创新开发的体验场景。

第一个体验场景是工厂里的工业通讯应用场景，是一个虚拟联调的项目。这个项目属于一家做消费品包装和瓦楞纸包装的公司WestRock（西石）。

右侧是物理世界的实际操作台位，左侧是数字世界的虚拟操作台位。我们首先在数字世界对台位的工作场景进行设计，包括运行场景、控制逻辑，并检验是否有边界干涉、碰撞等危险工作状况，在虚拟的平台上经过测试和仿真去迭代解决问题。

在这里网络通讯连接主要就是实体PLC对台位的控制，同时对三维体验平台上的虚拟台位进行控制。常用的连接方式有两种，一种是控制器会有一个上位机的软件，在PC里面使用共享内存，然后来实现上位机软件与三维体验平台数据的互通，第二种是控制器厂家可以通过TCP数据通讯协议来实现这些数据的交互，其实就是用一根网线把PC跟控制器连起来。

在这里虚拟联调的后端实现的是模型在环、软件在环和硬件在环。模型在环可以理解为三维体验平台上的设备以及产线，都是所见即所得的样子，控制器这边是用ControlBuild和Modelica，输入一些信号给到三维体验平台，所有的控制由模块的搭建来实现，来前期验证一下台位，验证一下这些控制逻辑，这里的控制还是以模型的形式存在的，由ControlBuild搭建的这些模块去搭建一些控制逻辑，然后跟三维体验平台上面的三维跟一维的集成，来验证实现模型在环。

接下来是把控制逻辑做成详细的软件代码，C代码或者PLC代码，这里还是一个虚拟的东西，但它是以代码形式存在的控制逻辑，然后再跟三维连接，到下一个步骤才把这些PLC或者是用C语言写的控制逻辑下载到实体的控制器硬件上面，控制逻辑是运行在硬件上面的，然后再跟三维体验平台相连。

在上述场景中，三维体验平台上面有三维模型，三维模型背后是由多体动力学去支撑的。在多体的背后还有伺服电机、作动器等，然后有一些传感器往外给一些控制信号给控制器去接收。

我们能看到三维模型，作动逻辑也可以看到，电流、电压、力矩这些也都可以很直观的从平台的仿真里面看到结果。这是一个随着时间变化的动态的结果。这里Modelica的用法，把伺服电机与作动逻辑，多大的电流产生了多大的扭距，转速是多少，是用Modelica的模型来建模的，这些数据是需要客户提供的，比如说电机的型号，电机功率多大等等。

我们来一起看一段视频，视频中可以看到R-F-L-P（需求、功能、逻辑、物理）整个数据架构。物理P层是三维模型，用三维模型去检查动态的轨迹，在逻辑层去表征有哪些作动面积，由哪些伺服器去作动这个台位，因为这里会有很多的运动副，检查完这些运动副仿真以后，就可以实时观测作动逻辑。

我们可以看到这是由同一个控制器来控制虚拟世界和现实世界，相应的一些PLC设备有HMI界面，根据任务场景，里面有一些逻辑，它是怎么走的，在右侧的HMI界面里可以控制台位，那么在左边三维体验平台上面能够观测到实时的动态控制，台位是怎么作动的，所有动态变化，包含背后的伺服电机、或者是多种气压、电流、电压这些数据都可以进行实时观测。

接下来我们来讲一下产品创新中的工业通讯体验场景，复杂产品内部的“工业通讯看得见”。换个说法，我会介绍一下不同行业的电气工程特点（电气线缆线束）。

首先是天上飞的飞机，飞机上承载的是世界上最宝贵的东西，人的生命。我们是不允许任何一个信号传输产生问题的，更不希望的是控制的逻辑产生问题，因为这是涉及到生命安全的话题。

飞机的各个部分之间，需要传递各种信号。一般中型飞机，比如波音737，线路长度58公里，大型客机，波音747，线路长度达到274公里，而空客A380的线路则超过500公里。

一架飞机的信号数一般20000起。信号数目和导线连接是有区别的，比如机头发一个信号到机尾，由于机头到机尾比较长，有可能使用几段导线，并把这些导线连接起来。而一条线上，可能会跑多个信号。

对于航空和航天行业，电气系统占据了整机重要的成本和位置。一般来说，飞机的1/3成本在飞机本体，1/3的成本在关键零部件，特别是引擎上，另外1/3的成本在于各种系统，尤其是电气系统。同时，40%的飞机故障是由线路故障直接引起的。

以下的视频中，展示了飞机产品创新中电气线路的数字孪生Latecoere案例。

从视频中可以看到，我们建立了电气线路的数字孪生，这里可以看到信号和信息是如何在线路中传输，线路之间是否预留了足够的距离，是否互相产生干扰。

接下来我们来看地上跑的。纵观现代的汽车，某种程度上越来越像一款大型的电子产品。近几年的CES全球消费电子展，总会有自动驾驶汽车的身影。虽然多数汽车已经使用了总线系统，但一辆典型的汽车的电线总长度达到2-4公里，线束重量达到35-70公斤，控制单元数量30-100，电机数量>160（高端车型），先进的空调系统>35个电机。

由于空间预留和配置都对汽车线束总成产生了很大的影响，今天的汽车1/3成本与系统（包括软件等）有关，线束总成有时被称为汽车最昂贵的部件。

从汽车发展趋势来看，配备越来越先进的机电集成系统，如电动启动、安全系统、巡航控制雷达和相机操控等等。

从未来的趋势看，不仅在高端汽车配置中应用这些系统，这些先进的机电系统越来越多在“标准”配置汽车上出现。

地上跑的不仅有汽车还有火车，接下来给大家播放一段视频，展示的是Hyper Loop真空胶囊火车布线的数字孪生案例。

接下来就是大型船舶的机电设计。船舶的机电设计通常大于50000电缆连接，一般舰艇超过100 km线缆，航母大约有2500 km长度的线缆。

总结以上案例，产品创新中的机电线缆设计是十分复杂的，需要借助于先进的平台才能够完成设计、验证和制造过程。

达索系统三维体验平台覆盖了端到端的电气系统工程，基于需求驱动，定义电气和电子架构，定义原理图和接线图，进行3D拓扑设计、线束设计、仿真验证，到线束制造准备和制造工艺规划完整的生命周期数字孪生。

以上的案例是工业有线通讯看得见，接下来我们来讨论工业无线通讯。近年来以5G为代表的工业无线通讯进步迅速，在各个行业开展的如火如荼。

我们首先考虑在一个城市里面如何布局5G网络。5G信号塔部署在城市的哪些位置，信号覆盖率、上行和下行速度、能够同时支持多少设备，以及整个建设的过程中如何逐步增加信号塔的密度，如何与已有的4G信号塔配合以获得最大的信号覆盖率。

对于每一个5G信号塔，能够覆盖多大的范围，信号是如何衰减的。由于信号塔属于不同的电信服务提供商，他们之间如何协作来为终端用户提供最佳体验。

视频中的案例是巴黎市区的5G布局，从视频中可以看到巴黎四大电信服务提供商，Orange、SFR、Bouygues、Free，四家公司都有2G、3G和4G牌照，现在已经开始发放5G牌照。

达索系统的三维体验平台可以支持打造5G生态数字孪生，覆盖芯片与封装解决方案、车联网解决方案、非参数拓扑优化解决方案、电子设备热可靠性解决方案、疲劳和耐久性解决方案、射频和微波设备解决方案、5G大规模MIMO解决方案、EMC/ EMI解决方案、PCB设计与互连结构解决方案、SAR解决方案、高级驾驶辅助系统传感器设计与布置解决方案、传感器污染解决方案、OLED解决方案、其他解决方案（光学，扬声器，摄像机，NFC等）等等。

5G的一些关键技术包括波束成形、大规模天线阵列等等，5G基站可以支持大规模天线阵列，可配置的天线数量甚至可以达到1024根。要充分发挥这些大规模天线阵列的潜力，5G的波束成形技术（Beamforming）绝对必不可少。

传统基站天线数目少，无线信号传输质量有限。这一点与蚂蚁雄兵有些类似，单个蚂蚁能力有限，5G基站则采用了大规模天线阵列，就好比蚂蚁群体可以搬运更重的实物。

波束成形技术通过调节各天线的相位使信号进行有效叠加，产生更强的信号增益来克服路损，从而为5G无线信号的传输质量提供了强有力的保障。

5G无线信号对人体有什么样的影响？在天线塔附近的人体细胞是否会受到损伤？ENEA的科学家Vanni Lopresto在三维体验平台上打造了数字孪生进行了分析。

基于三维体验平台能够打造5G的各种数字孪生场景，让工业无线通讯看得见，实现5G产品和5G场景在可视化环境下进行设计。请参考如下视频。

最后总结一下，工业通讯创新，不仅仅是协议通讯协议的创新，通讯标准的创新和通讯设备的创新，更多的创新是应用创新、产品创新、生态创新、商业模式的创新。

数字孪生在工业通讯创新中的应用，实现了看得见的研发和创新。

我的演讲内容就到这里，祝愿工业通讯创新发展生态越做越大，蓬勃发展！本文在准备过程中，虚拟联调部分得到了同事钱剑杰的帮助，电气部分得到了同事汪清静和王雨辰的帮助，在此一并感谢。