中国移动:行业现场网数字孪生白皮书(附报告)

1.基于数字孪生的行业现场网管理体系概述

1.1数字孪生助力行业数智化转型

长期以来,使用虚拟的模型来优化流程、产品或服务的想法并不新鲜。但随着具有更复杂的仿真和建模能力、更好的互操作性和 IoT 传感器以及可视化的数字化仿真平台和工具的广泛使用,使企业逐渐意识到创建更精细、更具动态感的数字化仿真模型成为可能。数字孪生是以数字化方式创建物理实体的虚拟实体,借助历史数据、实时数据以及算法模型等,模拟、验证、预测、控制物理实体全生命周期过程的技术手段。数字孪生技术在传统行业如服务业、数字经济等场景均有应用,具体如下:

构建全产业链的数字孪生体:促进产业向“服务型制造”转型。服务型制造是制造与服务融合发展的新型数字化产业形态,未来制造业数字化转型升级的重要方向。定制化生产是“服务型制造”的典型方式之一,主动将顾客引进产品设计、制造、应用和服务过程,主动发现顾客需求,展开针对性服务。企业间基于平台合作,主动为上下游客户提供生产性服务和服务性生产,协同创造价值。构建从顾客、市场需求、供应链和物流体系、维护保障等全产业链的数字孪生体,基于各领域模型的系统工程整合,有助于促进传统产业向定制化生产模式转变,实现更为敏捷和柔性的商业模式。例如在消费品行业,Adidas、Nike 等制鞋头部企业成立其数字化战略部门,通过对IT 和 DT 厂商的并购整合,建立围绕鞋产业的数字孪生体,实现定制化生产和网络营销。从传统分销运动鞋的商业模式,延伸至包括跑团社交、训练培训、相关装备营销、赛事活动组织等运动产业。

构建实体经济的数字孪生体:促进数字经济发展。数字经济在推动产业经济发展、提高劳动生产率、培育新市场、发掘产业新增长点、实现包容性增长和可持续增长等诸多方面,都发挥着重要作用。数据经济的核心在于“数据”驱动发展,而不像工业经济是“石油”和“机械”。通过建立实体经济的数字孪生体,对“数据”进行资产化,并建立一整套金融等数字化服务体系,在模拟决策、引导资源快速优化配置与再生等方面,可以极大地降低社会交易成本,提高资源优化配置效率,提高产品、企业、产业附加值,从而推动社会生产力快速发展。例如阿里巴巴构建了聚集消费者、供应链和制造商的网络电商平台,成为一个年营收超过世界 80%国家 GDP 的经济体。阿里巴巴同时也构建了一个共智的数字孪生经济体,消费者和供应商等每个个体都是其中的一个数字孪生体,通过精准画像建立信用体系、支付系统和个性化金融等服务产品。秀品牛数字孪生工厂拥有经过实践验证的数字孪生技术,整合物联网、大数据、人工智能、数据三维可视化和虚拟仿真技术采用三维可视化数字沙盘式管理,集成对接所有,运维管理数据,实现运维管理的智能化、调度一体化、生产数据透明化,广泛应用于工业生产制造,工程运维管理,海洋,军工,航天等领域,已在中国交建、中船重工和东方日产等企业落地应用。

数字孪生是构建新一代数字基础设施的使能技术,正成为助推经济社会“五纵三横”发展的中坚力量和相关行业的研究热点,并在各类行业中立足,它在整个价值链中革新了流程,可以持续提高效率,最大程度地降低故障率,缩短开发周期,并开辟新的商机。换句话说,它可以创造持久的竞争优势。

1.2行业现场网概述

行业现场网是行业现场端侧设备网络接入技术的统称,它们连接行业现场末端的各类终端、机器、传感器和系统,满足行业现场对传感、数据、定位、控制、管理等的多样业务需求。常见的行业现场网技术包括工业以太网、现场总线、WiFi、蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术,NB-IoT、LoRa、SigFox 等低功耗广域网通信技术,以及 5G、TSN、毫米波、无源 RFID、UWB 等通信技术。

1.3行业现场网运维存在的问题

随着千行百业进入数字化转型的时代,面对终端联网规模激增,组网模式复杂多样,业务运行对网络故障处理和恢复时间容忍度降低的新趋势,传统以设备为中心、消防员式的网络运维模式不再适用于行业现场网网络管理新需求。

1.4基于数字孪生的行业现场网全生命周期管理能力体系

数字孪生不但助力行业数智化转型,也将在现场网全生命周期管理发挥价值。首先可视化能力可解决客户需要直观、实时、立体地展现网络性能指标和运行状态的问题;其次网络规划及仿真能力可解决行业现场组网和配置复杂且多样化,导致组网方案定制化程度高、成本高的问题;最后智能化运维能力可解决传统被动式故障恢复模式无法快速响应需求,故障发生后从投诉到现场排查周期长,很难满足故障快速恢复的问题。

2. 行业现场网数字孪生平台(DT-NLM)

2.1DT-NLM 平台简介

基于如上背景,对行业现场网数字孪生平台(DT-NLM)进行功能规划,核心业务模块包括数据获取及管理、孪生建模等,以此实现设备可视化管理、网络规划仿真、网络实时监控、网络智能运维等功能,其核心思想是通过网络数字孪生理念对行业现场网的全生命周期过程进行管理,提供以网络数字化为核心的低成本试错和高质量行业服务。功能视图如下:

2.2DT-NLM 平台关键技术

通过平台功能架构及能力的规划,聚焦平台研发涉及的核心技术如下图所示,行业现场网核心技术包括:数据采集(探针监测分析平台+探针)、数字孪生建模、智慧运维等。通过对这些技术进行重点研究,为网络管理能力体系和平台迭代研发提供技术基础。

2.2.1 行业现场网数据采集技术

1. 基础概念及架构

数据采集与分析是网络运维与管理的核心内容,传统面向网络运维的数据采集手段包括:基于侦听网络数据包的包分析模式、基于路由器 MIB库的SNMP 代理模式、基于安插网络探针技术的 IP 流量数据捕获形式、基于网络数据流技术的数据流捕获形式等。但以上数据采集方式主要面向网元的网络流量信息获取,尚未考虑端侧数据信息的采集。

5G 端侧业务质量探针系统由探针 SDK 中间件和监测分析平台两部分构成,目前已经完成研发工作,正在和 5G 网关进行联调优化。系统架构图:

2. 5G 端侧业务质量探针数据采集类别

面向行业客户的 5G 或物联网业务数据采集需求,5G 端侧业务质量探针系统需要提供现场级设备状态、网络覆盖、业务质量等关键信息的采集与监测分析服务,进一步开展有效的业务传输保障,保证行业客户的使用感知。

2.2.2 数字孪生建模技术

数字孪生建模技术实现了物理空间中的实体向虚拟空间孪生体的映射,并通过在虚拟空间进行分析和决策,形成交互指令对物理空间进行干预和调控,使整个物理系统保持良好的运行状态。在行业现场网中,数字孪生建模是将人(网络运维人员)、机(网元设备)、网(5G 网络和现场网络)、法(运维手册、操作指导等网络知识)、环(现场环境)等物理实体映射到虚拟空间的原子数字模型,并根据网络拓扑关系和业务需求对原子模型进行编排组合,支撑行业现场网智能化的可视、可管、可控的要求。其中,网络的可视化可以直接在虚拟空间完成,网络的管理和控制需要将虚拟空间分析和决策的指令反馈到物理空间,实现对网络物理实体的管控。

2.2.3 智慧运维技术

行业现场网具有组网复杂、用户需求多样等特点,运营商在网络运维方面将面临越来越大的压力和挑战。以人工为主的传统运维模式与网络本身的先进性已经产生差距,运维方面的困难和挑战也日益凸显,故障分析定位、根因追溯困难,现有的被动响应运维模式效率低、客户体验差,亟待引入智能的行业现场网运维技术,对运维业务进行赋能,形成以客户和业务为核心的自动化和智能化运维能力,提升运维效率、改善客户网络体验,最终形成高价值网络运营管理体系。

在现场网中,行业终端设备(如数控机床、机械臂、传感设备等)通过 Wifi、ZigBee等网络连接至 5G 边缘网关, 5G 边缘网关通过 5G 网络与 5G 基站相连,共同构成现场网的网络系统。行业终端、5G 网关、基站等网元设备的性能以及这些网元之间的网络状态是影响行业业务运行以及行业客户网络体验的主要因素,是现场网智能运维的关键对象。基于故障出现的位置,可以将行业现场网中典型的故障分为 5G 专网故障和现场网故障两类:

基于现场网网络特点,通过对现场网中运维对象、典型故障等进行综合分析,形成面向现场网+5G 专网的行业现场网智能运维方案。本方案图基于业务质量探针数据(设备基础数据、网络覆盖数据和业务质量数据)、统一网管系统数据(KPI、MR、KQI、现网故障、性能异常信息)和终端侧数据,采用智能运维算法训练行业现场网智能运维模型,实现故障定界、故障场景识别与根因定位、故障预测等智能应用。

2.2.4 数字孪生可视化技术

数据可视化:

简单来说是关于数据视觉表现形式的科学技术研究。它是一个不断演变、边界不断扩大的概念,主要指借助图形手段和可视化技术处理基本信息,通过三维场景实时渲染和数据建模,对数据加以可视化解释,展现实时数据,实现可视化交互。数据可视化与信息图形、信息可视化、科学可视化以及统计图形密切相关。

基于数字孪生的数据可视化决策:

“数字孪生”强调仿真、建模、分析和辅助决策,侧重的是物理世界对象在数据世界的重现、分析、决策,而可视化做的就是对物理世界的真实复现和决策支持。

数据可视化技术:

可视化涉及技术含GIS地理信息系统、3D可视化(unity3D、WebGL/canvas)、BIM等。

 

3.行业现场网数字孪生应用场景用例

3.1 5G 融合工业现场网数字孪生用例

工业行业现场场景较复杂,普遍存在网络异构、定制化现象,企业用户除了对现场网提出一网收编、数据不出场等需求,对复杂的网络系统运维也提出了更高需求,传统运营商网管和代维团队无法满足行业网络的运维和管理需求。

面向智能制造的行业现场网络不仅需要去考虑多样化的无线接入技术,以满足工业现场多网并存的行业网络的运维和管理需求,也要考虑如何高效汇聚到 5G 蜂窝网络,以解决物联网现场连接“最后 100 米”问题。从5G 融合工业现场网技术总体架构图看,该架构主要包括行业现场接入网和行业现场核心网两大部分。其中,行业现场接入网可桥接异构的行业现场网络,如无源通信、短距通信、蓝牙、TSN 等,行业现场核心网主要指部署在行业现场边缘侧的 UPF,进行数据分流,处理 5G 上传的现场作业数据,实现对整体现场网的管理。通过 5G 蜂窝广域通信技术与各种现场网技术的协同,既拓展无线覆盖范围,完成生产数据本地分流和上云,并实现 5G 对短距通信的统一接入和统一管理,提升工厂的运维效率。

在 5G 融合新型短距通信中,短距负责现场无线通信,替换现场总线和工业以太等有线网络,5G 延展无线通信范围,助力数据上云。星闪短距凭借在低时延、可靠性和抗干扰等方面的改进,与 5G 蜂窝技术的协同通信,不仅提高组网灵活性、降低布线成本,还实现 5G 业务进一步向工厂生产核心环节延伸,提供更高阶的柔性制造,缓解过去 Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、WIA、WirelessHART 等短距离无线通信技术因为时延和可靠性的先天不足,难以进入工业生产关键环节的难题。

3.2分布式 RFID 创新方案与运营商网络协同用例

传统 RFID 无源技术在传统服装、物流等成本超敏感行业需求广泛,但其存在自干扰,通信距离短,难组网等问题。5G+新型无源通信采取激励和通信分离的系统架构,标签激励采用射频通信,控制指令下发和信息回传均采用 5G,提升 RFID 组网性能,实现资产管理等场景下信息的高可靠、高效读取。

4.未来展望

随着业务需求的多样化,垂直行业应用场景逐渐复杂,普遍存在网络异构化、定制化现象,传统的网管系统和运维体系无法满足行业网管理需求,运营商需转变面向垂直行业的网络管理思路,由传统的公网建设维护向定制化行业网的全生命周期管理(NLM)演进,基于数字孪生技术从“规划、建设、运维、优化”维度构建行业网管理能力体系,提供以客户服务和业务保障为核心的低成本试错、高质量运维和智能辅助决策能力。

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