基于物联网技术和数字孪生技术的智慧园区构架分析

何茵錡,王坷馨,林志朋

(成都理工大学 产业技术学院,四川 宜宾 644000)

0 引言

随着物联网技术、数字孪生技术以及云计算的诞生与发展,依赖于人工的传统园区逐渐向智慧园区转型升级,完善智慧园区的理论建设迫在眉睫。 国家对智慧园区投入不断提升,技术研发难度不断增大,需要引进和完善各种有效的新型技术解决虚拟、计算、监控等短板。 因此,通过物联网技术和数字孪生技术的结合将为智慧园区提供有力的实时信息传递支持与虚拟平台支持,解决相应的技术短板,推进智慧园区的发展。

1 智慧园区的概念

智慧园区是通过物联网技术、云计算、大数据和数字孪生虚拟技术等高新通信智能技术来实现信息的及时传递、整合、分析、处理,有产业高度耦合能力、促进企业经济化、全方位多层次管理、可持续发展的智能化科技园区。 智慧园区系统的整体构架,如图1 所示。

图1 智慧园区系统的整体构架

2 数字孪生技术

2.1 数字孪生技术的概念

数字孪生技术是物理实体通过数字化技术实现的虚拟实体,它充分使用物理模型、传感器技术、运行数据保存技术,集成多学科、多尺度、多概率的仿真技术,在虚拟空间中建设实体化物理模型,从而反映出物理实体的整个生命过程及周期。 数字孪生技术是数字化转型的重要技术支撑[1];将物理世界的实物体数字化,在网络空间中构建园区的虚拟体,实现了物理维度上的世界和虚拟维度上的世界的虚实结合、同生共存的硕大格局。 通过虚实结合的方式,数字孪生技术将助力企业提高产品研发能力和产品的质量,有力促进产品技术的迭代更新,实现企业经济实力的大幅度增长[2]。

2.2 数字孪生技术在智慧园区中的应用

数字孪生技术的基础核心在于数据的采集。 该项技术基于对物理实体特征的观察及描述,把传感器作为描述信息传递的中转站,将物理世界实体的生命体征和生命周期及其周围的物理实体环境的实时变化传送给仿生数字模拟平台,然后通过虚拟平台的实体模拟和实验,改善物理实体的境况,对物理环境的缺陷和不足进行完善和升级,实现物理实体的功能化和智能化,保证物理世界秩序的正常运行[3]。 虚拟建模,即物理实体及周遭环境的数字化实现。 通过传感器的数据收集和特征数字化转述,利用程序设计和仿真技术实现物理世界的虚拟构建,然后通过虚拟实验来实现物理世界中无法完成的实验,最后通过全息镜像技术实现虚拟实验的投影以及数据分析,这将缩短升级改造的能源管理系统的时间、减少实验所需的经济开销,实现对物理世界的远程实时监测和及时的维修升级。 能源系统的数字化可以辅助智慧园区有机联动各系统。对于各系统功能部署方面,我们可以通过对各业务系统的特征提取与分析,构建各业务的价值体系,从而实现园区的精准化管理。 与此同时,我们可以利用各系统的自主学习机理让它们通过对历史数据的学习和分析实现各业务系统自动地更新换代来有效降低计算机程序以及人工的工作量,最后再次利用数字孪生的映射技术使智慧园区的各个功能系统清晰化,辅助园区实现智能化和企业化,为园区提供有力的后背支撑。

2.3 数字孪生技术的实例化分析

在某一产品的功能设计方面,通过传感器的实时扫描将产品的数据特征和环境特征送入数字孪生平台,通过对产品的数字化建模来验证产品的性能是否完备。 同时通过模拟不同的环境状况来测试产品在不同环境里的状态从而保证产品性能的持续有效性。 对于产品的生产智慧园区,数字孪生技术还可以通过对生产模式的智能化调控和生产技术的智能化革新提升产品智慧园区的生产效率,优化生产机制和生产设备保证生产的有效执行[4]。

3 楼宇控制体系

3.1 楼宇自控系统

基于物联网技术和云计算,楼宇控制体系分为楼宇控制系统与硬件设备。 楼宇控制系统通过传感器、智能监控设备、员工GPS 追踪器等基层信息采集设备对楼宇能耗、空气质量、公共照明、停车场剩余可容量等楼宇状态进行信息数据采集,采用开放式或非开放式的网络协议将设备、数字孪生技术与自身系统连接将楼宇状态网络数字化,自控系统选择合适的网络构架实现楼宇的自控[5]。 通常网络构架会选择集散型控制方式,分为三级设备和二级网络,通过三级设备与一级网络把机电集中以及二级网络进行实时监控完成参数的精确采集。 二级网络一般以BACnet 技术为主,借助现场总线技术并遵循BACnet 协议。 自控系统是门禁系统、防火防盗系统等子系统的集合,大多采用分布式系统提高控制机群的抗干扰能力。 楼宇控制体系,如图2 所示。

图2 楼宇控制体系

3.2 智能安全监控与实时传感系统

基于物联网技术,智慧园区要求传感系统接收信息与传递信息要高度实时以达到自控系统能迅速做出相应措施进行管理和调节的目的,同时要求监控设备能够对园区的设备和人员进行安全分析。 当有非法人员非法进入园区,能够实现对人员的智能定位与移动监控并唤醒防火防盗系统,对园区的设备进行安全评估与实时监控,及时将相关信息通过网络反映给楼宇控制系统,控制系统做出管理和调节。

3.3 系统构架体系的建立

对于智慧园区的系统建立,应利用物联网技术实现信息的全方位收集、稳定安全传递与自动分析处理。实现信息的全面采集是系统结构体系建立的基石[6]。利用RFID[7]、传感网[8]等技术和传感器等工具来使园区内的信息能够被感知并且转化为数字信息,且实现园区全覆盖无死角,完成对信息的全面采集。 与此同时,实时的信息传递将有助于园区内设施的巡查监控,满足确保设施安全与迅速发现解决问题的需求。 信息传递是信息收集统一与处理分析之间的桥梁。 通过网络实施信息的远程传输与园区内的信息互通。 伴随着5G 的发展与普及,信息的传递也将更加高速。 另外,信息的安全传递也是重要的一点。 安全且迅速地传递才能为信息处理的完善精准打下基础。 同时,系统构架体系建立时应实现多部门之间的信息共享,有效安全地实现信息交换。 唯有确保信息共享,才能实现协同工作,提高智慧园区整体的工作能力与生产效率。而利用云计算、大数据等新时代智能技术对传递来的全方位信息进行分析处理与整合,保留数据于系统当中,为专业人员对园区的改进提供精准有效的数据。信息的采集、传递与处理,如图3 所示。

图3 信息的采集、传递与处理

3.4 设计优化中心

智慧园区系统作为一切工作的基体,安全性是至关重要的一点[9]。 无论在何时何地使用中都应保证数据安全传递不向外泄漏,对数据功能不越权访问,对用户隐私不侵犯泄露。 随着智慧园区的发展,其业务将会有一定程度的变化,对于系统功能的需求也将更加丰富。 智慧园区的系统在面对业务变化时应提供与其相对应且匹配的改变措施。 因此,在设计初期也就要考虑系统需要具有一定的可扩展性与足够的系统容量。 当智慧园区扩大时能够便利地添加修改相关功能。 在升级与完善系统的同时,应尽可能地不影响原有功能的正常运行,或只是产生少部分影响,这要求系统具有相当高的可修改性。避免在升级与完善系统的同时频繁出现问题或难以修改系统,以至于对智慧园区的日常工作产生影响。

3.5 防火墙设计

防火墙的设计是为了保证信息的安全,防止信息外泄,同时尽可能地减小对平台信息交流顺畅程度的影响,保证内部信息的安全高效传递。面对潜在威胁应做出相应反应,分析与处理这样的潜在威胁。 在防火墙的设计当中,其设计成本与信息的价值之间应取得一个平衡,应根据信息的重要程度确定防火墙设计的成本预算。 其次,在设计之中也应考虑智慧园区之后的发展,确保防火墙不会对智慧园区的扩展发展造成影响。 智慧园区的防火墙面对众多的服务对象,对防火墙系统的管理应采用集中管理的方式。 集中管理防火墙系统可以制定统一的安全策略,施行统一监控。 面对突如其来的安全问题,集中管理的方式具有迅速判断安全问题发生地点的能力。

4 智慧园区实现的难点

当代智慧园区的实现难点通常分为经济难点与技术难点。 在我国各种园区板块中,智慧园区的实现工程量大、涉及知识精度深、成本需求高,尽管国家对智慧园区的年投入资金早已超1 200 亿元,启动项目超400 个,经济困难仍然是制约智慧园区发展的困难点。另外,智慧园区工程技术要求高,涉及尖端的软硬件技术,技术短板通常为传感层的实时传感时效性低,监控层智能监控不成熟,自控系统的智慧控制不灵活等,需安保人员处理相关参数和问题确保智慧园区高效运行。

5 结语

智慧园区借助数字孪生技术、物联网技术、云计算等技术实现楼宇控制系统。 通过对监控和传感方面的技术提升,达到实时安全的目的,并同时实现对工作人员工作情况的掌控。 通过系统构架构建与防火墙的设计实现智慧园区对内对外的安全数据传递。 如果相关经济和技术问题被攻破,相信智慧园区会被广泛应用于各领域,提高国家整体软实力。