基于数字孪生的物联网工业系统设计研究★

彭 瑾

（安徽水利水电职业技术学院， 安徽 合肥 230000）

0 引言

伴随着物联网技术的飞速发展，如何对于数字孪生技术进行分析，并将其广泛运用于物联网技术装备之中，提高其技术效果成为针对于物联网以及相关系统控制的中心点。本文设计了一种基于数字孪生的物联网工业运维系统，以MQTT 协议为基础云计算平台，并且对于运维系统控制装置与结构进行分析。进一步提高其使用效率，针对设备运行情况互联网装备控制特点以及装备信息结构进行调整。以便对于工业设备、云巡逻结构进行组合优化[1]。

1 系统设计

1.1 系统功能

在本次工业物联网系统运维控制过程中，员工可以通过工号在物联网平台上进行登录，并进入到物联网云平台界面内。该界面包括多种模式，如工业现场实时运行模式、运维平台控制、历史数据监测、工业现场调试、远程专家指导、压力测试和预案推演等等。通过这些模式的控制设计与分析，满足预案推演状态模拟和应急演练等等功能，也符合系统控制的一般性需要。

1.2 系统设计目标

本设计只是基于小型工厂与客户之间的交互，因此不需要非常高级的软硬件技术，本着开发的项目可以适用于市面上绝大部分设备为目标进行设计，采用jsp 技 术、strust2 框 架、spring 框 架、hibernate 框 架、tomcat 服务器和mysql 数据库，使用eclipsejee 进行开发。jsp 程序性能优越可以用最简单的方式来实现最复杂的应用，也可跨平台开发。strust2 框架、spring 框架和hibernate 框架合称SSH 框架，具有良好的扩展性和可维护性，页面脉络清晰，占用内存少等优势。在经济可行性上，程序员开发出网页程序后，购买方可以通过网络进行轻松下单，并能实时了解订单当前处理状况，而工厂方通过网页可以看到全部订单信息的合集，并实时更新订单信息，系统后期只需要程序员定期维护，经济上可行性没有问题。基于上述分析本系统在技术和经济方面都具有可行性，可以进行下一步的开发。在本物联网平台的设计过程中，需要考虑到整体平台的并发性能，因此本文选取了MQTT 协议作为平台的运送协议，协议专为低功率的目标进行设计，其特点是在每一个消息头部相较于其他协议都会缩小两个自己的长度用于减少长时间的连接，防止资源损耗[2-3]。

2 模块设计

2.1 现场设备层

在物联网平台的设计过程中，需要考虑整体平台的警方性能。在流量计、压力计和温度传感器的设计过程中，通过采集这些传感器与运行的数据。对于现场监测设备和实时装备做出分析此外，现场设备层还负责数字的实现与控制。它的目的是将生产现场的数据信息进行整合，本文借助unity3D 对于装备的位置、外貌特征和操作牌的性质进行分析。该模型与真实的物理场景基本一致，体现了现场设备层对于设备实体的真实写照。同时也符合其中的一些基础设备，还需要对于现场数据和实时数据进行监测，实现环境匹配和模型匹配，以此完成虚拟环境和物理环境的同步[4]。

2.2 网络通信层

在网络通信层的设计过程中，主要是通过MQTT协议去对其进行实现。基于TCP/IP 协议，该协议是对于信息的传输进行控制，订阅者信息管理者和发布者所组成，其中客户端、订阅者、发布者、消息代理者、MQTT 协议的代理服务商。由于消息代理的存在，订阅者和发布者无需相互确认，通过中间位置和端口网络数据进行信息，传输接着网络通信层作为代理服务器会继续对其进行控制。在代理服务管理过程中，MQTT 代理服务器的信息传输包括三种分别为只有一次，最多一次和至少一次等等，通过此连接网络可以将信息准确无误地传递到系统之中。

2.3 工厂后台需求分析

本设计模拟了一个生产工厂，上架商品均为制作羽毛球的各种原材料，如不同形状的羽毛、不同材质的羽毛球头和粘合用的胶水等。本模块有如下几大功能：

1）登陆功能：管理员用户名及密码已提前预设好，在页面上可以直接登陆。

2）管理商品：管理员可以上架、下架或删除商品，以及价格与详细信息调整。

3）管理订单信息：管理员可以查看下单订单的全部信息，并进行是否完成第一阶段、是否完成第二阶段和是否发货的操作。

4）管理用户信息：管理员可以查看所有已注册用户的信息，并且可以查询或删除这些信息。

5）修改登录密码：输入两次完全一致的新密码后密码修改成功[5]。

2.4 用户下单界面需求分析

本模块设计目标在为下单用户提供优质的购物体验，让用户足不出户就能浏览到工厂所出售的商品类别与品质，并且下单后能够实时查看订单进展进度，节省人力、物力、时间。本模块有如下几大功能：

1）注册功能：用户通过输入自己的个人基本信息即可注册成为会员，同时有检测用户名是否重复的功能，防止多对一导致订单错误的问题的发生。

2）登陆功能：已注册的用户通过注册时输入的用户名和密码即可登陆本系统。

3）浏览网页：本系统首页显示上新最新产品和购买链接，左侧商品分类导航栏可以快速定位至某分类商品目录下，右上角有搜索栏支持模糊搜索。

4）购物车管理：用户登录系统后可以查看、添加或删除商品。

5）订单管理：已登录用户可以查看自己订单的详细信息，如下单时间、订单状态等。

6）修改登录密码：输入两次完全一致的新密码后密码修改成功。

2.5 数据字典

一个数据库中的数据需要用数据字典来描述，基于需求分析阶段，是下一设计阶段的基础，可以根据实际情况不断修正。对于数据库，可以规范数据的格式并对存储数据进行描述。对于开发中的项目，可以规范项目中数据的格式，并使存储项目中的数据和现实社会相对应。对于使用中的项目，可以通过模糊查询自动匹配用户的输入，使用户输入的数据更加准确。根据上述数据流图，本设计的数据字典主要包括数据项、数据流、数据结构、数据存储和处理过程这几部分，具体内容如表1 所示。

表1 关键数据项

搭建项目之前必须先要把数据库建好，把数据库建好的关键就在于前期需要根据用户的需求，把想要放进数据库中的实体全部罗列出来，如果在设计的过程中发现有遗漏或逻辑错误等，虽然修改数据库并不困难，但有可能涉及的工程极为繁琐，工程量过于繁重，因此前期的需求分析极为重要。通过本文的调研分析，本数据库需要5 个表，分别是存储用户详细信息的users 表，存储商品详细信息的commoditys 表，存储商品种类的commodityclasses 表，存储订单详细信息的orderform 表和存储管理员信息的admins 表[6-7]。

3 系统结果与分析

3.1 项目分层

在开发项目的时候，一定要先有页面再发请求，层层调用项目才不会出错。项目一共分三层：表现层、业务逻辑层、数据库层。清楚项目的架构，可以明确请求的发送流程，可以使项目的搭建变简单。第一层为表现层，或称展示层，将数据展示给用户看，一般会使用css、html、js、jQuery、jsp 等技术，动态网页通常用jsp 等技术实现，用jsp 展示数据用jstl 标签+El 表达式。前端框架有JqueryEasyUI 和BootStrap。第二层为java 后台的业务逻辑层，其中还要划分三层：控制层或接入层、服务层和持久层。控制层用来接收用户的请求以及参数，调用服务层，用request 或session 存储数据，进行资源跳转（跳转至jsp 或Servlet 等）。常用控制层框架有struts2 和SpringMVC。服务层又称中间层，用来处理业务逻辑，抛除自定义异常，调用持久层。中间层框架为Spring。持久层与数据库打交道，进行数据的增删改查，数据永久有效，抛出Sql 异常，通过jdbc 让java 代码与数据库交互。持久层框架有Mybatis 和Hibernate。第三层为数据库层DB，通常会用Mysql 或Oracle。系统在设计步数之后登录借点、点击粗轧，低压系统，可以进入到该车间的虚拟界面内。系统中的左下角可以选择第一人称、第二视角或者第三视角等等系统在左下角可以选择第一人称，图1 为第三视角巡查站的截图。在第三视角下，可以实现其整体粗轧低压棒的外观观察和设计控制。

图1 系统结果

3.2页面样式设计

本工厂下单系统整体采用蓝色调的设计，在首页左上角标注当前日期，右上角标明系统名称，头部导航栏可以快速跳转到首页、在线购、我的购物车、用户登录和用户注册这五大模块，左侧商品分类导航栏可快速跳转到某一类商品的合集页面，正中央展示当前系统销售的包括商品名称、原价、现价的两件商品，还可以通过点击相应按钮加入购物车或查看商品详情。右侧的搜索栏可以通过模糊搜索查询到想要查询的商品。购物车模块可以跳转到登录用户的购物车界面，未为登录用户会跳转到登录界面。用户登录模块提供登录、注册和找回密码三大模块。左下角的论坛公告模块不停滚动“工厂下单系统开通了，欢迎广大客户光临”。其他页面的设计思路与主页面基本一致，因此本文就只集中介绍主页面的设计。

4 结语

通过基于数字孪生的物联网工业运维系统设计，该系统还使用了数字孪生技术，将十字车间装置进行虚拟化，并且完成了在工业系统控制以及结构上的优化。基于目前工业装置和物流系统的控制与可持续化分析，通过MQTT 协议，建立服务端和可视化前端界面，进一步提高工业系统的稳定性。