业现场网数字孪生白皮书

1 行业现场网数字孪生 白皮书 （2021年） 中国移动通信研究院 · 前 言 本白皮书针对行业现场网规划、建设和管理的现存问题，提出了基于数字孪生技术构建的行业现场网全生命周期能力体系。面向能力体系构建的关键需求，研发行业现场网数字孪生全生命周期管理平台（DT-NLM），对涉及的核心技术进行详细介绍，并提出实际的行业现场网数字孪生应用场景用例，最后通过未来展望对产业发出倡议。本白皮书旨在为产业在规划设计相关产品和解决方案时提供参考和指引。 目 录 1.基于数字孪生的行业现场网管理体系概述 ............................................ 4 1.1 数字孪生助力行业数智化转型....................................................... 4 1.2 行业现场网概述 ............................................................................. 5 1.3 行业现场网运维存在的问题 .......................................................... 7 1.4 基于数字孪生的行业现场网全生命周期能力体系 ........................ 8 2. 行业现场网数字孪生平台（DT-NLM） .............................................. 9 2.1 DT-NLM平台简介 ........................................................................ 9 2.2 DT-NLM平台关键技术 ............................................................... 10 2.2.1行业现场网数据采集技术 .................................................. 11 2.2.2数字孪生建模技术 ............................................................. 12 2.2.3智慧运维技术 ..................................................................... 14 2.2.4数字孪生可视化技术 .......................................................... 15 3.行业现场网数字孪生应用场景用例 ...................................................... 17 3.1 5G融合工业现场网数字孪生用例 .............................................. 17 3.2 分布式RFID创新方案与运营商网络协同用例 ........................... 19 4.未来展望 ............................................................................................... 20 5. 缩略语 ................................................................................................. 21 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。 图1-1 行业现场网体系架构 行业现场网包括行业现场接入网和行业现场核心网两大部分。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，业务部署在MEC侧处理5G上传的现场作业数据，实现对整体现场网的管理。 行业现场接入网有五大核心技术，包括确定性网络技术、新型短距通信、新型无源通信、毫米波、UWB/蓝牙高精定位。其中确定性网络兼具确定性网络和的优势，在满足通信高可靠与确定性要求的同时，解决了现场布线施工复杂问题；新型短距通信基于全新的无线空口设计，在实现点对点通信的同时，可满足超低时延、高可靠、精同步、高并发、高效率和高安全等需求；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，提升了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；毫米波可在保障区域覆盖的同时实现重点区域的定点覆盖，提升上行传输能力、增加可靠性、安全性；UWB/ 蓝牙高精定位可在保障大带宽、低时延、广连接网络能力的同时，解决传统利用信号载波强度定位的精度低，对环境适应性差等问题，满足垂直行业设备协同工作、远程控制、移动设备轨迹跟踪等场景中高精度定位的需求。 行业现场核心网利用部署在行业现场边缘侧的UPF网元对本地数据进行分流，满足行业客户数据不出场、超低时延等需求，实现数据传输、处理和结果反馈整个过程终结于本地。 行业用户除了对现场网一网收编、数据不出场等需求，对复杂的网络系统运维也提出了智能化、自动化的更高需求。 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。 首先，终端联网数量急剧增长，联网方式多种多样，终端运行状态监控将作为网络管理的一部分。以IoT终端为例，2018年的全球物联网联接数量已达到70亿，仍然在以17%的年增长率增长。其中80%为无线个域网和无线局域网，现场联网方式包含了NB-IoT、蓝牙、WiFi、Lora、RFID等。终端的运行状态直接影响到网络的运行质量，需要通过探针等手段感知终端网络运行情况，加强网络端到端管理。 其次，面对多样化的应用场景和多元化终端形态，行业现场组网方案和配置方案定制化程度高，客户网络感知意愿强。终端类型、操作系统类型、业务类型、QoS要求的多样化，导致组网方案定制化程度高，需要一事一议和专门的组网仿真工具辅助。不同业务场景的SLA对网络性能要求不同，需要对SLA做精细化管理和确定性保障。 此外，客户对网络感知意愿强烈但专业程度低，需要直观、实时、立体地展现客户可理解、可感知的网络性能指标和运行状态。 最后，网络作为数字化的基座，客户对故障的处理和恢复时间容忍度大大降低，传统被动式故障恢复模式无法快速响应需求。越来越多的行业将数字化引入生产和客户服务环节，如仓储AGV小车、超市无人支付系统、矿山自动化掘煤装置等。网络是应用正常工作的前提，传统运维以网络设备为中心，各类设备管理系统各自独立，数据隔离，故障排查和定位困难，自动化运维手段和工具不足，运维过程中人工参与环节多，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。如上所述故需要构建行业现场网全生命周期能力体系，具体能力规划如下： 1）行业现场网数字孪生可视化能力：面向行业现场网全生命周期提供数字孪生多维可视化功能，涵盖网络设计、网络运营和维护等各个阶段，既为行业客户提供定制化和可视化的端到端网络解决方案、网络组网规划及网络建设进度监控等功能，也能提供网络运行状态、网络配置、网络覆盖等可视化能力。 2）行业现场网方案规划及仿真能力：构建基于新型无源、新型短距、蓝牙、TSN等网络技术的行业