为了践行平台生态及数字孪生体相关研发成果,工业4.0研究院于2019年成立了北京翼络数字技术有限公司,承接IOT 3000开源数字孪生体项目,加强应用场景匹配工作,围绕数字孪生制造、数字孪生城市和数字孪生能源等领域的实际需要,与合作伙伴共同努力,提供数字孪生体解决方案。
在过去十年的发展过程中,全球涌现出了丰富的通用开源项目,翼络数字利用已有的通用开源项目,构建了数字孪生体参考架构项目,分别为数字孪生体应用、数字孪生体平台、数字资产、开源网络及网关、数字孪生化等,如图所示。目前该项目已有上千个团队或个人在使用,应用于制造业、无线频谱、发动机(柴油机)、智能杆等领域,并取得了较好的效果。
数字孪生体参考架构的五大项目构成了IOT 3000数字孪生体解决方案,它们分别代表了数字孪生体应用的某个方面,加上翼络数字公司自身开发的一些项目,集成一起就形成了较为完整的解决方案,可以匹配不少应用场景。随着IOT 3000应用需求的不断增加,还会引入其他开源项目。
项目一:数字孪生化
为了降低数字孪生化的成本,IOT 3000采用开源软件Blender来构建几何模型。Blender是一款开源的跨平台全能三维动画制作软件,提供从建模、动画、材质、渲染到音频处理、视频剪辑等一系列动画短片制作解决方案。它内置有卡通描边和基于图形处理器技术的渲染器。
Blender具有复杂的背景,1988年顿·罗森达尔(Ton Roosendaal)与他人合作创建了荷兰的动画工作室NeoGeo。经过32年的发展,Blender已经成为建模的重要工具。目前该开源软件由Blender基金会运行,其主要目标是找到一条能让Blender作为基于社区的开源项目被继续开发和推广的途径。
另外,推荐Open Cascade作为几何模型的承载体,它是法国Matra Datavision公司开发的计算机辅助设计工具,是世界上最重要的几何造型基础软件,国内外有不少公司基于该软件来开发应用程序。
Open Cascade通过C++库文件提供了六个模块,分别为:
· 创建锥、柱、环等基本几何体;
· 对几何体进行布尔操作(相加,相减,相交运算);
· 倒角,斜切,镂空,偏移,扫视;
· 几何空间关系计算(法线,点积,叉积,投影,拟合等);
· 几何体分析(质心,体积,曲率等);
· 空间变换(平移,缩放,旋转)。
Open Cascade主要用于开发二维和三维几何建模应用程序,包括通用的或专业的计算机辅助设计系统、制造或分析领域的应用程序、仿真应用程序或图形演示工具。Open Cascade是开源项目,可以集成到数字孪生体平台,成为处理数字模型的引擎。
项目二:开源网络及网关
在IOT 3000平台创新生态中,开源网络及网关比较重要,它包含开源5G/6G和EdgeX Foundry。前者为5G或6G的开源项目,目前是热门领域,由于全球电信行业集中度高,为了破除垄断企业的压制,部分企业牵头发起了多个开源5G项目,其目的主要是为了解决无线接入网的高成本和互联互通等问题。后者为边缘计算的知名开源项目,是Linux基金会运营的开源项目,由于与Linux基金会的其他项目衔接较为有效,因此推荐使用。
EdgeX Foundry微服务集合构成了四个微服务层及两个增强的基础系统服务,四个微服务层包含了从物理域数据采集到信息域数据处理等一系列服务,另外两个基础系统服务为这四个微服务层提供支撑服务。
工业4.0研究院测试显示,EdgeX Foundry功能比较复杂,适合边缘计算量比较大的项目,但对于一些轻度计算需求的场景,可以采用更加轻量化的边缘计算程序。项目三:数字资产
从某些场景的设备或物体数字孪生化来说,可以利用资产管理壳的开源项目来构建数字资产应用。数字孪生体参考架构利用智能资产管理壳(iAAS,intelligent AAS)开源项目来建立数字资产,它可以实现任何设备或物体的数字化。通过对德国工业4.0开源项目openAAS项目的改造,工业4.0研究院已经实现了iAAS。
为了解决传统设备资产数字化的难题,德国工业4.0平台组织人员对此做了深入研究,设计了资产管理壳的概念,并把该概念作为德国工业4.0推进标准化战略的核心之一。
在推进资产管理壳的过程中,德国工业4.0平台相关单位采取了开源项目的方式。事实证明,该方法较为有效,名为openAAS的开源项目吸引了西门子、亚琛工业大学等机构参与,大大推进了资产管理壳的概念普及,并让大学校园里的教授和学生深入参与到工业4.0的研发体系中来。
项目四:数字孪生体平台
在构建数字孪生体平台的时候,翼络数字主要推荐SiteWhere和Thingsboard两个开源项目,通过几年时间的开发,已经形成了IOT 3000的主体部分,可以满足数字模型承载、物联网连接、传感器数据获取等应用需求,初步具有数字孪生体平台基本功能。
由于采用了开源项目的方式,IOT 3000数字孪生体平台很容易进行修改和调整,适应不同应用场景的能力非常强,既可以在数字孪生制造场景中管理柴油机燃油共轨系统的数据,还可以对核电站设备进行管理,同时它也在无线频谱数字孪生体平台、智能杆数字孪生体应用和数字孪生城市等方面展现出了灵活性和高性价比。
更重要的是,通过开源的数字孪生体平台体系,可以让数字孪生体联盟成员参与进来,共同协作开发相关应用,以满足复杂系统建设的需要。数字孪生体联盟发起的数字孪生体挑战赛就是基于IOT 3000来开发的,要求参赛团队尽量利用IOT 3000开源项目的能力,解决企业的实际问题,通过这样的比赛,可以提高参赛团队解决实际问题的能力,更快发掘具有发展前景的技术团队。
项目五:数字孪生体应用
针对不同场景的数字孪生体应用,开发团队可以采用不同的开源项目进行进一步的开发和集成。例如,如果是为了解决计算机辅助工程的问题,数字孪生体联盟正在孵化OpenCAE系统,该系统采用行业通用的开源项目来构建,能够避免对安全要求较高的行业企业使用国外企业的仿真软件带来的风险。
在前处理过程中,几何建模可以采用FreeCAD、OpenSCAD和LibreCAD等,网格划分可以采用CGAL、MeshKit和Netgen等;在求解器开发中,可以采用CalculixOpenFoam等,或者根据实际需要自主开发;在后处理过程中,数据可视化可以采用VTK,展示可以采用3D绘图协议WebGL,分析工具可以采用VisIt,这是一种交互并行可视化访问和图形分析工具,用来查看科学数据非常方便。
除了OpenCAE系统,对于其他几个应用,例如工程设计、健康监测、实时控制、预测性维护和离线分析等典型应用,都有丰富的开源项目可以加以应用,利用IOT 3000数字孪生体平台,可以有效加以设计和应用。
通过以上五个项目的建设,最终形成了IOT 3000数字孪生体解决方案,可以为不同的应用场景(如制造模式转型、智慧城市、多功能智能杆等)赋能。当然,随着不同的应用场景提出新的需求,可以补充相关应用,丰富IOT 3000数字孪生体平台生态的能力。
除此之外,数字孪生体联盟联合了近170家企事业单位,共同推进了多个领域的数字孪生体应用。不仅如此,数字孪生体联盟还与中国自动化学会、深圳工业总会、国家无线电检测中心下属单位等签订战略合作协议,在2020年共同推进了“数字孪生城市实验室”,瞄准与5G关联度较高的智能杆,加快IOT 3000平台的应用场景搭建,争取较早形成完整的数字孪生创新生态。
总体而言,数字孪生体平台生态的构建需要遵循平台经济规律,既要加强具有开放架构的数字孪生体平台搭建,尽量完善其核心功能,加强杀手级应用的开发,还要加强应用场景的开拓,扶植具有典型意义的商业模式,这对形成网络效应的平台生态具有积极作用