CN111716353A - 一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，建立设备的OPC UA信息模型；生成OPC Server，并调用相应的OPC Client解析设备的传输协议与数据格式，统一为OPC UA协议与OPC Binary/XML的数据格式；然后建立设备的数字孪生模型，配置虚实设备单的协变数据结点；监听节点变化并调用相应的回调函数，将数据发布至数据中间件，由孪生模型中对应的数据结点订阅数据，实现虚实设备的同步运行。本发明基于的发布订阅模式实现，耦合性低，节省了大量的I/O操作，数据实时性强。
Description
技术领域
本发明属于智能制造与数字化技术领域，具体涉及一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法。
背景技术
数字孪生技术是智能制造领域的一项新兴技术，主要用于实现制造物理世界与信息世界的交互与共融，在航空航天、汽车制造、仿真测试等场景有着重要的作用。数字孪生技术有以下几个方面的应用需求：
(1)数字孪生体的建模；
(2)物理世界与信息世界的融合；
(3)物理世界与虚拟世界的同步运行；
(4)基于信息物理融合的服务应用。
目前大多数研究将数字孪生作为一个提供运行与仿真的平台，而实现仿真的方式主要是先验式的，即在运行前对产品进行先验仿真进行效果评估，而缺少基于实时信息的决策方式。同时，基于设备的运动仿真多为基于历史数据的仿真，而基于实时数据的仿真目前较少。其关键在于没有实现孪生模型与物理设备之间的虚实同步。
而实现物理设备与孪生模型的虚实同步主要有以下方面的困难：
(1)设备由于生产厂商，数据传输标准等不同，会使用不同的数据传输协议，同时定义不同的数据格式用于传输，导致传输协议的复杂化，传输数据的异构化，从而使多物理设备的数据集成愈发困难；
(2)由于需要建立物理设备与孪生模型的同步运行，必须保证数据的实时性，而其中需要产生大量的IO操作，而采用传统的关系型数据库，则会降低数据的实时性；
(3)缺少一个可靠的信息模型，实现孪生模型与物理设备的数据结点映射。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，实现孪生模型与物理设备之间的数据互通与同步运行。
本发明采用以下技术方案：
一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，包括以下步骤：
S1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPC UA信息模型；
S2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPC UA地址空间以集成数据结点；
S3、启动Web应用，生成OPC Client实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；
S4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPC UA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；
S5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹和内部机理；
S6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；
S7、基于步骤S5定义的孪生模型、步骤S1定义的OPC UA信息模型和步骤S6采用的Redis中间件定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；
S8、物理设备向Redis发布机器臂转轴的运动数据，基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。
具体的，步骤S1中，首先分析数据结点间的关联关系，用相应的语义箭头连接；基于OPC UA的Alarm&Event功能，分析设备运行过程中可能出现的警报与突发事件，建立数据与事件间的触发机制，并用语义箭头连接事件的源头结点与导向结点，实现事件触发关系的语义化；引入面向对象思想，抽象设备数据结点的共有属性，定义相应的类型结点，实现数据结点的复用。
具体的，步骤S2中，使用JAXB工具解析官方的UANodeSet.xsd，生成OPC UA的内建类型结点对应的Java文件；结合获取的Java文件，为每一种OPC UA的基本结点类型定义对应的解析程序；导入NodeSet.xml文件，解析OPC UA信息模型，获取结点点集；在OPC UA中定义一个机器人专属的地址空间类RobotNamespace，以实现设备信息模型到OPC Server的集成，地址空间包含的信息包括：设备在OPC UA中的特定URI，服务器节点信息，设备结点信息，订阅管理；定义一个证书生成器，按照X509加密算法生成Server/Client验证证书；添加OPC Server的配置信息，加密OPC的Client/Server传输信道；启动Server。
具体的，步骤S3中，Web应用以Spring Boot作为后台开发环境；读取证书生成器生成的Client证书文件，Client依据证书中所支持的服务器端点，查找匹配的Server，进行数据的读写操作；每个Client单独负责一项功能；可以只生成一个OPC Client用于读写设备数据，另一个OPC Client用于实现OPC UA的发布/订阅功能；或指定多个Client，为设备的某个部件数据的采集分配对应的OPC Clien。
具体的，步骤S4具体为：
S401、机器臂的内部传感器与微处理器形成内部系统，采集机器臂的运动节点数据，以以太网的方式向外界传输数据；
S402、机器臂以TCP传输协议，由上位机发送请求与机器臂内服务器交互获取数据，数据转发的格式为JSON；
S403、依据服务请求的不同类别，返回的数据格式包括实时转动角数据和6轴的转动角速度，选择获取机器臂6轴的实时转动角；
S404、解析获取到的JSON数据，提取6轴的转动角生数据；
S405、对生数据进行包装，OPC UA接受Variant类型的实例作为写入对象，Variant可以将基本类型转换为OPC UA的内建类型，实现异构数据到OPC Binary的转换；
S406、调用负责写入的OPC Client，将采集到的数据写入OPC Server中对应的数据结点里；
S407、不同结点拥有不同且唯一的NodeId，OPC Client所有的读写、发布订阅操作都是基于结点特有的NodeId实现的；
S408、调用负责读取的OPC Client，调用OPC UA定义的读取服务函数，输入结点的NodeId，读取对应的结点数据，OPC UA的数据在程序中以DataValue的形式封装，调用对应方法获取其内部的基本类型数据。
具体的，步骤S5中，基于SolidWorks实现机器臂的建模，将机器臂的各个转动轴、基座模型解构，并将各个部件导出为VRML格式；将导出的VRML格式的运动部件粗糙化，降低部件表面的点云结点数量。
具体的，步骤S7具体为：
S701、在Webots中提供一个载物平台用于承载机器臂模型；
S702、将VRML格式的部件逐个导入Webots中，按照原本的设备外形进行组装，组装的过程中，各个设备的交界处设置连接的铰链节点，铰链节点将作为机器臂各转轴旋转的相对基准轴，与机器臂基座交界的铰链节点将作为绝对基准轴；
S703、为每个运动轴配置相应的运动电机，以实现对于运动轴的转动角和转动速度的控制；
S704、运动电机应该与机器臂的信息模型中的Axis结点对应，转动角对于其ActualPosition，转动速度对于其ActualSpeed；
S705、转轴的运动电机承担数据协变结点的责任，使数字孪生模型与物理设备实现数据交互；
S706、基于设备的技术参数，设定最大的转动范围，转动超过最大范围会引起警报，数字孪生模型建立完毕。
具体的，步骤S8中，调用负责发布/订阅功能的OPC Client，订阅每一个机器臂的转轴数据，具体步骤如下：
S801、调用Client的SubscriptionManager创建一个50ms的间隔的订阅请求，Client间隔50ms发布一次数据，将机器臂的协变数据数据结点作为发布/订阅的监听节点；
S802、当OPC Client将从机器臂中获取到数据写入OPC Server，令OPC Server内部存储的结点数据发生变化时，若数据变动的结点为监听节点，将变化的数据发布；
S803、监听的数据结点选择Axis对象的ActualPosition与ActualSpeed，Axis轴代表机器臂的各个转动轴；
S804、为每一个订阅操作分配独占的clientHandle作为订阅标识；
S805、配置监听参数；
S806、定义回调函数，回调函数接受OPC UA定义的DataValue作为参数对象，代表OPC UA所发布的数据值，解构DataValue，获取其基本类型值，将对应的值转换为字符串类型，调用Jedis库中的发布方法将字符串数据发布到Redis的对应频道中；
S807、重复步骤S801～S806，直到完成对于所有监听结点的发布/订阅配置。
进一步的，步骤S805中，配置监听参数为：采样时间为50ms，过滤规则为null，发布队列大小设置为10。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，采用发布/订阅模式实现数据同步，避免了传统方法因产生大量I/O操作而降低了程序的运行效率，同时可以降低发布者与订阅者之间的耦合性，两者可以处于不同的生产环境；基于OPC UA协议实现协议与数据的标准化，解决了生产环境中数据集成困难，协议解析复杂等问题，使孪生模型与物理设备基于统一的传输协议和数据格式进行交互；引入Redis作为数据中间件，Redis以内存作为数据I/O的载体，相较于传统的同步策略中采用MySQL等关系型数据库作为中间件，Redis的读写速度可以达到2W次/秒，时延小，支持发布订阅功能，适合同步运行方法对于数据实时性的要求；实现了运动层面的同步，这种运动的同步是基于实时数据的运动同步，而不是传统方法基于仿真的实现，运动的实时性更好，并且避免了仿真过程所带来的大量的计算开销。
进一步的，建立了设备数据结点的语义化网络，使数据的描述得到标准化，为虚实数据的映射提供了可靠的信息模型。
进一步的，将设备的信息模型导入OPC Server中，可以通过调用对应的OPCClient实现数据的读、写订阅等操作。
进一步的，生成OPC Client实例，采集设备的数据，写入OPC Server中，或读取OPCServer中的数据。
进一步的，通过多协议解析与异构数据的标准化，有效地解决了复杂生产环境中的数据集成困难的问题，是实现同步运行的必要前提。
进一步的，建立设备的孪生模型，用于映射物理设备的运动、机理等信息，孪生模型的建立是实现数字孪生的内在要求。
进一步的，定义孪生模型的协变数据结点，订阅来自物理设备的数据，并更新自身运动状态，以实现虚实同步运行。
进一步的，基于发布/订阅模式，实现了物理设备与孪生模型的解耦，物理设备与孪生模型处于不同的生产环境，基于中间件Redis实现数据的推送。Redis的数据交互基于内存实现，数据实时性好，有效提升了虚实设备同步运行的效果。
综上所述，本发明采用发布/订阅模式实现数据同步，实现孪生模型与物理设备之间的数据互通与同步运行，运动实时性好，避免了仿真过程带来的大量计算开销。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的整体架构图；
图3为机器人的OPC UA信息模型图；
图4为孪生模型的仿真界面图；
图5为数据的发布时间与订阅时间的时间差折线图。
具体实施方式
本发明提供了一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，建立设备的OPC UA信息模型；生成OPC Server，并调用相应的OPC Client解析设备的传输协议与数据格式，统一为OPC UA协议与OPC Binary/XML的数据格式；然后建立设备的数字孪生模型，配置虚实设备单的协变数据结点；监听节点变化并调用相应的回调函数，将数据发布至数据中间件，由孪生模型中对应的数据结点订阅数据，实现虚实设备的同步运行。本发明基于的发布订阅模式实现，耦合性低，节省了大量的I/O操作，数据实时性强。
请参阅图1和图2，本发明一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，包括以下步骤：
S1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPC UA信息模型；
首先需要分析数据结点间的关联关系，用相应的语义箭头连接。可能的关系有包含(以Organize组织，组织的结点类型为Object)，类型定义(以hasTypeDefinition组织，组织的结点类型为ObjectType，VariableType等)，以及结点自身属性(以hasComponent与hasProperty组织，组织的结点类型为Variable，Property)；
其次，基于OPC UA的Alarm&Event功能，分析设备运行过程中可能出现的警报与突发事件，建立数据与事件间的触发机制，并用语义箭头连接事件的源头结点与导向结点，实现事件触发关系的语义化；
引入面向对象思想，抽象设备数据结点的共有属性，定义相应的类型结点(ObjectType，VariableType，ReferenceType等)，实现数据结点的复用；
结合上述建模思想，以6轴机器人作为具体的研究对象，建立标准机器人信息模型如图3所示，考虑了机器人的电机设备、控制器与安全状态等；
电机设备(MotorDevice)中，主要是以轴(Axis)作为数据的协变结点，其变量包含运动轴的当前位置数据(ActualPosition)与当前速度(ActualSpeed)，用以同步机器人的运动状态；
此外，机器人的控制器定义了其控制软件(Software)，执行任务(Execution)以及其传输协议(Protocol)。传输协议结点内部定义了设备的连接方式(Connection)与传输数据的格式(DataFormat)。OPC UA将负责将多设备的样化传输协议与数据格式统一。
S2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPC UA地址空间以集成数据结点；
根据步骤S1得到的机器人信息模型，通过opcua-modeler建立并将信息模型导出为NodeSet.xml文件，文件中包含所有的结点类型信息，结点的NodeId，权限信息，默认值等。
使用JAXB工具解析官方的UANodeSet.xsd，生成OPC UA的内建类型结点对应的Java文件；
结合上一步中获取的Java文件，为每一种OPC UA的基本结点类型(Object，Variable，Property，Reference等)定义对应的解析程序；
结合上一步中得到的解析程序，导入NodeSet.xml文件，解析OPC UA信息模型，获取结点点集。在OPC UA中定义一个机器人专属的地址空间类RobotNamespace，以实现设备信息模型到OPC Server的集成，地址空间包含的信息包括：设备在OPC UA中的特定URI，服务器节点信息，设备结点信息，订阅管理等；
定义一个证书生成器，按照X509加密算法生成Server/Client验证证书；
添加OPC Server的配置信息，如服务器端点，Server验证证书，HTTPS通讯密钥对等，加密OPC的Client/Server传输信道，保证数据传输的安全性；
启动Server；
S3、启动Web应用，生成OPC Client实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；
其中，Web应用以Spring Boot作为后台开发环境；
首先，读取证书生成器生成的Client证书文件，Client依据证书中所支持的服务器端点，查找匹配的Server，进行数据的读写等操作；
由于每次调用Client会阻塞其对应线程，因此让每个Client单独负责一项功能，保证多线程环境下读写数据的一致性；
当需要同步的结点数据较少，可以只生成一个OPC Client用于读写设备数据，另一个OPC Client用于实现OPC UA的发布/订阅功能；
若设备结点数目过多时，也可以指定多个Client，为设备的某个部件数据的采集分配对应的OPC Clien。
S4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPC UA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；
机器臂的内部传感器与微处理器形成了一套内部系统，不断采集机器臂的运动节点数据，以以太网的方式向外界传输数据；
机器臂的传输协议为TCP协议，由上位机发送请求与机器臂内服务器交互，从而获取数据，数据转发的格式为JSON；
依据服务请求的不同类别，返回的数据格式可以包括：实时转动角数据，6轴的转动角速度等，这里我们选择获取机器臂6轴的实时转动角；
解析获取到的JSON数据，提取6轴的转动角生数据；
对生数据进行包装，OPC UA接受Variant类型的实例作为写入对象，Variant可以将基本类型转换为OPC UA的内建类型，实现异构数据到OPC Binary的转换；
调用负责写入的OPC Client，将采集到的数据写入OPC Server中对应的数据结点里，在这里结点代表的是：
Robot→MotionDevice→Axis→ActualPosition；
不同结点拥有不同且唯一的NodeId，OPC Client所有的读写、发布订阅操作都是基于结点特有的NodeId实现的；
上述步骤实现了机器臂的特有传输协议到OPC UA的转换，数据由机器臂定义的JSON数据格式统一为OPC Binary格式，由每个数据结点对应设备某个部件中的属性值；
存储在OPC Server中的数据一般不会长久保存，对于需要后期分析的数据，如机器臂转轴的受力优化分析，需要转动轴的扭矩和受力等，需要为数据结点设置其Historizng属性，开启对于历史数据的记录；
需要获取OPC Server中存储的数据，只需要调用负责读取的OPC Client，调用OPCUA定义的读取服务函数，输入结点的NodeId，即可读取对应的结点数据，OPC UA的数据在程序中以DataValue的形式封装，可以调用对应方法获取其内部的基本类型(整型、浮点型、字符串等)数据。
S5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹，内部机理等；
基于SolidWorks实现机器臂的建模，将机器臂的各个转动轴、基座等模型解构，并将各个部件导出为VRML格式；
将导出的VRML格式的运动部件粗糙化，降低部件表面的点云结点数量，提升仿真运动的效率。
S6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；
打开操作系统中的Redis服务应用，设置其IP为127.0.0.1，端口为6379；
Redis提供一个数据通道，使物理设备中的数据可以发布到这条通道上，并由孪生模型订阅获取。
S7、基于步骤S5中定义的孪生模型、步骤S1中定义的OPC UA信息模型和步骤S6中采用的Redis中间件中，定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；
首先在Webots中提供一个基本的载物平台，用于承载机器臂模型；
将VRML格式的部件逐个导入到Webots中，按照原本的设备外形进行组装，组装的过程中，注意在各个设备的交界处设置连接的铰链节点(HingeJoint)，铰链节点将作为机器臂各转轴旋转的相对基准轴，与机器臂基座交界的铰链节点将作为绝对基准轴；
为每个运动轴配置相应的运动电机(Motor)，以实现对于运动轴的转动角和转动速度的控制；
运动电机应该与机器臂的信息模型中的Axis结点对应，转动角对于其ActualPosition，转动速度对于其ActualSpeed；
转轴的运动电机实际承担了数据协变结点的责任，使数字孪生模型与物理设备实现数据交互；
基于设备的技术参数，设定其最大的转动范围，转动超过最大范围会引起警报；
至此，数字孪生模型建立完毕；
S8、基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，同时，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。
调用负责发布/订阅功能的OPC Client，订阅每一个机器臂的转轴数据，具体步骤如下：
S801、调用Client的SubscriptionManager创建一个50ms的间隔的订阅请求，Client会间隔50ms发布一次数据，将机器臂的协变数据数据结点作为发布/订阅的监听节点；
S802、当OPC Client将从机器臂中获取到数据写入OPC Server，令OPC Server内部存储的结点数据发生变化时，若数据变动的结点为监听节点，会将变化的数据进行发布；
S803、监听的数据结点选择Axis对象的ActualPosition与ActualSpeed，Axis轴代表机器臂的各个转动轴；
S804、为每一个订阅操作分配一个独占的clientHandle作为其订阅标识；
S805、配置监听参数：采样时间为50ms，过滤规则为null，发布队列大小设置为10；
S806、定义回调函数，回调函数接受OPC UA定义的DataValue作为参数对象，代表OPC UA所发布的数据值，解构DataValue，获取其基本类型值，由于Redis中非String类型的值将被序列化为二进制码，不利于调试，因此将对应的值转换为字符串类型，调用Jedis库中的发布方法将字符串数据发布到Redis的对应频道中；
S807、重复S801～S806，直到完成对于所有监听结点的发布/订阅配置。
孪生模型的控制器程序中，首先需要获取机器臂的Robot实例；
从获取的Robot的实例中提取对应的运动电机对象(Motor)，通过调用电机的setPosition，setVelocity方法设置机器臂孪生模型的转动角与转速；
由于是基于Redis中间件实现，孪生模型可以与物理设备处于不同的生产环境，消息基于Redis转发，实现物理设备与孪生模型的解耦；
在孪生模型的控制器程序中创建一个线程用于订阅Redis中对应的频道，频道与OPC UA模型中的NodeId一一对应，以获取OPC UA信息模型中对应的物理设备数据结点所的运动数据；
根据频道的数量，定义合适的线程数，Webots支持最大4个线程同时运行；
启动程序，物理设备将会向Redis不断发布机器臂转轴的运动数据。孪生模型订阅这些数据，并根据订阅数据更新自身运动状态，从而实现了物理设备与孪生模型的虚实同步运行。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图4，基于上述方案，建立实验如下：
(1)记录物理设备发布数据的时间t1；
(2)记录孪生模型收到订阅数据的时间t2；
(3)记录两个时间的差值(t2-t1)；
请参阅图5，实验共记录2万组的数据进行对比，平均时间差为59.45ms，平均最大时间差在100ms以内，满足生产过程中数据实时性的要求，取得了较好的虚实同步效果。
综上所述，本发明一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，虚实设备具有良好的数据同步效果；基于中间件实现数据的通信，耦合性低，可以应用于不同的生产场景；解决了生产过程中由于多协议与异构数据所导致的数据集成困难等问题。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据物理设备的工程参数、当前工况以及虚实结点映射关系建立OPC UA信息模型；
S2、基于步骤S1中的信息模型，使用opcua-modeler将设备信息模型导出为XML文件，解析XML文件，反序列化生成结点集，生成一个OPC UA地址空间以集成数据结点；
S3、启动Web应用，生成OPC Client实例，用于实现数据的读、写与发布/订阅功能；
S4、定义数据协议标准化模块，实现设备传输协议到OPC UA的转换，统一数据格式，实现生产环境中的多协议解析与多源异构数据的标准化；
S5、基于物理设备的运动特征与尺寸外形，建立其对应的数字孪生体，以映射物理设备的运动轨迹和内部机理；
S6、基于一个数据中间件Redis，建立物理设备和孪生模型的数据联结；
S7、基于步骤S5定义的孪生模型、步骤S1定义的OPC UA信息模型和步骤S6采用的Redis中间件定义物理模型与孪生模型的协变数据结点；
S8、物理设备向Redis发布机器臂转轴的运动数据，基于发布/订阅模式，实现物理设备到孪生模型的数据推送，孪生模型根据接收到的订阅数据，更新运动状态，实现物理设备与孪生模型的同步运行。
2.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S1中，首先分析数据结点间的关联关系，用相应的语义箭头连接；基于OPC UA的Alarm&Event功能，分析设备运行过程中可能出现的警报与突发事件，建立数据与事件间的触发机制，并用语义箭头连接事件的源头结点与导向结点，实现事件触发关系的语义化；引入面向对象思想，抽象设备数据结点的共有属性，定义相应的类型结点，实现数据结点的复用。
3.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S2中，使用JAXB工具解析官方的UANodeSet.xsd，生成OPC UA的内建类型结点对应的Java文件；结合获取的Java文件，为每一种OPC UA的基本结点类型定义对应的解析程序；导入NodeSet.xml文件，解析OPC UA信息模型，获取结点点集；在OPC UA中定义一个机器人专属的地址空间类RobotNamespace，以实现设备信息模型到OPC Server的集成，地址空间包含的信息包括：设备在OPC UA中的特定URI，服务器节点信息，设备结点信息，订阅管理；定义一个证书生成器，按照X509加密算法生成Server/Client验证证书；添加OPC Server的配置信息，加密OPC的Client/Server传输信道；启动Server。
4.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S3中，Web应用以Spring Boot作为后台开发环境；读取证书生成器生成的Client证书文件，Client依据证书中所支持的服务器端点，查找匹配的Server，进行数据的读写操作；每个Client单独负责一项功能；可以只生成一个OPC Client用于读写设备数据，另一个OPC Client用于实现OPC UA的发布/订阅功能；或指定多个Client，为设备的某个部件数据的采集分配对应的OPC Clien。
5.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S4具体为：
S401、机器臂的内部传感器与微处理器形成内部系统，采集机器臂的运动节点数据，以以太网的方式向外界传输数据；
S402、机器臂以TCP传输协议，由上位机发送请求与机器臂内服务器交互获取数据，数据转发的格式为JSON；
S403、依据服务请求的不同类别，返回的数据格式包括实时转动角数据和6轴的转动角速度，选择获取机器臂6轴的实时转动角；
S404、解析获取到的JSON数据，提取6轴的转动角生数据；
S405、对生数据进行包装，OPC UA接受Variant类型的实例作为写入对象，Variant可以将基本类型转换为OPC UA的内建类型，实现异构数据到OPC Binary的转换；
S406、调用负责写入的OPC Client，将采集到的数据写入OPC Server中对应的数据结点里；
S407、不同结点拥有不同且唯一的NodeId，OPC Client所有的读写、发布订阅操作都是基于结点特有的NodeId实现的；
S408、调用负责读取的OPC Client，调用OPC UA定义的读取服务函数，输入结点的NodeId，读取对应的结点数据，OPC UA的数据在程序中以DataValue的形式封装，调用对应方法获取其内部的基本类型数据。
6.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S5中，基于SolidWorks实现机器臂的建模，将机器臂的各个转动轴、基座模型解构，并将各个部件导出为VRML格式；将导出的VRML格式的运动部件粗糙化，降低部件表面的点云结点数量。
7.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S7具体为：
S701、在Webots中提供一个载物平台用于承载机器臂模型；
S702、将VRML格式的部件逐个导入Webots中，按照原本的设备外形进行组装，组装的过程中，各个设备的交界处设置连接的铰链节点，铰链节点将作为机器臂各转轴旋转的相对基准轴，与机器臂基座交界的铰链节点将作为绝对基准轴；
S703、为每个运动轴配置相应的运动电机，以实现对于运动轴的转动角和转动速度的控制；
S704、运动电机应该与机器臂的信息模型中的Axis结点对应，转动角对于其ActualPosition，转动速度对于其ActualSpeed；
S705、转轴的运动电机承担数据协变结点的责任，使数字孪生模型与物理设备实现数据交互；
S706、基于设备的技术参数，设定最大的转动范围，转动超过最大范围会引起警报，数字孪生模型建立完毕。
8.根据权利要求1所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S8中，调用负责发布/订阅功能的OPC Client，订阅每一个机器臂的转轴数据，具体步骤如下：
S801、调用Client的SubscriptionManager创建一个50ms的间隔的订阅请求，Client间隔50ms发布一次数据，将机器臂的协变数据数据结点作为发布/订阅的监听节点；
S802、当OPC Client将从机器臂中获取到数据写入OPC Server，令OPC Server内部存储的结点数据发生变化时，若数据变动的结点为监听节点，将变化的数据发布；
S803、监听的数据结点选择Axis对象的ActualPosition与ActualSpeed，Axis轴代表机器臂的各个转动轴；
S804、为每一个订阅操作分配独占的clientHandle作为订阅标识；
S805、配置监听参数；
S806、定义回调函数，回调函数接受OPC UA定义的DataValue作为参数对象，代表OPCUA所发布的数据值，解构DataValue，获取其基本类型值，将对应的值转换为字符串类型，调用Jedis库中的发布方法将字符串数据发布到Redis的对应频道中；
S807、重复步骤S801～S806，直到完成对于所有监听结点的发布/订阅配置。
9.根据权利要求8所述的基于发布/订阅模式的数字孪生虚实同步运行方法，其特征在于，步骤S805中，配置监听参数为：采样时间为50ms，过滤规则为null，发布队列大小设置为10。
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