CN115237077A - 一种基于5g边缘计算的工业数字孪生系统 - Google Patents

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陈大为
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Abstract

本发明公开一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，包括：数字孪生平台、前端数据采集系统、5G切片网络和数字孪生管理终端；所述数字孪生平台，通过接口数据采集系统数据并通过BIM模型结合GIS数据实现场景渲染，最终形成数字孪生场景；所述前端数据采集系统，用于采集具体的生产现场传感器数据；所述5G切片网络，用于通过在边缘计算服务器内部署数据采集系统应用实现边缘侧数据清洗及转发。能实现界面直观、连接稳定、数据实时的工业数字孪生系统，来实现现场状态的实时反馈，进而实现生产的精细化管理，最终实现了工业生产数字孪生场景的建立和发布的系统。

Description

一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统
技术领域
本发明涉及工业数字孪生技术，尤其涉及一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统。
背景技术
随着工业数字化的发展，工业互联网与数字化模型的推广应用，数字孪生已经成为未来的发展趋势。在工业生产管理与控制领域，工业数字孪生系统应用仍旧处于数字化的初级阶段。目前，现场公辅环境信息的收集主要靠维检人员的手动录入，环境的动态信息依靠维检人员的现场采集。现场数据采用基于互联网的工业互联网数据采集具有延迟大、稳定性低影响，收到通信基站负载影响较大。这种情况导致了公辅环境数据监控信息的滞留与之后，阻碍了数字化手段在生产管理中的应用，提升了生产运营成本。
发明内容
为解决上述问题，需要一种界面直观、连接稳定、数据实时的工业数字孪生系统，来实现现场状态的实时反馈，进而实现生产的精细化管理，最终实现了工业生产数字孪生场景的建立和发布。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，包括：
数字孪生平台、前端数据采集系统、5G切片网络和数字孪生管理终端；
所述数字孪生平台，通过接口数据采集系统数据并通过BIM模型结合GIS数据实现场景渲染，最终形成数字孪生场景；
所述前端数据采集系统，用于采集具体的生产现场传感器数据；
所述5G 切片网络，用于通过在边缘计算服务器内部署数据采集系统应用实现边缘侧数据清洗及转发；
所述数字孪生管理终端，用于实现场景显示及操作管理功能。
进一步地，所述前端数据采集系统包括数据传感器和5G工业网关，所述数据传感器与所述5G工业网关通过有线网络进行连接；所述数据传感器用于采集现场环境信息，所述5G工业网关通过协议配置实现与所述数据传感器的数据对接。
进一步地，还包括署5G边缘计算服务器、网络交换机和数据采集系统，所述5G边缘计算服务器通过网络与所述网络交换机连接。
进一步地，所述数字孪生平台包括数字孪生服务器集群，和部署于服务器集群的数字孪生系统；
所述数字孪生服务器集群，用于由多台服务器组成并实现资源共享，为数字孪生系统运行提供计算、存储资源支撑；
所述数字孪生系统，用于实现所述数据采集系统的数据接入及模型渲染功能。
进一步地，所述数字孪生管理终端包括拼接显示屏和操作终端；所述操作终端通过网络与所述数字孪生平台连接。
进一步地，所述数字孪生系统采用云渲染方式，直接通过数字孪生服务器集群实现场景在线渲染。
本发明的有益效果是：
1）通过在5G边缘侧部署数据采集系统，解决了数据采集过程中数据预处理的问题，减少了数据采集系统与数字孪生系统之间的数据量，降低了资源占用，提升了数据传输效率。
2）通过采用5G网络切片特性实现可靠性网络应用，解决了工业场景WiFi网络数据采集传输可靠性差的问题。
3）通过服务器集群提升了系统稳定性和可靠性，可以提供更加优秀的数字孪生系统运行环境，进一步在同场景展示更多孪生体细节。
4）通过数字孪生技术结合现场实景建模和实时数据采集，可以实现生产现场的实时监控，进而实现对生产过程的监管，实现生产场景的数字孪生体构建与应用。
附图说明
图1是本发明一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统的系统框架图；
图2是本发明一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，前端数据采集系统的系统框架图；
图3是本发明一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，5G网络系统的系统架构图；
图4是本发明一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，数字孪生平台的系统架构图；
图5是本发明一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，数字孪生管理终端的系统架构图。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功能效用易于李姐，下面结合具体实施方案进一步阐述本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语上“上”、“下”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“两端”、“一段”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义李姐，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的联通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参见图1至图5，一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统,包括：
数字孪生平台3、前端数据采集系统1、5G切片网络2和数字孪生管理终端4；
所述数字孪生平台3，通过接口数据采集系统数据并通过BIM模型结合GIS数据实现场景渲染，最终形成数字孪生场景；
所述前端数据采集系统1，用于采集具体的生产现场传感器数据；
所述5G 切片网络2，用于通过在边缘计算服务器内部署数据采集系统应用实现边缘侧数据清洗及转发；
所述数字孪生管理终端4，用于实现场景显示及操作管理功能。
在本实施例中，本发明的工业数字孪生系统，应用在生产环境当中，对施工环境进行实时监管，主要应用于高可靠性、环境复杂的生产作业当中。该系统通过5G网络将各传感器数据回传。该系统中的通过5G切片技术保证稳定可靠的数据连接网络。
优选的，所述前端数据采集系统1包括数据传感器11和5G工业网关12，所述数据传感器11与所述5G工业网关12通过有线网络进行连接；所述数据传感器用于采集现场环境信息，所述5G工业网关通过协议配置实现与所述数据传感器的数据对接。
优选的，还包括署5G边缘计算服务器、网络交换机和数据采集系统，所述5G边缘计算服务器通过网络与所述网络交换机连接。
优选的，所述数字孪生平台3包括数字孪生服务器集群31，和部署于服务器集群的数字孪生系统32；
所述数字孪生服务器集群31，用于由多台服务器组成并实现资源共享，为数字孪生系统运行提供计算、存储资源支撑；
所述数字孪生系统4，用于实现所述前端数据采集系统1的数据接入及模型渲染功能。
优选的，所述数字孪生管理终端4包括拼接显示屏41和操作终端42；所述操作终端通过网络与所述数字孪生平台3连接。
优选的，所述数字孪生系统采用云渲染方式，直接通过数字孪生服务器集群实现场景在线渲染。
如图1所示，该系统主要包括前端数据采集系统1、5G网络系统2、数字孪生平台3和数字孪生管理终端4。其中前端数据采集系统用于采集具体的生产现场传感器数据。5G网络系统通过在边缘计算服务器内部署数据采集系统应用实现边缘侧数据清洗及转发。数字孪生平台通过接口数据采集系统数据并通过BIM模型结合GIS数据实现场景渲染，最终形成数字孪生场景。数字孪生管理终端实现场景显示及操作管理功能。
如图2所示，该系统的前端数据采集系统主要包括数据传感器11和5G工业网关12，数据传感器11采集现场环境信息，数据传感器11与5G工业网关通过有线网络进行连接，5G工业网关12通过协议配置实现与数据传感器11的数据对接，并通过5G网络将数据回传。
如图3所示，5G工业网关回传的数据通过运营商5G网络21回传至数据机房，数据机房内部署5G边缘计算服务器22和网络交换机23。5G边缘计算服务器内22采用容器技术部署数据采集系统221实现现场数据的汇集和转发。通过5G切片技术，传感器数据可保证稳定、及时的回传。5G边缘计算服务器通过网络与网络交换机23连接。
如图4所示，数字孪生平台包括由多台数字孪生服务器组成的数字孪生服务器集群31，和部署于服务器集群的数字孪生系统32。其中数字孪生服务器集群31由多台服务器组成并实现资源共享，为数字孪生系统运32行提供计算、存储资源支撑。数字孪生服务器集群31通过配备热备份方案可以实现系统热备份与数据热备份，当其中一台服务器发生故障时不会导致数字孪生系统32运行中断。数字孪生系统32主要实现数据采集系统221的数据接入及模型渲染功能。数字孪生系统32采用云渲染方式，直接通过数字孪生服务器集群31实现场景在线渲染。
如图5所示，数字孪生管理终端包括拼接先视频41和操作终端42。其中操作终端42通过网络与数字孪生平台连接。数字孪生操作终端42直接获取数字孪生系统32云渲染结果并于拼接线视频41进行显示。
以上描述了本专利的基本原理和主要特征和本专利的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实例的显示，上述实例和说明书中描述的只是说明本专利的原理，在不脱离本专利精神和范围的前提下，本专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本专利范围。

Claims (6)

1.一种基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，包括：
数字孪生平台、前端数据采集系统、5G切片网络和数字孪生管理终端；
所述数字孪生平台，通过接口数据采集系统数据并通过BIM模型结合GIS数据实现场景渲染，最终形成数字孪生场景；
所述前端数据采集系统，用于采集具体的生产现场传感器数据；
所述5G 切片网络，用于通过在边缘计算服务器内部署数据采集系统应用实现边缘侧数据清洗及转发；
所述数字孪生管理终端，用于实现场景显示及操作管理功能。
2.根据权利要求1所述的基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，所述前端数据采集系统包括数据传感器和5G工业网关，所述数据传感器与所述5G工业网关通过有线网络进行连接；所述数据传感器用于采集现场环境信息，所述5G工业网关通过协议配置实现与所述数据传感器的数据对接。
3.根据权利要求1所述的基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，还包括署5G边缘计算服务器、网络交换机和数据采集系统，所述5G边缘计算服务器通过网络与所述网络交换机连接。
4.根据权利要求1所述的基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生平台包括数字孪生服务器集群，和部署于服务器集群的数字孪生系统；
所述数字孪生服务器集群，用于由多台服务器组成并实现资源共享，为数字孪生系统运行提供计算、存储资源支撑；
所述数字孪生系统，用于实现所述数据采集系统的数据接入及模型渲染功能。
5.根据权利要求1所述的基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生管理终端包括拼接显示屏和操作终端；所述操作终端通过网络与所述数字孪生平台连接。
6.根据权利要求5所述的基于5G边缘计算的工业数字孪生系统，其特征在于，所述数字孪生系统采用云渲染方式，直接通过数字孪生服务器集群实现场景在线渲染。
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