張慶海，武鵬偉，趙正旭

(1.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266520; 2.石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

以中國天眼為代表的大型射電望遠(yuǎn)鏡能夠幫助天文領(lǐng)域科研工作者進(jìn)行研究探索、實(shí)驗(yàn)論證，提高了我國相關(guān)學(xué)科的技術(shù)水平和自主創(chuàng)新能力。然而，由于體積龐大、精密性高，對中國天眼采用人工操控或半自動化管控方式必將費(fèi)時費(fèi)力、不切實(shí)際；另一方面，由于大型射電望遠(yuǎn)鏡所處區(qū)域需要無線電靜默，并且管理人員人工作業(yè)范圍受限或不能隨意進(jìn)出，如何進(jìn)行實(shí)時監(jiān)管成為一個難題。然而，傳統(tǒng)的自動化管控方法只通過儀表盤等方式展示，這種方式交互性差，缺少直觀的三維可視化效果。

針對以上問題，近年來雖然眾多學(xué)者在大型射電望遠(yuǎn)鏡管控與維護(hù)方面進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐，以尋求更加有效的方式監(jiān)管射電望遠(yuǎn)鏡，然而其所提方法普遍存在實(shí)時性低、可視化效果差、交互性不強(qiáng)等問題，更無法進(jìn)行全生命周期監(jiān)管，達(dá)不到預(yù)期的效果。例如趙正旭等[1]針對阿雷西博望遠(yuǎn)鏡監(jiān)管中的不足，提出使用數(shù)字化建模和VR虛擬展示技術(shù)對中國天眼進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲和保護(hù)，但并未提出如何對其進(jìn)行管理和維護(hù)；金曉飛[2]采用MATLAB和ANSYS軟件對中國天眼反射面、鋼絞線、鋼拉桿等設(shè)施進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，設(shè)計開發(fā)出中國天眼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對中國天眼的可視化監(jiān)測，但是存在交互性弱、自動化水平低等問題；孫才紅等[3]使用傳感器等裝置對中國天眼饋源艙支撐系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲與分析評估，并結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)評估中國天眼的健康狀態(tài)，但是存在實(shí)時性差、可視化程度低等問題；吳碧羽等[4]為提高中國天眼的觀測效率和易用性，設(shè)計開發(fā)了中國天眼觀測系統(tǒng)，以管控觀測過程，但是仍然存在自動化程度低等問題；高占鳳[5]使用光纖、溫度傳感器等采集大型結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用基于虛擬儀器技術(shù)、以數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)為核心的軟件平臺進(jìn)行健康診斷維護(hù)，然而該方法不具備良好的交互性，無法實(shí)時可視化展示效果，在系統(tǒng)控制方面，這種方法是單向的，不具有對大型結(jié)構(gòu)設(shè)施的反向控制行為，自動化效果較差。以上研究或者在交互性、實(shí)時可視化監(jiān)管等方面效率低下，不能實(shí)時反饋中國天眼這一大型射電望遠(yuǎn)鏡零部件結(jié)構(gòu)的健康信息和整體的運(yùn)行狀態(tài)；或者系統(tǒng)的自動化程度低，無法做到實(shí)時可視化與自動化的有效統(tǒng)一。

數(shù)字孿生(digital twin)的出現(xiàn)，為解決中國天眼這一大型射電望遠(yuǎn)鏡管理上交互性差、自動化水平低、可視化不強(qiáng)等問題提供了一種思路，其將物理實(shí)體和虛擬化的三維模型進(jìn)行有效映射，以實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體的全生命周期控制，達(dá)到監(jiān)管、診斷、預(yù)測的目的。目前，數(shù)字孿生技術(shù)的研究和應(yīng)用主要集中在產(chǎn)品的設(shè)計、制造、運(yùn)行以及后期的管理運(yùn)維等方面[6]。陶飛等[7]在對數(shù)字孿生技術(shù)進(jìn)行分析描述后，將其應(yīng)用到車間管理上，對未來車間管控提出了一種新的模式；范海東[8]分析了電廠體系結(jié)構(gòu)，提出采用數(shù)字孿生技術(shù)對電廠進(jìn)行智能決策、控制與監(jiān)管；Oyekan等[9]采用計算機(jī)視覺技術(shù)對航空飛機(jī)的發(fā)動機(jī)葉片進(jìn)行虛擬建模，采用數(shù)字孿生技術(shù)對飛機(jī)進(jìn)行管理和維護(hù)；Brosinsky等[10]在傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中加入數(shù)字孿生的理念，實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的自動化控制，并對應(yīng)急策略進(jìn)行評估，有效提高了電力系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)控能力。

綜上所述，針對中國天眼這一大型射電望遠(yuǎn)鏡自動化管理程度低、運(yùn)維實(shí)時性差、操控中交互性不強(qiáng)、可視化程度低等問題，本文提出以智能感知為基本處理單元的數(shù)字孿生系統(tǒng)實(shí)時操控模型，實(shí)現(xiàn)對中國天眼的實(shí)時性監(jiān)管、交互控制，以及預(yù)測性維護(hù)、管理等功能。

1 孿生系統(tǒng)理論模型

數(shù)字孿生也稱為數(shù)字雙胞胎、數(shù)字鏡像、數(shù)字孿生體，起源于2003年密歇根大學(xué)Dr. Michael Grieves教授[11]講授的PLM(product manufacturing information)課程，其提出的“與物理產(chǎn)品等價的虛擬數(shù)字化”概念被認(rèn)為是數(shù)字孿生技術(shù)的開端。Dr. Michael Grieves教授在專著《Virtually Perfect:Driving Innovative and Lean Products through Product Lifecycle Management》[12]中引用了由John Vickers提出的數(shù)字孿生概念，并一直沿用至今。近年來興起了數(shù)字孿生技術(shù)的研究熱潮，世界著名的信息技術(shù)研究和分析公司Gartner連續(xù)幾年將數(shù)字孿生評為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，專家學(xué)者已將該技術(shù)應(yīng)用到生產(chǎn)車間[7,13]、電力[14]、智慧城市[15]和航空[9,16]等領(lǐng)域。數(shù)字孿生技術(shù)經(jīng)典理論模型將數(shù)字孿生分為物理實(shí)體、虛擬實(shí)體以及二者之間的連接3個維度，構(gòu)建了“虛”與“實(shí)”之間的映射關(guān)系。陶飛等[17]在此基礎(chǔ)上增添了孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)兩個維度，提出數(shù)字孿生五維理論模型，其中孿生數(shù)據(jù)融合了信息數(shù)據(jù)和物理數(shù)據(jù)，滿足信息空間與物理空間的一致性；服務(wù)將不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行封裝并以軟件的方式提供給用戶[17]。在信息物理系統(tǒng)CPS 5C理論模型[18]中，將信息物理系統(tǒng)(Cyber Physical System，CPS)，體系架構(gòu)分為智能感知層(smart connection level)、數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換層(data-to-information conversion level)、網(wǎng)絡(luò)層(cyber level)、認(rèn)知層(cognition level)和配置層(configurationlevel)5部分。本文參考數(shù)字孿生五維模型[17]架構(gòu)和CPS 5C模型[18]中智能感知層的概念，提出基于大型射電望遠(yuǎn)鏡的數(shù)字孿生實(shí)時操控理論模型，并以中國天眼作為案例對該理論模型進(jìn)行分析：

FDT=(PF,VF,Ss,DD,SC,CN)。

(1)

式中：FDT為天眼理論模型；PF為物理天眼；VF為虛擬天眼；Ss為服務(wù)；DD為孿生數(shù)據(jù)；SC為智能感知；CN為連接。中國天眼數(shù)字孿生實(shí)時操控六維模型的各維度關(guān)系如圖1所示。

(1)物理天眼PF 是數(shù)字孿生系統(tǒng)六維模型中的基礎(chǔ)。按功能、結(jié)構(gòu)可將中國天眼劃分為部件級、單元級、系統(tǒng)級3個層次。以反射面系統(tǒng)為例，反射面系統(tǒng)由4 450個邊長為11m左右的三角形面板組成，每一反射面板由上下兩層三角形背架支撐，并與2 225個下拉索和促動器連接。促動器伸縮將牽引反射面發(fā)生形變，使反射面系統(tǒng)在200 m直徑范圍內(nèi)由球面形變?yōu)閽佄锩?，從而將外太空脈沖信號聚焦到拋物面焦點(diǎn)饋源艙處。其中，單個反射面板、三角形背架以及下拉索、促動器為整個反射面系統(tǒng)的部件級，單元級則為上述4個部件級結(jié)合形成的聯(lián)動單元，4 000多個聯(lián)動單元組成整個反射面系統(tǒng)。除了反射面系統(tǒng)外，還有饋源艙系統(tǒng)、支撐塔系統(tǒng)、機(jī)電控制系統(tǒng)等，共同組成了整個中國天眼的物理實(shí)體PF。

(2)虛擬天眼VF 主要通過三維建模技術(shù)將物理天眼PF的屬性參數(shù)(尺寸、規(guī)格、材質(zhì)、位置、關(guān)聯(lián)、功能、結(jié)構(gòu)、建造時間、設(shè)計者、制造者、管理者等)與運(yùn)行參數(shù)(角度、位置、溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、雨水酸堿度、光強(qiáng)、可見度、頻率、信號強(qiáng)度、觀測時間、方位、速度、姿態(tài)、運(yùn)行軌跡等)進(jìn)行實(shí)時映射，使VF在結(jié)構(gòu)特征、功能特征和運(yùn)行狀態(tài)上與PF保持一致。采用手動建模和Python自動化建模技術(shù)構(gòu)建VF虛擬模型；采用并行渲染算法、多層次細(xì)節(jié)(Levels of Detail，LOD)、即時遮擋剔除(Instant Occlusion Culling，IOC)等技術(shù)對虛擬模型進(jìn)行渲染和場景展示；采用多感官、多維度儀器設(shè)備進(jìn)行交互設(shè)計，增加用戶的體驗(yàn)感和浸入感。

(3)服務(wù)Ss 指中國天眼數(shù)字孿生系統(tǒng)FDT提供給用戶的各種功能和服務(wù)的總和，用于保持系統(tǒng)內(nèi)部正常運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)面向?qū)ο蟮牟煌?，將Ss分為功能性服務(wù)(function service)和業(yè)務(wù)性服務(wù)(business service)。

功能性服務(wù)指將中國天眼數(shù)字孿生系統(tǒng)FDT中所有數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)特征、三維模型、觀測任務(wù)、數(shù)據(jù)挖掘、行為預(yù)測、健康診斷、維護(hù)策略等進(jìn)行整合，以中間件的形式支撐業(yè)務(wù)性服務(wù)。功能性服務(wù)主要包括4方面：①面向?qū)\生數(shù)據(jù)的服務(wù)，主要對脈沖信號接收裝置、傳感器、采集卡等采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合、存儲和分析挖掘，總結(jié)出有用的經(jīng)驗(yàn)，為中國天眼管控提供指導(dǎo)；②面向虛擬天眼VF的服務(wù)，主要對中國天眼進(jìn)行三維虛擬建模，對模型進(jìn)行仿真，并在時空上對虛擬模型進(jìn)行推演，預(yù)測中國天眼運(yùn)行的健康狀態(tài)；③面向連接CN的服務(wù)，主要在無線電靜默條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸、加密、解密和接口服務(wù)等；④面向智能感知SC的服務(wù)，主要對中國天眼的突發(fā)狀況進(jìn)行預(yù)警和緊急處理，分析處理觀測信號并對饋源艙位姿進(jìn)行智能控制，以及對部件級設(shè)備進(jìn)行健康診斷與維護(hù)。

業(yè)務(wù)性服務(wù)指以功能性服務(wù)為支撐，對FS進(jìn)行分析、組合、優(yōu)化、集成后提供給不同用戶(如參觀者、管理者、科研人員等)操作的應(yīng)用程序，并以不同形式進(jìn)行展現(xiàn)。使用者不需要考慮數(shù)字孿生背后的技術(shù)，減少了學(xué)習(xí)時長，從而能夠輕松地與系統(tǒng)進(jìn)行交互操作。業(yè)務(wù)性服務(wù)主要包括：①面向參觀者的科普性服務(wù)，包括介紹中國天眼的外觀、結(jié)構(gòu)功能，講解中國天眼的運(yùn)行機(jī)制，利用VR等技術(shù)使參觀者在虛擬環(huán)境中漫游等；②面向管理者的監(jiān)管服務(wù)，包括天眼運(yùn)行的操作、維護(hù)、修理、健康診斷、仿真預(yù)測和決策等；③面向科研人員的觀測服務(wù)，包括分析預(yù)測觀測時間和方位，分配觀測任務(wù)，記錄、分析和處理脈沖星的觀測數(shù)據(jù)等。

(4)孿生數(shù)據(jù)DD 為數(shù)字孿生系統(tǒng)的基石，也是整個數(shù)字孿生系統(tǒng)的血脈，用于驅(qū)動數(shù)字孿生系統(tǒng)正常運(yùn)行。孿生數(shù)據(jù)主要包括PF數(shù)據(jù)(Dp)、VF數(shù)據(jù)(Dv)、SC數(shù)據(jù)(Dc)、Ss數(shù)據(jù)(Ds)，和融合數(shù)據(jù)(Dr)，即

DD=(Dp,Dv,Dc,Ds,Dr)。

(2)

式中：Dp包括PF的尺寸、規(guī)格、材質(zhì)、位置、關(guān)聯(lián)、功能、結(jié)構(gòu)、建造時間、設(shè)計者、制造者、管理者等屬性數(shù)據(jù)，以及能夠表征其運(yùn)行狀態(tài)和突發(fā)性故障的狀態(tài)過程數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)主要通過設(shè)計圖紙、建造圖紙或?qū)嵉販y量等方式獲取，狀態(tài)過程數(shù)據(jù)通過信號收集裝置、傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、采集卡等采集，并通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(如OLE for Process Control Unified Architecture、OPC UA、制造報文規(guī)范(Manufacturing Message Specification，MMS)等)傳輸。Dv為VF的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括幾何尺寸、位置、材質(zhì)、屬性、渲染貼圖、紋理、約束、關(guān)聯(lián)關(guān)系等模型數(shù)據(jù)，以及對模型進(jìn)行仿真、評估、推演的預(yù)測性數(shù)據(jù)。Dc主要是智能感知的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括故障診斷、智能控制、決策命令和決策算法、健康狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)。Ds是Ss的相關(guān)數(shù)據(jù)，包括功能性服務(wù)數(shù)據(jù)(如建模仿真、清洗、融合的相關(guān)數(shù)據(jù))和業(yè)務(wù)性數(shù)據(jù)(如決策數(shù)據(jù)、觀測數(shù)據(jù)等)。Dr是對Dp，Dv，Dc，Ds進(jìn)行融合、處理、分類、集成，并跨時空進(jìn)行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)和數(shù)據(jù)挖掘得到的衍生數(shù)據(jù)，用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)增值。

(5)智能感知SC 為FDT預(yù)處理感知維，其對傳感器采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，將部分決策權(quán)限從應(yīng)用層管理人員交付給數(shù)字孿生系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)邊緣設(shè)備進(jìn)行處理，不僅能夠減少由傳輸時延、人為反應(yīng)時差造成的災(zāi)難，還能夠減少應(yīng)用層的計算壓力，做到部分“去中心化”與智能化。在經(jīng)典的三維模型或者五維模型中，系統(tǒng)的決策權(quán)主要在管理人員或服務(wù)維計算機(jī)算法中，當(dāng)遇到緊急情況時，由于信息傳輸上存在時延，管理人員或計算機(jī)算法程序不能及時有效地反應(yīng)，造成意外損失。因此，在本系統(tǒng)理論模型中增添智能感知維來實(shí)時感知中國天眼的相關(guān)設(shè)備，并對突發(fā)狀況進(jìn)行智能決策和處理，如圖2所示。

中國天眼數(shù)字孿生系統(tǒng)的智能感知維包括以下方面：①對中國天眼的危險緊急狀況進(jìn)行預(yù)警，并采取措施緊急避險；②分析處理觀測信號，并對饋源艙位姿進(jìn)行智能控制；③對部件級設(shè)備進(jìn)行健康診斷與維護(hù)。當(dāng)使用傳感器、采集儀、采集卡等設(shè)備采集數(shù)據(jù)時，在常態(tài)下，智能感知模塊對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合后傳輸?shù)綄\生數(shù)據(jù)的服務(wù)器中進(jìn)行存儲，并接收來自孿生數(shù)據(jù)的操作任務(wù)指令；如果發(fā)生緊急情況，造成數(shù)據(jù)異常(例如發(fā)生火災(zāi)導(dǎo)致煙霧報警、風(fēng)力傳感器數(shù)值異常、繩索拉力異常、卷揚(yáng)機(jī)振動異常等)，智能感知層則針對突發(fā)情況采取緊急措施(如打開滅火系統(tǒng)或?qū)υO(shè)備進(jìn)行斷電處理等)，避免由于傳輸、決策時延處理不及時而造成危害，同時將緊急決策指令存儲到孿生數(shù)據(jù)的服務(wù)器中。

(6)連接CN 為實(shí)現(xiàn)FDT各部分相互連接、相互映射的紐帶，是中國天眼數(shù)字孿生系統(tǒng)的“經(jīng)脈”，其包括PF和VF的連接(CN_PV)，PF和SC的連接(CN_PS)，SC和DD的連接(CN_SD)，DD和VF的連接(CN_DV)，Ss和PF的連接(CN_SP)，Ss和VF的連接(CN_SV)，SC和Ss的連接(CN_SS)，DD和Ss的連接(CN_DS)等，即

CN=(CN_PV,CN_PS,CN_SD,CN_DV,CN_SP,

CN_SS,CN_DS,CN_SV)。

(3)

式中：CN_PV通過獲取PF實(shí)時狀態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動中國天眼的孿生模型(VF)；CN_PS通過傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、采集儀等設(shè)備采集數(shù)據(jù)，然后采用工業(yè)通信協(xié)議將采集得到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊C；CN_SD通過有線、無線、藍(lán)牙、控制器局域網(wǎng)(Controller Area Network，CAN)總線等將SC收集并處理后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻D；CN_DV通過數(shù)據(jù)庫接口將存儲在DD中的算法，仿真分析方法等傳輸?shù)綌?shù)字模型VF中；CN_SP通過接口技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、應(yīng)用端開發(fā)技術(shù)將Ss與PF連接起來，Ss為PF提供功能性服務(wù)和業(yè)務(wù)性服務(wù)；CN_SS通過TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議將采集到的數(shù)據(jù)、操作指令等傳輸?shù)絊s應(yīng)用程序中；CN_DS通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫軟件接口、服務(wù)器等實(shí)現(xiàn)Ss和DD之間的連接；CN_SV通過標(biāo)準(zhǔn)軟件接口實(shí)現(xiàn)VC模型驅(qū)動。

2 射電望遠(yuǎn)鏡虛擬模型并行渲染

中國天眼主體結(jié)構(gòu)包括主反射面系統(tǒng)、支撐塔系統(tǒng)、促動器系統(tǒng)、饋源艙及其?？肯到y(tǒng)等，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜且部件數(shù)量龐大，僅反射面板的數(shù)量就達(dá)到4 450塊，中國天眼虛擬三維模型的體量如表1所示，如何對這一千萬級體量的大型射電望遠(yuǎn)鏡模型進(jìn)行實(shí)時渲染成為本數(shù)字孿生系統(tǒng)的一大難題。

表1 中國天眼模型體量

針對中國天眼虛擬模型因超大體量而存在的渲染速度慢、模型刷新幀率低等問題，本文采用并行渲染技術(shù)，通過多通道、多顯卡、多處理器、多計算機(jī)實(shí)現(xiàn)虛擬天眼模型的實(shí)時渲染。并行渲染模塊采用服務(wù)器—客戶端模式，服務(wù)器主要負(fù)責(zé)整個并行渲染系統(tǒng)運(yùn)行資源的配置，通過實(shí)時計算資源的使用情況，對各個客戶端的資源進(jìn)行動態(tài)分配。客戶端分為主控客戶端和從控客戶端，主控客戶端不僅在服務(wù)器控制下完成模型渲染任務(wù)，還負(fù)責(zé)與用戶行交互，接收執(zhí)行用戶的操作指令；從控客戶端的主要功能為接收服務(wù)器的配置對模型進(jìn)行渲染，以及接收主控客戶端操作指令執(zhí)行相應(yīng)的操作，其中服務(wù)器可以與主控客戶端在同一主機(jī)上運(yùn)行。在分配模型渲染任務(wù)上，采用sort-first算法[19-20]對模型進(jìn)行配置(如圖3)，按照用戶提供的渲染節(jié)點(diǎn)數(shù)(主機(jī)數(shù))將渲染顯示圖像分為相應(yīng)數(shù)量的子區(qū)域。在渲染時，首先判斷模型每一個部分的顯示區(qū)域，將該部分模型分配到與該區(qū)域相連的主機(jī)中進(jìn)行處理，然后將所有子區(qū)域進(jìn)行拼接，完成中國天眼整體模型的渲染。

圖3所示為兩個渲染節(jié)點(diǎn)對中國天眼進(jìn)行渲染的結(jié)構(gòu)示意圖。經(jīng)測驗(yàn)，使用多節(jié)點(diǎn)并行渲染算法能夠降低單一節(jié)點(diǎn)的渲染計算量，增加渲染速度，降低內(nèi)存消耗(如圖4)，而且隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增多，各節(jié)點(diǎn)的平均渲染幀率明顯增加，CPU占比明顯降低，使用4臺主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行并行渲染基本滿足實(shí)驗(yàn)需求。

3 孿生系統(tǒng)的構(gòu)建

3.1 虛擬建模

本文以中國天眼為應(yīng)用案例，按照數(shù)字孿生實(shí)時操控理論模型進(jìn)行系統(tǒng)構(gòu)建。其中虛擬三維建模主要由幾何建模、場景構(gòu)建、人機(jī)交互3部分組成。虛擬模型的幾何建模是基礎(chǔ)，是實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體虛擬化的第一步；場景構(gòu)建是通過添加紋理、貼圖、材質(zhì)、特效等方式進(jìn)一步完善虛擬場景，使三維場景更具真實(shí)感；人機(jī)交互主要通過應(yīng)用程序交互界面或交互設(shè)備(如VR眼鏡、手持設(shè)備等)與三維場景進(jìn)行互動，增加用戶的浸入感和體驗(yàn)感。

幾何建模中主流的三維建模軟件有3DMax，Blender等，本系統(tǒng)主要使用Blender軟件進(jìn)行建模。建模方法分為手動建模和使用Python語言進(jìn)行自動化1∶1建模(如天眼圈梁、三角形背架、饋源艙桁架等部分)。在進(jìn)行場景構(gòu)建時，為增加模型的真實(shí)感并具有良好的交互體驗(yàn)，應(yīng)考慮以下兩個方面：

(1)平衡中國天眼模型的體量、處理速度和真實(shí)度 模型進(jìn)行渲染處理時，應(yīng)在真實(shí)度與處理速度之間尋找最佳平衡點(diǎn)，利用并行渲染技術(shù)和LOD技術(shù)[21]等，根據(jù)物理模型節(jié)點(diǎn)在環(huán)境中所處的位置和重要性分配物體渲染資源，降低非重要物體細(xì)節(jié)度，來獲得高效率的渲染運(yùn)算，提高用戶體驗(yàn)。

(2)對渲染的模型進(jìn)行紋理貼圖和場景構(gòu)建 采用如KeyShot 3D渲染軟件、OpenGL、3DMax等對三維場景進(jìn)行貼圖，使模型更加逼真，具有真實(shí)場景的效果，以增加真實(shí)感與浸入感。

在人機(jī)交互方面，除了傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤、電腦屏幕和平板觸控等交互方式外，還應(yīng)結(jié)合新型感知技術(shù)，如全息、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality, AR)、虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality, VR)、觸覺手套、動作捕捉設(shè)備等，來增加交互體驗(yàn)度。

3.2 數(shù)據(jù)采集驅(qū)動

從物理天眼采集到孿生數(shù)據(jù)后，將其實(shí)時映射到虛擬天眼中，是實(shí)現(xiàn)虛實(shí)映射的關(guān)鍵。孿生數(shù)據(jù)分為屬性數(shù)據(jù)和狀態(tài)過程數(shù)據(jù)。屬性數(shù)據(jù)的形式如圖5所示，中國天眼物理實(shí)體的相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)收集、歸納、總結(jié)后，按照部件級、單元級、系統(tǒng)級進(jìn)行劃分，展示在相應(yīng)的虛擬模型中。圖5為饋源艙系統(tǒng)中Stewart連接桿單元的屬性數(shù)據(jù)。

狀態(tài)過程數(shù)據(jù)分為環(huán)境數(shù)據(jù)、運(yùn)行數(shù)據(jù)和觀測數(shù)據(jù)。其中環(huán)境數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量、光強(qiáng)、可見度等，通過將這些數(shù)據(jù)與天眼運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘，不但能夠幫助中國天眼基地工作人員在不同的天氣狀況下進(jìn)行操作，而且能夠預(yù)防災(zāi)害天氣；運(yùn)行數(shù)據(jù)為中國天眼在執(zhí)行觀測任務(wù)時運(yùn)行所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，包括饋源艙角度、位置、脈沖星信號頻率、信號強(qiáng)度、觀測時間、方向、姿態(tài)、速度、運(yùn)行軌跡、反射面變化過程、驅(qū)動器控制運(yùn)行數(shù)據(jù)和管理人員執(zhí)行的操作指令等；觀測數(shù)據(jù)主要為饋源艙接收裝置接收的脈沖信號。使用單片機(jī)、嵌入式等設(shè)備讀取這些數(shù)據(jù)，然后使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議(OPC UA)傳輸?shù)綄\生數(shù)據(jù)單元進(jìn)行處理和存儲。

由于采集器在制造上存在誤差或受內(nèi)部電路干擾影響，采集到的數(shù)據(jù)會存在噪聲和誤差，不能直接用于驅(qū)動中國天眼模型，需要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、融合、轉(zhuǎn)化。主要采用濾波算法進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，去除噪聲影響，轉(zhuǎn)化為可使用的數(shù)據(jù)形式。最后采用OpenGL，OSG，Unity等方法進(jìn)行交互設(shè)計，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對模型的實(shí)時驅(qū)動。

3.3 智能感知

智能感知處理層是數(shù)字孿生六維模型中的底層處理單元，其采用傳感器等對中國天眼進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析與監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)對中國天眼物理實(shí)體的智能感知，主要包括：①對中國天眼突發(fā)狀況的緊急處理；②對觀測信號的分析處理以及對饋源艙位姿的智能控制；③對設(shè)備的健康診斷。智能感知擁有孿生系統(tǒng)緊急決策權(quán)限，能夠進(jìn)行智能決策，降低管理人員的工作量，減少對突發(fā)事件的反應(yīng)時間和處理時間，而且其采用分布式架構(gòu)對天眼實(shí)體進(jìn)行健康診斷，結(jié)合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的兼容性優(yōu)勢來降低孿生數(shù)據(jù)的計算負(fù)擔(dān)。

(1)緊急預(yù)警 智能感知層實(shí)時監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，感知異常數(shù)值或預(yù)測數(shù)據(jù)的變化趨勢，進(jìn)而進(jìn)行風(fēng)險規(guī)避與防范。對于中國天眼這一大型復(fù)雜設(shè)備，由于結(jié)構(gòu)龐大，機(jī)電設(shè)備復(fù)雜多樣，當(dāng)發(fā)生意外狀況時，預(yù)警信息將傳輸?shù)椒?wù)層，由管理人員進(jìn)行決策處理，會喪失處理的最佳時機(jī)，造成不必要的損失。而在數(shù)據(jù)采集基礎(chǔ)上添加上智能感知處理這一維度，能夠感知或預(yù)測危險災(zāi)害，及時采取處理措施。中國天眼的緊急預(yù)警主要分為：①對自然災(zāi)害的緊急預(yù)警，例如可采用煙霧報警器、火災(zāi)感應(yīng)傳感器等裝置監(jiān)測火災(zāi)，對可能或已經(jīng)出現(xiàn)的火災(zāi)進(jìn)行報警，并進(jìn)行緊急處理(如圖6)，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，采用紅色指示燈預(yù)警，并采取緊急措施；②對機(jī)電設(shè)備的監(jiān)測預(yù)警，例如電線短路，設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常、損壞等，使用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)連接的龐大的智能感知系統(tǒng)對這些機(jī)電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測。

(2)智能控制 主要調(diào)整饋源艙的位姿，以實(shí)現(xiàn)饋源艙對觀測信號方向、位置的智能跟隨?？紤]到地球自轉(zhuǎn)的影響，對反射面系統(tǒng)形成的拋物面進(jìn)行自動移位，并將饋源艙與拋物面相對應(yīng)，自動調(diào)節(jié)饋源艙的位姿，實(shí)現(xiàn)智能控制。其主要表現(xiàn)在以下方面：①根據(jù)觀測任務(wù)控制促動器，帶動反射面運(yùn)動，使反射面形成的拋物面跟隨脈沖信號移動；②控制卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動對輕型索進(jìn)行縮放，牽引饋源艙跟隨拋物面焦點(diǎn)位置的移動而移動，自動完成對饋源艙控制系統(tǒng)的一級粗略調(diào)整；③控制饋源艙內(nèi)部AB軸和Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)對饋源艙下的平臺接收器進(jìn)行位姿預(yù)調(diào)整；④使用慣性測量單元(Inertial Measurement Unit，IMU)、全站儀和靶標(biāo)等設(shè)備自動標(biāo)定饋源艙的位置。

(3)健康診斷 主要是對物理天眼各系統(tǒng)的部件級設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，分析其性能、結(jié)構(gòu)等狀況，并判斷其健康狀態(tài)。與緊急預(yù)警不同，緊急預(yù)警主要針對突發(fā)狀況，而健康診斷是通過長時間監(jiān)測來判斷其狀態(tài)性能，或?qū)ζ涔δ艿耐暾赃M(jìn)行預(yù)測，給出健康狀態(tài)評價。健康診斷的主要方法是通過分析傳感器信號的異常、信號偏差、信號的損失程度預(yù)測設(shè)備的疲勞程度和損壞程度，例如對輕型鋼索機(jī)構(gòu)、饋源艙、促動器裝置、索網(wǎng)等裝置的監(jiān)測。使用振動傳感器對饋源艙進(jìn)行監(jiān)測，當(dāng)振動信號出現(xiàn)異常時(如圖7)，一方面，系統(tǒng)匯報這一異常信號后，由現(xiàn)場工作人員進(jìn)行排查；另一方面，系統(tǒng)記錄、保存、對比這一信號，并進(jìn)行分析和挖掘，判斷設(shè)備的健康狀態(tài)，然后給出信號異常產(chǎn)生的原因和維修策略，為后續(xù)射電望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計與改造提出有效的建議。

4 實(shí)驗(yàn)測試

為實(shí)現(xiàn)中國天眼全生命周期的監(jiān)管，根據(jù)第1章提出的數(shù)字孿生六維理論模型，以O(shè)PC UA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議為平臺，本文采用Blender三維建模軟件對中國天眼進(jìn)行建模，使用Python/C++，Qt，OSG等對部分中國天眼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，該系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖8所示。整個系統(tǒng)包括應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層、物理層、模型層、傳輸層5部分。

(1)應(yīng)用層 分為數(shù)據(jù)采集、操作運(yùn)行、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)存儲。其中：

1)數(shù)據(jù)采集包括屬性數(shù)據(jù)采集(主要采用查看建造圖紙的方式)、狀態(tài)數(shù)據(jù)采集和天眼觀測脈沖信號數(shù)據(jù)收集。

2)操作運(yùn)行分為3部分：①反射面的調(diào)整，通過控制促動器實(shí)現(xiàn)反射面的形變；②通過操作饋源艙的三級控制系統(tǒng)(輕型索驅(qū)動饋源支撐為第一級控制系統(tǒng)，通過控制卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)動，調(diào)整輕型索長度，帶動饋源倉在球冠面上移動；AB軸為第二級控制系統(tǒng)，通過控制AB軸轉(zhuǎn)動，使饋源艙在±15°范圍內(nèi)調(diào)整方向； Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)為第三級控制系統(tǒng)，通過控制Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)對脈沖星信號接受裝置的姿態(tài)進(jìn)行微調(diào))，調(diào)整饋源艙姿態(tài)和位置；③天眼的機(jī)電設(shè)備操作，如傳感器控制、信號接收等。

3)數(shù)據(jù)通信主要包括OPC UA工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議中的服務(wù)器端通信和客戶端通信，以及數(shù)據(jù)采集器之間的光纖通信和無線通信等。

4)數(shù)據(jù)存儲分為結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲和非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲，結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲為數(shù)據(jù)庫存儲(使用Redis數(shù)據(jù)庫存儲傳感器數(shù)據(jù))，非結(jié)構(gòu)性數(shù)據(jù)存儲主要使用服務(wù)器對工作日志、觀測信號圖像等文件進(jìn)行存儲。

(2)數(shù)據(jù)層 包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)加密、解密，數(shù)據(jù)融合，數(shù)據(jù)清洗等。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指將傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)能夠接收的數(shù)據(jù)；由于中國天眼保密的要求，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理方可傳輸；數(shù)據(jù)融合指采用多傳感器進(jìn)行采集、融合，以增加操控的精準(zhǔn)性；數(shù)據(jù)清洗主要是剔除由傳感器、接收裝置所得數(shù)據(jù)和信號的噪聲與干擾，獲取有用數(shù)據(jù)。

(3)物理層 包括物理天眼設(shè)施、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、OPC UA服務(wù)器等。

(4)模型層 包括饋源艙三維模型以及對三維模型的仿真預(yù)測等。

(5)傳輸層 傳輸孿生數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層、物理層和模型層之間的驅(qū)動、感知，將整個系統(tǒng)進(jìn)行關(guān)聯(lián)。

使用數(shù)據(jù)采集器采集得到的數(shù)據(jù)經(jīng)過剔除、清洗，轉(zhuǎn)換為數(shù)字孿生系統(tǒng)可用的數(shù)據(jù)后，對孿生模型進(jìn)行驅(qū)動。數(shù)字孿生技術(shù)主要將虛擬模型與物理實(shí)體進(jìn)行實(shí)時映射，使虛擬模型與物理實(shí)體的運(yùn)動狀態(tài)時刻保持一致，然后診斷和預(yù)測虛擬模型，實(shí)現(xiàn)對物理實(shí)體全生命周期的監(jiān)管。本系統(tǒng)使用IMU、激光實(shí)時獲取饋源艙位置和姿態(tài)的變化情況，并將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，驅(qū)動虛擬模型同步運(yùn)作。如圖9所示，通過數(shù)據(jù)對模型的驅(qū)動，饋源艙的位置從1處變化到了2處。整個系統(tǒng)運(yùn)行流暢，其實(shí)時性能夠滿足需求，驗(yàn)證了中國天眼數(shù)字孿生系統(tǒng)模型的可行性。

5 結(jié)束語

本文提出針對中國天眼大型射電望遠(yuǎn)鏡數(shù)字孿生的實(shí)時操控六維模型，并針對中國天眼饋源艙系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)采集處理、狀態(tài)顯示、孿生數(shù)據(jù)存儲和模型實(shí)時驅(qū)動實(shí)現(xiàn)了對天眼饋源艙全生命周期的監(jiān)管，為中國天眼的實(shí)時管控提供了一種新思路。然而在實(shí)驗(yàn)部分，本文只開發(fā)了中國天眼部分結(jié)構(gòu)的數(shù)字孿生系統(tǒng)，并未完成整體天眼的管控一體化和預(yù)測維護(hù)。未來將圍繞整體天眼的數(shù)字孿生系統(tǒng)開發(fā)，以及結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)對中國天眼進(jìn)行預(yù)測維護(hù)等展開研究。

致謝

感謝青島理工大學(xué)李東年老師、王揚(yáng)同學(xué)，以及復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)與可視化研究所李昆昆、李明超兩位同學(xué)對本文的幫助和支持。本文在論文構(gòu)思以及后續(xù)相關(guān)工作中得到了李東年老師的指導(dǎo)，在系統(tǒng)開發(fā)過程中得到了王揚(yáng)、李昆昆、李明超3位同學(xué)的幫助，在此表示感謝！