?在《數(shù)字孿生體技術(shù)白皮書》中，我們提出了數(shù)字孿生體的成熟度模型，分為數(shù)化、互動、先知、先覺和共智五個層級。其中互動是實現(xiàn)物理實體和數(shù)字虛體數(shù)據(jù)連接的重要環(huán)節(jié)，也是目前數(shù)字孿生體實施過程中被重點關(guān)注的方向。

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?《基于Flownex的數(shù)字孿生體解決方案》是我們最近完成的系列落地方案之一。該方案適用于熱力系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、通風空調(diào)、油氣管網(wǎng)、航空發(fā)動機與燃機等應用場景的數(shù)字孿生體搭建。

在該方案中，用來完成互動的技術(shù)有三類，實施過程中，根據(jù)用戶的現(xiàn)有條件，選擇其中一種即可。下面，對這三類技術(shù)作一簡要介紹。

通過OPC實現(xiàn)互動

OPC是OLE for Process Control的縮寫，意思是用于過程控制的OLE。OPC是自動化行業(yè)及其他行業(yè)用于數(shù)據(jù)安全交換時的互操作性標準。它獨立于平臺，并確保來自多個廠商的設備之間信息的無縫傳輸。OPC標準于1996年首次發(fā)布，定義了客戶端與服務器之間以及服務器與服務器之間的接口，比如訪問實時數(shù)據(jù)、監(jiān)控報警和事件、訪問歷史數(shù)據(jù)和其他應用程序等。

Flownex中內(nèi)置了OPC服務接口（圖1），通過該接口，F(xiàn)lownex可以訪問傳感器的測量數(shù)據(jù)，也可以把仿真數(shù)據(jù)傳輸給控制器。在Flownex中有虛擬的分布式控制（DCS）部件（圖2），這些部件的輸入輸出參數(shù)和物理實體通過OPC連通后，就可以實現(xiàn)實時動態(tài)仿真。

通過LabVIEW實現(xiàn)互動

LabVIEW是美國國家儀器公司（National Instruments）專為測試、測量和控制應用而設計的系統(tǒng)工程軟件，可快速訪問硬件和數(shù)據(jù)信息。通過圖形化編程，LabVIEW可實現(xiàn)可視化應用的各個方面，包括硬件配置、測量數(shù)據(jù)和調(diào)試。Flownex有直接的LabVIEW接口，可以和LabVIEW實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞，進而通過LabVIEW實現(xiàn)和硬件的數(shù)據(jù)互動（圖3）。

通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)互動

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things）是指通過各種信息傳感器，實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的物體或過程的信息，通過各類可能的網(wǎng)絡接入，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，實現(xiàn)對物品和過程的智能化感知、識別和管理。Flownex可以和多種物聯(lián)網(wǎng)平臺連通，通過物聯(lián)網(wǎng)訪問傳感器的數(shù)據(jù)。如PTC的Thingworx（圖4）、SAP的Leonardo等。

?值得一提的是，除了上述三類與物理硬件的互動方式外，F(xiàn)lownex還可以與多種軟件互動。包括

Simulink、Matlab、ANSYS（Fluent、CFX、Mechanical）、Excel、Python等，同時也支持降階模型（ROM）的聯(lián)合仿真?？梢哉f，在互動方面，F(xiàn)lownex中可選擇的技術(shù)已經(jīng)非常豐富和成熟了。

數(shù)據(jù)中心應用實例

數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體中的應用實例，其概念示意如圖1所示。?

圖1 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的概念示意

1 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體架構(gòu)和兩大系統(tǒng)

數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)如圖2所示。

圖?2 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的架構(gòu)

數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體CAE仿真主要包括建立數(shù)據(jù)中心制冷系統(tǒng)熱流孿生體和數(shù)據(jù)中心物理機房熱流孿生體，這兩大系統(tǒng)的構(gòu)成和關(guān)系如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的兩大系統(tǒng)

2 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的搭建過程

如圖4所示，物理數(shù)據(jù)中心運營時流程極其復雜，涉及戶外冷卻塔、室內(nèi)循環(huán)機組、板式換熱器、水箱、管道閥門、微模塊末端管翅空調(diào)、空調(diào)風扇、服務器機柜等等多個工業(yè)品，它們之間相互耦合，互相影響。

圖4制冷系統(tǒng)和機房的構(gòu)成

建立數(shù)據(jù)中心熱流的數(shù)字孿生體，可以在物理數(shù)據(jù)中心與孿生數(shù)據(jù)中心之間建立熱流狀態(tài)的“準實時”聯(lián)系，基于物理數(shù)據(jù)中心與孿生數(shù)據(jù)中心之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸與交互，從而以精確的數(shù)字形式，對物理數(shù)據(jù)中心過去、當下、未來的行為進行動態(tài)呈現(xiàn)，可以對數(shù)據(jù)中心不可運營的極端場景（比如空調(diào)斷電、損壞等）進行物理、全面的反應，以洞察其運營的物理狀態(tài)；數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體也可以對物理數(shù)據(jù)中心的運營執(zhí)行智能化的干涉行動，優(yōu)化物理數(shù)據(jù)中心的運營管理。

無仿真，無孿生。數(shù)據(jù)中心熱流孿生體的關(guān)鍵技術(shù)是數(shù)字孿生熱流模型的CAE仿真計算及熱流參數(shù)的ROM降階；通過ROM降階技術(shù)，可以將數(shù)字孿生熱流模型中的不同變量與數(shù)據(jù)中心物理實體的輸入輸出關(guān)系描述出來，以便快速尋找不同輸入對應的輸出數(shù)值。最終孿生模型可以對輸出的數(shù)據(jù)進行大數(shù)據(jù)、AI學習，分析處理，并尋找理想運行策略，再向數(shù)據(jù)中心物理機房發(fā)送運營參數(shù)設置指令等等。

3 數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體的價值

建立數(shù)據(jù)中心熱流的數(shù)字孿生體后，可以實現(xiàn)以下價值：

1）將物理數(shù)據(jù)中心的熱流參數(shù)映射到虛擬空間中，設計及運營人員可對孿生體模型進行拆解、復制、修改、刪除等等操作；可以讓很多由于物理條件限制、必須依賴于物理實體而無法完成的操作，如大批量修改服務器類型、不同機柜虛擬裝配于微模塊內(nèi)、預測極端天氣對物理機房的影響等等；這樣更能激發(fā)人們?nèi)ヌ剿餍碌耐緩郊胺绞絹韮?yōu)化物理機房的運營。

2）使用數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生模型，運營人員可以對物理數(shù)據(jù)中心戶外管網(wǎng)、機房內(nèi)部的熱流參數(shù)實現(xiàn)全場量的精準分析和優(yōu)化；通過采集有限的物理傳感器對應的指標數(shù)據(jù)，并借助大樣本庫，借助于CFD算法、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)再現(xiàn)出一些原本無法直接測量的指標或者無法測量的區(qū)域。

基于數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體吐出的全量數(shù)據(jù)，運營人員可以對數(shù)據(jù)中心過去、當前及未來的運營狀態(tài)進行預判，提供更全面的決策支持，以指導運營人員調(diào)正運營策略，降低PUE；有助于運營人員全方位探知數(shù)據(jù)中心內(nèi)各類產(chǎn)品（服務器、交換機等）所處的熱流環(huán)境（如溫度、速度、濕度等），并對產(chǎn)品所處的惡劣熱環(huán)境進行物理的改善行為。

3）使用數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生模型，可以將其合理的運營經(jīng)驗數(shù)字化。數(shù)據(jù)中心熱流數(shù)字孿生體可以對物理數(shù)據(jù)中心出現(xiàn)的熱流故障問題進行再現(xiàn)，在孿生體模型內(nèi)對故障問題進行“精準”改善，并將改善行動得到驗證，將不同類型的故障問題進行歸檔，形成物理數(shù)據(jù)中心的標準故障解決庫。最終可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)、AI技術(shù)等手段，實現(xiàn)對物理數(shù)據(jù)中心故障問題的智能化診斷和解決。