具体实施方式

数字孪生是物理对象或系统的虚拟副本。开发了仿真装置或系统的操作和动作的软件。例如，可以将输入值呈现给物理世界中的装置或部件，并且该部件将对输入做出反应或处理以产生动作或输出。数字孪生被配置为接收将提供给物理领域中的部件并通过计算机处理的输入值，创建与由物理装置所产生的相同的输出动作或值。为了使数字孪生有用，数字孪生必须忠实地再现物理部件的动作。因此，数字孪生必须能够仿真从物理装置期望的输入的接收和输出的交付。可以将数字孪生置于与物理系统通信。然后物理系统可以为数字孪生提供各种输入。数字孪生接收输入并执行过程以创建中间处理值或信号或指令形式的输出以产生各种动作。如果数字孪生已连接到物理系统，则可将输出提供给数字孪生过程中下游的物理部件。这允许用户监视整个系统，以在系统中没有实际的部件或该部件不起作用的情况下，查看系统如何使用数字孪生来运行。

例如，可以在数字孪生中实现部件的新配置或设置。该系统可以在与更新的数字孪生互动的同时执行操作。以这种方式，可以在不改变实际部件的情况下观察到配置更改的效果。如果更改未提供期望的结果，则不会更改物理装置的原始配置。如果更改产生期望的结果，则可以根据数字孪生中表示的更改重新配置物理装置。

类似地，可以从制造商购买系统的新部件。在交付新部件之前，可以放置新部件的数字孪生以与现有系统进行通信。可以使用数字孪生执行工厂的仿真操作。这允许对新部件进行配置和调整以获得最佳性能，并在安装物理部件之前对其进行优化。

显然，创建可靠的数字孪生需要大量的知识和精力来制作捕获其物理对应物的性质和行为的软件部件。必须具备部件的工程设计知识，并且必须在虚拟过程中很好地理解和仿真部件的行为。此外，必须在数字孪生和物理系统之间建立通信。这需要知识和资源来建立可靠和安全的通信。工程数据和实时生产数据都在数字孪生与系统之间传送，这使情况更加复杂。通常，这些不同类型的数据在网络的不同层上传输，需要了解所有层才能实现这些通信。此外，网络安全对于现代工业系统至关重要，并引入了将数字化孪生安全地应用于生产系统所需的其它专业知识。

如上所述，数字孪生的创建需要在计算机系统上为该部件(诸如工业控制器)设置仿真软件。该计算机系统可以与系统一起位于本地，也可以位于诸如云之类的网络中。另外，它需要安装一个或多个工程软件包来对代表仿真控制器的数字孪生进行配置和编程。在减少或消除实现数字孪生的人工干预的需要的同时，本公开中描述的实施方式提供了以下益处和能力。

o必须配置和测试物理控制器与其数字孪生之间的通信。它涉及一种以上的应用层通信方式，因为交换工程数据和交换运行时数据通常使用不同的应用协议以不同的方式进行处理。此外，必须通过使用加密和其它措施来确保通信的安全；

o在两个方向上的配置和程序同步孪生；

o记录对物理系统的所有访问并将此信息安全地存储在数字孪生中；

o在安装物理控制器之前，允许使用控制器的数字孪生；

o安全存储每个部署的配置和程序的版本；

o预先配置的在数字孪生中记录物理系统的运行时数据。

根据本文描述的实施方式的方法和系统解决了为每个工业控制器或其它部件设置数字孪生的技术问题，同时需要控制器的购买者/用户的最小努力。根据实施方式，用于创立数字孪生的以下步骤将是完全自动化的：

-一旦订购在网络空间(例如云)中创建控制器或部件的数字孪生，数字孪生将与制造过程同时创建，并可在物理控制器存在之前用于进行工程设计和仿真；

-自动建立物理控制器与其数字孪生之间的安全通信；

-孪生与物理系统在两个方向上的配置和程序同步；

-在数字孪生中记录对物理系统的所有访问，以进行审核；

-允许在工厂中安装物理控制器之前使用控制器的数字孪生进行配置、编程、仿真、测试等；

-在数字孪生中安全存储配置和程序的每个已部署版本；以及

-在数字孪生中记录物理系统的运行时数据。

图1为根据本公开的实施方式的物理控制器101及其数字孪生105的示意图。云网络103提供多个计算机或计算机系统之间的通信。云网络103可以互连多个子网，并且可以进一步包括与连接到云网络103的计算机或子系统相关联的存储器资源。原始设备制造商(OEM)109生产并销售物理控制器101。物理控制器101可以为用于控制工业系统中的设备的可编程逻辑控制器(PLC)。物理控制器101可以从工业系统中的部件或与这些部件关联的传感器接收输入。基于所接收到的输入，物理控制器101可以基于被编程到控制器中的定义的规则来执行逻辑操作，并将该规则应用于所接收到的输入。逻辑运算产生的输出可以包括用于其它逻辑运算的中间计算，或者可以实施用于操作各种系统部件的信号，这些部件包括但不限于开关、阀或致动器。

对于每个生产(和出售)的物理控制器101，OEM 109在云网络103中创建数字孪生105。当创建每个数字孪生105时，每个物理控制器101都有唯一序列号，或以其它方式唯一标识每个生产的零件，例如QR码标签111可以对信息进行编码以标识物理控制器101。控制器的数字孪生105的实例将使用与物理控制器101相同的唯一标识符111进行标记和寻址。数字孪生105在云网络103中创建，其特征与从OEM 109订购的物理控制器101完全相同。例如，可以在数字孪生105中反映的特征包括存储器大小、存储器类型、输入/输出(I/O)模块的数量以及与物理控制器101一起订购的系统的任何其它扩展。物理控制器101的数字孪生105主要是物理控制器101的仿真加上用于控制器101配置/程序的版本存储120。另外，它可以可选地包含针对该类型的控制器的工程软件的基于云的版本(如图2所示)，以及一些用于仿真与控制器交互的过程的仿真软件130，以及用于配置过程仿真软件的工程软件。可以在物理控制器101被现场安装之前使用仿真软件130和工程软件(图2，220)。为了在安装物理控制器101之前访问数字孪生，与数字孪生相关联的唯一标识符可以通过诸如纸上的常规方式或者通过诸如电子邮件的电子通信被提供给用户。

当物理控制器101被安装在现场并且被打开时，其检查物理控制器101是否可以连接到因特网。如果存在互联网连接，则物理控制器101以两步过程与其数字孪生105建立通信线路107。首先，它会将安全的超文本传输协议(https)请求发送到众所周知的通用资源标识符(URI)，并传递其自己的唯一标识符111。必须额外加强通信(例如，通过使用唯一证书)，以使双方都知道彼此可以信任，并且任何一方都不能合理地伪造其身份。一旦通过身份验证，与众所周知的URI相关联的服务器便向物理控制器101公开了控制器的数字孪生网络105的地址。物理控制器101将数字孪生105的地址存储在存储器中以备将来使用。在第二步中，物理控制器101使用来自步骤1的存储的地址，再次在两端使用唯一证书来创建与其数字孪生105的安全通信107。在此过程结束时，物理控制器101及其数字孪生105可以安全地通信，而无需在任何一端进行任何手动配置。

现在参考图2，为了帮助对工业控制器101进行工程设计，卖方通常提供工程软件包210。工程软件210可以被嵌入控制器101中并且可以经由网络界面使用。在其它实施方式中，工程软件210可以安装在用户的PC上，也可以为基于Web的云软件。直接在控制器101中使用工程软件210进行的任何更改都会与控制器101的数字孪生105进行同步211，并作为控制器101的当前配置/程序存储在数字孪生105中。此外，物理控制器101中的每个硬件更改(例如添加/删除I/O模块)都会被注册，并且更改会被传播到数字孪生105。用户还可以将工程软件220的副本直接连接到控制器的数字孪生105。在这种情况下，用户对配置和程序所做的任何更改都不会自动传送到物理控制器101。相反，要求用户例如通过安全的通信连接107来发起传送，因为如果在没有事先进行测试或仿真的情况下进行安装，建议的更改可能会对物理控制器101造成潜在的危险。

使用物理控制器101与其数字孪生105之间的现有通信连接107，将记录对控制器101的所有访问并将审核踪迹存储在数字孪生105中。控制器101的数字孪生105可以由OEM创建，并且甚至在控制器101的硬件被交付给客户/用户之前就已经存在。控制器卖方可以在购买过程的早期向客户公开对数字孪生105的访问信息，并且客户能够开始配置、编程、测试和仿真控制器101，而不必等待物理控制器101的交付。数字孪生105的云映像还可包含用于控制器101的配置/程序的版本存储，因此不会丢失用户所做的任何更改。如果用户必须返回以前的版本，例如由于控制器程序中新引入的程序错误，则这一点很重要。当物理控制器101完全调试并控制过程时，它将以实时速度产生数据，该数据被传送到数字孪生105并储存在数字孪生105中，以进行进一步的收集和评估。

每个售出的工业控制器101的数字孪生105的自动配置为用户提供了一些特征，这些特征过去在技术上是可行的，但由于工程量大或用户端缺乏有关如何设置具有由本发明的实施方式自动化的许多特征的数字孪生105的知识而没有执行。此外，数字孪生105在物理控制器101之前创建。因为数字孪生存在于物理对应物之前，所以有可能在接收物理控制器101并将其安装在工厂中之前开始进行工程设计和仿真。

以此方式，本发明的实施方式代表了对现有系统的改进用于实现数字孪生。例如，利用仅由制造商拥有的建模部件的深入知识。OEM还将对客户订购的部件的特定配置有第一手的了解，并且可以完全按照订购的方式紧密匹配部件的操作。现有技术的系统要求终端用户通过独立的手段来了解部件的配置和操作。此外，可以在工厂中实际交付和调试部件之前执行部件的仿真和配置。数字孪生可被用于仿真工业系统中部件的交互，并且可以测试和优化建议的配置。交付物理部件后，可以通过云网络从数字孪生中下载优化的配置设置。此外，可以卸载物理部件的运行时数据和配置版本信息，并将其储存在数字孪生中，以提供过去配置的历史记录，并在出现故障或编程错误时允许部件的回滚版本。

图3为根据本公开中描述的实施方式的各方面的用于将数字孪生与对应的物理部件自动关联的方法的过程流程图。作为第一步，OEM创建仿真和表现类似于OEM制造的物理部件的数字孪生。数字孪生被配置为表现并仿真部件的操作，并包括制造的部件中所包含的每个特征。创建数字孪生并将其放置在云网络301的指定地址中。在制造物理部件之前，可以从云中对数字孪生进行工程设计和仿真。与数字孪生相关联的唯一标识符也被分配给物理部件，诸如工业控制器303。

当物理部件(例如，控制器)被调试时，其被连接到与托管数字孪生305的云网络通信的计算机网络。物理部件的唯一标识符与与数字孪生307相关联的对应唯一标识符匹配。然后，在物理部件与其对应的数字孪生309之间建立安全的通信连接。

图4为根据本公开中描述的实施方式的各方面的将物理部件与其存储在云网络中的对应的数字孪生相关联的方法的过程流程图。当调试物理部件并将其连接到本地网络时，该部件或控制器将通过本地网络连接到因特网401。一旦建立了到因特网的连接，就将安全的超文本传输协议请求呈现给因特网403上的已知URI。物理部件向已知URI 405提供与该部件相关联的唯一标识符。与物理部件相关联的唯一标识符进一步与由物理部件的OEM提供的数字孪生相关联，并与放置在云网络上的数字孪生相关联。URI从物理部件接收唯一标识符，并使用唯一标识符定位对应的数字孪生。当找到数字孪生时，数字孪生所在的网络地址由URI提供并由物理部件407接收。物理部件将其数字孪生的地址储存在内存中，并在物理部件与其对应的数字孪生409之间建立安全连接。安全通信连接可以通过任何安全的通信技术来执行，该通信技术包括但不限于受信任域、证书、虚拟专用网(VPN)、防火墙或加密的通信。

图5示出了可以在其中实现本发明的实施方式的示例性计算环境500。计算机和计算环境，诸如计算机系统510和计算环境500，是本领域技术人员已知的，因此在此简要描述。

如图5所示，计算机系统510可以包括诸如系统总线521之类的通信机制或用于在计算机系统510内传达信息的其它通信机制。计算机系统510还包括与系统总线521联接的用于处理信息的一个或多个处理器520。

处理器520可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或本领域中已知的任何其它处理器。更一般地，本文使用的处理器为用于执行存储在计算机可读介质上的机器可读指令、用于执行任务的装置并且可以包括硬件和固件中的任何一者或其组合。处理器还可以包括存储器，其存储可执行以执行任务的机器可读指令。处理器通过操纵、分析、修改、转换或发送信息以供可执行程序或信息装置使用，和/或通过将信息路由到输出装置来对信息起作用。处理器可以使用或包括例如计算机、控制器或微处理器的能力，并且可以使用可执行指令来调节以执行不由通用计算机执行的专用功能。处理器可以与任何其它处理器联接(电联接和/或包括可执行部件)，能够在其间进行交互和/或通信。用户界面处理器或发生器为包括电子电路或软件或两者的组合以用于生成显示图像或其部分的已知元件。用户界面包括一个或多个显示图像，使得用户能够与处理器或其它装置进行交互。

继续参考图5，计算机系统510还包括联接到系统总线521的用于存储将由处理器520执行的信息和指令的系统存储器530。系统存储器530可以包括易失性和/或非易失性存储器形式的计算机可读存储介质，诸如只读存储器(ROM)531和/或随机存取存储器(RAM)532。RAM 532可以包括其它动态存储器件(例如，动态RAM、静态RAM和同步DRAM)。ROM 531可以包括其它静态存储器件(例如，可编程ROM、可擦除PROM和电可擦除PROM)。另外，系统存储器530可被用于在处理器520执行指令期间存储临时变量或其它中间信息。可以在ROM 531中存储基本输入/输出系统533(BIOS)，其包含诸如在启动期间帮助在计算机系统510内的元件之间传送信息的基本例程。RAM 532可以包含数据和/或程序模块，这些数据和/或程序模块可立即由处理器520访问和/或当前由处理器操作。系统存储器530可以另外包括例如操作系统534、应用程序535、其它程序模块536和程序数据537。

计算机系统510还包括磁盘控制器540，其联接到系统总线521以控制一个或多个用于存储信息和指令的存储装置，诸如磁硬盘541和可移动介质驱动器542(例如，软盘驱动器、光盘驱动器、磁带驱动器和/或固态驱动器)。可以使用适当的装置接口(例如，小型计算机系统接口(SCSI)、集成器件电子装置(IDE)、通用串行总线(USB)或FireWire)将存储装置添加到计算机系统510。

计算机系统510还可包括显示控制器565，其联接到系统总线521以控制显示器或监视器566，诸如阴极射线管(CRT)或液晶显示器(LCD)，以用于向计算机用户显示信息。该计算机系统包括输入接口560和一个或多个输入装置，诸如键盘562和点击装置561，其用于与计算机用户交互并将信息提供给处理器520。点击装置561例如可以为鼠标、光笔、轨迹球或指点杆，其用于将方向信息和命令选择传达给处理器520，并用于控制显示器566上的光标移动。显示器566可以提供触摸屏界面，该触摸屏界面允许输入以补充或替换指示装置561对方向信息和命令选择的通信。在一些实施方式中，用户可穿戴的增强现实装置567可以提供允许用户与物理和虚拟世界交互的输入/输出功能。增强现实装置567与显示控制器565和用户输入接口560通信，从而允许用户与由显示控制器565在增强现实装置567中生成的虚拟物品进行交互。用户还可以提供由增强现实装置567检测到并作为输入信号发送到用户输入接口560的手势。

响应于处理器520执行包含在诸如系统存储器530的存储器中的一个或多个指令的一个或多个序列，计算机系统510可以执行本发明的实施方式的部分或全部处理步骤。此类指令可以从另一计算机可读介质(诸如，磁硬盘541或可移动介质驱动器542)读入系统存储器530。磁硬盘541可以包含一个或多个本发明的实施方式使用的数据存储和数据文件。数据存储内容和数据文件可以加密以提高安全性。处理器520还可以在多处理布置中采用以执行系统存储器530中包含的一个或多个指令序列。在替代实施方式中，可以使用硬连线电路代替软件指令或与软件指令结合使用。因此，各实施方式不限于硬件电路和软件的任何特定组合。

如上所述，计算机系统510可以包括至少一个计算机可读介质或存储器，其用于保存根据本发明的实施方式编程的指令并且用于包含本文所述的数据结构、表格、记录或其它数据。如本文所使用的术语“计算机可读介质”是指参与向处理器520提供指令以供执行的任何介质。计算机可读介质可以采用许多形式，包括但不限于非暂时性、非易失性介质、易失性介质和传输介质。非易失性介质的非限制性示例包括光盘、固态驱动器、磁盘和磁光盘，诸如磁硬盘541或可移动介质驱动器542。易失性介质的非限制性示例包括动态存储器，诸如系统存储器530。传输介质的非限制性示例包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成系统总线521的导线。传输介质也可以采用声波或光波的形式，诸如在无线电波和红外数据通信期间生成的声波或光波。

计算环境500还可以包括计算机系统510，使用连接到一个或多个远程计算机(诸如，远程计算装置580)的逻辑连接在联网环境中操作。远程计算装置580可以为个人计算机(膝上型计算机或台式计算机)，移动装置、服务器、路由器、网络PC、对等装置或其它公共网络节点，并且通常包括上述与计算机系统510相关的多个或全部要素。当在联网环境中使用时，计算机系统510可以包括调制解调器572，其用于通过诸如因特网的网络571建立通信。调制解调器572可以经由用户网络接口570或经由另一适当的机制连接至系统总线521。

网络571可以为本领域中公知的任何网络或系统，包括因特网、内联网、局域网(LAN)、广域网(WAN)、城域网(MAN)，直接连接或系列连接，蜂窝电话网络或能够促进计算机系统510与其它计算机(例如，远程计算装置580)之间的通信的任何其它网络或介质。网络571可以为有线的、无线的或其组合。可以使用以太网、通用串行总线(USB)、RJ-6或本领域通常已知的任何其它有线连接来实现有线连接。可以使用Wi-Fi、WiMAX和蓝牙、红外、蜂窝网络、卫星或本领域通常已知的任何其它无线连接方法来实现无线连接。另外，几个网络可以单独工作或彼此通信以促进网络571中的通信。

本文使用的可执行应用包括用于调节处理器以实现预定功能的代码或机器可读指令(例如，响应于用户命令或输入)，诸如操作系统、上下文数据采集系统或其它信息处理系统的那些代码或机器可读指令。可执行程序为用于执行一个或多个特定过程的代码段或机器可读指令、子例程或代码的其它不同部分或可执行应用的一部分。这些过程可包括接收输入数据和/或参数，对接收的输入数据执行操作和/或响应于接收的输入参数执行功能，并且提供所得输出数据和/或参数。

本文使用的图形用户界面(GUI)包括一个或多个显示图像，其由显示处理器生成并使用户能够与处理器或其它装置进行交互并且具有相关的数据采集和处理功能。GUI还包括可执行程序或可执行应用。可执行程序或可执行应用调节显示处理器以生成表示GUI显示图像的信号。这些信号被提供给显示装置，该显示装置显示图像供用户观看。在可执行程序或可执行应用的控制下，处理器响应于从输入装置接收到的信号操纵GUI显示图像。以这种方式，用户可以使用输入装置与显示图像交互，使得用户能够与处理器或其它装置进行交互。

本文的功能和处理步骤可以响应于用户命令自动地或全部地或部分地执行。响应于一个或多个可执行指令或装置操作而无需用户直接启动活动，执行自动执行的活动(包括步骤)。

图中的系统和过程不是唯一的。可以根据本发明的原理导出其它系统、过程和菜单以实现相同的目的。尽管已经参考特定实施方式描述了本发明，但是应该理解，本文示出和描述的实施方式和变化仅用于说明目的。在不脱离本发明的范围的情况下，本领域技术人员可以实现对当前设计的修改。如本文所述，可以使用硬件部件、软件部件和/或其组合来实现各种系统、子系统、代理、管理器和过程。