实时数字孪生架构在沉浸式工业自动化培训中的应用 杰西卡·S·奥尔蒂斯（Jessica S. Ortiz）、 维克托·H·安达卢兹（Víctor H. Andaluz）和 克里斯蒂安·P·卡瓦哈尔（Christian P. Carvajal）

《Sensors》：Real-Time Digital Twin Architecture for Immersive Industrial Automation Training Jessica S. Ortiz, Víctor H. Andaluz and Christian P. Carvajal

　　

摘要

工业自动化实验室经常面临诸如工业设备访问受限、安全约束以及动手实验可扩展性有限等问题。为了解决这些挑战，本文提出了一种实时多层数字孪生架构，该架构整合了物理上的西门子S7-1500 PLC、基于Unity的沉浸式虚拟环境、HMI监控以及支持物联网的远程监控功能，并将它们纳入统一的通信框架中。该架构分为物理层、数字层和集成层，通过以太网TCP/IP通信实现了物理过程与其虚拟表示之间的模块化可扩展性和双向同步。系统性能通过一系列同步指标进行评估，包括通信延迟、抖动、确定性时间偏差和事件同步精度等。实验结果表明，PLC与数字孪生之间的通信非常稳定，平均延迟低于15毫秒，抖动低于0.5毫秒，确保了在连续运行过程中的可靠实时交互。与工程学生的对比评估显示，该方案显著改善了学习条件，用户满意度高达86分（SUS = 86/100），同时减轻了认知负担（NASA-TLX = 34/100）。这些结果证实了所提出的架构作为工业4.0培训平台的有效性。