1、5G 行业网数字孪生白皮书 1 5G 行业网数字孪生白皮书 2 前言前言 近年来，伴随数字经济的蓬勃发展，数字孪生备受业界关注，技术体系不断 发展，核心技术快速演进，产业生态持续完备，行业应用走深向实，成为促进工 业、城市、交通等垂直行业数智化转型的重要抓手。 数字孪生技术通过在数字空间实时构建物理对象的精准数字化映射， 基于数 据整合与仿真分析实现机理描述、异常诊断、风险预测、决策辅助等典型应用价 值。 这与产业界对垂直行业网络尽快形成数字化、智能化运维管理能力的诉求不 谋而合，5G 行业网数字孪生技术体系应运而生。 在业界首次提出了数字孪生网络（Digital Twin Network）的
2、概念， 并结合垂直行业网络在可用性、可靠性、复杂性、灵活性、安全性方面的典型特 征，构建面向 5G 专网、行业现场网两个子领域的网络数字孪生技术体系。白皮 书旨在为产业链相关方提供参考借鉴，助力 5G 行业网全生命周期数智化管理能 力的形成。 5G 行业网数字孪生白皮书 3 目录目录 前言前言 . 2 2 1 1 网络数字孪生基础概念网络数字孪生基础概念 . 4 4 1.1 网络数字孪生背景 . 4 1.2 网络数字孪生内涵与价值 . 4 1.2.1 网络数字孪生概念 . 4 1.2.2 网络数字孪生核心价值 . 5 1.3 网络数字孪生架构与关键技术 . 6 1.3.1 网络数字孪生整体架构
3、 . 6 1.3.2 网络数字孪生关键技术 . 7 2 5G2 5G 行业网（行业网（5G5G 专网专网+ +行业现场网）数字孪生的驱动力分析行业现场网）数字孪生的驱动力分析 . 8 8 2.1 5G 行业网需求特征 . 8 2.2 5G 行业网运维管理痛点 . 8 2.3 基于数字孪生的 5G 行业网全生命周期管理能力体系 . 9 3 5G3 5G 专网数字孪生技术专网数字孪生技术 . 1212 3.1 5G 专网数字孪生技术概述 . 12 3.2 5G 专网数字孪生平台 . 12 3.3 5G 专网数字孪生关键技术 . 13 3.3.1 数据接入技术 . 13 3.3.2 网络态势感知技术
4、 . 14 3.3.3 2D/3D 数字可视化技术 . 15 3.3.4 服务集成管理技术 . 16 3.4 典型应用场景和应用案例 . 16 3.4.1 离散制造行业 5G 专网数字孪生 . 16 3.4.2 水文行业 5G 专网数字孪生 . 17 3.4.3 煤炭行业 5G 专网数字孪生 . 18 4 4 行业现场网数字孪生技术行业现场网数字孪生技术 . 2020 4.1 行业现场网数字孪生技术概述 . 20 4.2 行业现场网数字孪生平台 . 22 4.3 行业现场网数字孪生关键技术 . 24 4.3.1 数据采集与分析技术 . 24 4.3.2 模型构建技术 . 26 4.3.3 智慧
5、运维技术 . 29 4.3.4 可视化技术 . 31 4.4 典型应用场景和应用案例 . 32 4.4.1 智能制造：基于数字孪生网络的产线设备控制 . 32 4.4.2 智慧园区：多媒体远程业务混传的数字孪生网络 . 33 4.4.3 行业现场网：5G 融合工业现场网数字孪生 . 34 5 5 未来展望未来展望 . 3636 6 6 缩略语缩略语 . 3737 7 7 编写单位及作编写单位及作者者 . 3838 5G 行业网数字孪生白皮书 4 1 网络数字孪生网络数字孪生基础概念基础概念 1.1 网络数字孪生背景网络数字孪生背景 随着经济社会数字化转型进程的持续推进， 通信网络在实现“万物智
6、联”中发 挥的支撑作用愈发凸显，基础设施属性持续增强。网络技术迅速迭代演进，速率 更高、连接更广、时延更低、可靠性更强、灵活性更好，持续赋能千行百业数字 化转型。但网络新业务层出不穷，网络规模持续扩大，负载不断增加，导致网络 运营维护杂度高，创新技术落地部署困难，制约了网络技术进一步发展。垂直行 业网络复杂度高，对可靠性有极致要求，网络服务需遵循“底线思维”，对无人值 守运维模式的需求强烈， 网络故障的高代价要求运营商构建数字化、智能化的行 业网络运维管理能力体系。 基于上述需求， 垂直行业网络数字孪生技术体系应运而生。 将数字孪生理念 应用于垂直行业网络“规、建、运、维、优”全生命周期管理中
7、，创建物理网络设 施的虚拟镜像，搭建与物理网络设备一致、拓扑一致、数据一致的数字孪生网络 平台，在网络状态实时监测、流量全息透视、故障诊断分析、设备全生命周期管 理等场景发挥重要作用，同时，虚拟空间的网络镜像环境可以提供网络配置正确 性验证， 大大降低现网风险,消除错误配置导致现网故障的可能性。 通过物理网络 和孪生网络精准映射、 实时交互和闭环优化， 助力垂直行业网络实现低成本试错、 智能化决策和高效率创新，进而助力极简网络、智慧运维和极致服务。 1.2 网络数字孪生内涵网络数字孪生内涵与价值与价值 1.2.1 网络数字孪生概念网络数字孪生概念 在业界首次提出了数字孪生网络（DTN）的概念，
8、数字孪生网络是 5G 行业网数字孪生白皮书 5 以数字化方式创建物理网络实体的虚拟孪生体， 且可与物理网络实体之间实时交 互映射的网络系统，其核心要素为：数据、模型、交互、映射。 通过实时或者非实时的数据采集方式将物理网络层的数据主要包括物理实 体数据、空间数据、资源数据、以及协议、接口、路由、信令、流程、性能、告 警、日志、状态等采集存储到数据仓库，为构建网络孪生体以及为网络孪生体赋 能提供数据支撑，并且基于这些数据形成功能丰富的数据模型。通过灵活组合的 方式创建多种模型实例，服务于各种网络应用，同时通过网络孪生体以高保真可 视化的页面去映射物理网络实体，最终达到可视化页面、孪生网络层、物理
9、网络 层的实时交互。同时借住人工智能、AI 算法、专家经验、大数据分析等技术实 现对物理网络进行全生命周期的分析、诊断、仿真和控制。 1.2.2 网络数字孪生核心价值网络数字孪生核心价值 数字孪生网络将成为未来网络规划、运行、管理和运营的新方向，成为实现 网络智能化、自动化的重要手段，在以下方面实现网络全生命周期管理价值： 一是拓扑透视和流量全息。一是拓扑透视和流量全息。 帮助用户更清晰地感知网络状态、 更高效地挖掘 网络有价值的信息、 以更友好的沉浸交互界面探索网络创新应用， 将物理网络由 “黑盒”变成 “白盒”。 二是从设备到组网的全生命周期管理二是从设备到组网的全生命周期管理。 在网络的
10、整个生命周期 “规划、 建设、 维护及优化”中，当网络运维中出现故障，不仅能回溯到网络的 “过去”，也能通 过网元模型回溯到网络设备的 “过去”，从而实现网络和设备的生命周期关联分 析， 通过数字孪生网络将网络和设备的生命周期紧密结合，可实现网络和设备的 全流程精细化管理。 三是网络的实时闭环控制。三是网络的实时闭环控制。通过网络配置在孪生网络层内进行调整与优化， 5G 行业网数字孪生白皮书 6 同时可实现数字孪生网络对物理网络的实时控制、反馈与优化，最终实现网络自 学习、自验证、自演进的实时闭环控制。 四是网络风险和成本降低。四是网络风险和成本降低。 借助数字孪生网络对网络优化方案高效仿真，
11、 充 分验证后部署至实体网络，降低现网部署的试错风险和成本，提高方案部署的效 率，同时可实现低成本、高效率的网络创新技术研究。 1.3 网络数字孪生架构与网络数字孪生架构与关键技术关键技术 1.3.1 网络数字孪生整体架构网络数字孪生整体架构 结合数字孪生的技术特点和通信网络的需求，提出了“三层三域双 闭环”的数字孪生网络参考架构。其中三层指构成数字孪生网络系统的物理网络 层、孪生网络层和网络应用层；三域指孪生网络层数据域、模型域和管理域，分 别对应数据共享仓库、服务映射模型和网络孪生体管理三个子系统；“双闭环”是 指孪生网络层内基于服务映射模型的 “内闭环” 仿真和优化,以及基于三层架构 的
12、“外闭环” 对网络应用的控制、反馈和优化。具体如图 1-1 所示。 图 1-1 数字孪生网络（Digital Twin Network）架构 5G 行业网数字孪生白皮书 7 在物理网络层，在物理网络层，主要包含构成端到端网络的所有物理实体， 通过孪生南向接 口同网络孪生体交互网络数据和网络控制信息。 在孪生网络层，在孪生网络层，主要由数据共享 仓库、 服务映射模型和孪生体管理三个模块组成。其中数据共享仓库子系统负责 采集和存储各种网络数据，并向数据映射模型子系统提供数据服务和统一接口； 服务映射模型子系统完成基于数据的建模，为各种网络应用提供数据模型实例， 最大化网络业务的敏捷性和可编程性；
13、数字孪生体管理子系统负责网络孪生体的 全生命周期管理以及可视化呈现。 在网络应用层，在网络应用层，各类应用通过北向接口向孪生 网络层输入需求，并通过模型化实例在孪生网络层进行业务部署，充分验证后下 发至物理实体网络。网络运维优化、网络可视化、意图验证、网络自动驾驶等创 新技术及各种应用以更低的成本、更高的效率、更小的现网业务影响快速部署。 1.3.2 网络数字孪生关键技术网络数字孪生关键技术 网络数字孪生的实现依托五大类关键技术的支撑，一是全景数据服务技术，一是全景数据服务技术， 包括网络数据采集、 多源异构数据库构建和统一数据服务接口。 二是网络全生命二是网络全生命 周期建模技术，周期建模技
14、术，包括以网络设备基本配置、环境信息、运行状态、链路拓扑等为 代表的基础模型， 和以网络感知、 分析、 仿真、 推理、 决策等为代表的功能模型。 三是全域孪生体管理技术，三是全域孪生体管理技术， 通过构建数字线程将网络业务全流程数据集成， 持续 迭代优化孪生体模型直至相关偏离数值处于允差范围之内。 四是网络可视化技术四是网络可视化技术， 基于业务需求构建不同级别的可视化能力， 支撑孪生体与物理网络设备之间的动 态交互、关联性交互和沉浸式模拟，辅助认知网络的内部结构，支撑挖掘隐藏在 网络内部的价值信息。 五是全向接口协议技术五是全向接口协议技术， 面对大规模数字孪生网络兼容性 和扩展性需求， 兼
15、顾新应用、 新功能的快速引入集成， 构建统一的、 扩展性强的、 易用的标准化接口和协议体系，包括南向、北向和孪生体内部接口。 5G 行业网数字孪生白皮书 8 2 5G 行业网 （行业网 （5G 专网专网+行业现场网） 数字孪生的驱动力分行业现场网） 数字孪生的驱动力分析析 2.1 5G 行业网行业网需求特征需求特征 相比于 C 端公网而言，垂直行业网络在目标客户、技术用途、性能要求、管 理方式、终端设备等方面存在较大差异，导致 5G 行业网需求存在四大特征。一一 是可用性是可用性，垂直行业用户要求专网网络服务始终在线，以使停机时间几乎为零， 并且可以控制任何系统维护，以确保最大的可用性。二是可
16、靠性二是可靠性，要求在预定的 持续时间内以高成功概率传输给定数量的业务的能力， 需要足够的网络覆盖范围 和容量，以及强大的切换功能。三是灵活性，三是灵活性，垂直行业客户要求吞吐量、延迟、 抖动、丢包率等网络性能参数灵活可变、按需定制、可感可控。四是安全四是安全性，性，特 定垂直行业要求极高的端到端安全性，以确保信息，基础架构和人员免受威胁。 同时要求利用网络隔离，数据保护和设备/用户身份验证来保护关键资产，保持 企业对关键数据的主权，确保敏感信息保留在本地。 2.2 5G 行业网行业网运维管理痛点运维管理痛点 随着千行百业进入数字化转型的时代， 面对业务运行对网络故障处理和恢复 时间容忍度降低
17、、终端联网规模激增、组网模式复杂多样的新趋势，传统以设备 为中心、 消防员式的网络运维模式不再适用于以垂直行业生产系统为服务对象的 5G 行业网管理新需求。 一是网络作为垂直行业数字化的基座，客户对故障的处理和恢复一是网络作为垂直行业数字化的基座，客户对故障的处理和恢复时间容忍时间容忍 度大大降低， 传统被动式故障恢复模式无法快速响应需求。度大大降低， 传统被动式故障恢复模式无法快速响应需求。 越来越多的行业将数 字化引入生产和客户服务环节，如仓储 AGV 小车、超市无人支付系统、矿山自 动化掘煤装置等。网络是应用正常工作的前提，传统运维以网络设备为中心，各 5G 行业网数字孪生白皮书 9 类
18、设备管理系统各自独立，数据隔离，故障排查和定位困难，自动化运维手段和 工具不足，运维过程中人工参与环节多，故障发生后从投诉到现场排查周期长， 很难满足故障快速恢复的需求。 二是终端联网数量急剧增长， 联网方式多种多样， 终端运行状态监控将作为二是终端联网数量急剧增长， 联网方式多种多样， 终端运行状态监控将作为 网络管理的一部分。网络管理的一部分。以 IoT 终端为例，2018 年的全球物联网联接数量已达到 70 亿，仍然在以 17%的年增长率增长。其中 80%为无线个域网和无线局域网，现场 联网方式包含了 NB-IoT、蓝牙、WiFi、Lora、RFID 等。终端的运行状态直接影 响到网络的
19、运行质量，需要通过探针等手段感知终端网络运行情况，加强网络端 到端管理。 三是面对多样化的应用场景和多元化终端形态，三是面对多样化的应用场景和多元化终端形态，5G 行业网行业网的组网方案和配的组网方案和配 置方案定制化程度高，客户网络感知意愿强。置方案定制化程度高，客户网络感知意愿强。终端类型、操作系统类型、业务类 型、QoS 要求的多样化，导致组网方案定制化程度高，需要一事一议和专门的组 网仿真工具辅助。不同业务场景的 SLA 对网络性能要求不同，需要对 SLA 做精 细化管理和确定性保障。此外，客户对网络感知意愿强烈但专业程度低，需要直 观、实时、立体地展现客户可理解、可感知的网络性能指标
20、和运行状态。 2.3 基于数字孪生的基于数字孪生的 5G 行业网行业网全生命周期全生命周期管理管理能力体系能力体系 受需求影响，5G 行业网在规划、建设、运维、优化等全生命流程管理中现 存诸多痛点，主要包括联网方式和终端类型种类繁多、组网方案和配置定制化程 度高、客户网络感知意愿强、对网络故障容忍度低等，要求网络运营主体全面提 升网络服务品质和运维管理效率。 作为助力千行百业实现数智化转型的重要技术， 数字孪生也将在 5G 行业网全生命周期管理中发挥价值。结合数字孪生整体技术 架构和理念，依托数字孪生建立的 5G 行业网全生命周期管理能力体系应包含以 5G 行业网数字孪生白皮书 10 下几个方
21、面： 一一是是 5G 行业网行业网方案规划及仿真能力。方案规划及仿真能力。构建基于 5G 专网、新型无源、新型 短距、 蓝牙、 TSN 等网络技术的 5G 行业网拓扑数字仿真模型， “拖拽式”操作， 便捷高效地实现 5G 行业网方案规划及仿真功能，以快速实现频段专享、上行高 速率传输、高精定位、定制全面覆盖、高可靠传输等组网要求，满足行业客户在 复杂应用场景下不同生产或管理环节对异构网络架构和组网的需求。 二二是是 5G 行业网行业网数字孪生建模能数字孪生建模能力。力。提供垂直行业运行设备、终端、行业网 关等设备的孪生建模，包含物理空间模型、机理模型、语义模型等，实现数字空 间和物理实体的关联
22、，在“规划、建设、运维、优化”网络全生命周期中，为 5G 行业网数字孪生的仿真、可视化及智能运维能力提供基础能力支撑。 三三是是 5G 行业网行业网数字孪生可视化能力。数字孪生可视化能力。面向 5G 行业网全生命周期提供数字 孪生多维可视化功能，涵盖网络设计、网络运营和维护等各个阶段，既为行业客 户提供定制化和可视化的端到端网络解决方案、 网络组网规划及网络建设进度监 控等功能，也能提供网络运行状态、网络配置、网络覆盖等可视化能力。 四四是是 5G 行业网行业网数字孪生智能化运维能力。数字孪生智能化运维能力。基于智能运维算法，结合 5G 行 业网基础设施运行参数、业务数据、历史故障、告警日志等
23、数据，通过孪生仿真 等技术提供 5G 行业网故障诊断、故障预测及自愈性维护等服务。 5G 行业网数字孪生白皮书 11 图 2-1 基于数字孪生的 5G 行业网全生命周期管理能力体系 以 5G 行业网全生命周期管理能力体系为指导理念，兼顾 5G 行业 网在赋能垂直行业时的“信息高速信息高速：5G 专网专网”和“最后一百米最后一百米：行业现场网行业现场网”两大 子领域，分别构建了面向上述两个子领域的网络数字孪生技术体系。 5G 行业网数字孪生白皮书 12 3 5G 专网专网数字孪生技术数字孪生技术 3.1 5G 专网专网数字数字孪生技术概述孪生技术概述 5G 专网是指运营商利用授权频谱，基于专有网
24、络资源（无线网、传输网、 核心网） ，在专有覆盖范围内（局域、广域） ，为专有服务对象（垂直行业）提供 通信服务能力可定制和隔离度可定制的移动蜂窝网络。 专网是相对于公网而言的， 具有业务优先可控，铺设可控，安全性高，专用资源可调配等优点。 基于垂直行业对网络在可用性、 可靠性、 灵活性和安全性等方面的需求特征， 5G 专网对网络运维管理的要求极高。数字孪生基于数据采集、大数据分析、可 视化建模等技术， 为客户提供行业终端的快速接入管理与5G专网通信网络质量、 客户产线作业状态的直观展示能力，帮助客户对其生产作业设备、生产现场工况 与专网网络质量情况进行实时监控，以数字可视化方式呈现企业网络质
25、量、业务 场景与生产工况，并以风险预警、故障定界等手段支撑客户进行快速排障与业务 恢复，提升客户生产管理效率，赋能企业生产管理与运营智能化。 3.2 5G 专网专网数字孪生平台数字孪生平台 5G 专网数字孪生平台承载了感知、分析、可视化等核心能力，是数字孪生 在各垂直行业专网全生命周期中应用的核心基石。5G 专网数字孪生平台整体由 终端层、边缘层、平台层和应用层四大部分组成。其中，平台层能力主要由数据 采集、数据处理与分析，及可视化建模引擎等支撑形成；应用层则重点包括数字 驾驶舱、网络态势感知和数字连接等能力，并支持第三方应用的引入与集成。5G 专网数字孪生平台旨在为垂直行业提供针对网络、终端
26、/设备的直观展示，进而 支撑客户对生产现场工况和网络进行实时监控、 风险预警、 故障定界和生产调度， 5G 行业网数字孪生白皮书 13 实现行业现场管理的降本、提质、增效。 图 3-1 5G 专网数字孪生平台 5G 专网数字孪生平台主要有两类核心价值。 一类是通过平台层实现的价值，一类是通过平台层实现的价值， 一是数据采集与集成，实现设备接入、数据集成及边缘节点接入的高效管理；二 是数据处理与分析，实现消息集成、可视化建模、数据分析及服务集成。另一类另一类 是通过应用层实现的价值是通过应用层实现的价值，一是数字驾驶舱，基于数字可视化工具，将网络、终 端设备、 生产运营数据在大屏统一展示； 二是
27、网络态势感知， 提供网络资源管理、 故障定界及处理、 网络/业务 SLA 指标监控等网络运维能力； 三是数字连接应用， 提供对自有各类行业网关、CPE 的应用侧管理功能。 3.3 5G 专网专网数字孪生关键技术数字孪生关键技术 3.3.1 数据接入数据接入技术技术 数据接入技术是5G专网数字孪生技术实现的基础， 主要提供涉网设备接入、 网络数据采集、设备管理、数据预处理等能力。结合 5G 专网终端特征，支持传 感器、边缘网关、行业终端、智能设备、DTU、消费电子、模组固件等各类终端 设备的快速接入，提供 MQTT、NB-IoT(LwM2M)等多种协议的设备端 SDK，既 5G 行业网数字孪生白
28、皮书 14 可以满足长连接的实时性需求，也满足短连接的低功耗需求。通过对接入设备的 信息进行统一采集和管理，帮助垂直行业客户精准定位网络状态和故障，提升网 络智能化管理水平。 图 3-2 数据接入与设备管理技术架构 3.3.2 网络态势感知网络态势感知技术技术 在复杂的无线网络环境中，5G 无线空口质量优劣，并不能等同说明业务链 路质量状态，采用链路级的主动质量探针，可以清晰的了解到网络链路当中的主 要性能状况，同样可以为企业客户提供应用服务的网络链路层可用性监测，端到 端的链路质量分析和诊断定界， 采集网络链路当中的时延、 丢包等核心性能指标。 通过在终端侧、 UPF 和 MEC 入口部署拨
29、测探针， 主动探测终端至 UPF/MEC 的链路双向可用性及质量，实时监测链路和节点质量，采集链路时延、丢包、抖 动、 连续性与可用性、 带宽等数据， 结合 5G 无线网络质量监测实现终端、 基站、 UPF、MEC 的链路质量分段检测能力，当检测到链路性能劣化至告警阈值时触 发性能告警并进行自动化故障定界、定位。 5G 行业网数字孪生白皮书 15 图 3-3 网络态势感知技术架构 3.3.3 2D/3D 数字可视化数字可视化技术技术 基于数字化可视技术，将网络性能指标、云基础设施信息、设备接入数据、 生产运营数据、软硬探针数据在 5G 专网运营平台统一展示，实现各类数据的汇 聚，提升企业生产运
30、营效率，助力企业对生产活动进行调度和管理。主要具备如 下能力： 环境建模：环境建模： 提供客户侧厂区、 园区、 楼宇等各类室内外环境的建模仿真能力， 为客户提供不同精细化程度的 2D/3D 可视化实景产品，实现客户生产环境的真 实还原。 设备建模：设备建模：提供客户生产环节涉及的各类产线流程与产线设备、 网络路径与 通信设备的建模仿真能力， 结合生产数据与告警数据向客户提供其生产业务质量、 网络质量的全景监测功能。 数据分析：数据分析：通过对客户厂区的环境数据、视频数据、生产数据、网络质量等 数据进行采集处理，结合环境建模与设备建模技术，将客户的业务场景、生产过 程包括设备数据、运行数据、告警
31、数据进行直观呈现，辅助客户对其生产业务进 行管理与决策。 5G 行业网数字孪生白皮书 16 图 3-4 2D/3D 数字可视化技术 3.3.4 服务集成服务集成管理技术管理技术 服务集成可视化技术提供 API 网关服务，可以作为统一的 API 接入层。服 务集成 API 网关服务是 API 全生命周期治理经验产品，主要解决从 API 设计、 开发、 管理、 消费、 分析的全流程的管理问题。 API 网关支持高性能的 API 转发、 多应用 API 自定义组合、多集群管理、API 访问权限控制等功能，拥有强大的自 定义插件系统可以自行扩展，并提供友好的图形化配置界面，能够快速帮助企业 进行 AP
32、I 服务治理、提供服务的稳定性和安全性。 3.4 典型应用场景和应用案例典型应用场景和应用案例 3.4.1 离散制造行业离散制造行业 5G 专网数字孪生专网数字孪生 针对海尔工业园区不断增长的信息化需求、 不断扩展的网络应用与既有信息 基础设施和信息系统管理能力不足的问题，应用数字孪生技术构建园区 5G 专网 的管理平台， 实现包括专网产品管理、 成员管理、 切片管理、 边缘计算节点管理、 专网监控等，随时了解各应用场景的网络指标和状态，并能根据业务场景随时调 整网络参数。旨在满足海尔对 5G 网络高隔离、安全保障和可视可管的特性的需 求，针对性地解决海尔在生产制造、经营管理、设备运维等环节的
33、业务痛点。 5G 行业网数字孪生白皮书 17 5G 专网数字孪生平台主要功能包括网络自运维和网络自服务两类，其中网 络自运维功能包括运行概览、基于探针的网络监控、智能巡检、故障定界和可视 化大屏。自服务功能包括网络切片设计、网络切片订购开通等功能。 图 3-5 海尔园区 5G 专网数字孪生管理平台架构 图 3-6 海尔中德园区应用示例 3.4.2 水文行业水文行业 5G 专网数字孪生专网数字孪生 基于 5G 专网数字孪生平台提供的整体能力，通过数据集成工具，对接多个 水文系统， 以三维可视化结合二维图表与触发交互的形式对水文站物理设备数据、 5G 专网监测状况等内容进行统一可视化展示，通过原始
34、信息采集、UE 原型设 5G 行业网数字孪生白皮书 18 计、 3D 模型搭建、 数据接口对接、 适配集成等定制化开发流程， 实现设备数据、 5G 专网数据一张图概览，打造智慧水文统一门户，为客户提供可视化运营、监 控，为管理者提供辅助决策分析。 图 3-7 水文 5G 专网数字孪生管理平台架构 图 3-8 曲靖水文站 5G 数字孪生平台可视化界面 3.4.3 煤炭行业煤炭行业 5G 专网专网数字孪生数字孪生 项目基于物联网、网络数字孪生等技术打造的针对 5G 专网的使用、监测、 运维的一体化服务平台。平台功能采用即插即用的微服务架构设计，提供数字连 接、数据集成、物联网边缘计算、5G 专网自
35、服务、智能运维、及网络资源管理 等核心能力，帮助中煤平朔集团打通业务“数据孤岛”，高效释放 5G 专网的经济 5G 行业网数字孪生白皮书 19 效用和技术价值，切实解决生产业务痛点，助力其向“智慧矿山”转型升级。 图 3-9 中煤平朔东露天矿 5G 专网网管 5G 行业网数字孪生白皮书 20 4 行业现场网数字孪生技术行业现场网数字孪生技术 4.1 行业现行业现场网数字孪生技术概述场网数字孪生技术概述 （一）（一）行业现场网技术概述行业现场网技术概述 行业现场网是行业现场端侧设备网络接入技术的统称， 它们连接行业现场末 端的各类终端、 机器、 传感器和系统， 满足行业现场对传感、 数据、 定位
36、、 控制、 管理等的多样业务需求。 常见的行业现场网技术包括工业以太网、 现场总线、 WiFi、 蓝牙、ZigBee 等短距离通信技术，NB-IoT、LoRa、SigFox 等低功耗广域网通信 技术，以及 5G、TSN、毫米波、无源 RFID、UWB 等通信技术。 图 4-1 行业现场网体系架构 行业现场网包括行业现场接入网和行业现场核心网两大部分。 行业现场接入 网可桥接异构的行业现场网络，如无源通信、短距通信、蓝牙、TSN 等；核心网 主要指部署在行业现场边缘侧的 UPF，进行数据分流，业务部署在 MEC 侧处理 5G 上传的现场作业数据，实现对整体现场网的管理。 行业现场接入网有五大核心
37、技术，包括确定性网络技术、新型短距通信、新 型无源通信、毫米波、UWB/蓝牙高精定位。其中确定性网络兼具确定性网络和 5G 行业网数字孪生白皮书 21 的优势， 在满足通信高可靠与确定性要求的同时， 解决了现场布线施工复杂问题； 新型短距通信基于全新的无线空口设计，在实现点对点通信的同时，可满足超低 时延、高可靠、精同步、高并发、高效率和高安全等需求；新型无源通信采取激 励和通信分离的系统架构，标签激励采用射频通信，控制指令下发和信息回传均 采用 5G，提升了 RFID 组网性能，实现资产管理等场景下信息的高可靠、高效 读取； 毫米波可在保障区域覆盖的同时实现重点区域的定点覆盖，提升上行传输
38、能力、增加可靠性、安全性；UWB/蓝牙高精定位可在保障大带宽、低时延、广 连接网络能力的同时，解决传统利用信号载波强度定位的精度低，对环境适应性 差等问题，满足垂直行业设备协同工作、远程控制、移动设备轨迹跟踪等场景中 高精度定位的需求。 行业现场核心网利用部署在行业现场边缘侧的 UPF 网元对本地数据进行分 流，满足行业客户数据不出场、超低时延等需求，实现数据传输、处理和结果反 馈整个过程终结于本地。行业用户除了对现场网一网收编、数据不出场等需求， 对复杂的网络系统运维也提出了智能化、自动化的更高需求。 （二）（二）行业现场网数字孪生的价值和目标行业现场网数字孪生的价值和目标 行业现场网应用场
39、景复杂，普遍存在网络异构化、定制化现象，传统网管系 统和代维团队无法满足行业网的运维和管理需求。 依托数字孪生技术可在行业网 交付、管理、运维和优化等阶段提供差异化服务，实现低成本试错、高质量运维 和智能辅助决策，改善用户体验。运营商需尽快转变网络运维思路，通过数字孪 生技术手段提供以客户和业务为核心的可视化、自动化和智能化运维能力，提升 运维效率、改善客户网络体验，最终形成高价值网络运维管理体系。具体来看， 数字孪生技术可为行业现场网运维管理带来如下价值： 5G 行业网数字孪生白皮书 22 一是一是解决行业网异构网络复杂问题解决行业网异构网络复杂问题。 行业网络面对多样化的应用场景和多元 化
40、终端形态，组网方案和配置方案定制化程度高，网络架构复杂：一是网络架构 多样，优专尊 5G 专网与短距/无源/毫米波等现场网融合组网，网络拓扑复杂。 二是定制化配置，网络切片、频率、QoS 和子帧配比等参数依据业务按需配置， 定制化程度高。三是网络模块虚拟化， NFV、微服务架构带来网络模块分层解 耦，网元模块数量多，故障的定位定界难度大。 二是二是解决行业客户对网络诉求增多问题解决行业客户对网络诉求增多问题。 网络是行业客户实现信息化的生命 线，客户需要有途径随时感知网络质量，网络故障发生时得到及时响应。一是网 络感知：直观、实时、立体地展现客户可理解、可感知的网络性能指标和运行状 态。 二是
41、 SLA 保障： 行业场景众多， 不同业务场景的 SLA 对网络性能要求不同， 需要对 SLA 做精细化管理和确定性保障。三是故障响应：网络故障发生时第一 时间通知运维人员， 排障过程可实时追踪，进一步实现故障预测防患于未然。 三是三是解决传统运维模式不再适用问题解决传统运维模式不再适用问题。 传统烟囱式的运维团队和非自动化的 流程模式无法满足行业网运维要求。一是运维系统割裂：运维系统间各自独立， 数据隔离，故障排查和定位困难。二是被动式运维：故障发生后从投诉到现场排 查周期长，既往大网运维经验难以应对 5G 行业网新问题，故障处理耗时长。三 是自动化程度低：缺乏自动化运维手段和工具，运维过程
42、中人工参与环节多，运 维效率低、人力成本高。 4.2 行业现场网数字孪生平台行业现场网数字孪生平台 （一）平台整体架构 行业现场网数字孪生平台是承载核心技术能力，实现可视化、自动化和智能 化运维管理价值的重要载体，平台整体框架如下图所示，核心业务模块包括数据 5G 行业网数字孪生白皮书 23 获取及管理、孪生建模等，以此实现设备可视化管理、网络规划仿真、网络实时 监控、网络智能运维等功能。 图 4-2 行业现场网数字孪生平台架构 可视： 可视化呈现网络拓扑和网络配置， 在规划、 运营等阶段提升客户体验。 可管：故障实时告警，工单自动派发和跟踪，把客户故障损失控制在最低。 可控：依据客户 SLA
43、 等级进行网络参数自动化配置、动态调整，提升网络 运行效率。 （二）平台核心功能 （1）网络规划仿真：）网络规划仿真：通过网络素材库及可拖拽式的建模方式，进行网络拓 步构建；通过静态参数配置及动态加载的两种方式进行网络参数配置；通过数据 模拟和仿真预测进行网络数据仿真。 （2）网络实时监控：）网络实时监控：通过网络拓扑、网元器件和设备状态的展示实现基础 实施的可视；通过配置参数实现 RB 资源、频段、Qos、网络切片的调整；通过 可视化展示控制及业务数据流向；通过可用性、可靠性等指标实现 SLA 可视。 （3）网络运维优化：）网络运维优化：通过设备的故障预测、预警、维护实现设备预测性维 护；通
44、过网络故障诊断、根因分析、故障修改实现网络故障分析。 5G 行业网数字孪生白皮书 24 图 4-3 行业现场网数字孪生平台功能架构 （三）（三）行业现场网数行业现场网数字孪生平台字孪生平台业务流程业务流程 1）行业网数据信息采集：行业网数据信息采集：从多种数据源采集网络设备数字孪生建模所需关 键信息，包括端侧探针、网管平台、传感器、图像视频等 2）行业网模型构建：行业网模型构建：基于行业网数据构建行业网模型，支撑可视化与智能 运维 3）可视化：可视化：基于信息模型实现网络拓扑、网络配置、网络覆盖、数据流向、 网络 SLA 的可视 4）智能运维：智能运维：通过孪生仿真和智能运维算法实现网络设备预
45、测性维护和智 能运维 图 4-4 行业现场网数字孪生平台业务流程 4.3 行业现场网数字孪生关键技术行业现场网数字孪生关键技术 4.3.1 数据采集数据采集与与分析分析技术技术 5G 行业网数字孪生白皮书 25 数据采集与分析是网络运维与管理的基础， 传统面向网络运维的数据采集手 段包括：基于侦听网络数据包的包分析模式、基于路由器 MIB 库的 SNMP 代理 模式、基于安插网络探针技术的 IP 流量数据捕获形式、基于网络数据流技术的 数据流捕获形式等。但以上数据采集方式主要面向网元的网络流量信息获取，尚 未考虑端侧数据信息的采集。在传统数据采集方式基础上，基于 5G 端侧业务质 量探针进行端
46、侧数据采集，为行业现场网实时提供终端设备、网络以及行业客户 的业务质量动态情况，从而进行主动业务质量预警、监控、网络分析与优化，进 一步开展有效的业务传输保障，保证行业客户的使用感知。 5G 端侧业务质量探针系统由探针 SDK 中间件和监测分析平台两部分构成， 系统架构图如图 4-5 所示： 图 4-5 5G 端侧业务质量探针系统架构图 （1）探针）探针 SDK 中间件：中间件：探针 SDK 中间件主要负责行业现场级关键数据信 息的采集与监测。探针 SDK 中间件在终端中有两种部署方式：一是探针 SDK 中 间件与 5G 模组结合，直接在模组中进行数据采集。该方式便于统一部署，同时 可以做到应
47、用处理器不感知。但由于模组不是主控，因此仅能获取和网络相关数 据，无法获取更多的关于整机的工况数据，会影响 5G 模组的一些性能指标。二 是探针 SDK 中间件与终端的 AP 结合，由终端处理器控制数据采集。该种方式 更贴近应用，因此能获取更多关于整机设备的工况数据。但对于不同的终端都需 要一一适配，产品上线周期较长。 5G 行业网数字孪生白皮书 26 （2）监测分析平台：）监测分析平台：监测分析平台是整个系统的神经中枢，主要负责数据 的收集和存储，下发监测策略配置，负责实现数据分析、转发、展示、设备管理 等功能。对于敏感的设备数据和探测数据，需将拨测服务器和监测分析平台部署 于园区内部平台，
48、实现生产数据不出区域专网；对于不敏感的非生产数据，可将 测试服务器和监测分析平台部署于园区外部平台，使用 5G 公网传输数据。 5G 端侧业务质量探采集数据类型包括设备数据、网络覆盖、业务质量等关 键信息的采集与监测分析服务，进一步开展有效的业务传输保障，保证行业客户 的使用感知。其中，终端设备数据主要包括网关基本信息（如网关 SN、CPU 型 号等） 、网关状态信息（如开机时间、CPU 占有率等）及下挂设备信息（如设备 名称、设备 IP 等） ；网络覆盖数据主要包括网络信号质量参数（如 SINR 等） 、吞 吐量性能参数（如上下行峰值速率等） 、小区相关信息（如接入小区 ID、切片 ID 等
49、） ； 业务务质量数据主要包括通用型业务质量信息 （如网络带宽、 网络时延等） 、 视频类业务质量信息（如视频分辨率、视频帧率等） 、远程控制类业务质量信息 （如丢包率、时延等） 。 4.3.2 模型构建技术模型构建技术 模型构建技术实现了物理空间中的实体向虚拟空间孪生体的映射， 并通过在 虚拟空间进行分析和决策，形成交互指令对物理空间进行干预和调控，使整个物 理系统保持良好的运行状态。在行业现场网中，数字孪生建模是将人（网络运维 人员） 、机（网元设备） 、网（5G 网络和现场网络） 、法（运维手册、操作指导等 网络知识） 、环（现场环境）等物理实体映射到虚拟空间的原子数字模型，并根 据网络拓扑关系和业务需求对原子模型进行编排组合。 行业现场网数字孪生建模 技术整体框架如图 4-6 所示。 5G 行业网数字孪生白皮书 27 行业现场网数字孪生模型包括几何模型、信息模型和机理模型。几何模型几何模型是 通过在虚拟空间以二维或三维图形的形式来表示与物理空间的实体及实体之间 存在的交互关系，实现对网络设备、网络拓扑、网络故障等信息的可视化。信息信息 模型模型实现了物理实体的属性、能力、接口以及数据流的规范化语义描述。通过信 息模型，可以将从物理空间采感知的数据以标准化的方式传输给虚拟空间，进行 可视化和智能分析。机理模型机理模型旨在真实反应物理空间的客观规
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