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。中国移动在业界首次提出了数字孪生网络（Digital Twin Network）的概念，并结
2、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.6 1.3.2 网络数字孪生关键技术.7
3、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.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
4、 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.
5、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 更多最新资料 加微信：6261181175G 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
6、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，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
7、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 中国移动在业界首次提出了数字孪生网络（DTN）的概念，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
8、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
9、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
10、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，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
11、字孪生的技术特点和通信网络的需求，中国移动提出了“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“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
12、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；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
13、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
14、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
15、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
16、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、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
