文|芝士派講解員
編輯|芝士派講解員
現代世界給社會各階層帶來了挑戰，并可能帶來更多的不平等，如今減少教育不平等的一種可能性是提供對能夠進行學習和教育訓練的設施的遠端通路。
在資源匮乏的情況下，可以在其他場所提供所需裝置的情況下使用類似的遠端資源使用方法。
工業的概念側重于以人為本的方法，使技術能夠專注于人機互動，并強調社會價值的重要性。
如今有一種新型機器人遠端操作平台，該平台減少了不平等，并允許獨立于時間和地點遠端使用和學習機器人技術。
該平台基于數字孿生，在實體和數字對應物之間具有雙向資料傳輸，所提出的系統允許遠端操作、遠端程式設計和近乎實時的受控機器人監控、機器人時間排程和使用者之間的社互動動。
這種教學機器人的理念，是否具備一定的可行性？
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●○教學機器人○●
目前由持續沖突、全球威脅和不平等的經濟條件帶來的挑戰正在給社會各行各業帶來重大挑戰。
一個具體的例子是，疫情限制了大學實驗室的學生小組課程，迫使教育機構重新考慮實驗室練習的實際安排。
氣候變化需要提高對環境意識的認識，并偏愛綠色選擇，更環保選擇的一個例子是減少旅行隻到真正必要的情況，并盡可能支援替代方法。
除了減少旅行外，還需要改變消費習慣，不應首選購買新産品，而應租賃或租用現有裝置，有效利用位于偏遠地區的現有裝置可以節省制造新裝置所需的資源，通過為開發中國家的人們提供利用現代裝置進行遠端教育訓練的可能性，可以促進平等。
除了這些工作之外，這裡介紹的解決方案還提供時間資源管理，以實作遠端操作裝置的排程和網絡安全注意事項。
有人提供了一個簡單的月曆應用程式作為時間資源管理的前端，允許學生為特定的機器人預留時間資源來鍛煉機器人技能。
資源管理的範圍僅限于預留時間段學習機器人技術的學生，範圍可以擴大到包括公司和教育機構之間的裝置共享和租賃。
共享可用裝置的時間資源需要使用者身份驗證和授權，以在時間資源、裝置和使用者之間建立連結，介紹的平台包括使用者注冊、身份驗證和授權的方法。
使用者注冊、強密碼建立和密碼恢複的日常任務已自動化，以節省管理者時間，社交溝通是遠距離地區接受教育的學生的一個重要特征。
學生需要溝通以請求有關使用平台的幫助，并與同學，講師和IT支援人員交流經驗，在所展示的平台上，社交交流以實時聊天、讨論論壇和線上視訊會議的形式提供。
數字孿生（DT）被選為實施遠端操作的關鍵方法，DT是實體世界對象的數字表示，作為實體世界和網絡世界之間的橋梁。
數字孿生能夠獨立于位置地監控和操作實體裝置、生産線、工廠和智能城市，在這種情況下，DT使學生能夠通過實體位于大學實驗室中的遠端操作機器人進行實踐練習。
雙向開放式通信标準用于連接配接數字和實體孿生。數字示範具有用于控制和監視實體孿生體的儀表闆。為了為遠端操作提供近乎實時的視圖，實體環境的視訊流嵌入到數字示範中。本文提出的平台是可通路和網絡安全（CS）的。CS被認為是通過網際網路執行資料傳輸和提供服務的可持續平台的關鍵推動因素。當考慮遠端操作機器人等資訊實體系統（CPS）時，CS也是實體安全的基石[14，15]。弱CS可以使攻擊者獲得對實體裝置的控制，并對裝置和周圍環境造成實體損壞[14]。
所提平台的CS通過以下方法實作：安全認證、授權、防火牆規則和資料加密。作者已盡最大努力保護拟議平台的資料連接配接和服務免受網絡攻擊。然而，解決CS問題是一項持續的工作，需要定期審查和漏洞掃描和更新易受攻擊的服務等操作。以前關于利用遠端操作進行機器人實驗室練習的研究缺乏對CS的考慮。在本文中，本文沒有寫一個關于CS的段落，而是在以下每一章中都考慮了CS方面。雖然之前已經報道了教育機器人平台的許多方法，但所提出的實作是分散的，限制或缺乏以下至少一個功能：社交通信、資源共享、内容管理、遠端操作或對移動裝置的支援。拟議的方法包含上述服務，并以開源軟體為基礎。圖 1 顯示了平台要求和服務。要回答的研究問題是：使用DT的遠端操作平台是否适合機器人教育和教育訓練？通用遠端操作平台是否使用開源軟體實作網絡安全？
圖1.描述使用者需求和提供所需功能的服務的圖。圖還描述了平台服務之間的連接配接。
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●○數字孿生○●
數字孿生（DT）的概念由Michael Grieves于2002年提出，作為産品生命周期管理的概念性概念。
DT可用于表示單個系統，例如CNC機器，工業機器人，焊接裝置，自動駕駛汽車或大型實體，例如煉油廠或化工廠。
DT使使用者能夠與孿生體實體部分可用的低級函數進行互動，實體孿生體是為執行特定功能而組合在一起的實際系統。
數字孿生作為實體孿生的數字表示，可以以數字格式呈現溫度、線性位置和振動頻率等實體參數。
DT使使用者能夠與實體孿生進行互動，進而提供操作員遠端操作功能，遠端操作使操作員能夠在較遠的實體距離内控制機器人。
DT概念現已進入第三代，其中AI和深度學習算法利用線上資料，第一代數字孿生是基于腳本語言的虛拟示範，2012年推出的第二代數字孿生更加面向仿真。
除了展示單個系統外，DT還能夠組合單個數字孿生來展示完整的工廠、供應鍊、機場和智能城市。
國際标準化組織（ISO）在2021年定義了DT架構的标準，标準化表明DT是一個成熟的概念，深度學習可以使DT自我優化，進而自主推進。
針對DT的網絡攻擊可能使攻擊者能夠通路實體孿生，未經授權修改或破壞資料可能導緻實體孿生體的意外行為，進而導緻災難性損害。
實體孿生和數字孿生之間資料傳輸的完整性和機密性被認為是DT面臨的主要CS挑戰，因為破壞資料完整性或機密性的CS攻擊可能會危及實體孿生環境的安全。
實體孿生和數字孿生之間的資料流數字孿生定義要求實體和數字部件之間自動雙向資料流，從單個傳感器到數字示範以及從數字示範到單個執行器的同步資料傳輸是數字孿生概念的關鍵推動因素。
這使使用者能夠通過數字孿生的使用者界面監視和控制實體孿生，單個DT的資料流可以組合在一起，以代表完整的工廠或完整的供應鍊，将單個數字孿生連接配接到更大的實體，需要一個通用平台。
目前OPC統一架構（OPC UA）是一種廣泛采用的開放标準跨平台資料交換解決方案，OPC UA用戶端-伺服器模型最近伴随着為物聯網開發的釋出者-訂閱者解決方案，例如消息隊列遙測傳輸（MQTT）。
MQTT被認為是物聯網和IIoT裝置最流行的消息傳遞協定之一，MQTT已廣泛應用于物流、汽車、制造和智能家居應用，MQTT 協定有三個參與者：釋出者、訂閱者和代理。
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●○遠端操作○●
自 1950 年代機器人系統開始以來，機器人的遠端操作已經研究了幾十年，麻省理工學院在1960年代中期和1990年代中期開始研究遠端操作。
當時一位教授報告了多個國家和應用領域在遠端操作領域的進展，包括太空、海底、地雷、有毒廢物清理、遠端診斷和遠端外科。
從那時起，遠端操作應用已被研究用于醫療保健，工業，教育，水下，核能和能源應用等領域。
有人提出了一種遠端作業系統來控制工業機器人，他們所提出的系統允許操作員執行精加工、打磨、去毛刺和磨削操作，這是工業機器人難以做到的。
通過使用遠端操作，可以保持人類工作的身體完整性，并允許運動障礙者進行研磨和打磨過程。
平台系統架構的主要部分是雲伺服器運作啟用數字孿生平台所需的服務，Jitsi-Meet、Node-RED和Mosquitto-MQTT服務與機器人的遠端操作直接相關。
平台上的數字實體是在遠端操作使用者界面和實體系統之間驗證和傳遞資料的數字實體，該平台的DT實作在第4.5節中有詳細說明。
在系統上運作 Node-RED、DT 和 Rocket.Chat 伺服器需要 NodeJS 運作時，Apache需要托管Drupal CMS，并充當Rocket.Chat和Jitsi-Meet服務的安全反向代理。
除了内容管理之外，Drupal和OAuth插件還提供使用者的注冊，身份驗證和授權。需要完整月曆子產品來啟用時間資源管理功能。
SSH–伺服器提供對雲伺服器的管理者通路權限。Robo3D Lab Server位于Centria機器人實驗室。
該伺服器的目的是充當雲伺服器和位于Robo3D實驗室的機器人之間的連結，平台上可用的機器人系統通過LAN和WLAN連接配接實體連接配接到Robo3D Lab伺服器。
用于監控遙控機器人的網絡攝像頭通過USB連接配接連接配接到該伺服器，Robo3D Lab伺服器運作OPC UA伺服器和用戶端，将工業機器人連接配接到雲伺服器，MQTT-app連接配接移動機器人，Jitsi-Meet用戶端将視訊流式傳輸到Node-RED使用者界面。
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●○雲伺服器○●
為了建立我們的平台，在 Centria 的 DNS 伺服器上為該項目注冊了 DNS 位址，将所有請求重定向到雲服務提供商提供的靜态 IP 位址。
Apache，PHP和MySQL伺服器堆棧安裝在Ubuntu之上，并配置為托管Drupal CMS，Rocket.Chat，Jitsi-Meet和Node-RED。
在 Ubuntu 伺服器和雲服務上都啟用了防火牆，僅允許通路圖 20 中描述的平台功能所需的端口。
CA憑證請求由GEANT Vereniging準許，準許後，Apache設定為僅接受加密的HTTPS連接配接。這些步驟對應于要求 N04 和 N3，需要 13/3 全天候系統可用性，并且通過表 24 和表 7 中所述的加密考慮了 CS。
内容管理系統Drupal 為使用者注冊、安全密碼建立、密碼恢複和權限管理任務提供自動化。
Drupal還具有月曆和現代授權伺服器插件，是以被選為該平台的CMS，Drupal CMS的安裝是為了提供平台的前端和使用者注冊，密碼恢複和身份驗證的安全機制。
教育平台的前端是使用Drupal提供的内容管理工具建立的。前端由菜單、網頁、文章和文檔檔案組成。
為平台使用者提供有關使用平台和機器人學習材料的資訊，Drupal附加元件“開放身份驗證2.0”伺服器，提供了對平台服務Rocket.Chat，Node-RED和Jitsi-Meet的簡單和安全的登入。
Drupal附加子產品Fullcalendar子產品提供了一種遠端操作時間資源管理的方法，Drupal CMS和附加子產品描述了為需求F4，F5，F6和N3，N6，N7，N12提供解決方案。
我們提出了一種基于數字孿生的遠端操作平台，用于遠端控制各種機器人系統，并且給出了完整的系統規格和實作細節。
從生态和社會價值，即工業5.0的各個方面，在系統設計中被納入和考慮，實施并報告了一個包含地理上位于兩個國家的機器人單元的原型。
所提出的系統允許在沒有或不能擁有合适的裝置但可以租用、借用或以其他方式遠端使用的情況下進行有效的資源共享。
呈現的資源共享允許單個使用者一次預訂一個機器人進行遠端操作，該系統允許多個使用者同時控制不同的機器人。
拟議的系統具有高度的靈活性;如果任何網絡實體系統支援定義的開放接口，則可以将其包含在平台中，由于這些接口，平台本身也非常實惠。
之後進一步讨論了進一步開發拟議平台的下一步可能進一步步驟，利用擴充現實技術（XR）作為監控和程式設計機器人的使用者界面。
參考文獻：
西米諾.内格裡：數字孿生在制造業中的應用綜述。2019
克裡辛格.卡納，特拉爾.亨傑斯：制造業中的數字孿生：分類文獻綜述和分類。2018
阿爾卡拉斯.洛佩茲：數字孿生：安全威脅的全面調查。2022
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