文|芝士派讲解员
编辑|芝士派讲解员
现代世界给社会各阶层带来了挑战，并可能带来更多的不平等，如今减少教育不平等的一种可能性是提供对能够进行学习和培训的设施的远程访问。
在资源匮乏的情况下，可以在其他场所提供所需设备的情况下使用类似的远程资源使用方法。
工业的概念侧重于以人为本的方法，使技术能够专注于人机交互，并强调社会价值的重要性。
如今有一种新型机器人远程操作平台，该平台减少了不平等，并允许独立于时间和地点远程使用和学习机器人技术。
该平台基于数字孪生，在物理和数字对应物之间具有双向数据传输，所提出的系统允许远程操作、远程编程和近乎实时的受控机器人监控、机器人时间调度和用户之间的社交互动。
这种教学机器人的理念，是否具备一定的可行性？
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●○教学机器人○●
当前由持续冲突、全球威胁和不平等的经济条件带来的挑战正在给社会各行各业带来重大挑战。
一个具体的例子是，疫情限制了大学实验室的学生小组课程，迫使教育机构重新考虑实验室练习的实际安排。
气候变化需要提高对环境意识的认识，并偏爱绿色选择，更环保选择的一个例子是减少旅行只到真正必要的情况，并尽可能支持替代方法。
除了减少旅行外，还需要改变消费习惯，不应首选购买新产品，而应租赁或租用现有设备，有效利用位于偏远地区的现有设备可以节省制造新设备所需的资源，通过为发展中国家的人们提供利用现代设备进行远程培训的可能性，可以促进平等。
除了这些工作之外，这里介绍的解决方案还提供时间资源管理，以实现远程操作设备的调度和网络安全注意事项。
有人提供了一个简单的日历应用程序作为时间资源管理的前端，允许学生为特定的机器人预留时间资源来锻炼机器人技能。
资源管理的范围仅限于预留时间段学习机器人技术的学生，范围可以扩大到包括公司和教育机构之间的设备共享和租赁。
共享可用设备的时间资源需要用户身份验证和授权，以在时间资源、设备和用户之间创建链接，介绍的平台包括用户注册、身份验证和授权的方法。
用户注册、强密码创建和密码恢复的日常任务已自动化，以节省管理员时间，社交沟通是远距离地区接受教育的学生的一个重要特征。
学生需要沟通以请求有关使用平台的帮助，并与同学，讲师和IT支持人员交流经验，在所展示的平台上，社交交流以实时聊天、讨论论坛和在线视频会议的形式提供。
数字孪生（DT）被选为实施远程操作的关键方法，DT是物理世界对象的数字表示，作为物理世界和网络世界之间的桥梁。
数字孪生能够独立于位置地监控和操作物理设备、生产线、工厂和智能城市，在这种情况下，DT使学生能够通过物理位于大学实验室中的远程操作机器人进行实践练习。
双向开放式通信标准用于连接数字和物理孪生。数字演示具有用于控制和监视物理孪生体的仪表板。为了为远程操作提供近乎实时的视图，物理环境的视频流嵌入到数字演示中。本文提出的平台是可访问和网络安全（CS）的。CS被认为是通过互联网执行数据传输和提供服务的可持续平台的关键推动因素。当考虑远程操作机器人等信息物理系统（CPS）时，CS也是物理安全的基石[14，15]。弱CS可以使攻击者获得对物理设备的控制，并对设备和周围环境造成物理损坏[14]。
所提平台的CS通过以下方法实现：安全认证、授权、防火墙规则和数据加密。作者已尽最大努力保护拟议平台的数据连接和服务免受网络攻击。然而，解决CS问题是一项持续的工作，需要定期审查和漏洞扫描和更新易受攻击的服务等操作。以前关于利用远程操作进行机器人实验室练习的研究缺乏对CS的考虑。在本文中，本文没有写一个关于CS的段落，而是在以下每一章中都考虑了CS方面。虽然之前已经报道了教育机器人平台的许多方法，但所提出的实现是分散的，限制或缺乏以下至少一个功能：社交通信、资源共享、内容管理、远程操作或对移动设备的支持。拟议的方法包含上述服务，并以开源软件为基础。图 1 显示了平台要求和服务。要回答的研究问题是：使用DT的远程操作平台是否适合机器人教育和培训？通用远程操作平台是否使用开源软件实现网络安全？
图1.描述用户需求和提供所需功能的服务的图。图还描述了平台服务之间的连接。
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●○数字孪生○●
数字孪生（DT）的概念由Michael Grieves于2002年提出，作为产品生命周期管理的概念性概念。
DT可用于表示单个系统，例如CNC机器，工业机器人，焊接设备，自动驾驶汽车或大型实体，例如炼油厂或化工厂。
DT使用户能够与孪生体物理部分可用的低级函数进行交互，物理孪生体是为执行特定功能而组合在一起的实际系统。
数字孪生作为物理孪生的数字表示，可以以数字格式呈现温度、线性位置和振动频率等物理参数。
DT使用户能够与物理孪生进行交互，从而提供操作员远程操作功能，远程操作使操作员能够在较远的物理距离内控制机器人。
DT概念现已进入第三代，其中AI和深度学习算法利用在线数据，第一代数字孪生是基于脚本语言的虚拟演示，2012年推出的第二代数字孪生更加面向仿真。
除了展示单个系统外，DT还能够组合单个数字孪生来展示完整的工厂、供应链、机场和智能城市。
国际标准化组织（ISO）在2021年定义了DT框架的标准，标准化表明DT是一个成熟的概念，深度学习可以使DT自我优化，从而自主推进。
针对DT的网络攻击可能使攻击者能够访问物理孪生，未经授权修改或破坏数据可能导致物理孪生体的意外行为，从而导致灾难性损害。
物理孪生和数字孪生之间数据传输的完整性和机密性被认为是DT面临的主要CS挑战，因为破坏数据完整性或机密性的CS攻击可能会危及物理孪生环境的安全。
物理孪生和数字孪生之间的数据流数字孪生定义要求物理和数字部件之间自动双向数据流，从单个传感器到数字演示以及从数字演示到单个执行器的同步数据传输是数字孪生概念的关键推动因素。
这使用户能够通过数字孪生的用户界面监视和控制物理孪生，单个DT的数据流可以组合在一起，以代表完整的工厂或完整的供应链，将单个数字孪生连接到更大的实体，需要一个通用平台。
目前OPC统一架构（OPC UA）是一种广泛采用的开放标准跨平台数据交换解决方案，OPC UA客户端-服务器模型最近伴随着为物联网开发的发布者-订阅者解决方案，例如消息队列遥测传输（MQTT）。
MQTT被认为是物联网和IIoT设备最流行的消息传递协议之一，MQTT已广泛应用于物流、汽车、制造和智能家居应用，MQTT 协议有三个参与者：发布者、订阅者和代理。
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●○远程操作○●
自 1950 年代机器人系统开始以来，机器人的远程操作已经研究了几十年，麻省理工学院在1960年代中期和1990年代中期开始研究远程操作。
当时一位教授报告了多个国家和应用领域在远程操作领域的进展，包括太空、海底、地雷、有毒废物清理、远程诊断和远程外科。
从那时起，远程操作应用已被研究用于医疗保健，工业，教育，水下，核能和能源应用等领域。
有人提出了一种远程操作系统来控制工业机器人，他们所提出的系统允许操作员执行精加工、打磨、去毛刺和磨削操作，这是工业机器人难以做到的。
通过使用远程操作，可以保持人类工作的身体完整性，并允许运动障碍者进行研磨和打磨过程。
平台系统架构的主要部分是云服务器运行启用数字孪生平台所需的服务，Jitsi-Meet、Node-RED和Mosquitto-MQTT服务与机器人的远程操作直接相关。
平台上的数字实体是在远程操作用户界面和物理系统之间验证和传递数据的数字实体，该平台的DT实现在第4.5节中有详细说明。
在系统上运行 Node-RED、DT 和 Rocket.Chat 服务器需要 NodeJS 运行时，Apache需要托管Drupal CMS，并充当Rocket.Chat和Jitsi-Meet服务的安全反向代理。
除了内容管理之外，Drupal和OAuth插件还提供用户的注册，身份验证和授权。需要完整日历模块来启用时间资源管理功能。
SSH–服务器提供对云服务器的管理员访问权限。Robo3D Lab Server位于Centria机器人实验室。
该服务器的目的是充当云服务器和位于Robo3D实验室的机器人之间的链接，平台上可用的机器人系统通过LAN和WLAN连接物理连接到Robo3D Lab服务器。
用于监控遥控机器人的网络摄像头通过USB连接连接到该服务器，Robo3D Lab服务器运行OPC UA服务器和客户端，将工业机器人连接到云服务器，MQTT-app连接移动机器人，Jitsi-Meet客户端将视频流式传输到Node-RED用户界面。
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●○云服务器○●
为了建立我们的平台，在 Centria 的 DNS 服务器上为该项目注册了 DNS 地址，将所有请求重定向到云服务提供商提供的静态 IP 地址。
Apache，PHP和MySQL服务器堆栈安装在Ubuntu之上，并配置为托管Drupal CMS，Rocket.Chat，Jitsi-Meet和Node-RED。
在 Ubuntu 服务器和云服务上都启用了防火墙，仅允许访问图 20 中描述的平台功能所需的端口。
CA证书请求由GEANT Vereniging批准，批准后，Apache设置为仅接受加密的HTTPS连接。这些步骤对应于要求 N04 和 N3，需要 13/3 全天候系统可用性，并且通过表 24 和表 7 中所述的加密考虑了 CS。
内容管理系统Drupal 为用户注册、安全密码创建、密码恢复和权限管理任务提供自动化。
Drupal还具有日历和现代授权服务器插件，因此被选为该平台的CMS，Drupal CMS的安装是为了提供平台的前端和用户注册，密码恢复和身份验证的安全机制。
教育平台的前端是使用Drupal提供的内容管理工具创建的。前端由菜单、网页、文章和文档文件组成。
为平台用户提供有关使用平台和机器人学习材料的信息，Drupal附加组件“开放身份验证2.0”服务器，提供了对平台服务Rocket.Chat，Node-RED和Jitsi-Meet的简单和安全的登录。
Drupal附加模块Fullcalendar模块提供了一种远程操作时间资源管理的方法，Drupal CMS和附加模块描述了为需求F4，F5，F6和N3，N6，N7，N12提供解决方案。
我们提出了一种基于数字孪生的远程操作平台，用于远程控制各种机器人系统，并且给出了完整的系统规格和实现细节。
从生态和社会价值，即工业5.0的各个方面，在系统设计中被纳入和考虑，实施并报告了一个包含地理上位于两个国家的机器人单元的原型。
所提出的系统允许在没有或不能拥有合适的设备但可以租用、借用或以其他方式远程使用的情况下进行有效的资源共享。
呈现的资源共享允许单个用户一次预订一个机器人进行远程操作，该系统允许多个用户同时控制不同的机器人。
拟议的系统具有高度的灵活性;如果任何网络物理系统支持定义的开放接口，则可以将其包含在平台中，由于这些接口，平台本身也非常实惠。
之后进一步讨论了进一步开发拟议平台的下一步可能进一步步骤，利用扩展现实技术（XR）作为监控和编程机器人的用户界面。
参考文献：
西米诺.内格里：数字孪生在制造业中的应用综述。2019
克里辛格.卡纳，特拉尔.亨杰斯：制造业中的数字孪生：分类文献综述和分类。2018
阿尔卡拉斯.洛佩兹：数字孪生：安全威胁的全面调查。2022
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