إنشاء أماكن ذكية باستخدام Azure Digital Twins

توضح هذه المقالة حل المساحات الذكية. يشكل Azure Digital Twins جوهر البنية من خلال نمذجة البيئة. تمثل Azure IoT Hub، وهي خدمة IoT مُدارة، دوراً مهماً أيضاً، كما تفعل خدمة التحليلات Azure Data Explorer.

بناء الأنظمة

يوضح الرسم البياني التالي تدفق البيانات في هذا الحل:

• المربعات التي تحتوي على رموز متعددة تمثل فئات الخدمات. ضمن كل فئة، تعمل الخدمات بشكل مستقل أو معاً لتوفير الوظائف.
• تمثل الأسهم بين الصناديق الاتصال بين المناطق المقابلة.

قم بتنزيل ملف Visio لهذه البنية.

تدفق البيانات

1. يمكن للبيئة استخدام بروتوكولات الاتصال هذه وغيرها:

   • شبكة Building Automation Controls (BACnet)
   • Modbus
   • KNX
   • LonWorks

2. ترسل الأجهزة والأنظمة المحلية بيانات القياس عن بُعد والبيانات الأخرى إلى السحابة. تشمل مصادر البيانات:

   • أجهزة Brownfield
   • مستشعرات التوصيل المباشر
   • أدوات الاستشعار التي يوفرها بائعي البرامج المستقلين (ISV)
   • أنظمة الأعمال الحالية

3. الأجهزة وأدوات الاستشعار والمشغلات تولد القياس عن بعد. تتفاعل بعض الأجهزة مباشرة مع IoT Hub. ترسل الأجهزة الأخرى البيانات إلى IoT Hub من خلال Azure IoT Edge.

4. ترسل الأنظمة الخارجية أو الدفعية أو القديمة البيانات إلى Azure Data Factory. تنشأ هذه البيانات الثابتة عادةً في ملفات وقواعد بيانات.

5. تعمل موصلات الشركات إلى الأعمال على ترجمة بيانات البائع ودفقها إلى Azure Digital Twins.

6. يستوعب IoT Hub القياس عن بعد للجهاز. يوفر IoT Hub أيضاً هذه الخدمات:

   • أمان على مستوى الجهاز
   • خدمات تزويد الجهاز
   • الأجهزة المتماثلة
   • خدمات القيادة والسيطرة
   • قدرات التوسع

7. يقوم Data Factory بتحويل البيانات شبه الثابتة ونقلها إلى Azure Data Explorer أو التخزين طويل المدى.

8. تتلقى Azure Functions بيانات IoT Hub وتستخدم واجهات برمجة تطبيقات Azure Digital Twins لتحديث Azure Digital Twins. يحمل Azure Digital Twins الرسم البياني المكاني للمباني والبيئة. تعمل Azure Digital Twins على تصميم البيئة باستخدام لغة تعريف التوائم الرقمية (DTDL). Azure Functions على معالجة البيانات وتنفيذ اكتشاف الأخطاء وتحديثات الرسم البياني.

9. تقوم المكونات المختلفة بإنشاء نماذج DTDL وتخزينها وتحميلها.

10. يرسل Azure Digital Twins البيانات من خلال Azure Event Grid إلى Azure Data Explorer. تعمل خدمة التحليلات هذه كمؤرخ من خلال تخزين بيانات السلاسل الزمنية للحل.

11. تقوم محركات المحاكاة وأدوات الذكاء الاصطناعي بمعالجة البيانات. تتضمن الأمثلة خدمات Azure الذكاء الاصطناعي ونماذج الذكاء الاصطناعي وخدمات محاكاة الشركاء.

12. يوفر Azure Data Lake تخزيناً طويل المدى للبيانات. تحليلات Azure Synapse Analytics وتقارير عن البيانات.

13. بالنسبة لأدوات التمثيل وتطبيقات المؤسسات، توفر طبقة الوصول إلى الحلول وصولاً آمناً إلى خدمات النظام الأساسية:

    • توفر إدارة Azure APIM وظائف لتسوية وتأمين وتخصيص واجهات برمجة التطبيقات. يفرض هذا النظام الأساسي أيضاً حصص الاستخدام وحدود الأسعار.

    • ترسل خدمة Azure SignalR إعلامات إلى واجهات المستخدم عند تغيير البيانات والقياس عن بُعد.

    • بالنسبة للتطبيقات التي تتبادل البيانات بشكل غير متزامن أو في الحجم، توفر المكونات المختلفة آليات النشر والاشتراك:

      • IoT Hub
      • قوائم انتظار ناقل خدمة Microsoft Azure
      • مراكز أحداث Azure
      • خطاطيف الويب

14. تجمع تطبيقات الخدمة البيانات من طبقة API للتحكم في الوصول. ثم تقوم هذه التطبيقات بتحليل وإعداد البيانات لتطبيقات المستخدم النهائي. تنشئ أدوات Microsoft مثل Power Apps وPower BI وخرائط Azure تقارير ورؤى حول البيانات في مخازن بيانات Azure.

15. تستخدم تطبيقات المؤسسة البيانات المعدة. تتضمن الأمثلة ما يلي:

    • وحدات Dynamics 365 النمطية.

    • حلول ISV.

    • تطبيقات Microsoft Teams.

    • حلول ميدانية مثل تطبيقات الأجهزة المحمولة والأجهزة القابلة للارتداء:

      • HoloLens
      • RealWear HMT

المكونات

يستخدم الحل هذه المكونات:

المكونات الأساسية

• IoT Hub يربط الأجهزة بموارد Azure السحابية. توفر هذه الخدمة المدارة:

  • أمان على مستوى الجهاز.
  • خدمات تزويد الجهاز.
  • توائم الجهاز.
  • خدمات القيادة والسيطرة.
  • قدرات التوسع.

• حزم Azure IoT SDK توفر الطريقة الموصى بها للأجهزة للاتصال بـ IoT Hub. تشمل الأجهزة التي يمكنها استخدام هذه المجموعات ما يلي:

  • Azure Sphere أجهزة.
  • الأجهزة التي تقوم بتشغيل Azure RTOS.

• IoT Edge تعمل على تشغيل أحمال العمل السحابية على أجهزة IoT Edge. على وجه التحديد، يمكن لمركز الرسائل المركزي هذا تشغيل تحليلات في الوقت الحقيقي من خلال التعلم الآلي وAzure Stream Analytics. تعمل IoT Edge أيضاً باعتبارها بوابة إلى IoT Hub من أجل:

  • الأجهزة ذات متطلبات الطاقة المنخفضة.
  • الأجهزة القديمة.
  • الأجهزة المقيدة.

• Data Factory هي خدمة تكامل تعمل مع مجموعات كبيرة محتملة من البيانات من مخازن البيانات المختلفة. يمكنك استخدام هذا النظام الأساسي لتنظيم وأتمتة عمليات سير عمل تحويل البيانات. على سبيل المثال، يمكن لData Factory سد الفجوة بين المخازن شبه الثابتة والمكونات التاريخية مثل Azure Data Explorer.

• تقوم موصلات الأعمال التجارية بترجمة البيانات وتدفقها بشكل ثنائي الاتجاه بين مكونات البائع وAzure Digital Twins. يستخدم عدد متزايد من الموردين DTDL لإنشاء نماذج متوافقة مع معايير الصناعة. RealEstateCore تقدم مثالاً. نتيجة لذلك، من المتوقع أن تصبح عمليات الدمج هذه أبسط بمرور الوقت.

• Azure Digital Twins يقدم التمثيلات الرقمية لأجهزة وبيئات إنترنت الأشياء. يمكنك استخدام هذه البيانات لنشر البيانات أو التحليل في الوقت الحقيقي. داخلياً، يعد Azure Digital Twins:

  • نماذج البيئات مع DTDL.
  • يقدم REST API لإدخال البيانات.
  • يوفر حزم SDK التي تدعم عمليات التحكم ومستوى البيانات للغات مختلفة.

  يمكنك بناء الأنطولوجيا، أو مجموعات النماذج الموجودة مسبقاً، باستخدام DTDL. يمكنك أيضاً البدء بنموذج مدعوم صناعياً:

  • RealEstateCore ontology
  • أنطولوجيا المدن الذكية
  • أنطولوجيا شبكة الطاقة

• Azure Digital Twins Explorer هو أداة مطور يمكنك استخدامها لتمثيل بيانات Azure Digital Twins ونماذجها ورسومها والتفاعل معها. هذا المخطط متوفر حاليًا في الإصدار الأولي العام.

• تحافظ مكونات إدارة النموذج على نموذج DTDL:

  • لإنشاء النموذج، تتوفر هذه الخيارات:

    • Azure Digital Twins Explorer
    • حلول ISV
    • أدوات مخصصة
    • محررات النصوص أو التعليمة البرمجية

  • المستودعات تخزين الأنطولوجيات:

    • يخزن GitHub RealEstateCore، وأنطولوجيا المدن الذكية، وأنظمة شبكة الطاقة.
    • بالنسبة للأنطولوجيا المخصصة، تتوفر المستودعات المخصصة والمستودعات الخاصة بالحلول في GitHub.

  • لتحميل النماذج في Azure Digital Twins، توجد هذه الخيارات:

    • UploadModels، أداة لتحميل أنطولوجيا DTDL
    • عينات في مستودع أدوات Azure Digital Twins

• Azure Functions عبارة عن نظام أساسي للحوسبة بلا خادم يستند إلى الأحداث. باستخدام الوظائف، يمكنك استخدام المشغلات والارتباطات لدمج الخدمات على نطاق واسع.

• Azure Data Explorer هي خدمة تحليلات بيانات سريعة ومدارة بالكامل. يمكنك استخدام هذه الخدمة لتحليل كميات كبيرة من البيانات في الوقت الحقيقي. يمكن أن يتعامل Azure Data Explorer مع تدفقات البيانات المتنوعة من التطبيقات ومواقع الويب وأجهزة إنترنت الأشياء وغيرها من المصادر.

• توفر خدمات الذكاء الاصطناعي وظائف الذكاء الاصطناعي. تحتوي هذه الخدمات على مجموعة من نماذج الشبكة العصبية المدربة مسبقا للسحابة. يمكنك استخدام واجهات برمجة تطبيقات REST ومجموعات SDK لمكتبة العميل لبناء الذكاء المعرفي في التطبيقات. يمكنك استخدام وظيفة خدمات الذكاء الاصطناعي:

  • في الوقت الحقيقي القريب.
  • عند عتبات بيانات معينة.
  • على الطلب.
  • للوظائف المعقدة ذات أوقات المعالجة الطويلة.

• التعلم الآلي عبارة عن بيئة قائمة على السحابة تساعدك في إنشاء حلول التحليلات التنبئية وتوزيعها وإدارتها. باستخدام هذه النماذج، يمكنك توقع السلوك والنتائج والاتجاهات.

• Azure Data Lake تخزن كمية كبيرة من البيانات بتنسيقها الأصلي الخام. تأتي البيانات عادةً من مصادر متعددة غير متجانسة، وقد تكون منظمة أو شبه منظمة أو غير منظمة.

• Azure Synapse Analytics هي خدمة تحليلات لمستودعات البيانات وأنظمة البيانات الضخمة. تتكامل هذه الخدمة مع Power BI والتعلم الآلي وخدمات Azure الأخرى.

• API Management Azure تعمل على إنشاء بوابات متسقة وحديثة بوابة برمجة التطبيقات للخدمات الخلفية. إلى جانب قبول مكالمات API وتوجيهها إلى الأطراف الخلفية، يتحقق هذا النظام الأساسي أيضاً من المفاتيح والرموز والشهادات ومعلومات تسجيل الدخول الأخرى. تسجل إدارة APIM أيضاً بيانات التعريف للمكالمات وتفرض حصص الاستخدام وحدود الأسعار.

• Azure Service Bus هو وسيط رسائل للمؤسسات مُدار بالكامل. يدعم ناقل خدمة Microsoft Azure خدمة قوائم انتظار الرسائل وموضوعات النشر والاشتراك.

• مراكز الأحداث هي عبارة عن نظام أساسي متدفق مُدار بالكامل للبيانات الضخمة.

• Azure SignalR Service هي مكتبة برامج مفتوحة المصدر توفر طريقة لإرسال إعلامات إلى تطبيقات الويب في الوقت الحقيقي.

تطبيقات الخدمة

• Azure Logic Apps تعمل على أتمتة سير العمل من خلال ربط التطبيقات والبيانات عبر السحب.

• خرائط Azure تقدم واجهات برمجة تطبيقات جغرافية مكانية لإضافة الخرائط والتحليلات المكانية وحلول التنقل إلى التطبيقات.

• Microsoft Graph توفر أدوات للوصول إلى البيانات في Microsoft 365 وWindows 10 وEnterprise Mobility + Security.

• Power Platform عبارة عن مجموعة من المنتجات والخدمات التي توفر أدوات ذات تعليمات برمجية منخفضة لإنشاء حلول فعالة ومرنة:

  • Power Apps عبارة عن مجموعة من التطبيقات والخدمات والموصلات ونظام أساسي البيانات. يمكنك استخدام Power Apps لتحويل عمليات الأعمال اليدوية إلى عمليات رقمية مؤتمتة.
  • Power BI هي مجموعة من خدمات البرامج والتطبيقات التي تعرض معلومات التحليلات.
  • Power Automate تعمل على تبسيط المهام المتكررة والعمليات غير الورقية.
  • Power Virtual Agents توفر روبوتات محادثة بدون تعليمات برمجية لتلبية احتياجات العملاء والموظفين على نطاق واسع.

تطبيقات المؤسسة

• Dynamics 365 عبارة عن مجموعة من التطبيقات لإدارة العمليات التجارية.

• Microsoft Teams توفر خدمات للاجتماعات والمراسلة والاتصال والتعاون.

• Azure App Service توفر وميزة تطبيقات الويب الخاصة بها إطار عمل لإنشاء تطبيقات الويب وتوزيعها وتوسيع نطاقها.

مكونات الدعم المشترك

توفر هذه الخدمات الدعم للمكونات في جميع مجالات الحل:

• يجمع Azure Monitor بيانات تتبع الاستخدام للتطبيق ويحللها، مثل مقاييس الأداء وسجلات النشاط. تقوم هذه الخدمة بإخطار التطبيقات والموظفين بالظروف غير النظامية.

• Microsoft Defender for IoT هي خدمة أمان موحدة تحمي أنظمة إنترنت الأشياء من خلال تحديد الثغرات الأمنية والتهديدات.

• Azure DevOps Services توفر الخدمات، والأدوات، والبيئات لإدارة مشاريع الترميز وعمليات التوزيع.

• معرف Microsoft Entra هو خدمة هوية مستندة إلى السحابة تتحكم في الوصول إلى Azure والتطبيقات السحابية الأخرى، بما في ذلك حلول ISV والحلول المحلية.

• Azure Key Vault تخزن أسرار النظام ويتحكم في الوصول إليها بشكل آمن، مثل مفاتيح واجهة برمجة التطبيقات وكلمات المرور والشهادات ومفاتيح التشفير.

البدائل

• Azure Cosmos DB هو خيار آخر لتخزين البيانات. تتوسع خدمة قاعدة بيانات NoSQL المدارة بالكامل بسهولة. يوفر Azure Cosmos DB طرقاً مختلفة للوصول إلى البيانات، بما في ذلك:

  • قواعد بيانات الوثيقة.
  • قواعد بيانات Microsoft Azure Active Directory Graph.
  • استعلامات على غرار SQL.
  • Azure Cosmos DB ل Apache Cassandra.

  ارتباط Azure Synapse لـ Azure Cosmos DB توفر طريقة لتشغيل التحليلات على بيانات Azure Cosmos DB باستخدام Azure Synapse Analytics. نتيجة لذلك، يمكنك الجمع بين خدمات البيانات المختلفة في الحلول التي تستخدم Azure Cosmos DB.

• يمكن أن توفر مراكز الأحداث أيضاً خدمة استيعاب قابلة لتغيير الحجم وآمنة. بخلاف IoT Hub، الذي يدعم الاتصال ثنائي الاتجاه مع الأجهزة، تدعم مراكز الأحداث نسبة استخدام الشبكة أحادية الاتجاه. نتيجة لذلك، لا يمكنك استخدام مراكز الأحداث (مراكز الأحداث) لإرسال الأوامر والنُهج مرة أخرى إلى الأجهزة. لا توفر مراكز الأحداث أيضاً أماناً على مستوى الجهاز. لكن مراكز الأحداث مناسبة للبيئات ذات الحجم الكبير من الرسائل من عدد قليل من أجهزة الإدخال.

تفاصيل الحل

الأماكن الذكية هي بيئات فعلية تجمع بين الأجهزة المتصلة ومصادر البيانات. باستخدام هذه البيئات، يمكنك رؤية والتحكم في:

• المنتجات والأنظمة.
• المساحات الداخلية والخارجية.
• الخبرات الشخصية مع الحيز المحيط بك.

يمكن أن تشمل الأماكن الذكية المباني والحرم الجامعي للشركات والملاعب والمدن. توفر هذه البيئات قيمة من خلال مساعدة مالكي العقارات ومديري المرافق والركاب على تشغيل وصيانة المواقع. تعمل الأماكن الذكية أيضاً على جعل المساحات أكثر كفاءة وفعالية من حيث التكلفة وراحة وإنتاجية.

تقوم المساحات الذكية بنمذجة المساحات رقمياً وتجميع البيانات ذات الصلة. من هذه البيانات، يمكنك استخلاص نتائج تحليلات حول كيفية اتصال الأشخاص والأماكن والأجهزة.

حالات الاستخدام المحتملة

ينطبق هذا الحل على العديد من المجالات:

• الجامعات الذكية (صناعة التعليم)
• إدارة المرافق (العقارات)
• الملاعب الذكية (صناعة الرياضة)
• مكاتب ذكية
• تحسين الطاقة

نتائج الأعمال

في هذا المثال من الحلول، يقوم مالك عقار تجاري كبير بتحويل عقار مكتبي رقمياً. يجمع هذا التحسين بين بيانات إدارة المرافق القديمة والميزات والتقنيات الجديدة بما في ذلك:

• استشعار الشغل.
• تحسين قائمة انتظار المقهى.
• موقف سيارات.
• خدمات نقل الجماعية.

يتطلب هذا الجهد تكامل أجهزة الحقل البني وأجهزة إنترنت الأشياء الحديثة (IoT) التي تراقب المساحة المادية. تتواصل أجهزة الحقل البني من خلال وسائل النقل العامة للمباني مثل BACnet وModbus.

تشمل أهداف الشركة ما يلي:

• تحسين استخدام الطاقة من خلال تشخيص الأعطال وتبسيط إدارة الخدمة الميدانية. يدمج هذا التحسين نظام إدارة المبنى الحالي مع الأجهزة.

• استنباط نتائج تحليلات مكانية جديدة وتقديم تجارب مبتكرة للركاب من خلال توصيل الأجهزة الحديثة.

• تطوير نموذج رقمي متماسك للبيئة من خلال الجمع بين مصادر البيانات المتعددة. يجب أن يوسع النموذج فرص تحليل البيانات.

• إنشاء حل قابل للتوسع يمكنه جمع ملايين نقاط البيانات وأرشفتها.

• بناء حل يمكنه بسهولة إضافة حلول الشركاء. يجب أن يدمج الحل أيضاً بيانات الشركاء في التوأم الرقمي للبيئة.

الاعتبارات

تنفذ هذه الاعتبارات ركائز Azure Well-Architected Framework، وهو عبارة عن مجموعة من المبادئ التوجيهية التي يمكن استخدامها لتحسين جودة حمل العمل. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعةMicrosoft Azure Well-Architected Framework.

تنطبق الاعتبارات التالية على هذا الحل.

الموثوقيه

تضمن الموثوقية أن التطبيق الخاص بك يمكن أن يفي بالالتزامات التي تتعهد بها لعملائك. لمزيد من المعلومات، يرجى مراجعة نظرة عامة على ركيزة الموثوقية.

قابلية التوسع

يمكن أن تكون حلول الأماكن الذكية بسيطة نسبياً ومنخفضة الحجم. يمكن أن تكون أيضاً تطبيقات معقدة تتعامل مع حجم كبير من البيانات. الحل الذي يجمع القياس عن بعد للتدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) عبر حرم جامعي كبير هو مثال على تنفيذ كبير الحجم.

خدمات Azure الأساسية في هذا الحل قابلة لتغيير الحجم حسب التصميم ومناسبة تماماً للحلول المعقدة. ولكن عند دمج هذه الخدمات، تأكد من أنها لا تخلق نقاط الاختناق. في وقت مبكر من دورة التطوير، قم بإجراء اختبارات الأداء على فترات زمنية مجدولة لتحديد المشكلات المحتملة.

المرونة

صمم مساحتك الذكية بحيث تكون متكاملة جيداً ومرنة أيضاً. تتطور حالات استخدام الأماكن الذكية بسرعة. في مرحلة ما بعد توزيع الحل الخاص بك، ستحتاج إلى إضافة مستشعرات وأنواع بيانات ووظائف الذكاء الاصطناعي وتقنيات التمثيل الجديدة. لزيادة المرونة:

• اختر حلاً غير مترابط مثل التصميم المقترح.
• استخدم معايير الصناعة لأنطولوجيا البيانات. يساعد هذا الأسلوب في تقليل الوقت اللازم لإضافة وظائف جديدة ودمج البرامج الجديدة.
• استخدم APIM. يوفر هذا النظام الأساسي طريقة لإنشاء أنماط وتوقيعات متعددة لواجهة برمجة تطبيقات أساسية واحدة.

الأمان

ويوفر عامل الأمان ضمانات للحماية من الهجمات المتعمدة واستغلال البيانات والأنظمة القيمة الخاصة بك. للمزيد من المعلومات، يرجى الرجوع إلى نظرة عامة على ركيزة الأمان.

غالباً ما تعتمد حلول البناء القديمة على الافتقار إلى الاتصال الخارجي كمصدر أساسي للأمن. ولكن حتى البيانات التي لا تحدد هوية الأشخاص يمكن أن توفر معلومات حول شركة أو الأشخاص في المبنى. على سبيل المثال، تستخدم المؤسسات الكاميرات لحساب الأشخاص وتتبع الأصول وتوفير بيانات الأمان.

كن حذرا حيث تقوم بمعالجة وحفظ الصور. تأكد من معالجة جميع متطلبات العملاء، بما في ذلك مشكلات الخصوصية. اجعل الأمان أولوية طوال دورة حياة البيانات لحل الفضاء الذكي الخاص بك. على وجه التحديد، كن على دراية بالبيانات التي تجمعها، وأين تقوم بمعالجتها وتخزينها، وما هي الاستنتاجات التي تستخلصها منها.

تحسين التكلفة

يركز تحسين التكلفة على البحث عن طرق للحد من النفقات غير الضرورية وتحسين الكفاءة التشغيلية. لمزيد من المعلومات، راجع نظرة عامة على ركيزة تحسين التكلفة.

استخدم حاسبة أسعار Azure لتقدير تكلفة أحد حلول إنترنت الأشياء.

• لاعتبارات التكلفة الأخرى، راجع كيانات تحسين التكلفة في وثائق Microsoft Azure Well-Architected Framework.
• للحصول على مناقشة حول تحسين تكلفة الخدمات التي تستخدمها حلول إنترنت الأشياء بشكل شائع، راجع الهندسة المرجعية لـ Azure IoT.

المساهمون

تحتفظ Microsoft بهذه المقالة. وهي مكتوبة في الأصل من قبل المساهمين التاليين.

الكاتب الرئيسي:

• مارك كوتكي | مهندس بنيوي كبير

المساهم الآخر:

• ماثيو كوسنر | مدير هندسة البرمجيات الرئيسي

الخطوات التالية

• دعم المباني الذكية من Microsoft باستخدام Microsoft Azure Digital Twins
• التطوير باستخدام Azure Digital Twins
• Brookfield يضع معياراً جديداً للابتكار في العقارات باستخدام WillowTwin وAzure Digital Twins
• شركة رائدة في مجال الاستدامة العالمية تستهدف آفاق جديدة من الحياد الكربوني باستخدام Azure Digital Twins

الموارد ذات الصلة

• ابدأ مع حلول Azure IoT
• الرؤية مع Azure IoT Edge
• اختيار أحد حلول إنترنت الأشياء (IoT) في Azure
• التصنيع الشامل باستخدام رؤية الكمبيوتر على الحافة
• تحليلات إنترنت الأشياء باستخدام Azure Data Explorer