Current Cyber-Physical Systems (CPS) integrated with Digital Twin (DT) technology face critical limitations in achieving real-time performance for mission-critical industrial applications. Existing 5G-enabled systems suffer from latencies exceeding 10ms, which are inadequate for applications requiring sub-millisecond response times, such as autonomous industrial control and predictive maintenance. This research aims to develop and validate a 6G-enabled Digital Twin framework that achieves ultra-low latency communication and real-time synchronization between physical industrial assets and their digital counterparts, specifically targeting bearing fault detection as a critical industrial use case. The proposed framework integrates terahertz communications (0.1-1 THz), intelligent reflecting surfaces, and edge artificial intelligence within a five-layer architecture. Experimental validation was conducted using the Case Western Reserve University (CWRU) bearing dataset, implementing comprehensive feature extraction (15 time and frequency domain features) and Random Forest classification algorithms. The system performance was evaluated against traditional WiFi-6 and 5G networks across multiple metrics, including classification accuracy, end-to-end latency, and scalability. It achieved 97.7% fault classification accuracy with 0.8ms end-to-end latency, representing a 15.6x improvement over WiFi-6 (12.5ms) and 5.25x improvement over 5G (4.2ms) networks. The system demonstrated superior scalability with sub-linear processing time growth and maintained consistent performance across four bearing fault categories (normal, inner race, outer race, and ball faults) with macro-averaged F1-scores exceeding 97%.


翻译:当前与数字孪生技术集成的信息物理系统在实现关键任务工业应用的实时性能方面面临严峻挑战。现有的5G赋能系统存在超过10毫秒的延迟,这对于需要亚毫秒级响应时间的应用(如自主工业控制和预测性维护)而言是不足的。本研究旨在开发并验证一种6G赋能的数字孪生框架,该框架能够实现物理工业资产与其数字孪生体之间的超低延迟通信与实时同步,并以轴承故障检测作为关键工业应用场景进行具体验证。所提出的框架在一个五层架构中集成了太赫兹通信、智能反射表面和边缘人工智能技术。实验验证采用凯斯西储大学轴承数据集,实施了全面的特征提取(15个时域和频域特征)并应用了随机森林分类算法。系统性能在多个指标上与传统的WiFi-6和5G网络进行了对比评估,包括分类准确率、端到端延迟和可扩展性。该系统实现了97.7%的故障分类准确率和0.8毫秒的端到端延迟,相较于WiFi-6(12.5毫秒)和5G(4.2毫秒)网络,性能分别提升了15.6倍和5.25倍。系统展现出卓越的可扩展性,其处理时间呈亚线性增长,并在四种轴承故障类别(正常、内圈、外圈和滚珠故障)上保持了一致的性能,宏平均F1分数超过97%。

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