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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研習(xí)社風(fēng)向觀察

       2020年2月18日，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Industrial Internet Consortium，IIC）正式發(fā)布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例)》白皮書，旨在為尋求“降本、提質(zhì)、增效”有效途徑的商業(yè)領(lǐng)袖、系統(tǒng)架構(gòu)師以及在數(shù)字孿生領(lǐng)域從事研究、開發(fā)、部署和測試實踐的相關(guān)人員，提供數(shù)字孿生在工業(yè)應(yīng)用中的操作指導(dǎo)。

       白皮書從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角闡述了數(shù)字孿生的定義、商業(yè)價值、體系架構(gòu)以及實現(xiàn)數(shù)字孿生的必要基礎(chǔ)，通過不同行業(yè)實際應(yīng)用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生的關(guān)系。本文含金量很高，推薦閱讀收藏。

 

報告出品方：Industrial Internet Consortium，IIC

文｜編譯陳文曲、張譯霖、謝濱、韓天宇，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識智庫

 

2020年2月18日，美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（Industrial Internet Consortium，IIC）正式發(fā)布《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例)》白皮書（下文簡稱“白皮書”），旨在為尋求“降本、提質(zhì)、增效”有效途徑的商業(yè)領(lǐng)袖、系統(tǒng)架構(gòu)師以及在數(shù)字孿生領(lǐng)域從事研究、開發(fā)、部署和測試實踐的相關(guān)人員，提供數(shù)字孿生在工業(yè)應(yīng)用中的操作指導(dǎo)。
 
白皮書從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角闡述了數(shù)字孿生的定義、商業(yè)價值、體系架構(gòu)以及實現(xiàn)數(shù)字孿生的必要基礎(chǔ)，通過不同行業(yè)實際應(yīng)用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)字孿生的關(guān)系。隨著數(shù)字孿生技術(shù)快速發(fā)展及創(chuàng)新應(yīng)用研究，未來美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟還將考慮在其工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)中融入數(shù)字孿生要素。

 

 

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視角的數(shù)字孿生定義及其關(guān)系

 
 
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認為數(shù)字孿生是資產(chǎn)、過程或系統(tǒng)的正式數(shù)字表示，能捕獲對應(yīng)實體的屬性和行為，并在特定語義中進行通信、存儲、解釋或處理。數(shù)字孿生包括但不限于以下幾類信息的組合：1）物理模型和數(shù)據(jù)；2）分析模型和數(shù)據(jù)；3）時間序列數(shù)據(jù)和歷史；4）業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；5）主數(shù)據(jù)；6）可視化模型和7）各種計算。
 
根據(jù)業(yè)務(wù)需求不同，可構(gòu)建復(fù)雜程度不同的數(shù)字孿生。如圖1所示，針對關(guān)鍵零部件，構(gòu)建零部件孿生體；針對設(shè)備，構(gòu)建包含多個關(guān)鍵零部件孿生體的設(shè)備孿生體；針對復(fù)雜系統(tǒng)，構(gòu)建包含多個設(shè)備孿生體的系統(tǒng)孿生體。
 
圖1 不同復(fù)雜程度的數(shù)字孿生
 
數(shù)字孿生之間的關(guān)系主要有三種:層次型、關(guān)聯(lián)型和點對點型。為了實現(xiàn)虛擬信息空間與實際物理世界的深度融合，孿生體在信息空間的關(guān)系與其對應(yīng)物理實體在物理世界的關(guān)系相同，如圖2所示。層次型，如單個零部件孿生體與多個零部件孿生體組建的復(fù)合孿生體之間的關(guān)系。關(guān)聯(lián)型，如天然氣管道數(shù)字孿生體與天然氣生產(chǎn)使用設(shè)備孿生體之間的關(guān)系。點對點型，如電網(wǎng)中多個風(fēng)力發(fā)電機孿生體之間的關(guān)系。
  
圖2 數(shù)字孿生體之間的三種關(guān)系：層次型、關(guān)聯(lián)型、點對點型
 

全生命周期中數(shù)字孿生帶來巨大商業(yè)價值

 
 
數(shù)字孿生解決信息孤島問題，為全局優(yōu)化決策提供重要支撐。現(xiàn)階段工業(yè)生產(chǎn)中包含大量信息，由于多源異構(gòu)、異地分散的特征易形成信息孤島，影響信息自動流通沒有發(fā)揮應(yīng)有價值。例如生產(chǎn)制造中，各設(shè)備運行狀態(tài)信息保存在各自固件里，導(dǎo)致產(chǎn)線或車間無法基于各設(shè)備實際運行狀態(tài)優(yōu)化決策。數(shù)字孿生技術(shù)利用每個孿生體為代理，收集對應(yīng)實體數(shù)據(jù)、利用不同模型進行計算分析決策、通過集成接口提供給不同業(yè)務(wù)目的的應(yīng)用，保障生命周期信息流通實現(xiàn)全局優(yōu)化決策。例如通過建立關(guān)鍵設(shè)備孿生體構(gòu)建車間孿生體，利用感知設(shè)備收集對應(yīng)實體數(shù)據(jù)進行分析，通過集成接口將決策信息下達各設(shè)備控制系統(tǒng)優(yōu)化全車間范圍的生產(chǎn)運行活動。
 
數(shù)字孿生提供單一接口，為實體全生命周期信息流暢提供重要保障。實體的孿生體是訪問其生命周期信息單一接口。如圖3所示，產(chǎn)品制造商在數(shù)字空間構(gòu)建產(chǎn)品類型的孿生體，包含市場分析、計算機輔助設(shè)計圖紙、設(shè)計文檔；構(gòu)建產(chǎn)品的孿生體，在其中包含產(chǎn)品生產(chǎn)信息、從客戶那收集的維保信息等；產(chǎn)品類型孿生體和產(chǎn)品孿生體構(gòu)成復(fù)合產(chǎn)品孿生體，為產(chǎn)品制造商提供所有信息單一接口。
 

圖3  數(shù)字孿生為實體全生命周期信息流暢提供重要保障
 
數(shù)字孿生能為工業(yè)應(yīng)用帶來巨大商業(yè)價值。一是數(shù)字孿生與人工智能、機器學(xué)習(xí)互為基礎(chǔ)協(xié)同發(fā)展。二是數(shù)字孿生促進高精度虛擬傳感器研發(fā)，解決關(guān)鍵物理量無法測量問題。三是數(shù)字孿生助力傳感器失靈漂移矯正，提高感知質(zhì)量避免誤報警誤停機等事故。四是數(shù)字孿生減少信息查詢、格式轉(zhuǎn)換、信息導(dǎo)入時間，助力協(xié)同工程。五是數(shù)字孿生助力運維問題，減少宕機時間經(jīng)濟成本。六是數(shù)字孿生使用實時更新，助力提質(zhì)增效。七是數(shù)字孿生不受時間地點限制快速準(zhǔn)確響應(yīng)，最大化利用專家知識。
 

數(shù)字孿生設(shè)計思想

 
 
數(shù)字孿生由數(shù)據(jù)、模型和服務(wù)接口組成。如圖4所示,數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的重要基礎(chǔ)，主要由建模所需的物理實體信息組成，包括產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)、運行維護數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)交易數(shù)據(jù)。模型是數(shù)字孿生的關(guān)鍵實現(xiàn)，主要包括計算分析模型和運行控制模型，前者用于描述、理解和預(yù)測孿生體的運行狀態(tài)和行為，后者用于指導(dǎo)物理實體運行以實現(xiàn)業(yè)務(wù)目標(biāo)。服務(wù)是數(shù)字孿生的呈現(xiàn)表達，用于多個孿生體之間數(shù)據(jù)訪問和功能調(diào)用，以及連接孿生體與其對應(yīng)物理實體。
 
圖4  數(shù)字孿生三要素:數(shù)據(jù)、模型、服務(wù)
 
建立孿生體間、孿生體內(nèi)多組件間的互操作性。互操作性是兩個或多個系統(tǒng)交換信息并相互使用已交換信息的能力。建立孿生體多組件間的互操作機制和標(biāo)準(zhǔn)是實現(xiàn)數(shù)字孿生互操作性的基礎(chǔ)。
 
一方面，保障每個孿生體中都具備一些公共數(shù)據(jù)屬性和模型的通用結(jié)構(gòu)，以便通過常用方法訪問和調(diào)用。
 
另一方面，對接國際標(biāo)準(zhǔn)或區(qū)域互認的通信協(xié)議來定義信息語法、信息語義、預(yù)期行為和信息交換方式，解決多個孿生體間的互操作性、孿生體內(nèi)各種應(yīng)用程序互操作性、孿生體與其對應(yīng)物理實體的互操作性、孿生體與其物理信息源的互操作性。
 

構(gòu)建數(shù)字孿生涉及多領(lǐng)域技術(shù)問題

 
 
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認為構(gòu)建數(shù)字孿生時要著重考慮八大技術(shù)領(lǐng)域，包括信息建模、信息遷移、信息同步、服務(wù)接口、連接、部署、安全及互操作性。
 

  • 一是信息建模方面，信息是數(shù)字孿生的核心元素貫穿整個生命周期，建模時要著重元模型、結(jié)構(gòu)化模塊化及擴展機制、映射機制、信息關(guān)系建模機制、組件建模方法。

     

  • 二是信息遷移方面，從各信息源到孿生體遷移時要著重不同來源信息遷移機制、復(fù)制引用及其組合機制、信息緩存機制、在線離線信息遷移機制等。

     

  • 三是信息同步方面，要著重信息源與孿生體之間的雙向同步方法、大型復(fù)雜孿生體中多個子孿生體之間信息同步機制、信息同步頻率安全等同步規(guī)則、保障孿生體及其信息源的互操作性以促進信息同步的標(biāo)準(zhǔn)方法。

     

  • 四是服務(wù)接口方面，要著重離線信息訪問機制、在線信息訪問機制、批量流失信息交換機制、跨供應(yīng)商互操作的應(yīng)用服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)。

     

  • 五是連接識別方面，要著重唯一識別孿生體與其對應(yīng)實體并建立連接的機制、在網(wǎng)絡(luò)中自動發(fā)現(xiàn)實體并連接對應(yīng)孿生體的機制、發(fā)現(xiàn)其他孿生體并建立連接的機制、不同供應(yīng)商的孿生體可互操作的連接標(biāo)準(zhǔn)。

     

  • 六是部署機制方面，要著重靈活部署機制（可邊緣可云部署）、分布式孿生體的組件部署機制、多態(tài)部署機制。

     

  • 七是安全保障方面，要著重孿生體內(nèi)數(shù)據(jù)訪問的安全控制機制、復(fù)合孿生體中各子孿生體的供應(yīng)商訪問安全控制機制、物理實體與其孿生體之間的雙向通信安全機制，以及保障信息、模型和其他元數(shù)據(jù)真實性的方法。

     

  • 八是互操作方面，需要著重多個孿生體間互操作的協(xié)議機制、保障不同應(yīng)用和孿生體間互操作的協(xié)議機制、孿生體與其對應(yīng)實體間互操作的協(xié)議機制、孿生體與其他信息源之間互操作的協(xié)議機制。

 

數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)正處于起步階段

 
 
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟初步梳理了現(xiàn)有和在研的數(shù)字孿生相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)化工作。一是國際標(biāo)準(zhǔn)組織ISO、IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會等發(fā)起的數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)研制工作。例如ISO/TC 184成立了數(shù)字孿生體標(biāo)準(zhǔn)研制組；IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會發(fā)起了IEEE P2806項目研究工廠環(huán)境下物理實體數(shù)字表示的系統(tǒng)架構(gòu)；ISO/AWI 23247也用類似方法研究數(shù)字孿生制造框架,該框架側(cè)重于孿生體的服務(wù)接口和功能性以實現(xiàn)孿生體能即插即用。二是出現(xiàn)了一些未明確提及數(shù)字孿生術(shù)語但是與其密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)活動。例如IEC 6283標(biāo)準(zhǔn)定義了以數(shù)字工廠資產(chǎn)表示為中心的數(shù)字工廠框架，但是沒有明確提及數(shù)字孿生；ISO/IEC JTC1的新興技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)合組認為數(shù)字孿生是15個新興技術(shù)中急需深入研究的領(lǐng)域，該聯(lián)合組正積極探索與開源社區(qū)的合作模式。
 

結(jié)語

 
 
數(shù)字孿生是推進工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展實現(xiàn)工業(yè)4.0的先進使能技術(shù)和方法，廣受學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。當(dāng)前，全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼，為數(shù)字孿生提供良好孵化床，各種應(yīng)用場景加速落地，應(yīng)用領(lǐng)域范圍不斷拓寬。美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的《工業(yè)應(yīng)用中的數(shù)字孿生：定義，行業(yè)價值、設(shè)計、標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用案例)》白皮書，提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視角下的數(shù)字孿生定義、商業(yè)價值、體系架構(gòu)以及工業(yè)數(shù)字孿生的部署實施路徑，通過不同行業(yè)實際應(yīng)用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與其孿生體的關(guān)系，為進一步數(shù)字孿生技術(shù)研究及工業(yè)中的應(yīng)用推廣奠定了重要基礎(chǔ)。隨著我國“新基建”的快速推進，將會推動數(shù)字孿生技術(shù)在各個行業(yè)的深入應(yīng)用與蓬勃發(fā)展，從而激發(fā)出無限的產(chǎn)業(yè)潛力與市場動能。
 
作者簡介：
陳文曲，中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所工程師，從事新型基礎(chǔ)設(shè)施、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生等研究。
張譯霖，中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)研究所工程師，從事工業(yè)軟件及其與標(biāo)識解析結(jié)合研究。
謝濱，中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)所工程師，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享研究。
韓天宇，中國信息通信研究院工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與物聯(lián)網(wǎng)所工程師，從事工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享研究。