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工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研習社風(fēng)向觀(guān)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)應用中的數字孿生:定義,行業(yè)價(jià)值、設計、標準及應用案例)》白皮書(shū),旨在為尋求“降本、提質(zhì)、增效”有效途徑的商業(yè)領(lǐng)袖、系統架構師以及在數字孿生領(lǐng)域從事研究、開(kāi)發(fā)、部署和測試實(shí)踐的相關(guān)人員,提供數字孿生在工業(yè)應用中的操作指導。

       白皮書(shū)從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角闡述了數字孿生的定義、商業(yè)價(jià)值、體系架構以及實(shí)現數字孿生的必要基礎,通過(guò)不同行業(yè)實(shí)際應用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數字孿生的關(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)應用中的數字孿生:定義,行業(yè)價(jià)值、設計、標準及應用案例)》白皮書(shū)(下文簡(jiǎn)稱(chēng)“白皮書(shū)”),旨在為尋求“降本、提質(zhì)、增效”有效途徑的商業(yè)領(lǐng)袖、系統架構師以及在數字孿生領(lǐng)域從事研究、開(kāi)發(fā)、部署和測試實(shí)踐的相關(guān)人員,提供數字孿生在工業(yè)應用中的操作指導。
 
白皮書(shū)從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的視角闡述了數字孿生的定義、商業(yè)價(jià)值、體系架構以及實(shí)現數字孿生的必要基礎,通過(guò)不同行業(yè)實(shí)際應用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與數字孿生的關(guān)系。隨著(zhù)數字孿生技術(shù)快速發(fā)展及創(chuàng )新應用研究,未來(lái)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)參考架構中融入數字孿生要素。

 

 

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

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

全生命周期中數字孿生帶來(lái)巨大商業(yè)價(jià)值

 
 
數字孿生解決信息孤島問(wèn)題,為全局優(yōu)化決策提供重要支撐。現階段工業(yè)生產(chǎn)中包含大量信息,由于多源異構、異地分散的特征易形成信息孤島,影響信息自動(dòng)流通沒(méi)有發(fā)揮應有價(jià)值。例如生產(chǎn)制造中,各設備運行狀態(tài)信息保存在各自固件里,導致產(chǎn)線(xiàn)或車(chē)間無(wú)法基于各設備實(shí)際運行狀態(tài)優(yōu)化決策。數字孿生技術(shù)利用每個(gè)孿生體為代理,收集對應實(shí)體數據、利用不同模型進(jìn)行計算分析決策、通過(guò)集成接口提供給不同業(yè)務(wù)目的的應用,保障生命周期信息流通實(shí)現全局優(yōu)化決策。例如通過(guò)建立關(guān)鍵設備孿生體構建車(chē)間孿生體,利用感知設備收集對應實(shí)體數據進(jìn)行分析,通過(guò)集成接口將決策信息下達各設備控制系統優(yōu)化全車(chē)間范圍的生產(chǎn)運行活動(dòng)。
 
數字孿生提供單一接口,為實(shí)體全生命周期信息流暢提供重要保障。實(shí)體的孿生體是訪(fǎng)問(wèn)其生命周期信息單一接口。如圖3所示,產(chǎn)品制造商在數字空間構建產(chǎn)品類(lèi)型的孿生體,包含市場(chǎng)分析、計算機輔助設計圖紙、設計文檔;構建產(chǎn)品的孿生體,在其中包含產(chǎn)品生產(chǎn)信息、從客戶(hù)那收集的維保信息等;產(chǎn)品類(lèi)型孿生體和產(chǎn)品孿生體構成復合產(chǎn)品孿生體,為產(chǎn)品制造商提供所有信息單一接口。
 

圖3  數字孿生為實(shí)體全生命周期信息流暢提供重要保障
 
數字孿生能為工業(yè)應用帶來(lái)巨大商業(yè)價(jià)值。一是數字孿生與人工智能、機器學(xué)習互為基礎協(xié)同發(fā)展。二是數字孿生促進(jìn)高精度虛擬傳感器研發(fā),解決關(guān)鍵物理量無(wú)法測量問(wèn)題。三是數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。四是數字孿生減少信息查詢(xún)、格式轉換、信息導入時(shí)間,助力協(xié)同工程。五是數字孿生助力運維問(wèn)題,減少宕機時(shí)間經(jīng)濟成本。六是數字孿生使用實(shí)時(shí)更新,助力提質(zhì)增效。七是數字孿生不受時(shí)間地點(diǎn)限制快速準確響應,最大化利用專(zhuān)家知識。
 

數字孿生設計思想

 
 
數字孿生由數據、模型和服務(wù)接口組成。如圖4所示,數據是數字孿生的重要基礎,主要由建模所需的物理實(shí)體信息組成,包括產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、運行維護數據和業(yè)務(wù)交易數據。模型是數字孿生的關(guān)鍵實(shí)現,主要包括計算分析模型和運行控制模型,前者用于描述、理解和預測孿生體的運行狀態(tài)和行為,后者用于指導物理實(shí)體運行以實(shí)現業(yè)務(wù)目標。服務(wù)是數字孿生的呈現表達,用于多個(gè)孿生體之間數據訪(fǎng)問(wèn)和功能調用,以及連接孿生體與其對應物理實(shí)體。
 
圖4  數字孿生三要素:數據、模型、服務(wù)
 
建立孿生體間、孿生體內多組件間的互操作性。互操作性是兩個(gè)或多個(gè)系統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準是實(shí)現數字孿生互操作性的基礎。
 
一方面,保障每個(gè)孿生體中都具備一些公共數據屬性和模型的通用結構,以便通過(guò)常用方法訪(fǎng)問(wèn)和調用。
 
另一方面,對接國際標準或區域互認的通信協(xié)議來(lái)定義信息語(yǔ)法、信息語(yǔ)義、預期行為和信息交換方式,解決多個(gè)孿生體間的互操作性、孿生體內各種應用程序互操作性、孿生體與其對應物理實(shí)體的互操作性、孿生體與其物理信息源的互操作性。
 

構建數字孿生涉及多領(lǐng)域技術(shù)問(wèn)題

 
 
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟認為構建數字孿生時(shí)要著(zhù)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,信息是數字孿生的核心元素貫穿整個(gè)生命周期,建模時(shí)要著(zhù)重元模型、結構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(shí)要著(zhù)重不同來(lái)源信息遷移機制、復制引用及其組合機制、信息緩存機制、在線(xiàn)離線(xiàn)信息遷移機制等。

     

  • 三是信息同步方面,要著(zhù)重信息源與孿生體之間的雙向同步方法、大型復雜孿生體中多個(gè)子孿生體之間信息同步機制、信息同步頻率安全等同步規則、保障孿生體及其信息源的互操作性以促進(jìn)信息同步的標準方法。

     

  • 四是服務(wù)接口方面,要著(zhù)重離線(xiàn)信息訪(fǎng)問(wèn)機制、在線(xiàn)信息訪(fǎng)問(wèn)機制、批量流失信息交換機制、跨供應商互操作的應用服務(wù)標準。

     

  • 五是連接識別方面,要著(zhù)重唯一識別孿生體與其對應實(shí)體并建立連接的機制、在網(wǎng)絡(luò )中自動(dòng)發(fā)現實(shí)體并連接對應孿生體的機制、發(fā)現其他孿生體并建立連接的機制、不同供應商的孿生體可互操作的連接標準。

     

  • 六是部署機制方面,要著(zhù)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(zhù)重孿生體內數據訪(fǎng)問(wèn)的安全控制機制、復合孿生體中各子孿生體的供應商訪(fǎng)問(wèn)安全控制機制、物理實(shí)體與其孿生體之間的雙向通信安全機制,以及保障信息、模型和其他元數據真實(shí)性的方法。

     

  • 八是互操作方面,需要著(zhù)重多個(gè)孿生體間互操作的協(xié)議機制、保障不同應用和孿生體間互操作的協(xié)議機制、孿生體與其對應實(shí)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。

 

數字孿生標準建設正處于起步階段

 
 
美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟初步梳理了現有和在研的數字孿生相關(guān)國際標準化工作。一是國際標準組織ISO、IEEE標準協(xié)會(huì )等發(fā)起的數字孿生標準研制工作。例如ISO/TC 184成立了數字孿生體標準研制組;IEEE標準協(xié)會(huì )發(fā)起了IEEE P2806項目研究工廠(chǎng)環(huán)境下物理實(shí)體數字表示的系統架構;ISO/AWI 23247也用類(lèi)似方法研究數字孿生制造框架,該框架側重于孿生體的服務(wù)接口和功能性以實(shí)現孿生體能即插即用。二是出現了一些未明確提及數字孿生術(shù)語(yǔ)但是與其密切相關(guān)的標準活動(dòng)。例如IEC 6283標準定義了以數字工廠(chǎng)資產(chǎn)表示為中心的數字工廠(chǎng)框架,但是沒(méi)有明確提及數字孿生;ISO/IEC JTC1的新興技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)合組認為數字孿生是15個(gè)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(kāi)源社區的合作模式。
 

結語(yǔ)

 
 
數字孿生是推進(jìn)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展實(shí)現工業(yè)4.0的先進(jìn)使能技術(shù)和方法,廣受學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界關(guān)注。當前,全球工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展如火如荼,為數字孿生提供良好孵化床,各種應用場(chǎng)景加速落地,應用領(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)應用中的數字孿生:定義,行業(yè)價(jià)值、設計、標準及應用案例)》白皮書(shū),提供了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)視角下的數字孿生定義、商業(yè)價(jià)值、體系架構以及工業(yè)數字孿生的部署實(shí)施路徑,通過(guò)不同行業(yè)實(shí)際應用案例描述了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺與其孿生體的關(guān)系,為進(jìn)一步數字孿生技術(shù)研究及工業(yè)中的應用推廣奠定了重要基礎。隨著(zhù)我國“新基建”的快速推進(jìn),將會(huì )推動(dòng)數字孿生技術(shù)在各個(gè)行業(yè)的深入應用與蓬勃發(fā)展,從而激發(fā)出無(wú)限的產(chǎn)業(yè)潛力與市場(chǎng)動(dòng)能。
 
作者簡(jiǎn)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,從事新型基礎設施、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、數字孿生等研究。
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)軟件及其與標識解析結合研究。
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)數據共享研究。
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)數據共享研究。