打造數(shù)字孿生(shēng)，發揮數(shù)據價值 ——解讀美國工業互聯網聯盟白皮書(shū)《工業應用中的數(shù)字孿生(shēng)》

作(zuò)者:陳文曲張譯霖等
發布時(shí)間(jiān):2020-03-19
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2020年2月18日，美國工業互聯網聯盟（Industrial Internet Consortium，IIC）正式發布《工業應用中的數(shù)字孿生(shēng)：定義，行(xíng)業價值、設計(jì)、标準及應用案例)》白皮書(shū)（下文簡稱“白皮書(shū)”），旨在為(wèi)尋求“降本、提質、增效”有(yǒu)效途徑的商業領袖、系統架構師(shī)以及在數(shù)字孿生(shēng)領域從事研究、開(kāi)發、部署和(hé)測試實踐的相關人(rén)員，提供數(shù)字孿生(shēng)在工業應用中的操作(zuò)指導。白皮書(shū)從工業互聯網的視(shì)角闡述了數(shù)字孿生(shēng)的定義、商業價值、體(tǐ)系架構以及實現數(shù)字孿生(shēng)的必要基礎，通(tōng)過不同行(xíng)業實際應用案例描述了工業互聯網與數(shù)字孿生(shēng)的關系。随着數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)快速發展及創新應用研究，未來(lái)美國工業互聯網聯盟還(hái)将考慮在其工業互聯網參考架構中融入數(shù)字孿生(shēng)要素。

工業互聯網視(shì)角的數(shù)字孿生(shēng)定義及其關系

美國工業互聯網聯盟認為(wèi)數(shù)字孿生(shēng)是資産、過程或系統的正式數(shù)字表示，能捕獲對應實體(tǐ)的屬性和(hé)行(xíng)為(wèi)，并在特定語義中進行(xíng)通(tōng)信、存儲、解釋或處理(lǐ)。數(shù)字孿生(shēng)包括但(dàn)不限于以下幾類信息的組合：1）物理(lǐ)模型和(hé)數(shù)據；2）分析模型和(hé)數(shù)據；3）時(shí)間(jiān)序列數(shù)據和(hé)曆史；4）業務數(shù)據；5）主數(shù)據；6）可(kě)視(shì)化模型和(hé)7）各種計(jì)算(suàn)。

根據業務需求不同，可(kě)構建複雜程度不同的數(shù)字孿生(shēng)。如圖1所示，針對關鍵零部件，構建零部件孿生(shēng)體(tǐ)；針對設備，構建包含多(duō)個(gè)關鍵零部件孿生(shēng)體(tǐ)的設備孿生(shēng)體(tǐ)；針對複雜系統，構建包含多(duō)個(gè)設備孿生(shēng)體(tǐ)的系統孿生(shēng)體(tǐ)。

數(shù)字孿生(shēng)之間(jiān)的關系主要有(yǒu)三種:層次型、關聯型和(hé)點對點型。為(wèi)了實現虛拟信息空(kōng)間(jiān)與實際物理(lǐ)世界的深度融合，孿生(shēng)體(tǐ)在信息空(kōng)間(jiān)的關系與其對應物理(lǐ)實體(tǐ)在物理(lǐ)世界的關系相同，如圖2所示。層次型，如單個(gè)零部件孿生(shēng)體(tǐ)與多(duō)個(gè)零部件孿生(shēng)體(tǐ)組建的複合孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)的關系。關聯型，如天然氣管道(dào)數(shù)字孿生(shēng)體(tǐ)與天然氣生(shēng)産使用設備孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)的關系。點對點型，如電(diàn)網中多(duō)個(gè)風力發電(diàn)機孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)的關系。

全生(shēng)命周期中數(shù)字孿生(shēng)帶來(lái)巨大(dà)商業價值

數(shù)字孿生(shēng)解決信息孤島問題，為(wèi)全局優化決策提供重要支撐。現階段工業生(shēng)産中包含大(dà)量信息，由于多(duō)源異構、異地分散的特征易形成信息孤島，影(yǐng)響信息自動流通(tōng)沒有(yǒu)發揮應有(yǒu)價值。例如生(shēng)産制(zhì)造中，各設備運行(xíng)狀态信息保存在各自固件裏，導緻産線或車(chē)間(jiān)無法基于各設備實際運行(xíng)狀态優化決策。數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)利用每個(gè)孿生(shēng)體(tǐ)為(wèi)代理(lǐ)，收集對應實體(tǐ)數(shù)據、利用不同模型進行(xíng)計(jì)算(suàn)分析決策、通(tōng)過集成接口提供給不同業務目的的應用，保障生(shēng)命周期信息流通(tōng)實現全局優化決策。例如通(tōng)過建立關鍵設備孿生(shēng)體(tǐ)構建車(chē)間(jiān)孿生(shēng)體(tǐ)，利用感知設備收集對應實體(tǐ)數(shù)據進行(xíng)分析，通(tōng)過集成接口将決策信息下達各設備控制(zhì)系統優化全車(chē)間(jiān)範圍的生(shēng)産運行(xíng)活動。

數(shù)字孿生(shēng)提供單一接口，為(wèi)實體(tǐ)全生(shēng)命周期信息流暢提供重要保障。實體(tǐ)的孿生(shēng)體(tǐ)是訪問其生(shēng)命周期信息單一接口。如圖3所示，産品制(zhì)造商在數(shù)字空(kōng)間(jiān)構建産品類型的孿生(shēng)體(tǐ)，包含市場(chǎng)分析、計(jì)算(suàn)機輔助設計(jì)圖紙、設計(jì)文檔；構建産品的孿生(shēng)體(tǐ)，在其中包含産品生(shēng)産信息、從客戶那(nà)收集的維保信息等；産品類型孿生(shēng)體(tǐ)和(hé)産品孿生(shēng)體(tǐ)構成複合産品孿生(shēng)體(tǐ)，為(wèi)産品制(zhì)造商提供所有(yǒu)信息單一接口。

數(shù)字孿生(shēng)能為(wèi)工業應用帶來(lái)巨大(dà)商業價值。一是數(shù)字孿生(shēng)與人(rén)工智能、機器(qì)學習互為(wèi)基礎協同發展。二是數(shù)字孿生(shēng)促進高(gāo)精度虛拟傳感器(qì)研發，解決關鍵物理(lǐ)量無法測量問題。三是數(shù)字孿生(shēng)助力傳感器(qì)失靈漂移矯正，提高(gāo)感知質量避免誤報警誤停機等事故。四是數(shù)字孿生(shēng)減少(shǎo)信息查詢、格式轉換、信息導入時(shí)間(jiān)，助力協同工程。五是數(shù)字孿生(shēng)助力運維問題，減少(shǎo)宕機時(shí)間(jiān)經濟成本。六是數(shù)字孿生(shēng)使用實時(shí)更新，助力提質增效。七是數(shù)字孿生(shēng)不受時(shí)間(jiān)地點限制(zhì)快速準确響應，最大(dà)化利用專家(jiā)知識。

數(shù)字孿生(shēng)設計(jì)思想

數(shù)字孿生(shēng)由數(shù)據、模型和(hé)服務接口組成。如圖4所示,數(shù)據是數(shù)字孿生(shēng)的重要基礎，主要由建模所需的物理(lǐ)實體(tǐ)信息組成，包括産品設計(jì)、生(shēng)産、運行(xíng)維護數(shù)據和(hé)業務交易數(shù)據。模型是數(shù)字孿生(shēng)的關鍵實現，主要包括計(jì)算(suàn)分析模型和(hé)運行(xíng)控制(zhì)模型，前者用于描述、理(lǐ)解和(hé)預測孿生(shēng)體(tǐ)的運行(xíng)狀态和(hé)行(xíng)為(wèi)，後者用于指導物理(lǐ)實體(tǐ)運行(xíng)以實現業務目标。服務是數(shù)字孿生(shēng)的呈現表達，用于多(duō)個(gè)孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)數(shù)據訪問和(hé)功能調用，以及連接孿生(shēng)體(tǐ)與其對應物理(lǐ)實體(tǐ)。

建立孿生(shēng)體(tǐ)間(jiān)、孿生(shēng)體(tǐ)內(nèi)多(duō)組件間(jiān)的互操作(zuò)性。互操作(zuò)性是兩個(gè)或多(duō)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(shēng)體(tǐ)多(duō)組件間(jiān)的互操作(zuò)機制(zhì)和(hé)标準是實現數(shù)字孿生(shēng)互操作(zuò)性的基礎。

一方面，保障每個(gè)孿生(shēng)體(tǐ)中都具備一些(xiē)公共數(shù)據屬性和(hé)模型的通(tōng)用結構，以便通(tōng)過常用方法訪問和(hé)調用。

另一方面，對接國際标準或區(qū)域互認的通(tōng)信協議來(lái)定義信息語法、信息語義、預期行(xíng)為(wèi)和(hé)信息交換方式，解決多(duō)個(gè)孿生(shēng)體(tǐ)間(jiān)的互操作(zuò)性、孿生(shēng)體(tǐ)內(nèi)各種應用程序互操作(zuò)性、孿生(shēng)體(tǐ)與其對應物理(lǐ)實體(tǐ)的互操作(zuò)性、孿生(shēng)體(tǐ)與其物理(lǐ)信息源的互操作(zuò)性。

構建數(shù)字孿生(shēng)涉及多(duō)領域技(jì)術(shù)問題

美國工業互聯網聯盟認為(wèi)構建數(shù)字孿生(shēng)時(shí)要着重考慮八大(dà)技(jì)術(shù)領域，包括信息建模、信息遷移、信息同步、服務接口、連接、部署、安全及互操作(zuò)性。

一是信息建模方面，信息是數(shù)字孿生(shēng)的核心元素貫穿整個(gè)生(shēng)命周期，建模時(shí)要着重元模型、結構化模塊化及擴展機制(zhì)、映射機制(zhì)、信息關系建模機制(zhì)、組件建模方法。
二是信息遷移方面，從各信息源到孿生(shēng)體(tǐ)遷移時(shí)要着重不同來(lái)源信息遷移機制(zhì)、複制(zhì)引用及其組合機制(zhì)、信息緩存機制(zhì)、在線離線信息遷移機制(zhì)等。
三是信息同步方面，要着重信息源與孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)的雙向同步方法、大(dà)型複雜孿生(shēng)體(tǐ)中多(duō)個(gè)子孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)信息同步機制(zhì)、信息同步頻率安全等同步規則、保障孿生(shēng)體(tǐ)及其信息源的互操作(zuò)性以促進信息同步的标準方法。
四是服務接口方面，要着重離線信息訪問機制(zhì)、在線信息訪問機制(zhì)、批量流失信息交換機制(zhì)、跨供應商互操作(zuò)的應用服務标準。
五是連接識别方面，要着重唯一識别孿生(shēng)體(tǐ)與其對應實體(tǐ)并建立連接的機制(zhì)、在網絡中自動發現實體(tǐ)并連接對應孿生(shēng)體(tǐ)的機制(zhì)、發現其他孿生(shēng)體(tǐ)并建立連接的機制(zhì)、不同供應商的孿生(shēng)體(tǐ)可(kě)互操作(zuò)的連接标準。
六是部署機制(zhì)方面，要着重靈活部署機制(zhì)（可(kě)邊緣可(kě)雲部署）、分布式孿生(shēng)體(tǐ)的組件部署機制(zhì)、多(duō)态部署機制(zhì)。
七是安全保障方面，要着重孿生(shēng)體(tǐ)內(nèi)數(shù)據訪問的安全控制(zhì)機制(zhì)、複合孿生(shēng)體(tǐ)中各子孿生(shēng)體(tǐ)的供應商訪問安全控制(zhì)機制(zhì)、物理(lǐ)實體(tǐ)與其孿生(shēng)體(tǐ)之間(jiān)的雙向通(tōng)信安全機制(zhì)，以及保障信息、模型和(hé)其他元數(shù)據真實性的方法。
八是互操作(zuò)方面，需要着重多(duō)個(gè)孿生(shēng)體(tǐ)間(jiān)互操作(zuò)的協議機制(zhì)、保障不同應用和(hé)孿生(shēng)體(tǐ)間(jiān)互操作(zuò)的協議機制(zhì)、孿生(shēng)體(tǐ)與其對應實體(tǐ)間(jiān)互操作(zuò)的協議機制(zhì)、孿生(shēng)體(tǐ)與其他信息源之間(jiān)互操作(zuò)的協議機制(zhì)。

數(shù)字孿生(shēng)标準建設正處于起步階段

美國工業互聯網聯盟初步梳理(lǐ)了現有(yǒu)和(hé)在研的數(shù)字孿生(shēng)相關國際标準化工作(zuò)。一是國際标準組織ISO、IEEE标準協會(huì)等發起的數(shù)字孿生(shēng)标準研制(zhì)工作(zuò)。例如ISO/TC 184成立了數(shù)字孿生(shēng)體(tǐ)标準研制(zhì)組；IEEE标準協會(huì)發起了IEEE P2806項目研究工廠環境下物理(lǐ)實體(tǐ)數(shù)字表示的系統架構；ISO/AWI 23247也用類似方法研究數(shù)字孿生(shēng)制(zhì)造框架,該框架側重于孿生(shēng)體(tǐ)的服務接口和(hé)功能性以實現孿生(shēng)體(tǐ)能即插即用。二是出現了一些(xiē)未明(míng)确提及數(shù)字孿生(shēng)術(shù)語但(dàn)是與其密切相關的标準活動。例如IEC 6283标準定義了以數(shù)字工廠資産表示為(wèi)中心的數(shù)字工廠框架，但(dàn)是沒有(yǒu)明(míng)确提及數(shù)字孿生(shēng)；ISO/IEC JTC1的新興技(jì)術(shù)創新聯合組認為(wèi)數(shù)字孿生(shēng)是15個(gè)新興技(jì)術(shù)中急需深入研究的領域，該聯合組正積極探索與開(kāi)源社區(qū)的合作(zuò)模式。

結語

數(shù)字孿生(shēng)是推進工業互聯網發展實現工業4.0的先進使能技(jì)術(shù)和(hé)方法，廣受學術(shù)界、産業界關注。當前，全球工業互聯網發展如火(huǒ)如荼，為(wèi)數(shù)字孿生(shēng)提供良好孵化床，各種應用場(chǎng)景加速落地，應用領域範圍不斷拓寬。美國工業互聯網聯盟的《工業應用中的數(shù)字孿生(shēng)：定義，行(xíng)業價值、設計(jì)、标準及應用案例)》白皮書(shū)，提供了工業互聯網視(shì)角下的數(shù)字孿生(shēng)定義、商業價值、體(tǐ)系架構以及工業數(shù)字孿生(shēng)的部署實施路徑，通(tōng)過不同行(xíng)業實際應用案例描述了工業互聯網平台與其孿生(shēng)體(tǐ)的關系，為(wèi)進一步數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)研究及工業中的應用推廣奠定了重要基礎。随着我國“新基建”的快速推進，将會(huì)推動數(shù)字孿生(shēng)技(jì)術(shù)在各個(gè)行(xíng)業的深入應用與蓬勃發展，從而激發出無限的産業潛力與市場(chǎng)動能。