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

  陳文曲、張譯霖、謝濱、韓天宇  2020-03-20 00:00:00   中國信通院CAICT
隨著數字孿生技術快速發展及創新應用研究,未來美國工業互聯網聯盟還將考慮在其工業互聯網參考架構中融入數字孿生要素。

2020年2月18日,美國工業互聯網聯盟(Industrial Internet Consortium,IIC)正式發布《工業應用中的數字孿生:定義,行業價值、設計、標準及應用案例)》白皮書(下文簡稱“白皮書”),旨在為尋求“降本、提質、增效”有效途徑的商業領袖、系統架構師以及在數字孿生領域從事研究、開發、部署和測試實踐的相關人員,提供數字孿生在工業應用中的操作指導。白皮書從工業互聯網的視角闡述了數字孿生的定義、商業價值、體系架構以及實現數字孿生的必要基礎,通過不同行業實際應用案例描述了工業互聯網與數字孿生的關系。隨著數字孿生技術快速發展及創新應用研究,未來美國工業互聯網聯盟還將考慮在其工業互聯網參考架構中融入數字孿生要素。

一、工業互聯網視角的數字孿生定義及其關系

美國工業互聯網聯盟認為數字孿生是資產、過程或系統的正式數字表示,能捕獲對應實體的屬性和行為,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)物理模型和數據;2)分析模型和數據;3)時間序列數據和歷史;4)業務數據;5)主數據;6)可視化模型和7)各種計算。

根據業務需求不同,可構建復雜程度不同的數字孿生。如圖1所示,針對關鍵零部件,構建零部件孿生體;針對設備,構建包含多個關鍵零部件孿生體的設備孿生體;針對復雜系統,構建包含多個設備孿生體的系統孿生體。

不同復雜程度的數字孿生
圖1  不同復雜程度的數字孿生

數字孿生之間的關系主要有三種:層次型、關聯型和點對點型。為了實現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系與其對應物理實體在物理世界的關系相同,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合孿生體之間的關系。關聯型,如天然氣管道數字孿生體與天然氣生產使用設備孿生體之間的關系。點對點型,如電網中多個風力發電機孿生體之間的關系。

數字孿生體之間的三種關系:層次型、關聯型、點對點型
圖2  數字孿生體之間的三種關系:層次型、關聯型、點對點型

二、全生命周期中數字孿生帶來巨大商業價值

數字孿生解決信息孤島問題,為全局優化決策提供重要支撐。現階段工業生產中包含大量信息,由于多源異構、異地分散的特征易形成信息孤島,影響信息自動流通沒有發揮應有價值。例如生產制造中,各設備運行狀態信息保存在各自固件里,導致產線或車間無法基于各設備實際運行狀態優化決策。數字孿生技術利用每個孿生體為代理,收集對應實體數據、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務目的的應用,保障生命周期信息流通實現全局優化決策。例如通過建立關鍵設備孿生體構建車間孿生體,利用感知設備收集對應實體數據進行分析,通過集成接口將決策信息下達各設備控制系統優化全車間范圍的生產運行活動。

數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,產品制造商在數字空間構建產品類型的孿生體,包含市場分析、計算機輔助設計圖紙、設計文檔;構建產品的孿生體,在其中包含產品生產信息、從客戶那收集的維保信息等;產品類型孿生體和產品孿生體構成復合產品孿生體,為產品制造商提供所有信息單一接口。

數字孿生為實體全生命周期信息流暢提供重要保障
圖3  數字孿生為實體全生命周期信息流暢提供重要保障

數字孿生能為工業應用帶來巨大商業價值。一是數字孿生與人工智能、機器學習互為基礎協同發展。二是數字孿生促進高精度虛擬傳感器研發,解決關鍵物理量無法測量問題。三是數字孿生助力傳感器失靈漂移矯正,提高感知質量避免誤報警誤停機等事故。四是數字孿生減少信息查詢、格式轉換、信息導入時間,助力協同工程。五是數字孿生助力運維問題,減少宕機時間經濟成本。六是數字孿生使用實時更新,助力提質增效。七是數字孿生不受時間地點限制快速準確響應,最大化利用專家知識。

三、數字孿生設計思想

數字孿生由數據、模型和服務接口組成。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體信息組成,包括產品設計、生產、運行維護數據和業務交易數據。模型是數字孿生的關鍵實現,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和行為,后者用于指導物理實體運行以實現業務目標。服務是數字孿生的呈現表達,用于多個孿生體之間數據訪問和功能調用,以及連接孿生體與其對應物理實體。

數字孿生三要素:數據、模型、服務
圖4  數字孿生三要素:數據、模型、服務

建立孿生體間、孿生體內多組件間的互操作性。互操作性是兩個或多個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現數字孿生互操作性的基礎。一方面,保障每個孿生體中都具備一些公共數據屬性和模型的通用結構,以便通過常用方法訪問和調用。另一方面,對接國際標準或區域互認的通信協議來定義信息語法、信息語義、預期行為和信息交換方式,解決多個孿生體間的互操作性、孿生體內各種應用程序互操作性、孿生體與其對應物理實體的互操作性、孿生體與其物理信息源的互操作性。

四、構建數字孿生涉及多領域技術問題

美國工業互聯網聯盟認為構建數字孿生時要著重考慮八大技術領域,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,貫穿整個生命周期,建模時要著重元模型、結構化模塊化及擴展機制、映射機制、信息關系建模機制、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準方法。

四是服務接口方面,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、跨供應商互操作的應用服務標準。

五是連接識別方面,要著重唯一識別孿生體與其對應實體并建立連接的機制、在網絡中自動發現實體并連接對應孿生體的機制、發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、多態部署機制。

七是安全保障方面,要著重孿生體內數據訪問的安全控制機制、復合孿生體中各子孿生體的供應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、模型和其他元數據真實性的方法。

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

五、數字孿生標準建設正處于起步階段

美國工業互聯網聯盟初步梳理了現有和在研的數字孿生相關國際標準化工作。一是國際標準組織ISO、IEEE標準協會等發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標準協會發起了IEEE P2806項目研究工廠環境下物理實體數字表示的系統架構;ISO/AWI 23247也用類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接口和功能性以實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語但是與其密切相關的標準活動。例如IEC 6283標準定義了以數字工廠資產表示為中心的數字工廠框架,但是沒有明確提及數字孿生;ISO/IEC JTC1的新興技術創新聯合組認為數字孿生是15個新興技術中急需深入研究的領域,該聯合組正積極探索與開源社區的合作模式。

六、結語

數字孿生是推進工業互聯網發展實現工業4.0的先進使能技術和方法,廣受學術界、產業界關注。當前,全球工業互聯網發展如火如荼,為數字孿生提供良好孵化床,各種應用場景加速落地,應用領域范圍不斷拓寬。美國工業互聯網聯盟的《工業應用中的數字孿生:定義,行業價值、設計、標準及應用案例)》白皮書,提供了工業互聯網視角下的數字孿生定義、商業價值、體系架構以及工業數字孿生的部署實施路徑,通過不同行業實際應用案例描述了工業互聯網平臺與其孿生體的關系,為進一步數字孿生技術研究及工業中的應用推廣奠定了重要基礎。隨著我國“新基建”的快速推進,將會推動數字孿生技術在各個行業的深入應用與蓬勃發展,從而激發出無限的產業潛力與市場動能。

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