打造数字孪生,发挥数据价值——解读美国工业互联网联盟白皮书《工业应用中的数字孪生》

2020年2月18日,美国工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium,IIC)正式发布《工业应用中的数字孪生:定义,行业价值、设计、标准及应用案例)》白皮书(下文简称“白皮书”),旨在为寻求“降本、提质、增效”有效途径的商业领袖、系统架构师以及在数字孪生领域从事研究、开发、部署和测试实践的相关人员,提供数字孪生在工业应用中的操作指导。白皮书从工业互联网的视角阐述了数字孪生的定义、商业价值、体系架构以及实现数字孪生的必要基础,通过不同行业实际应用案例描述了工业互联网与数字孪生的关系。随着数字孪生技术快速发展及创新应用研究,未来美国工业互联网联盟还将考虑在其工业互联网参考架构中融入数字孪生要素。

一、工业互联网视角的数字孪生定义及其关系

美国工业互联网联盟认为数字孪生是资产、过程或系统的正式数字表示,能捕获对应实体的属性和行为,并在特定语义中进行通信、存储、解释或处理。数字孪生包括但不限于以下几类信息的组合:1)物理模型和数据;2)分析模型和数据;3)时间序列数据和历史;4)业务数据;5)主数据;6)可视化模型和7)各种计算。

根据业务需求不同,可构建复杂程度不同的数字孪生。如图1所示,针对关键零部件,构建零部件孪生体;针对设备,构建包含多个关键零部件孪生体的设备孪生体;针对复杂系统,构建包含多个设备孪生体的系统孪生体。


图1 不同复杂程度的数字孪生

数字孪生之间的关系主要有三种:层次型、关联型和点对点型。为了实现虚拟信息空间与实际物理世界的深度融合,孪生体在信息空间的关系与其对应物理实体在物理世界的关系相同,如图2所示。层次型,如单个零部件孪生体与多个零部件孪生体组建的复合孪生体之间的关系。关联型,如天然气管道数字孪生体与天然气生产使用设备孪生体之间的关系。点对点型,如电网中多个风力发电机孪生体之间的关系。


图2 数字孪生体之间的三种关系:层次型、关联型、点对点型

二、全生命周期中数字孪生带来巨大商业价值

数字孪生解决信息孤岛问题,为全局优化决策提供重要支撑。现阶段工业生产中包含大量信息,由于多源异构、异地分散的特征易形成信息孤岛,影响信息自动流通没有发挥应有价值。例如生产制造中,各设备运行状态信息保存在各自固件里,导致产线或车间无法基于各设备实际运行状态优化决策。数字孪生技术利用每个孪生体为代理,收集对应实体数据、利用不同模型进行计算分析决策、通过集成接口提供给不同业务目的的应用,保障生命周期信息流通实现全局优化决策。例如通过建立关键设备孪生体构建车间孪生体,利用感知设备收集对应实体数据进行分析,通过集成接口将决策信息下达各设备控制系统优化全车间范围的生产运行活动。

数字孪生提供单一接口,为实体全生命周期信息流畅提供重要保障。实体的孪生体是访问其生命周期信息单一接口。如图3所示,产品制造商在数字空间构建产品类型的孪生体,包含市场分析、计算机辅助设计图纸、设计文档;构建产品的孪生体,在其中包含产品生产信息、从客户那收集的维保信息等;产品类型孪生体和产品孪生体构成复合产品孪生体,为产品制造商提供所有信息单一接口。


图3 数字孪生为实体全生命周期信息流畅提供重要保障

数字孪生能为工业应用带来巨大商业价值。一是数字孪生与人工智能、机器学习互为基础协同发展。二是数字孪生促进高精度虚拟传感器研发,解决关键物理量无法测量问题。三是数字孪生助力传感器失灵漂移矫正,提高感知质量避免误报警误停机等事故。四是数字孪生减少信息查询、格式转换、信息导入时间,助力协同工程。五是数字孪生助力运维问题,减少宕机时间经济成本。六是数字孪生使用实时更新,助力提质增效。七是数字孪生不受时间地点限制快速准确响应,最大化利用专家知识。

三、数字孪生设计思想

数字孪生由数据、模型和服务接口组成。如图4所示,数据是数字孪生的重要基础,主要由建模所需的物理实体信息组成,包括产品设计、生产、运行维护数据和业务交易数据。模型是数字孪生的关键实现,主要包括计算分析模型和运行控制模型,前者用于描述、理解和预测孪生体的运行状态和行为,后者用于指导物理实体运行以实现业务目标。服务是数字孪生的呈现表达,用于多个孪生体之间数据访问和功能调用,以及连接孪生体与其对应物理实体。


图4 数字孪生三要素:数据、模型、服务

建立孪生体间、孪生体内多组件间的互操作性。互操作性是两个或多个系统交换信息并相互使用已交换信息的能力。建立孪生体多组件间的互操作机制和标准是实现数字孪生互操作性的基础。一方面,保障每个孪生体中都具备一些公共数据属性和模型的通用结构,以便通过常用方法访问和调用。另一方面,对接国际标准或区域互认的通信协议来定义信息语法、信息语义、预期行为和信息交换方式,解决多个孪生体间的互操作性、孪生体内各种应用程序互操作性、孪生体与其对应物理实体的互操作性、孪生体与其物理信息源的互操作性。

四、构建数字孪生涉及多领域技术问题

美国工业互联网联盟认为构建数字孪生时要着重考虑八大技术领域,包括信息建模、信息迁移、信息同步、服务接口、连接、部署、安全及互操作性。

一是信息建模方面,信息是数字孪生的核心元素,贯穿整个生命周期,建模时要着重元模型、结构化模块化及扩展机制、映射机制、信息关系建模机制、组件建模方法。

二是信息迁移方面,从各信息源到孪生体迁移时要着重不同来源信息迁移机制、复制引用及其组合机制、信息缓存机制、在线离线信息迁移机制等。

三是信息同步方面,要着重信息源与孪生体之间的双向同步方法、大型复杂孪生体中多个子孪生体之间信息同步机制、信息同步频率安全等同步规则、保障孪生体及其信息源的互操作性以促进信息同步的标准方法。

四是服务接口方面,要着重离线信息访问机制、在线信息访问机制、批量流失信息交换机制、跨供应商互操作的应用服务标准。

五是连接识别方面,要着重唯一识别孪生体与其对应实体并建立连接的机制、在网络中自动发现实体并连接对应孪生体的机制、发现其他孪生体并建立连接的机制、不同供应商的孪生体可互操作的连接标准。

六是部署机制方面,要着重灵活部署机制(可边缘可云部署)、分布式孪生体的组件部署机制、多态部署机制。

七是安全保障方面,要着重孪生体内数据访问的安全控制机制、复合孪生体中各子孪生体的供应商访问安全控制机制、物理实体与其孪生体之间的双向通信安全机制,以及保障信息、模型和其他元数据真实性的方法。

八是互操作方面,需要着重多个孪生体间互操作的协议机制、保障不同应用和孪生体间互操作的协议机制、孪生体与其对应实体间互操作的协议机制、孪生体与其他信息源之间互操作的协议机制。

五、数字孪生标准建设正处于起步阶段

美国工业互联网联盟初步梳理了现有和在研的数字孪生相关国际标准化工作。一是国际标准组织ISO、IEEE标准协会等发起的数字孪生标准研制工作。例如ISO/TC 184成立了数字孪生体标准研制组;IEEE标准协会发起了IEEE P2806项目研究工厂环境下物理实体数字表示的系统架构;ISO/AWI 23247也用类似方法研究数字孪生制造框架,该框架侧重于孪生体的服务接口和功能性以实现孪生体能即插即用。二是出现了一些未明确提及数字孪生术语但是与其密切相关的标准活动。例如IEC 6283标准定义了以数字工厂资产表示为中心的数字工厂框架,但是没有明确提及数字孪生;ISO/IEC JTC1的新兴技术创新联合组认为数字孪生是15个新兴技术中急需深入研究的领域,该联合组正积极探索与开源社区的合作模式。

六、结语

数字孪生是推进工业互联网发展实现工业4.0的先进使能技术和方法,广受学术界、产业界关注。当前,全球工业互联网发展如火如荼,为数字孪生提供良好孵化床,各种应用场景加速落地,应用领域范围不断拓宽。美国工业互联网联盟的《工业应用中的数字孪生:定义,行业价值、设计、标准及应用案例)》白皮书,提供了工业互联网视角下的数字孪生定义、商业价值、体系架构以及工业数字孪生的部署实施路径,通过不同行业实际应用案例描述了工业互联网平台与其孪生体的关系,为进一步数字孪生技术研究及工业中的应用推广奠定了重要基础。随着我国“新基建”的快速推进,将会推动数字孪生技术在各个行业的深入应用与蓬勃发展,从而激发出无限的产业潜力与市场动能。

作者简介

陈文曲,中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所工程师,从事新型基础设施、工业互联网、数字孪生等研究。

联系方式:chenwenqu@caict.ac.cn

张译霖,中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所工程师,从事工业软件及其与标识解析结合研究。

联系方式:zhangyilin@caict.ac.cn

谢滨,中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所工程师,从事工业互联网数据共享研究。

联系方式:xiebin@caict.ac.cn

韩天宇,中国信息通信研究院工业互联网与物联网研究所工程师,从事工业互联网数据共享研究。

联系方式:hantianyu@caict.ac.cn

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