数字孪生的“工业未来”

本文简要回顾了数字孪生概念的发展历史，介绍了数字孪生的含义，及其在虚拟与现实日益融合的未来世界的核心价值。同时，详细解释了数字孪生与工业4.0的关系，通过REMI4.0模型的分析，系统地阐释了数字孪生如何在智能制造领域应用并发挥关键作用。最后通过介绍TÜV南德集团的一个智能制造创新项目的开发经验，让读者从微观的视角深入理解数字孪生的作用与价值。

数字孪生概念的历史

数字孪生的构想最早出现于DavidGelernter在1991年出版的著作《镜像世界》(MirrorWorld)中。MichaelGrieves在2002年制造工程学会的大会上第一次向公众阐释了数字孪生的概念，并提出了基于产品生命周期管理 (PLM)的概念性模型。

虚拟与现实的融合

抛开这些精确的书面定义，仅从字面意思理解，数字孪生是物理对象在数字世界的一个镜像，包含了物理对象的特征信息，可以认为数字孪生是物理对象在数字世界的一个虚拟表示。数字孪生与其对应的物理对象之间可以没有任何实时的数据连接，在这种情况下数字孪生中只有其物理对象的数字特征，比如其形状、体积、温度等特性，或者说是物理对象的一个数学模型，可以应用于数字世界的仿真。随着传感器技术及物联网的发展，数字孪生可以实时获得物理对象的各种状态，比如实时的速度、温度、压力等，从而与物理对象建立实时的数据连接可以应用于各种商业或工艺流程中。

随着虚拟与现实的逐渐融合，数字孪生逐渐发展成每一个物理对象在数字世界的窗口。

工业4.0与数字孪生

由于德国政府在2014年前后将工业4.0采纳为国家级的战略，工业4.0这个概念曾经风靡一时。中国、日本等国先后发布了对应的国家级战略，中国的国家战略是三步走的“制造强国”战略，第一步，到2025年迈入制造强国行列；第二步，到2035年中国大陆制造业整体达到世界制造强国阵营的中等水准；第三步，到中华人民共和国成立一百年时，更加巩固制造业国家地位，综合实力进入世界制造强国前列。

按德国标准化组织DKE副主席暨德国工业4.0标准化委员会主席DieterWegener教授在工业4.0标准化路线图中的说法，从技术角度工业4.0代表了信息世界(IT)与物理世界(OT)的融合。德国工业4.0国家战略的3个战略领域是自主、互操作性及可持续性。

工业4.0的一个基础理念是将物理世界的资产转化成虚拟现实接合的工业4.0组件，而实现这一转化的方法是给资产赋予资产管理壳(AssetAdministrationShell/AAS)。在工业4.0的语境下资产管理壳就是资产的数字孪生。所以可以说工业4.0是建立在数字孪生概念上的一个宏观框架。

REMI4.0模型

从技术角度理解工业4.0如何实现，即IT与OT的融合如何成为现实，可以借助于著名的REMI4.0模型。RAMI4.0是一个三维概念模型，包括了从物理世界到数字世界的架构层级，产品生命周期的价值链以及自动化工厂的控制层级三个维度。这一框架涵盖了智能制造的所有方面。任何与智能制造相关组织的任何业务和活动都可以在这个三维空间中找到具体的位置。

RAMI4.0模型有两个主要作用，一是让所有智能制造的参与者，对于智能制造都能有个共同的理解，在交流时有一个共同的语境。二是方便在不同层级设置标准化的接口，便于产业链的分工合作。产业生态系统中不同的组织可以专注于自己的细分领域，并通过标准接口与其他层级的合作组织对接。

笔者在参加某公司内部的工业4.0开发项目时就深有感触，来自不同国家的分公司，具有不同领域知识背景的团队成员通过使用RAMI模型，很快就对这个项目的定位和团队大致的工作有了初步共识。

具体而言，第一个维度是从物理世界到数字世界的层级，从下到上包括资产层、集成层、通讯层、信息层、功能层和商务层。

资产层容纳了物理世界的“物”，需要处理的典型问题是“如何在物理世界中将我的产品集成进工艺过程？”

集成层是物理世界与数字世界的主要接口，将资产集成进物理世界，典型问题是“我的产品如何在数字世界获得利用？”

通讯层处理数据传输和获取，典型问题是“我和我的客户如何能获得数据？”

信息层处理数据的信息化，典型问题是“我的产品哪些数据是有用的信息？”

功能层是资产的信息在数字世界的功能，典型问题是“我的产品及产品制造相关的信息流能做什么？”

商务层建立在产品或服务的功能之上，典型问题是“哪些功能是客户需要且愿意付费的？如何构建基于工业4.0的商业模式？”

第二个维度是产品的生命周期及其价值链。包括设计原型和实例两个阶段。设计原型阶段又包括开发和维护两个分阶段。开发包括从概念、计划、设计到原型的完整形式设计开发流程。维护包括在产品投放以后的设计变更、软件升级或补丁、用户手册的维护等等。实例阶段又包括制造和售后服务两个阶段。

第三个维度是工厂控制层级。传统的工业3.0工厂，自动化工厂是按照现场设备、控制设备、控制站、车间，企业逐级向上的分层金字塔结构。而在工业4.0的智能工厂，由于设备互联性的大幅提升，传统的控制层级被打乱了，形成了组织内部和组织外部协同集成的互联世界。

以上工业4.0理念及RAMI4.0模型的核心是实现信息在智能工厂内部和产品全生命周期的产业链参与者之间的传递。而实现信息流的基础就是数字管理壳，即数字孪生。

资产管理壳与工业4.0通信

资产管理壳所包含的信息并没有严格的规定，可以根据需求设置不同的信息子模型。每个信息子模型中包括必要的特征参数。

如何为物理世界的资产构建资产管理壳？如何在工业4.0的智能工厂中使用？在德国工业标准DINSPEC91345中有详细的阐述。

而集成了资产和资产管理壳的工业4.0组件之间要进行工业4.0通信，还需要有统一的通信协议，包括交互的规则、报文的结构，以及各种工业4.0组件能够理解互相传递的数据所含的信息的一种工业4.0语言。关于工业4.0语言的细节在德国标准VDE2193中有详细的介绍。

智能制造的数据流

了解了REMI4.0模型以及资产管理壳的基本原理，我们就可以来看一下信息在智能制造和产品全生命周期中是如何通过数字孪生的形式流动的。

智能制造用例是一台包括两个主要部件(马达和执行器)的装置的全生命周期流程。在原型设计阶段，马达和执行器的制造商分别将产品的规格和主要设计信息封装进产品各自的数字孪生，并将信息发送给集成商。集成商将马达和执行器的数字孪生以及集成装置的信息打包封装进集成装置的数字孪生，并发送给终端用户(运营商)。在实例阶段，马达和执行器供应商分别将马达和执行器的制造信息，包括生产批次、序列号、物料清单等信息输入数字孪生，与实物一起提供给集成商，集成商将集成装置的生产信息与两个组件的数字孪生信息打包封装进集成装置的数字孪生，并提供给运营商。运营商最终将以上所有信息封装进终端工厂生产制造系统的数字孪生。所有的数字孪生可以在执行装置的全生命周期自动地通信以交换信息。

这些工作技术上也可以通过传统的自动化通信来实现，但是基于数字孪生技术可以规范产业链相关方以及互联设备之间的通信，促进协同，对于复杂度和相关性迅速增长的智能制造系统具有重要意义。并且通过标准的工业4.0语言将数据流信息化，可以基于制造过程及产品生命周期中产生的工业大数据开发出新的商业模式。

仿真与协同工作

除此以外，数字孪生技术在智能制造领域还有各种应用。

在工厂的规划设计阶段，通过数字孪生的仿真技术，可以预先在虚拟环境进行开发和调试，从而大大减少集成和安装阶段的现场工作量。

随着虚拟与现实的日益融合，分布在不同国家和地区，通过智能工厂的数字孪生平台，具有不同领域知识的专家的协同工作也成为可能。

数字孪生技术的广泛应用有助于提升智能工厂的灵活性和可靠性，并使智能工厂规模的显著扩大成为可能。

自适应物理安全与信息安全系统

下面将通过TÜV南德意志集团(以下简称“TÜV南德”)的一个智能制造创新项目进一步展示数字孪生在智能制造系统的作用。

TÜV南德成立于1866年，前身为蒸汽锅炉检验协会。发展至今，已成为了全球化的机构。TÜV南德在50个国家设立了1000多个分支机构，拥有25000多名员工，致力于不断地提高自身的技术、体系及专业知识。集团的技术专家在工业4.0、自动驾驶及可再生能源的安全与可靠性方面均作出了显著的技术创新。在智能制造领域，从工业3.0到工业4.0的转变是一次范式转变。智能工厂生产设施的规模迅速增加，设备之间的互联与相关性的指数级增加，自主设备的大量引入，人机协同工作场景的日益普遍，以及大规模个性化生产，都给企业的风险管理提出了挑战。传统的基于“最坏情况”静态风险评估方法存在一系列缺陷，使其难以适应智能制造的风险管理要求。

因此TÜV南德集团层级的智能制造委员会主导开发了受专利保护的自适应物理安全和信息安全系统(AdaptiveSafety&SecuritySystem，简称AS3)，实现对以大量交互和数据流为特征的动态工业4.0系统的运行时“Run-time”监控，同时实现对安全措施和系统变化的自动验证。帮助智能工厂在确保安全底线，并最大限度减少停机时间的同时，保持高效率和灵活性。

在经过数十年积累的物理安全和信息安全专业知识的支持下，TÜV南德独特的AS3解决方案提供了基于事件触发的动态风险评估和安全措施自动验证。这一概念旨在协助系统设计和操作人员在虚拟仿真和现实世界的应用中都可以正确应对复杂风险状况。AS3可以执行持续和全面的风险评估，这是在智能制造环境中确保稳定运行、提高产能和减少停机时间所必需的。

AS3成功的关键在于嵌入了实际制造系统的数字表示——数字孪生或资产管理壳。这些所谓的信息物理系统(Cyber-physicalsystems)可以通过多种方式使用数字孪生进行建模，结合了现实世界和虚拟世界的优势，具有极大提高工业绩效的潜能。

AS3为数字孪生配备了定制化的物理安全档案和信息安全档案。物理安全档案的建模可从一般和特定的应用角度来说明资产的安全属性。这可以认为是工业资产的“安全孪生”或其AAS的“安全子模型”，其中危险和风险属性以数字形式定义。然后，推理引擎会根据实际应用的约束来处理这些档案。这一步相当于在虚拟世界定义了现实世界的应用的环境边界和风险抑制能力，从而在运行时进行自动的风险评估。

基于数字孪生技术，AS3解决方案与整个系统生命周期相关，跨越设计、调试、运行和维护过程。AS3可以与现有仿真工具接口，并在现有的企业平台上运行。作为工业资产数字孪生的一部分，在设计阶段用于(线下)风险评估模拟，并在运行期间对变化事件作出即时反应。通过AS3，可以实现：

模拟(计划中的)系统变化，以便在安装前发现安全漏洞。

建议的安全措施都可以得到快速评估和审批——确保调试过程成功。运行期间，AS3解决方案可以对当前情况进行快速和自动的风险评估，提供运行时的决策支持，从而提高灵活性和减少停机时间。

结束语

进入21世纪以来，随着科学技术的高速发展，人类社会的生活和生产模式发生了深刻的范式转变。在工业领域，智能制造，工业4.0、物联网和工业互联网等等近似的概念层出不穷，但是无论名词如何变化，其目的都是为了使制造系统适应虚拟与现实融合的发展趋势。更大范畴的元宇宙概念也是建基于虚拟与现实完美融合的愿景。数字孪生作为物理世界对象在虚拟世界的接口，必将成为构建未来世界的一个基础技术。未来已来，就让我们携手进入数字孪生新世界吧。

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