数字孪生：从炒作到现实

对数字化和工业物联网 （IIoT） 的需求不断增加，使数字孪生成为数字行业的关键推动因素。数字孪生如何改进数字技术，推动架构的开发和标准化，并创建新的用例和商业模式？

多年来，数字表示已被用于对资产生命周期内与资产相关的信息进行建模。这些模型并不被称为“数字孪生”，直到2003年在大学课程中首次创造该术语。随着时间的推移，出现了许多不同的数字孪生定义。这些定义通常侧重于数字孪生的特定用例。→01.后来，不同的联盟——例如ABB参与的工业互联网联盟（IIC）——开始定义超越特定用例边界的数字孪生世界。例如，IIC将数字孪生本身定义为满足一组特定用例要求的实体（例如，设备，生产单元或工厂）的数字表示[1，2]。该定义有两个含义：
• 尽管许多人将数字孪生与IIoT联系起来，但该定义并未强调IIoT方面，因为数字孪生的概念（尽管不是名称）早于IIoT。
• 应讨论数字孪生与启用用例相关的问题，这些用例决定了要提供的数据、模型、计算和服务。

工业系统中
的数字孪生 工业设备的生命周期数据可分为工程技术（ET）数据、信息技术（IT）数据和运营技术（OT）数据。由于功能要求、不同用户的需求、公司合并等原因，此生命周期数据通常以不同的格式存储在不同的地方和格式。→02.这些数据孤岛导致多个数据访问级别缺乏互操作性，并且需要容易出错且耗时的手动数据交换。合并数据以供分析应用程序利用也变得困难。

这些问题可以通过数字孪生来解决，数字孪生可以部署在本地或云中。在这里，数字孪生可以提供一种通用的信息模型，用于定义其他不兼容的 ET、IO 和 OT 数据。此模型是应用程序编程接口 （API） 访问数据和定义通常分散的数据集之间的语义相关性的基础。数字孪生可以提供统一的 API 来查询各种类型的生命周期数据，无论数据存储在云中还是存储在外部数据源中 [4]。

通过表达数字孪生中体现的不同模型之间的相关性并从此信息中得出更多推理，可以进一步提高数字孪生的成熟度→03。通过使用机器学习和模拟模型，可以进一步扩展数字孪生内容。这种增强功能增加了数字孪生的智能，并允许更好地推理物理孪生的状态。它还支持实时仿真模型。如果将多个模型组合在一起，则可以实现更高级的用例，例如，使用智能仿真模型来预测设备的状态。

在IIoT时代，云、边缘计算、5G连接和增强现实等技术通过改进数字技术、架构开发和标准化、在系统或用户之间创建创新交互以及建立商业模式，将数字孪生概念提升到一个新的水平→04。

有了这些技术和交互，数字孪生可以实现新的用例，例如，跨价值流的集成信息管理、基于云的集成工程、现场设备的即插即用和生产以及虚拟现场支持。将数字孪生集成到自动化流程中有助于减少调试时间和工作量，并缩短生产开始的时间。

两个用例 – 基于云的集成工程和现场设备的即插即用生产 – 说明了数字孪生带来的好处：

基于云的集成工程
与其考虑 →02 中显示的广泛范围，不如只关注使用数字孪生来实现工具之间的集成数据交换。例如，之前使用的设备参数可以作为专用模型存储在云中的数字孪生中，以便工程工具稍后可以挑选出这些参数以正确初始化其工程参数。数字孪生还支持基于云的工程数据备份和恢复。

现场设备的即插即用 如今，现场设备的
配置或更换通常很费力，因为必须整理来自不同来源的不同格式的潜在非标准化信息。然而，现场设备的数字孪生支持即插即用方案，从而加快现场设备调试。自动设备发现和云计算与标准化信息格式（如AutomationML和OPC UA）相结合，可用于自动发现连接到网络的设备，将工程和操作参数相互映射，并将相应的参数从云端下载到设备。虽然物理更换仍然需要训练有素的人员，但数字孪生允许即时重新配置，而无需设备或过程专家。

数字孪生标准化和举措
与数字孪生相关的各种标准化活动正在进行中。例如，IEC-81346中标准化的方面对象技术定义了构建与工业系统的各种视图（例如，产品，功能或位置）相关的信息所需的所谓方面。IEC 62832 定义了一个数字工厂框架，其中心是工厂资产的表示，尽管这种表示不称为数字孪生。

在过去的几年中，出现了更多的举措：IEEE P2806旨在定义工厂环境中物理对象数字表示的系统架构，重点关注连接要求和工业人工智能数据属性。同样，ISO/AWI 23247 通过定义参考架构来推动数字孪生在制造业中的使用。

虽然公司通常将数字孪生作为孤立的解决方案提供，但许多用例可以从来自不同供应商的数字孪生之间的交互中受益。德国平台“Plattform Industrie 4.0”推出了Asset Administration Shell [3]，作为智能制造的工业数字孪生，以促进整个价值流的互操作性。

除了IIC和Plattform Industrie 4.0之外，还存在其他团体 – 例如，工业数字孪生协会（具有开源意图的Plattform Industrie 4.0的用户组织）;数字孪生联盟[5]，推动词汇、架构、安全性和互操作性的一致性;开放式制造平台[6]，旨在提供与平台无关的解决方案;以及GAIA-X项目[7]，信息模型和数字孪生层面的互操作性是其愿景的基石。

数字孪生和数字商业模式与未来
数字孪生为新的数字服务和协作奠定了基础，并帮助现有服务变得更易于访问和更高效。此外，由于许多生产错误是由错误或过时的数据引起的，因此拥有广泛认可的方法来访问和交换设备相关数据可以简化整个生命周期中的协作工程[8] →05。

与物理设备相比，数字孪生及其所有方面都可以通过适当的网络安全措施广泛提供，从而实现基于云的“X即服务”应用程序。此外，通过数字孪生API对ET，IT和OT数据的集成访问允许在数字孪生级别制定数据访问和使用规则。这种托管数据访问消除了为每个数据源单独定义此类规则的需要，并有助于为数字孪生数据的外部使用者定义使用策略。

毫无疑问，数字孪生将在工业的持续快速数字化发展中发挥关键作用。通过各种项目和合作，以及对IIC和Plattform Industrie 4.0等联盟的贡献，ABB正在帮助推动建立数字孪生的通用定义和标准。