制造系统数字孪生国际标准制订研读

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来源：点滴方圆

作者：李明

数字孪生（Digital Twin）,无论是制造业、还是城市管理（所谓的智慧城市）等领域都是热点。但从定义到内容，始终是众说纷纭，这一现象的出现，只能说明学术界对于这个问题还在讨论中。

国际标准化组织ISO一直对于基础性、体系性技术的标准化工作极为重视，同时作为国际的权威机构，集聚了世界各国的学术专家，以及一流企业的工程专家，其无论在研究深度和广度，还是在专业性、规范性和可操作性方面都呈现出权威性，所制订的标准真正能体现出工业之道的内涵。

笔者一直在关注ISO在这方面标准化的进展，近日终于看到了制造业领域的相关数字孪生标准草案。尽管该标准体系的制订还处于DIS阶段，但已能看到总体技术架构及其对数字化转型的指导意义。下面针对该标准体系做一个研读，供读者们参考。

ISO制造系统数字孪生方面的国际标准制订归口在ISO/TC 184 Automation systems and integration，该技术委员会的秘书处设在美国ANSI。国内对口的技术委员会为SAC/TC 159全国自动化系统与集成标准化技术委员会。

ISO的制造系统数字孪生标准体系的名称为：Automation systems and integration — Digital Twin frameworkfor manufacturing （自动化系统与集成制造系统的数字孪生架构），目前由4个标准组成，包括：

1.ISO 23247-1 Part：Overview and general principles（概述和基本原则）

2.ISO 23247-2 Part 2: Reference architecture（参考架构）3.ISO 23247-3 Part 3: Digital representation of manufacturing elements（制造系统元素的数字表示）

4.ISO 23247-4 Part 4: Informationexchange（信息交互）

ISO这个标准体系不仅给出了制造系统数字孪生操作的基本原则、参考的体系架构，还给出架构的应用视角，包括功能视角、信息视角和网络视角等。下图为该标准体系的总体架构及标准间的关系：

ISO 23247标准给出的数字孪生定义如下：

Digital Twin

<manufacturing>fit for purpose digital representation of an observable manufacturing elementwith a means to enable convergence between the element and its digitalrepresentation at an appropriate rate of synchronization

数字孪生

<制造系统>可观测制造系统元素满足要求的数字表示，它能够使元素和其数字表示之间以合适的速率实现同步

注：本文中译文皆为笔者译，供读者参考，不当之处还请斧正。

这个数字孪生的定义，实质是一个数字化的概念，但这个数字化模型是活的，是存在联动关系和要求的。其基本要求是：真实、肯定、准确、全面、同步。

另外还有一个术语值得关注，即：

observable manufacturing element（OME）

item that hasan observable physical presence or operation in manufacturing.

Note 1 to entry: Observable manufacturing elementsinclude personnel, equipment, material, process, facility, environment,product, and supporting document.

可观测制造系统元素

制造系统中可观测的物理存在和操作的内容

注1：对于实体，可观测的制造系统元素包括人、设备、材料、过程、设施、环境、产品、以及支持文档等。

这里的核心是获取哪些信息、如何获取、如何建模、如何分析应用，所有这一切都将考验我们对系统本身的理解和对应用的期望。

ISO该标准体系在术语和内容方面除了引用了ISO许多标准外，还大量、直接引用了IEC、ITU等国际标准，以及美国ANSI、ASME相关标准中的术语和定义，充分体现了今天的国际标准、先进行业标准是一个整体的理念，这一点值得我们去关注和拓展学习，更为重要的是成体系的应用。

还有就是在这些ISO标准转换成国标GB时，需要重点关注各标准化技术委员会之间的合作，不然就会出现相关标准各讲各的，甚至出现术语定义都不统一的情况，如《GB/T 26498-2011工业自动人系统与集成物理设备控制尺寸测量接口》的制订，其等同采用了ISO 22093：2003标准，这实际上DMIS的接口标准，但与涉及CMM的相关国标在术语定义存在不统一。给标准宣贯应用造成不便，甚至混乱。当然，这类标准估计也很少有人看，因为国内开发这些接口软件的企业不多，跨平台应用程序的人同样不多。

回到ISO 23247标准的讨论。下图为该标准体系的总体架构以及相互关系，从这些术语的给出，我们能基本了解该标准体系的。

ISO 23247标准体系还用矩阵方式构建了一个体系架构，横向为：人、设备、材料、过程、设施、环境、产品和支持文件等可观测的制造系统元素。纵向自上而下分别是：用户、制造系统数字孪生、数据采集和装置控制、可观测制造系统元素，共计4层。这样的矩阵结构描述方法已在多个ISO标准体系中得到了应用。

运用这个架构能实现对制造系统的实时控制、离线仿真、健康监测以及运维预测等，从而实现在工程回路中计划制订和验证、生产计划保障、增强对制造系统元素的理解、以及实现动态风险控制。下图为该体系架构示意。

为了进一步规范数字孪生技术的应用，ISO 23247标准体系还给出了相对细化的体系架构，并根据该参考架构，分别给出了针对机器人操作动态计划、数控加工检测、以及数字测量操作的数字孪生架构映射案例。

总体上看，这个架构是以数字表示（模型）为基础的一个信息化架构，在这个信息化架构的基础上，基于规范操作的工业软件、管理软件、以及人工智能算法的介入将成为可能，这也就是为什么数字孪生技术在未来制造中如此重要的原因。

而从实施应用层面看，该标准体系给出的是自上而下的规划，以及自下而上的实施的规范途径，以及支撑实施的架构。对于中国制造而言，绝大多数企业的数字化工作还未全面开展，信息化更是做了一个皮毛。因此其数字化转型的主要工作应该还在最底层的数字化方面，即可监测制造系统元素的数字表示方面，只有这方面的工作达到一定程度，才有可能开始自上而下的策划和规划，才能真正开始实质性的数字化转型，才能真正开展“数字孪化”工程实践。