德国工业4.0工作组把数字孪生体作为主攻方向

导读：本文主要介绍德国工业4.0最近动向，特别参考了德国弗劳恩霍夫Olaf Sauer撰写的《数字孪生体：德国工业4.0的关键技术》，以及德国EPLAN的数字孪生体白皮书。

德国弗劳恩霍夫是工业4.0工作组的重要成员，随着美国聚焦数字孪生体研发，德国开始顺应全球科技演进主流，由信息物理系统转向数字孪生体。弗劳恩霍夫Olaf Sauer在2018年撰写的文章中指出，“数字孪生体将成为未来几年一个主要研究课题”。

对德国工业4.0平台工作组熟悉的行业人士清楚，Olaf Sauer作为弗劳恩霍夫的工业4.0专家，一直比较活跃。这次在《数字孪生体：德国工业4.0的关键技术》一文中，把数字孪生体摆在工业4.0主攻方向的地位，实属首次。

Olaf Sauer指出，工业4.0工作组正在资产管理壳（AAS，Assets Administration Shell）或工业4.0组件（I4.0 Components）的背景下讨论数字孪生体，数字孪生体不是单个对象或单一的数据模型，而是包括数字化展示、功能性、模型、接口等诸多不同的方面。

德国工业4.0平台发布的资产管理壳报告（2019年3月27日）

目前，数字孪生体是一项新兴技术，正在多个领域进行讨论。这个概念基于使用数字工具对资产及其所有几何数据、运动学功能和逻辑行为进行建模。数字孪生体直接指向物理资产，并允许被模拟、控制和改进。

不仅如此，Olaf Sauer针对数字孪生体的广泛应用场景，列举了七个方面的情况：

• 使用独特属性和参数的配置数据进行自我描述，例如用于自动识别，以便轻松地将机器和组件连接到MES和其他工业物联网解决方案。
• 技能描述，包括部分控制代码，其结果是部件组合及其各自的控制逻辑元件耦合到一个最终运行的控制程序中。这就创建了一个即插即用的工作环境，在该环境中，新组件可以在运行时插入并进行功能级别的自动集成。
• 根据从机器学习中获得的数据，对机器、生产线乃至整个车间的正确运行行为进行建模。
• 一种极其广泛的离线和在线模拟，例如有限元仿真、虚拟调试或物理仿真，制成品与机器运动学在其中相互作用。理想情况下，各种仿真模型应该能够交互，以便生成集成的仿真模型。目前为止，数字孪生体主要应用于仿真领域，但这个定义太狭窄了。
• 一个描述机器和其它制造资源、建筑物和公用设施的数字工厂。建筑物信息模型（BIM）也可能成为数字孪生体的一部分，只要包含了相关信息，例如拓扑结构。数字工厂这个概念已经有很长的历史了，并且是采用诸如VDI 4499之类的著名标准来进行描述。
• 信息物理组件向用户提供的服务。
• IT安全、访问权限、证书处理、版本管理和不同版本数字孪生体的兼容性检查。

德国EPLAN发布《数字孪生体白皮书》中的图片

数字孪生体对于工业4.0和制造业的数字化是必不可少的。它们的内容在其生命周期的各个阶段，以及从工程实施到售后服务的不同类型的平台和工具中，都是关键。

据工业4.0研究院观察，德国部分数字化程度较高的企业在过去几年时间，不断吸纳数字孪生技术带来的机遇，为工业4.0的数字孪生化提供了鲜活的案例，展现了优化产品和流程全周期的能力。

案例一：WAGO

自动化供应商WAGO开发了一种称为DIMA（模块化设备分散智能）的方法，允许来自不同供应商的模块集成到最终生产系统中。

其核心是模块类型包（Module Type Package, MTP），一种模块的自我描述。MTP可以通过接口访问，它包含通信参数、模块向整个生产系统提供的功能性生产服务，以及生产监控系统的信息。

案例二：FESTO

来自FESTO公司的组件可用AutomationML模型来描述，包括了几何学、运动学和软件。它们还引用了EPLAN公司的电气原理图服务，这是FESTO为EPLAN Electric P8, V2构建的设备宏数据包。

这些组件还会存储来自应用程序以及运行当中的数据，根据CODESYS V3中的VDMA 24582预处理数据，并将这些信息传输到云上。

案例三：HOMAG

每台用于生产木质工件的HOMAG机器都有自己的资产管理壳，包括专有的XML描述和OPC UA通信。HOMAG提供与设备相关的服务，例如诊断系统woodScout。这包括了来自Tapio云的连接器以及集成的设备文档，该连接器由HOMAG所有，基于微软Azure架设。

HOMAG的客户Nobilia是厨房家具生产商，使用了HOMAG的数字孪生体面向客户演示了一个虚拟的小批量定制生产系统。

在《数字孪生体：德国工业4.0的关键技术》一文最后，Olaf Sauer总结道，

“这些初始案例清楚地表明，数字孪生体的应用将非常具体化，并且始终是用例所独有的。然而，数字孪生体技术还需要做到，能够根据特定描述，简易地集成不同部件的数字孪生体模型。”