ISO 23247-12021 自动化系统和集成制造用数字双框架第1部分概述和一般原则标准立项发展报告

*自动化系统和集成制造用数字双框架第1部分:概述和一般原则标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:AutomationSystemsandIntegration—DigitalTwinFrameworkforManufacturing—Part1:OverviewandGeneralPrinciples摘要本报告围绕国际标准ISO23247-1:2021《自动化系统和集成制造用数字双框架第1部分：概述和一般原则》的立项与发展历程展开。随着第四次工业革命的深入发展，数字孪生技术作为连接物理世界与信息世界的桥梁，已成为智能制造的关键使能技术。然而，由于缺乏统一的标准化框架，数字孪生的互操作性、可扩展性和系统集成面临严峻挑战。在此背景下，国际标准化组织（ISO）启动了ISO23247系列标准的制定工作。本报告详细阐述了该标准的研究背景，包括制造业对数字孪生标准化需求的迫切性；规范了标准的核心内容，即从顶层设计角度定义了数字孪生制造框架的概述、一般原则和基本概念，涵盖可观测制造元素、数字孪生实体、用户实体及跨系统交互等关键组件；并深入分析了标准发布后的重要结论，即其为全球制造商提供了统一的技术语言和架构蓝图，有效降低了系统集成的复杂度和成本。报告最后还介绍了主要参与单位的贡献，并对数字孪生标准化的未来发展方向进行了展望。关键词数字孪生；智能制造；标准化框架；ISO23247；系统集成；互操作性；自动化系统KeywordsDigitalTwin;SmartManufacturing;StandardizationFramework;ISO23247;SystemIntegration;Interoperability;AutomationSystems正文1.引言在全球制造业向智能化、网络化、服务化转型的浪潮中，数字孪生（DigitalTwin）技术凭借其在产品全生命周期内实现物理实体与虚拟模型实时交互、精准映射和迭代优化的能力，迅速成为工业4.0的核心驱动力。从产品设计、工艺仿真到生产过程监控、预测性维护，数字孪生正深度重塑制造业的运作模式。然而，数字孪生并非单一技术，而是一种复杂的系统工程。在标准缺失的早期发展阶段，各类数字孪生解决方案呈现出“碎片化”特征：不同供应商的平台架构各异，数据模型不统一，通信协议不兼容，导致系统之间的互联互通与互操作成本高昂，严重制约了数字孪生技术的规模化应用和产业生态的构建。为解决上述问题，国际标准化组织（ISO）技术委员会ISO/TC184（自动化系统与集成）敏锐地捕捉到了行业痛点，于2019年正式启动了ISO23247系列标准的研制工作。作为该系列标准的开篇之作，ISO23247-1:2021《自动化系统和集成制造用数字双框架第1部分：概述和一般原则》旨在为制造业数字孪生提供一个通用的、中立的基础框架。该标准的发布标志着数字孪生技术从自由探索阶段迈入了规范化、体系化发展的新纪元，为全球制造企业构建、部署和运营数字孪生系统提供了权威的技术指南。2.标准立项背景与需求分析2.1技术发展带来的标准化需求数字孪生技术的核心在于“映射”与“互动”。实现这一过程，需要将物理世界中的设备、产线、车间等制造元素，通过传感器、物联网（IoT）、边缘计算等技术，将实时数据转化为虚拟空间中的动态模型。当前技术瓶颈主要集中在：*数据语义的异构性：不同厂商的设备数据格式、命名规则、单位体系各不相同，导致数据融合困难。*架构设计的非标准化：缺乏统一参考架构，导致数字孪生系统难以在不同企业、不同系统之间进行移植和扩展。*平台绑定问题：许多解决方案深度绑定于特定平台或协议，形成“信息孤岛”，违背了智能制造开放集成的根本原则。2.2产业应用驱动的紧迫性据行业研究报告显示，制造业数字化转型的市场规模持续高速增长。然而，企业投入大量资源构建的数字孪生系统，其复用率和长期价值往往因标准缺失而大打折扣。例如，一个供应商提供的设备数字孪生模型，无法无缝接入另一个供应商提供的MES或ERP系统。这种状况迫切需要从标准化层面给出解决方案，明确数字孪生系统的核心要素、基本关系、参考架构和实施准则。2.3国际标准协调的必要性在国际层面，虽然已有多家标准化组织（如IEC、IEEE）在不同维度探讨数字孪生，但在“制造用数字孪生”这一具体应用领域，缺乏一个权威的、得到广泛国际共识的顶层标准。ISO/TC184作为自动化系统与集成的核心组织，其主导制定的ISO23247系列标准，能够有效规避不同区域标准（如美、欧、日、中）之间的潜在冲突，促进全球产业链的协同发展。3.标准主要内容与技术架构ISO23247-1:2021作为系列标准的第一部分，其核心价值在于定义了顶层概念模型与通用原则。该标准不涉及具体的技术实现细节，而是构建了一个抽象且通用的参考框架，为后续的系列标准（如第2部分关于数字孪生参考架构、第3部分关于数字孪生组件的要求等）奠定了理论基础。3.1核心概念与定义该标准首次系统性地定义了制造数字孪生域内的一系列关键术语：*可观测制造元素(ObservableManufacturingElements,OMEs):指物理世界中可被观察和测量的制造实体，如设备、工件、人员、车间环境等。这是数字孪生系统的数据源。*数字孪生实体(DigitalTwinEntity,DTE):物理制造元素的数字化表示。它不仅包含几何模型，更重要的是集成了行为模型、状态数据和规则逻辑，能够实时反映物理实体的状态和响应。*用户实体(UserEntity):与数字孪生实体进行交互的个人或系统，如工程师、操作员、或更高层级的制造执行系统。3.2基本原则*保真度原则：数字孪生实体应具备与物理实体相匹配的保真度，以满足特定应用场景的需求，而非盲目追求高精度。*实时性与同步性：强调物理世界与数字世界之间数据的双向、实时同步。物理实体的任何变化都应能及时反映到虚拟模型中，反之亦然（如控制指令的下发）。*可扩展性与模块化：框架设计支持从设备级到产线级再到工厂级的逐级扩展，各组件之间松耦合，便于系统的定制化开发和局部升级。*数据所有权与安全性：标准强调了对数据主权、访问控制和安全性的关注，确保跨组织、跨系统的数据共享在安全可控的前提下进行。3.3参考架构概述标准提出了一种由多个域组成的参考架构模型：1.可观测制造元素域：包含物理世界的设备、人物、流程等。2.数字孪生域：核心域，包含数字孪生实体、数字孪生数据收集与处理、数字孪生模拟与预测等功能。3.用户域：包含最终使用数字孪生功能的应用系统或操作人员。4.跨系统域：提供支持上述三个域之间互操作的通信、数据交换和身份认证等服务。4.标准发布的重要意义与影响ISO23247-1:2021的发布，对于全球智能制造生态的构建具有里程碑式的意义。*统一技术语言，降低沟通成本：标准明确了数字孪生在制造领域的基线术语和概念，为制造商、系统集成商、软件开发商和科研机构提供了统一的交流“语法”。*促进互操作性，打破信息孤岛：通过定义通用的参考架构和数据接口规范（由后续系列标准详细规定），使得不同来源、不同供应商的数字孪生组件能够在统一框架下协同工作，真正实现“即插即用”。*提升系统可靠性，加速生态成熟：标准化降低了系统集成的技术门槛和风险，使得中小企业也能基于成熟标准接入智造生态，推动了整个数字孪生产业链的成熟与繁荣。*指导工程实践，规避重复建设：企业在进行数字孪生项目规划时，可以依据此标准进行项目顶层设计、评估供应商方案和开展系统集成验收，避免因方案不合规、架构不开放导致的重复投资。5.主要参与单位介绍：德国电气电子行业协会（ZVEI）及其标准化工作ISO23247-1:2021的研制凝聚了全球数十个国家的专家智慧，其中来自德国的专家团队发挥了至关重要的作用，而背后的核心推动力量则是德国电气电子行业协会（ZVEI）。5.1机构简介德国电气电子行业协会（ZVEI）是德国电气工业的核心行业协会，总部位于法兰克福。它拥有超过1600家会员企业，涵盖了从自动化、工业软件到能源技术、消费电子等众多领域。作为全球工业4.0和标准化领域的重要策源地之一，ZVEI在推动德国乃至全球的数字化标准方面拥有深厚的技术积累和广泛的影响力。5.2在ISO23247-1中的具体贡献在ISO23247系列标准的研制过程中，ZVEI主要扮演了“技术策源地”和“国际协调者”的双重角色。*技术路线主导：ZVEI旗下的标准化委员会，特别是“工业4.0”相关的技术委员会，长期致力于数字孪生、资产管理壳（AssetAdministrationShell,AAS）等关键技术标准化研究。ISO23247-1中提出的“可观测制造元素”与“数字孪生实体”的映射关系，与德国工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）中“资产”与“资产管理壳”的概念高度契合。可以说，ISO23247-1的核心理念在很大程度上借鉴并升华了ZVEI主导的工业4.0标准化成果。*国际协调与推广：ZVEI通过其强大的国际网络，联合了德国标准化学会（DIN）和德国电工委员会（DKE），在ISO/TC184/WG10（数字孪生工作组）中积极发声，将德国在“工业4.0”和“数字孪生”领域的先进经验转化为国际共识。他们组织了大量国际研讨会、提交了关键性技术提案，并协调了德国与美国、日本、中国等主要工业国家之间的立场差异，最终促成了该标准的顺利通过。*后续工作驱动：作为ISO23247-1的深度参与者，ZVEI正在积极牵头或参与后续系列标准（如第2部分“参考架构”，第3部分“组件要求”）的制定，确保整个标准体系的连贯性和先进性。ZVEI的工作为全球制造业实现语同音、书同文、行同轨的数字化生态奠定了坚实的基础。6.结论与展望ISO23247-1:2021的发布，是数字孪生技术在工业领域应用标准化进程中的一座重要里程碑。它不仅澄清了长期以来困扰行业的概念混淆，更为制造企业构建开放、可互操作的数字孪生系统提供了明确的顶层设计指引。该标准立足于全局，不限于具体的软硬件实现，具备极强的普适性和前瞻性，能够灵活适应未来技术发展的新需求。展望未来，数字孪生标准化工作将呈现以下几个发展趋势：*向下细化与向上协同：在ISO23247-1顶层框架的指引下，后续系列标准将更加聚焦于具体的接口规范、数据模型（如OPCUA、AutomationML的标准化对齐）以及安全要求。同时，数字孪生标准将与MES、ERP、PLM等其他系统集成标准实现更深层次的协同。*行业垂直深化：