ISO 23247-42021 自动化系统和集成制造用数字双框架第4部分信息交换标准立项发展报告

自动化系统和集成制造用数字双框架第4部分:信息交换标准立项发展报告EnglishTitleStandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part4:Informationexchange摘要随着全球制造业向数字化、网络化、智能化转型的深入推进，数字孪生技术作为实现物理世界与信息世界深度融合的关键使能技术，已成为智能制造的核心驱动力。为规范制造领域数字孪生系统的设计与应用，国际标准化组织（ISO）发布了ISO23247系列标准。本报告聚焦于该系列标准的第4部分——ISO23247-4:2021《自动化系统和集成制造用数字双框架第4部分：信息交换》，旨在全面剖析其立项背景、技术内涵、核心价值与行业影响。报告首先阐述了在异构系统集成背景下，标准化信息交换机制对于数字孪生体互操作性和数据一致性的重要意义。其次，深入解读了该标准界定的信息交换需求、信息模型及通信协议框架。研究表明，ISO23247-4:2021通过定义标准化的数字孪生信息交换接口和协议，有效解决了制造领域物理实体、虚拟模型与服务系统之间的数据流、控制流与知识流互通难题。该标准的成功发布，不仅为制造企业构建互操作性强的数字孪生系统提供了技术规范，也对推动全球智能制造生态体系建设具有里程碑式的意义。本报告旨在为相关企事业单位、科研机构及标准化工作者提供深入的技术参考与决策支持。关键词：数字孪生；信息交换；制造系统；ISO23247；互操作性；自动化系统；系统集成；标准化Keywords:DigitalTwin;InformationExchange;ManufacturingSystem;ISO23247;Interoperability;AutomationSystem;SystemIntegration;Standardization正文1.引言：标准立项的背景与意义1.1数字孪生技术的崛起与标准化需求在第四次工业革命浪潮的推动下，数字孪生（DigitalTwin）技术已从概念探索阶段进入到实际部署与应用深化的关键时期。数字孪生通过构建物理实体的高保真虚拟镜像，实现物理世界与信息世界的实时映射、交互与迭代优化，成为提升制造企业生产效率、降低运营成本、增强新产品研发能力的关键路径。然而，现状是制造环境中普遍存在多源异构的设备、系统与平台（如ERP、MES、SCADA、PLM等）。这些系统在数据格式、通信协议、接口定义上互不兼容，形成“信息孤岛”。若缺乏统一的信息交换标准，数字孪生体的构建将面临巨大的数据整合成本与互操作障碍，其潜力将受到严重制约。因此，制定一套覆盖全生命周期、跨系统、跨组织的信息交换标准，成为行业发展的迫切需求。1.2ISO23247系列标准的整体图景为应对上述挑战，国际标准化组织（ISO）成立了专门工作组（ISO/TC184/SC4），着手制定ISO23247《自动化系统和集成制造用数字双框架》系列标准。该系列标准旨在为制造领域的数字孪生提供通用参考架构，其组成包括：-ISO23247-1:概述与通用原则，确立了数字孪生的基本概念、参考模型和应用分类。-ISO23247-2:参考架构，定义了数字孪生系统的功能视图、信息视图与部署视图。-ISO23247-3:数字表示（DigitalRepresentation），规范了物理实体在虚拟空间的建模标准。-ISO23247-4:信息交换，即本报告聚焦的标准，解决了数字孪生各组成部分之间如何通信与数据共享的问题。ISO23247-4:2021作为该系列中承上启下的关键环节，其核心使命就是打破信息壁垒，为数字孪生系统中的“人-机-物-服务”之间搭建一条标准化的数据传输“高速公路”。2.ISO23247-4:2021标准的主要内容2.1标准范围与定位ISO23247-4:2021明确规定了制造领域数字孪生框架中信息交换的通用要求、模型与协议。该标准适用于：-数字孪生体内部各组件（如物理实体、虚拟模型、服务模块）之间的信息交互；-不同数字孪生系统之间的互操作；-数字孪生系统与上层应用（如数据分析、AI、企业级系统）之间的数据集成。该标准特别强调了实时性（timeliness）、可靠性（reliability）和语义互操作性（semanticinteroperability），确保交换的信息不仅数据格式正确，且能被接收方准确理解执行。2.2信息交换参考架构标准基于发布/订阅（Publish/Subscribe）和请求/响应（Request/Response）两种核心通信模式，定义了数字孪生信息交换的参考架构。该架构主要包含三类角色：1.信息生产者（InformationProducer）：主要指物理设备、传感器、虚拟模型等，负责生成原始或处理后的数据。2.信息消费者（InformationConsumer）：指需要利用数据进行监控、分析、决策或控制的对象，如数字孪生服务引擎、数据仓库等。3.信息中介（InformationBroker）：负责管理信息路由、分发、缓存及安全认证的中间件组件，确保生产者与消费者间的松耦合与高效通信。2.3信息模型与数据协议为了确保数据含义的“通用语言”，ISO23247-4:2021重点定义了数字孪生信息模型（DigitalTwinInformationModel）。该模型基于OPCUA（OpenPlatformCommunicationsUnifiedArchitecture，开放平台通信统一架构）等成熟工业通信标准，定义了制造环境下的通用数据实体，如：-资产实体（AssetEntity）：描述物理或虚拟设备的基本属性、状态与能力。-过程实体（ProcessEntity）：描述制造工艺流程、操作序列与事件。-观测实体（ObservationEntity）：封装传感器采集的时间序列数据、质量检验结果等。-通知实体（NotificationEntity）：用于传递报警、异常、事件触发等非周期性信息。标准推荐使用JSON（JavaScriptObjectNotation）或XML（可扩展标记语言）作为数据交换的序列化格式，并基于MQTT（消息队列遥测传输）、AMQP（高级消息队列协议）或HTTP/2作为底层传输协议，以适应从高实时性控制到大规模数据分析的不同应用场景。2.4接口与服务定义标准详细规范了数字孪生信息交换的接口功能，包括但不限于：-连接管理接口：包括认证、授权、会话建立与注销。-数据订阅接口：允许消费者根据条件（如设备ID、时间戳、数据类型）订阅感兴趣的数据流。-数据获取接口：支持断点续传、历史数据查询。-状态同步接口：确保物理实体状态与虚拟模型的强一致性。-服务质量（QoS）等级定义：针对不同应用（如安全控制、质量告警、性能分析）定义了从“最多一次”到“保证一次”的多个QoS级别。3.标准的权威性与影响3.1发布机构与权威性本标准由国际标准化组织（ISO）发布，具体由ISO/TC184/SC4（自动化系统与集成/工业数据）技术委员会负责制定。ISO作为全球最大、最权威的标准化组织之一，其制定的标准具有极高的国际公信力和市场认可度。ISO23247-4:2021的发布，标志着全球制造领域数字孪生信息交换的国际技术共识已经形成，是各国产业政策制定和企业技术选型的核心参考。3.2行业影响与应用前景-促进产业生态融合：标准为不同供应商的软硬件产品提供了统一的接口，降低了集成门槛，使得OEM厂商、系统集成商、软件开发商能够围绕标准建立起更加开放协作的数字孪生生态系统。-降低企业的技术风险：企业采纳该标准，可以避免因使用私有协议而导致的“供应商锁定”风险，有助于长期稳定的技术投资。-赋能数据驱动的智能决策：通过标准化信息交换，海量的制造数据得以高效汇聚到数字孪生模型中，为AI算法训练、数字仿真优化、预测性维护等高级应用提供了数据基础。4.标准修订与推广的企事业单位或标委会介绍本标准的制定与推广主要依托于ISO/TC184“自动化系统和集成”技术委员会，该委员会是国际标准化领域最活跃、最权威的机构之一。以下将详细介绍其下属核心工作组及其主要贡献单位。4.1ISO/TC184/SC4技术委员会ISO/TC184/SC4负责工业数据领域的标准化工作，其工作范围涵盖产品数据、制造管理数据、系统工程数据等。在ISO23247-4:2021的制定过程中，SC4扮演了总体策划、技术评审与国际协调的核心角色。该委员会汇集了来自德国、美国、中国、日本、法国等制造强国的顶级专家，代表了全球工业数据交换领域的最高技术水平。4.2主要贡献单位：德国电气电子行业协会（ZVEI）与西门子公司在ISO23247-4的制定过程中，德国扮演了极为关键的领导角色。德国电气电子行业协会（ZVEI）及其核心成员西门子股份公司（SiemensAG）是推动该标准的主要力量。-西门子的技术贡献：西门子作为全球领先的工业自动化和数字化解决方案提供商，在数字孪生领域拥有深厚的实践积累。其开发的基于OPCUA的工业通信框架、MindSphere工业物联网平台、以及全方位的数字孪生软件套件（如NX、Simcenter、Tecnomatix），为信息交换标准的理论模型提供了大量经过实践验证的技术方案。ISO23247-4中采用的基于OPCUA的发布/订阅模型、信息模型定义方法等核心内容，很大程度上借鉴了西门子在实际项目中积累的最佳实践。-ZVEI的协调作用：ZVEI作为德国工业界的集体代表，积极组织了德国工业4.0领域的相关企业、研究机构参与国际标准化工作。通过“工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）”与“管理壳（AssetAdministrationShell）”等概念的输出，ZVEI确保了ISO23247-4能够与德国乃至欧洲的工业4.0生态体系高度兼容，从而极大地提升了该标准的国际可接受度和落地可行性。5.结论ISO23247-4:2021《自动化系统和集成制造用数字双框架第4部分：信息交换》的发布，是智能制造标准化进程中的一个重要里程碑。该标准精准地切中了当前数字孪生应用中的核心痛点——异构系统的互操作难题，通过定义清晰的信息模型、通信协议和接口规范，为制造企业构建真正意义上“端到端”贯通的数字孪生体系提供了坚实的标准化基石。展望未来，随着边缘计算、5G/6G通信、工业人工智能等技术的飞速发展，ISO23247系列标准，特别是其信息交换部分，将持续演进。未来的修订方向可能包括：1.支持更高实时性的通信：闭环控制等对毫秒级甚至微秒级延迟有要求场景的标准化支持。2.增强语义互操作：融合知识图谱与本体技术，使机器能够自动理解并推理交换信息的语义含义。3.强化安全与数据主权：针对跨企业、跨组织的数字孪生