ISO 23247-22021 自动化系统和集成制造用数字双框架第2部分参考体系结构标准立项发展报告

ISO23247-2:2021《自动化系统和集成制造用数字孪生框架第2部分：参考体系结构》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:ISO23247-2:2021AutomationSystemsandIntegration—DigitalTwinFrameworkforManufacturing—Part2:ReferenceArchitecture摘要关键词：数字孪生；参考体系结构；智能制造；ISO23247；标准化；自动化系统；互操作性Keywords:DigitalTwin;ReferenceArchitecture;SmartManufacturing;ISO23247;Standardization;AutomationSystems;Interoperability一、引言1.1立项背景全球制造业正经历以数字化、网络化、智能化为核心特征的深刻变革。数字孪生（DigitalTwin）作为一种充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应物理实体全生命周期过程的技术，被Gartner连续多年列为十大战略科技发展趋势之一。据MarketsandMarkets预测，全球数字孪生市场规模将从2023年的约100亿美元增长至2028年的约260亿美元，年复合增长率超过20%。尽管数字孪生技术在产品设计、生产优化、预测性维护等场景中展现出巨大潜力，但制造业数字孪生系统的建设仍面临以下突出挑战：一是缺乏统一的参考体系结构，导致各企业、各系统间的数字孪生实现方案"千姿百态"，难以实现互联互通；二是数据模型、接口协议和服务调用方式缺乏标准化规范，系统集成成本居高不下；三是数字孪生的成熟度评价和实施路径缺乏统一指引，制约了技术的规模化推广。在此背景下，国际标准化组织自动化系统与集成技术委员会（ISO/TC184）于2017年正式启动ISO23247系列标准研制工作，旨在为制造业数字孪生提供系统化、标准化的框架体系。1.2标准基本信息ISO23247-2:2021由ISO/TC184研制发布，标准全称为《自动化系统和集成制造用数字孪生框架第2部分：参考体系结构》（Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part2:Referencearchitecture），发布日期为2021年10月7日，标准状态为现行有效。该标准属于ISO23247系列标准的第2部分，与第1部分（概述与通用原则）、第3部分（数字孪生的制造要素）、第4部分（数字孪生信息交换）等共同构成完整的数字孪生标准体系。二、标准研制历程2.1国际标准化背景ISO/TC184是国际标准化组织下设的负责自动化系统与集成领域标准化的技术委员会，其工作范围涵盖制造自动化、工业数据处理、系统集成等多个重要领域。随着数字孪生技术在制造业中的关注度持续提升，ISO/TC184于2017年设立专门工作组（WG15），负责数字孪生框架标准的预研工作。在标准研制的前期阶段，工作组系统梳理了全球主要经济体在数字孪生领域的研究成果和实践经验，重点关注了德国工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）、美国智能制造生态系统（SMS）、中国智能制造标准体系等已有成果，力求使ISO23247系列标准既具有全球普适性，又能兼容各国现有标准体系。2.2主要研制节点2017年：ISO/TC184正式立项数字孪生框架标准研制项目，确定标准编号为ISO23247系列。2018–2019年：工作组完成对全球数字孪生技术发展现状的调研分析，形成了标准草案的工作组草案（WD）版本。期间召开多次国际研讨会，各成员国围绕数字孪生的定义范围、框架层级划分、核心实体界定等关键问题进行了深入研讨。2020年：标准草案进入委员会草案（CD）阶段和国际标准草案（DIS）阶段。各成员国对参考体系结构的功能域划分、实体间接口关系等技术细节提出了大量建设性意见。经过多轮修改完善，草案于2020年底进入最终国际标准草案（FDIS）投票阶段。2021年10月7日：ISO23247-2:2021经各成员国投票表决通过后正式发布。三、标准主要内容3.1适用范围与定位ISO23247-2:2021规定了制造业数字孪生系统的参考体系结构（ReferenceArchitecture），适用于各类制造企业（包括离散制造和流程制造）数字孪生系统的规划、设计、开发和集成。该标准在ISO23247系列中处于核心位置——它上承第1部分确立的通用原则，下启第3部分的制造要素定义和第4部分的信息交换规范，为整个系列标准的落地实施提供了架构层面的技术框架。3.2核心架构模型标准提出的参考体系结构采用分层式架构模型，将数字孪生系统划分为以下核心功能实体：（1）可观测制造元素（ObservableManufacturingElements,OME）该层对应物理制造资源层，涵盖设备、物料、人员、环境、过程等各类可被观测的制造实体。标准明确了OMEs的边界定义方法、感知数据类别及其暴露方式，要求其具备数据采集和对外提供观测数据的能力。OMEs作为数字孪生的物理基础，承担着数据源头和指令执行终端的双重角色。（2）数字孪生服务（DigitalTwinService,DTS）该层是参考体系结构的核心中枢，包括数字孪生实体（DigitalTwinEntity,DTE）和数字孪生聚合功能（DigitalTwinAggregation,DTA）两个子层。DTE负责为特定物理实体建立一一对应的虚拟镜像模型，实现实时映射、状态同步和仿真分析；DTA则面向跨实体、跨系统的协同场景，提供多孪生体间的数据融合与功能聚合能力。DTS通过标准化的服务接口向上层应用提供数据查询、模型调用、仿真计算等服务能力。（3）运维域（OperationandManagementDomain,OMD）该层面向系统运维管理者，提供数字孪生系统的配置管理、监控告警、权限控制、日志审计等运维管理功能，确保数字孪生系统的高可用性和安全性。（4）跨域功能（Cross-DomainFunction）该部分涵盖数据持久化、网络安全、通信传输、接口管理等支撑性功能，为上述各域提供公共技术支撑能力。3.3关键接口与交互关系标准对各功能实体间的交互接口进行了明确定义，包括：OMEs与DTS之间的数据采集与指令下发接口、DTS内部DTE与DTA之间的数据融合接口、DTS与OMD之间的管理接口以及DTS与外部业务系统（如ERP、MES、PLM等）之间的服务调用接口。标准采用视图化的方式表达各实体的交互关系，并推荐了RESTfulAPI、OPCUA、MQTT等主流工业通信协议作为接口实现的技术参考。3.4其他ISO23247系列标准ISO23247系列标准共分为四个部分：-第1部分（ISO23247-1:2021）：概述与通用原则，明确数字孪生的术语定义、应用场景和通用要求；-第2部分（ISO23247-2:2021）：参考体系结构（本报告所涉标准）；-第3部分（ISO23247-3:2022）：数字孪生的制造要素，规定物理制造要素的数字映射建模要求；-第4部分（ISO23247-4:2022）：数字孪生信息交换，规范数字孪生系统间的信息交换协议与数据格式。四、标准主要参与单位4.1主要参与单位介绍ISO23247-2:2021的研制汇聚了全球制造业和信息技术领域的众多权威机构和专家。在标准研制过程中，以下单位发挥了重要作用：日本国立产业技术综合研究所（AIST）作为ISO/TC184的积极成员单位，AIST在数字孪生参考架构的建模方法研究中发挥了核心作用，牵头提出了基于功能域划分的架构设计思路。AIST长期从事先进制造技术和系统集成研究，在工业自动化、智能制造领域拥有深厚的技术积累和丰富的标准化实践经验。德国弗劳恩霍夫协会弗劳恩霍夫协会作为工业4.0的重要推动者，将RAMI4.0的应用经验引入到ISO23247-2的研制中，为参考架构与德国工业4.0体系的技术兼容性提供了重要保障。中国电子技术标准化研究院作为中国在ISO/TC184的国内技术对口单位，中国电子技术标准化研究院组织国内相关产学研用单位深度参与标准研制，在数据模型和互操作接口等关键技术内容上提出了多项建设性提案。美国国家标准与技术研究院（NIST）NIST基于其在智能制造系统架构方面的长期研究成果，在跨域功能定义和网络安全要求方面贡献了重要技术内容。4.2国内主要参与单位中国电子技术标准化研究院中国电子技术标准化研究院（CESI，原工业和信息化部电子工业标准化研究院）是从事电子信息技术领域标准化研究的国家级权威科研机构，成立于1963年，直属于工业和信息化部。作为ISO/TC184的国内技术对口单位和中国在ISO/IEC框架下参与智能制造标准化活动的核心支撑机构，CESI在ISO23247系列标准的研制过程中发挥了重要的组织协调作用。在ISO23247-2:2021研制过程中，CESI联合国内优势单位组建了专项工作组，系统梳理了我国在数字孪生领域的技术积累和产业需求，形成了多项具有中国特色且兼具国际普适性的技术提案。其中，CESI提出的关于数字孪生数据互操作接口的分层定义方法被标准采纳，有效提升了标准对不同制造场景的适用性。同时，CESI还积极组织国内专家参与各阶段国际研讨和意见反馈工作，确保标准内容充分反映我国产业界的实际诉求。此外，CESI牵头推动ISO23247系列标准在我国的转化落地工作，为后续我国数字孪生国家标准和行业标准的制定提供了重要参考基础。五、标准技术特征分析5.1架构设计的开放性与兼容性ISO23247-2:2021参考体系结构在设计上充分考虑了与既有标准体系的兼容性。在纵向层面，该架构可适配工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）、ISA-95（企业-控制系统集成标准）等主流制造系统架构；在横向层面，标准定义的接口规范支持OPCUA、MQTT、HTTP/REST等多种工业通信协议，能够灵活适配不同技术路线的系统实现。5.2面向全生命周期的覆盖能力参考体系结构涵盖了从物理实体感知、数字模型构建、仿真分析到决策执行的完整闭环，支持产品设计、工艺规划、生产执行、运维服务等制造全生命周期的数字孪生应用。标准特别强调了对"感知-建模-分析-反馈"闭环过程的架构支撑能力，为构建虚实融通的智能制造系统奠定了架构基础。5.3安全性与互操作性的内置设计标准将网络安全和数据安全作为跨域功能的重要组成部分，要求数字孪生系统在架构层面内置身份认证、访问控制、数据加密等安全机制。同时，标准通过定义标准化的服务接口和数据格式，从根本上降低了系统间集成互操作的复杂度，为多系统协同、多层级贯通提供了技术保障。六、标准实施与应用展望6.1标准实施价值6.2与我国数字孪生标准体系的衔接我国高度重视数字孪生标准化工作。2020年以来，国家标准化管理委员会、工业和信息化部等部门陆续发布了多项数字孪生相关标准研制计划，全国信息技术标准化技术委员会（TC28）等标委会也组织开展了数字孪生术语、参考架构、数据模型等多项国家标准的研制工作。2023年12月，工业和信息化部等八部门联合印发《关于加快传统制造业转型升级的指导意见》，明确提出要"推进数字孪生等新技术在制造业中的应用"。ISO23247-2:2021作为国际通行的数字孪生参考架构标准，其在我国的采标转化将为国内企业参与全球竞争提供有力支撑。6.3未来发展趋势七、结论ISO23247-2:2021作为全球首个面向制造业数字孪生的国际标准，系统规定了数字孪生系统的参考体系结构，填补了该领域国际标准的空白。该标准通过定义可观测制造元素、数字孪生服务、运维域和跨域功能等核心功能实体及其交互关系，为制造业数字孪生系统的设计、开发与集成提供了权威的技术基准和统一的架构指引。参考文献[1]ISO23247-2:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part2:Referencearchitecture[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO23247-1:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part1:Overviewandgeneralprinciples[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[3]工业和信息化部等八部门.关于加快传统制造