ISO 23247-32021 自动化系统和集成制造用数字双框架第3部分制造元件的数字表示标准立项发展报告

自动化系统和集成制造用数字孪生框架第3部分：制造元件的数字表示（ISO23247-3:2021）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part3:Digitalrepresentationofmanufacturingelements(ISO23247-3:2021)摘要随着新一代信息技术与制造业深度融合，数字孪生作为实现物理世界与信息世界虚实映射与交互的关键使能技术，正深刻变革全球制造业的研发模式、生产组织方式和产业形态。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年10月正式发布ISO23247-3:2021《自动化系统和集成制造用数字孪生框架第3部分：制造元件的数字表示》，该标准隶属于ISO23247系列标准框架体系，为制造活动中各类物理元件（如设备、工件、工装、物料等）的数字表示提供了统一的模型构建准则、数据组织方法和互操作协议规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制过程、技术框架与核心内容，深入分析了其在制造元件分类、数字表示层级、属性建模、数据交换接口等方面的关键技术要求，并结合智能制造、工业互联网等应用场景阐述了标准的推广应用价值与实践路径。报告指出，ISO23247-3:2021作为全球首个聚焦制造元件数字表示的专门性国际标准，有效填补了数字孪生在制造单元层面标准化缺失的空白，对推动数字孪生技术从概念验证走向工程落地具有重要的引领和支撑作用，为我国智能制造标准体系建设及数字孪生技术产业应用提供了重要的参考借鉴。关键词：数字孪生；制造元件；数字表示；智能制造；ISO23247；标准化；信息模型Keywords:Digitaltwin;Manufacturingelements;Digitalrepresentation;Intelligentmanufacturing;ISO23247;Standardization;Informationmodel一、引言1.1研究背景数字孪生（DigitalTwin）概念最早由MichaelGrieves教授于2002年在产品生命周期管理领域正式提出，其核心思想是通过构建物理实体的虚拟镜像，实现物理空间与信息空间的实时映射、动态交互与闭环优化。近年来，随着物联网、大数据、人工智能、边缘计算等新一代信息技术的快速发展与成熟，数字孪生已从最初的产品设计验证领域迅速拓展至制造全流程、全生命周期和全价值链，成为全球智能制造发展的前沿热点和战略高地。据Gartner预测，到2027年，超过40%的大型工业企业将使用数字孪生技术提升业务收入，其市场规模将突破数百亿美元。在制造领域，数字孪生技术被广泛应用于产线虚拟调试、生产过程优化、设备预测性维护、产品质量追溯、能源精细化管理等场景，展现出巨大的应用潜力和经济价值。然而，在数字孪生技术快速演进和产业加速布局的过程中，标准缺失问题日益凸显，成为制约技术规模化推广和系统间互联互通的关键瓶颈。具体表现为：不同厂商的数字孪生系统采用各自独立的数据模型和接口协议，导致异构系统间的数据交换困难；制造元件（如机床、机器人、传感器、工件等）的数字表示缺乏统一规范，同一物理元件在不同系统中的数字化描述差异显著，难以实现语义层面的互操作；数字孪生系统的架构设计、数据管理、安全保障等亦缺乏权威性的顶层指引。1.2标准化需求分析在此背景下，国际社会对数字孪生标准化工作给予了高度重视。ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）作为工业自动化领域最具权威性的国际标准化组织之一，于2019年敏锐地捕捉到数字孪生标准化需求的紧迫性，批准成立专门工作组，着手制定ISO23247系列标准。该系列标准旨在为制造业数字孪生系统的开发、部署和互操作提供统一的框架性规范，填补国际标准在该领域的空白。ISO23247系列标准共包含四个部分：第1部分为通用框架与总体要求；第2部分为参考架构；第3部分为制造元件的数字表示；第4部分为信息交换。其中，第3部分聚焦制造元件的数字表示问题，是整个系列标准中最为具体和技术性最强的部分之一。这是因为制造元件作为制造活动的基本单元，其数字表示的质量和规范性直接决定了数字孪生系统的数据准确性和应用效果，是整个数字孪生框架的"数据基石"。二、标准编制概况2.1编制历程ISO23247-3:2021的编制工作经历了严谨而系统的国际标准研制流程。早在2019年，ISO/TC184即启动了该系列标准的前期预研工作，对全球范围内数字孪生技术研发和应用的现状、主要技术路线、既有标准基础等进行了深入调研。在充分论证的基础上，2019年下半年正式通过新工作项目提案（NWIP），确立制定ISO23247系列标准的立项决议，并明确了各部分的分工与技术边界。自标准草案（WD）形成后，编制工作组相继完成了委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）各阶段的技术审议和意见处理工作。标准制定过程中，来自中国、德国、美国、日本、韩国、法国等制造业强国的专家学者积极参与，提交了大量具有工程实践价值的技术提案和修改意见。经过多轮次的国际协商与讨论，各方在制造元件分类框架、数字表示层级模型、数据属性定义方法等关键议题上逐步达成共识，最终于2021年10月1日由国际标准化组织正式发布。2.2标准定位ISO23247-3:2021的标准编号为ISO23247-3:2021，由ISO/TC184（自动化系统与集成）归口管理。该标准的正式名称是"Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part3:Digitalrepresentationofmanufacturingelements"，即"自动化系统和集成制造用数字孪生框架第3部分：制造元件的数字表示"。该标准在ISO23247系列框架中发挥着承上启下的关键作用：向上承接第1部分所确立的总体框架要求和第2部分定义的参考架构，将抽象的框架原则细化落实为制造元件层面的具体技术要求；向下支撑第4部分的信息交换规范，为跨系统的数据互操作提供统一的语义基础和模型保障。就适用范围而言，该标准适用于制造业中各类型制造元件（包括但不限于生产设备、运输装备、工装夹具、在制品、原材料、辅助物料等）的数字表示与分析，覆盖从单台设备到整个制造单元的不同粒度层级。2.3标准属性-标准状态：现行-发布机构：国际标准化组织（ISO）-ICS分类号：25.040.40（信息技术在工业中的应用）-发布日期：2021年10月1日-发布年份：2021年-国别：国际组织-原文语言：英语-版本说明：电子版加密PDF格式，约1分钟可下载，有水印，需安装FileOpen插件，电脑需联网，限制累计3台电脑共打印5次-参考价格：1092.0元（含税）三、标准主要技术内容3.1标准总体框架ISO23247-3:2021在结构上确立了制造元件数字表示的系统性技术要求框架，涵盖表示范围界定、分类体系、建模方法、属性规范、接口需求及一致性验证等方面。在范围界定方面，标准明确规定适用于离散制造和流程制造领域的各类制造元件，覆盖生产过程中涉及的全部物理实体类型。需要特别说明的是，该标准侧重于可观测、可操作的物理制造要素，对于人员、组织等社会技术要素不在本标准规定的数字表示范围之内，这一边界厘清有效避免了标准适用范围的无序扩展。在分类体系方面，标准构建了系统化的制造元件分类方法，将制造元件划分为生产设备类（包括金属切削机床、工业机器人、增材制造设备等）、运输与仓储类（包括AGV、传送装置、立体仓库等）、辅助工装类（包括夹具、模具、刀具、量具等）、物料与工件类（包括原材料、在制品、成品等）以及传感检测类（包括各类传感器、执行器、RFID读写装置等）等主要类别。每一大类之下还可依据工艺功能、结构特征等进行多层级细分，为统一建模提供了清晰的分类指引。在数字表示层级方面，标准吸纳了物理实体数字化表达的一般理论，系统定义了从要素级、单元级、系统级到环境级的纵向递进表示层级，并创新性地引入面向不同应用场景的多视角建模方法——分别从几何结构视角（关注尺寸、形状、装配关系）、行为动态视角（关注运行状态、运动规律、动态响应）、规则约束视角（关注工艺规范、安全边界、运行逻辑）三个维度对制造元件进行多侧面刻画。这一多维表达机制保障了模型的丰富性和完备性，满足不同应用场景对数字表示的差异化需求。3.2核心关键技术标准在技术层面对制造元件数字表示的若干核心关键问题做出了明确规定，主要体现在以下几个方面：一是在制造元件属性建模方面，标准提出了属性组织的"对象-属性-关系"三重建模框架。物理属性涵盖几何尺寸、结构参数、材料特性等固有信息，是元件数字表示的静态基础；状态属性涵盖运行参数、健康指标、工况数据等动态信息，反映元件在制造过程中的实时状态；能力属性涵盖加工范围、精度等级、最大负载等功能指标，刻画元件的功能边界与工艺能力；管理属性涵盖资产编号、维护记录、生命周期阶段等运维管理信息，支撑全生命周期管理需求。标准同时对属性的元数据描述给出了明确约束，要求每个属性具备唯一标识、数据类型、计量单位、精度要求、时间戳等元数据信息，以确保属性数据的规范性和可解析性。二是在数据交换与互操作接口设计方面，标准秉承开放性和中立性原则，推荐了基于JSON和XML两种主流格式的数据交换方式，并规定了数字孪生系统与其他制造信息系统（如MES、ERP、PLC等）之间的接口技术要求。标准要求数据交换过程需遵循统一的语义约定，确保不同系统对同一数据元素的理解和解析具备一致性。三是在数字孪生模型生命周期管理方面，标准要求数字表示模型应伴随物理元件的全生命周期进行同步演化和更新，并对模型配置管理、版本控制、变更记录等提出了系统性要求，确保数字表示与物理实体的持续一致性和可追溯性。3.3一致性验证为确保不同实现方案对本标准的符合程度可被评价和认定，标准在附录中给出了详细的符合性测试方法和评价准则，涵盖数据模型合规性检查、交互接口兼容性测试以及文档完整性审查三个维度。这些验证方法和准则为第三方测试机构和企业内部质量部门开展标准符合性评估提供了可操作的方法依据，既维护了标准执行的严肃性和一致性，也保留了实施者在技术路线选择和架构设计方面的合理灵活性。四、标准主要参与单位4.1ISO/TC184及其工作体系ISO23247-3:2021的研制工作主要由ISO/TC184（Automationsystemsandintegration，自动化系统与集成技术委员会）主导。ISO/TC184成立于1983年，是国际标准化组织下设的专门负责工业自动化领域标准制定的技术委员会，其工作范围涵盖自动化系统、工业数据处理、制造管理信息交换、系统集成等广泛领域。该技术委员会下设多个分技术委员会（SC），其中SC1（物理设备控制）、SC4（工业数据）、SC5（企业系统与自动化应用）等与数字孪生标准化工作密切相关。参与本部分标准研制的各国专家来自标准化机构、科研院所、制造企业和信息技术企业，具有深厚的理论功底和丰富的工程实践经验。各方在标准制定过程中秉持开放合作、协商一致的原则，在争议性技术问题上通过多轮工作组会议和技术研讨达成共识，最终形成了代表国际制造业数字孪生技术最佳实践和共同意愿的正式国际标准。4.2中国参与情况与典型单位介绍作为ISO的常任理事国，中国深度参与了ISO23247系列标准的研制工作，SAC/TC159（全国自动化系统与集成标准化技术委员会）积极组织国内产学研用优势力量全程跟踪和深度参与标准制定。在标准制定过程中，中国专家在制造元件分类框架设计、多视角建模方法、中国特色制造场景适配等方面提出了多项技术提案和修改意见，多个关键建议被标准采纳。中国电子技术标准化研究院作为该标准国内对口工作的核心支撑单位之一，是工业和信息化部直属的事业单位，也是我国电子信息领域标准化工作的国家级核心机构。该院长期从事智能制造、工业互联网、数字孪生等领域的基础共性标准和关键技术标准研制，承担着全国信息技术标准化技术委员会等多枚秘书处工作。在ISO23247系列标准制定过程中，该院组织国内相关领域专家开展多轮技术研讨和意见征集，牵头完成了该系列标准的国内技术论证工作，系统梳理了我国制造业数字化转型对数字孪生标准化的实际需求，为国际标准制定贡献了中国实践经验和方案，有力支撑了我国在该领域国际标准化工作中的参与深度和话语权。此外，国内一批行业龙头企业也在标准制定过程中发挥了积极作用，其在实际数字化项目中所积累的一线实践经验和最佳做法为国际标准的技术论证提供了宝贵素材，进一步增强了标准的实用性和普适性。五、标准推广应用与实施建议5.1应用场景分析ISO23247-3:2021所规范的制造元件数字表示技术要求具有广泛的应用场景覆盖能力和产业推广价值。在设备预测性维护方面，基于标准化的设备数字表示模型，可系统采集设备的振动、温度、电流等多维状态数据，结合机器学习算法构建设备健康状态评估模型，实现从"定期维护"向"预测性维护"的模式转变，有效降低非计划停机率，延长设备使用寿命。在生产过程优化方面，借助制造元件数字表示所提供的能力属性和行为模型，可对生产工艺参数进行虚拟仿真和迭代优化，通过数字孪生体的模拟分析替代部分物理试错过程，大幅缩短新产品导入周期，降低试生产成本。5.2标准实施建议在技术层面，建议企业在实施本标准过程中，充分评估现有信息系统架构和数据管理基础，制定符合自身业务需求的数字孪生数据治理方案。对于存量系统产生的已有数据资源，应通过数据映射和转换机制实现向标准模型的平滑迁移；对于新建系统，应优先采用符合标准的原生数据模型。同时，应重视数据质量管理和模型维护机制建设，确保数字表示模型的持续准确性和时效性。在管理层面，建议企业将标准实施纳入数字化转型战略整体规划，建立由信息部门牵头、各业务部门协同配合的推进机制。应积极开展标准宣贯和技术培训工作，提升相关技术人员和管理人员对标准的理解和应用能力。有条件的单位可率先在典型产线或车间开展试点示范建设，积累经验后再逐步推广至全厂范围。六、结论与展望ISO23247-3:2021《自动化系统和集成制造用数字孪生框架第3部分：制造元件的数字表示》作为全球制造业数字孪生领域首项专门针对制造元件数字表示的权威国际标准，具有里程碑式的重要意义。该标准系统构建了制造元件数字表示的通用框架和核心技术规范，有效填补了国际标准化体系在制造数字孪生元件层面的标准空白，为全球制造业数字孪生技术的规范有序发展提供了重要的技术指引和制度保障。展望未来，随着数字孪生技术在制造业各细分领域的持续深入应用，该标准有望在以下方向产生更为深远的影响：一是标准应用范围将从当前以离散制造为主逐步向流程制造、生命科学制造等更多行业领域拓展，标准的适用性和覆盖力将不断提升；二是标准的实施将为数字孪生系统间互操作、产业链协同和数据共享提供更为坚实的技术底座，支撑制造业向网络化、智能化方向演进；三是从国际标准体系建设角度看，我国应以ISO23247-3:2021的发布为契机，在积极推动标准国内转化的同时，进一步加大在数字孪生相关新兴标准方向的参与力度，依托我国丰富的制造业场景优势和数字化实践积累，持续增强在国际标准化治理中的话语权和影响力。与此同时，数字孪生标准化工作体系也必将随着技术迭代和应用深化而持续演进完善，标准的动态维护与更新升级机制将保障其始终保持与技术发展和产业需求的同步适配。参考文献[1]ISO23247-3:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part3:Digitalrepresentationofmanufacturingelements[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO23247-1:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part1:Overviewandgeneralprinciples[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[3]ISO23247-2:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part2:Referencearchitecture[S].Geneva:Interna