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

ISO23247-4:2021《自动化系统与集成制造数字孪生框架第4部分：信息交换》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part4:Informationexchange摘要随着新一代信息技术与制造业深度融合，数字孪生已成为推动智能制造发展的关键使能技术。然而，在数字孪生系统的实际部署过程中，异构系统间的信息交换与互操作问题日益凸显，缺乏统一的通信协议与数据交互规范，严重制约了数字孪生技术在跨平台、跨系统场景下的推广应用。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年10月正式发布了ISO23247-4:2021《自动化系统与集成制造数字孪生框架第4部分：信息交换》。本标准作为ISO23247系列标准的重要组成部分，聚焦于制造数字孪生系统中信息交换的框架、协议与技术要求，为制造企业构建高效、可靠、安全的数字孪生信息交互体系提供了标准化支撑。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制过程、核心内容、技术架构及应用价值，并对标准实施中的关键问题与未来发展趋势进行了深入分析。报告指出，ISO23247-4:2021的发布填补了制造数字孪生领域信息交换标准的空白，对促进数字孪生技术产业化应用、推动制造业数字化转型具有重要的指导意义和深远影响。关键词：数字孪生；信息交换；智能制造；ISO23247；互操作；标准化Keywords:DigitalTwin;InformationExchange;SmartManufacturing;ISO23247;Interoperability;Standardization一、引言1.1研究背景数字孪生（DigitalTwin）作为实现物理世界与信息世界深度融合的核心技术手段，近年来在全球范围内获得了广泛关注和快速发展。根据MarketsandMarkets研究报告预测，全球数字孪生市场规模将从2023年的157亿美元增长至2028年的985亿美元，年复合增长率高达44.4%。在制造领域，数字孪生技术被广泛应用于产品设计、工艺优化、生产管控、预测性维护等全生命周期环节，成为制造业数字化转型的重要引擎。然而，数字孪生系统的构建与运行高度依赖于物理实体与虚拟模型之间的数据流通与信息交换。在实际应用中，由于制造系统中存在大量异构设备、多样化的通信协议及差异化的数据格式，信息孤岛问题严重阻碍了数字孪生系统的集成与协同。具体而言，制造企业面临以下主要挑战：1.异构系统互联困难：制造现场存在来自不同厂商、不同年代的设备与系统，其通信接口和数据格式千差万别；2.数据语义不一致：不同系统对同一物理量的定义、单位和精度存在差异，导致数据语义冲突；3.实时性保障不足：数字孪生系统对数据传输的实时性和确定性有较高要求，而现有通用通信协议难以满足；4.安全性和可靠性隐患：制造数据涉及企业核心工艺和商业机密，信息交换过程中的安全和可信问题亟需规范。在上述背景下，制定统一的信息交换标准成为推动数字孪生技术在制造领域规模化应用的关键前提和迫切需求。1.2ISO23247系列标准概述ISO23247系列标准由国际标准化组织ISO/TMB（技术管理委员会）下的ISO/TC184“自动化系统与集成”技术委员会SC4“工业数据”分委员会负责制定。该系列标准旨在为制造领域的数字孪生系统构建提供一个通用化、系统化的框架体系，涵盖以下组成部分：-ISO23247-1：通用要求与架构，界定了数字孪生系统的参考架构和通用要求；-ISO23247-2：数字孪生制造元素的参考架构，规定了物理实体与虚拟实体的映射关系；-ISO23247-3：数字孪生的数字表示，规定了虚拟模型的数据结构和数字表达方式；-ISO23247-4：信息交换，即本报告所关注的标准，聚焦于数字孪生组件间的信息交互技术与协议。作为该系列标准的第4部分，ISO23247-4:2021在整体架构中承担着“连接器”的关键角色，为数字孪生系统中各功能模块之间实现高效、规范的信息传递提供了标准依据。二、标准立项背景与编制过程2.1标准立项的必要性与紧迫性数字孪生概念的萌芽可追溯至2003年MichaelGrieves教授在产品生命周期管理课程中提出的“信息镜像模型”理念。2010年前后，NASA在其航天器健康管理系统中率先应用了数字孪生技术。此后，随着工业物联网、大数据分析和人工智能技术的迅猛发展，数字孪生在制造业的应用呈现出爆发式增长态势。然而，标准化的步伐明显滞后于技术发展的速度。截至2020年，国际上尚无专门针对制造数字孪生信息交换的通用标准。已有的相关标准，如IEC62541（OPCUA）、ISO10303（STEP）等，虽在一定程度上支持数据交换，但均非专门针对数字孪生场景设计，无法完整满足数字孪生系统对信息交换的多维度需求，具体包括：-物理实体与虚拟实体之间的双向实时数据同步；-多源异构数据的融合与语义互操作；-数字孪生服务之间的发现、调用与协作；-数据交换过程中的安全性、可追溯性和可信性保障。因此，ISO/TC184/SC4于2019年正式立项启动ISO23247-4的制定工作，旨在基于数字孪生系统构建的特殊需求，建立一套专门的信息交换框架和技术规范。2.2编制过程与参与力量ISO23247-4的编制工作历经了标准预研（PreliminaryWorkItem）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）和最终国际标准草案（FDIS）等阶段，最终于2021年10月12日正式发布。在编制过程中，来自中国、德国、美国、日本、法国、韩国等主要工业国家的标准化专家深度参与，先后组织了多次国际研讨会和工作组会议，围绕信息交换的关键技术问题进行了充分论证。中国作为制造业大国，在标准编制过程中发挥了重要作用。全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）组织国内高校、科研院所和企业代表组成中国专家工作组，针对数字孪生信息交换中的数据映射、语义互操作和安全机制等关键问题提出了建设性方案，多项中国提案被纳入标准正文。三、标准主要内容与技术要点3.1标准范围与定位ISO23247-4:2021的规定范围聚焦于制造数字孪生框架中与信息交换相关的以下内容：-数字孪生组件之间信息交换的通用框架与参考模型；-信息交换的功能需求与非功能需求；-信息交换过程中涉及的接口规范、数据映射规则及通信协议适配要求；-信息交换的安全与可信性保障要求。在边界界定方面，本标准明确其适用范围限于ISO23247-1所定义的数字孪生参考架构内的信息交换，不涉及物理制造设备内部通信和传感器底层信号传输的相关细节。3.2信息交换参考框架标准提出了一种基于分层架构的信息交换参考框架，将数字孪生系统中的信息交换划分为以下功能层次：(1)数据传输层：负责数字孪生组件间数据的物理传输，适配以太网、工业现场总线、工业物联网无线协议等多种底层通信方式。(2)数据表示层：规定了信息交换中数据内容的标准格式和编码规则，采用基于JSON/XML的结构化数据描述方式，以兼容不同数据格式间的转换与映射。(3)语义互操作层：提供了统一的数据语义描述方法和上下文管理机制，确保来自不同系统、不同厂商的数据具有一致含义。(4)应用服务层：支持数字孪生服务之间的发现、适配与协作，包括服务接口定义、消息交换模式（同步/异步）和事务管理机制。(5)安全管理层：贯穿上述各层次，在信息交换过程中提供身份认证、权限控制、数据加密和操作审计等安全保障能力。3.3核心信息交换模式标准规定了以下三种核心信息交换模式，以适应不同应用场景的需求：-模式一：实时数据流交换——面向物理实体与虚拟模型之间的持续数据同步场景，要求高频率、低时延的数据传输，适用于在线状态监测和实时仿真等应用；-模式二：请求-响应式交换——面向按需查询与指令下发场景，适用于参数配置、模型更新和远程控制等应用；-模式三：事件驱动型交换——面向异常告警与状态变更通知场景，适用于异常监测和主动服务推荐等应用。三种模式既可独立使用，也可在同一系统中协同部署，从而有效平衡实时性、可靠性与系统开销之间的关系。3.4主要技术特性3.4.1数据映射与转换针对制造系统中信息模型异构问题，标准规定了一套从源数据模型到目标数据模型的映射方法，定义了映射规则的具体描述方式，支持不同数据格式（如XML、JSON、CSV等）之间的自动转换，同时推荐使用统一语义模型（如AssetAdministrationShell、OPCUA信息模型）作为映射的目标模型，以降低集成复杂度。3.4.2服务质量保障标准根据数字孪生应用场景的差异化需求，将信息交换的服务质量划分为不同等级，规定了数据交换频率的调节机制，并针对实时性敏感场景规定了时延与抖动控制措施。这些要求为系统设计者在处理性能与成本之间提供了灵活的平衡选项。3.4.3安全性要求标准沿用了ISO/IEC27001等信息安全标准的基本理念。在信息交换层面，要求实施双向身份认证机制（基于证书或令牌方式），对传输中的数据采用符合国密或国际标准的加密算法进行保护，同时需要通过区块链或审计日志等方式记录完整的操作溯源信息。3.5与相关标准的关系ISO23247-4在制定过程中充分考虑了与已有国际标准的协调性与兼容性，主要体现在以下方面：-与IEC62541（OPCUA）的关系：OPCUA作为工业自动化领域广泛应用的数据交互标准，可作为ISO23247-4中数据传输层和语义层的具体实现方式之一；-与ISO10303（STEP）的关系：用于产品数据交换的STEP标准可为数字孪生中产品几何与拓扑信息的交换提供数据模型支撑；-与ISO23247其他部分的关系：与第1部分的参考架构保持一致，从架构设计的源头保证了信息交换规范与整体框架的无缝衔接。四、标准实施与推广应用4.1标准实施的技术路径ISO23247-4:2021为制造企业实施数字孪生信息交换提供了清晰的标准化路径。企业在具体实施过程中，可遵循以下步骤：1.差距分析：对照标准要求评估现有系统的信息交换能力和差距；2.架构设计：基于标准的分层框架设计信息交换总体架构；3.协议适配：根据标准规定的映射规则开发现有系统与数字孪生平台之间的协议适配层；4.安全加固：按照标准的安全要求部署身份认证、加密传输和访问控制机制；5.测试验证：依据标准的符合性测试要求，验证系统间信息交换的正确性和可靠性。4.2标准在国际范围内的实施现状截至目前，ISO23247-4:2021已为全球制造数字孪生系统的开发和应用提供了重要的标准化参考依据。据有关资料，德国工业4.0生态系统中数字孪生相关参考架构（如AssetAdministrationShell）在与ISO23247系列标准进行对接方面已有具体进展；日本制造业数字化转型相关指南也引用了该标准框架。鉴于该标准的国际通用性和广泛的采标基础，越来越多的国家和地区及行业组织正在推动等效采用或参考应用。五、主要参与单位介绍5.1全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）在ISO23247-4:2021的编制过程中，全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）作为中国对口技术组织发挥了重要的组织协调和专业技术支撑作用。SAC/TC159成立于20世纪80年代，是国家标准化管理委员会直接领导下的全国性专业标准化技术组织，对口国际标准化组织ISO/TC184（自动化系统与集成）。委员会秘书处设在北京机械工业自动化研究所有限公司，下设工业数据、工业机器人、物理设备安全等多个分技术委员会。其主要职责包括：-组织国内标准制修订工作：负责自动化系统与集成领域国家标准的规划、立项、起草和审查工作；-参与国际标准化活动：代表中国参与ISO/TC184及其SC4等分委员会的国际标准制定工作，组织国内专家参与国际标准草案的投票和意见反馈；-标准宣贯与推广：组织开展标准的培训宣贯、应用示范和国际交流活动，推动标准的落地实施。在ISO23247-4制定过程中，SAC/TC159充分发挥了以下关键作用：-组建专家团队：联合中国电子技术标准化研究院、浙江大学、北京航空航天大学等优势单位，组建了涵盖数字孪生技术研究、工业数据建模和信息安全领域的跨学科专家组；-关键技术贡献：围绕制造数字孪生中多源数据语义对齐、实时信息交互协议适配和端边云协同架构等关键技术方向，提交了多项中国提案和技术报告，得到国际同行专家的广泛认可；-国际协调与沟通：在DIS投票阶段，组织国内利益相关方对标准技术内容进行逐条审议，汇总形成建设性意见向ISO/TC184反馈，多项意见被采纳。六、结论与展望6.1标准价值总结ISO23247-4:2021的正式发布，是制造数字孪生领域国际标准化工作的重要里程碑。该标准以其系统性、开放性和实用性，为全球制造企业构建数字孪生系统提供了统一的信息交换规范，具有以下核心价值：1.填补了标准空白：作为全球首个专门针对制造数字孪生信息交换的国际标准，有效填补了该领域的标准化空白；2.促进了互操作性：通过统一的信息交换框架和数据映射规范，显著降低了异构系统和跨企业间集成的技术壁垒；3.提升了安全可信水平：将安全机制内嵌于信息交换架构设计之中，为数字孪生系统安全运行提供了基础保障；4.支撑了产业生态建设：为数字孪生技术供应商、系统集成商和制造企业提供了共同的技术语言和合作基础。6.2未来发展趋势展望未来，制造数字孪生信息交换技术及标准化工作将呈现以下发展趋势：第一，标准体系的持续完善。随着ISO23247系列标准后续版本的修订与补充，针对特定行业（如航空航天、汽车制造、电子制造）的应用指南和行业扩展标准将逐步出台，形成更加完备的标准体系。第二，与新兴技术的深度融合。5G/6G通信、边缘计算、区块链和人工智能等新兴技术将不断赋能数字孪生信息交换系统，推动标准在通信协议、数据可信机制和智能协商等方面持续演进。第三，从单域到跨域协同的扩展。数字孪生技术正从单一工厂或车间向供应链级和产品全生命周期级协同应用延伸，信息交换标准需要满足跨企业、跨平台、跨地域的更大规模协同需求。第四，与工业互联网平台协同发展。随着工业互联网平台的普及，数字孪生系统将与各类平台深度融合，信息交换标准将在平台间的数据互通与能力开放中发挥更加关键的基础性作用。参考文献[1]ISO23247-4:2021,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part4:Informationexchange[S].Geneva:InternationalOrganizatio