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

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》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part1:Overviewandgeneralprinciples发布日期：2021年10月22日发布机构：国际标准化组织（ISO）标准状态：现行摘要随着新一代信息技术与制造业深度融合，数字孪生（DigitalTwin）作为实现物理世界与信息世界虚实映射的关键技术，正深刻改变着制造业的设计、生产与运维模式。然而，由于缺乏统一的框架标准，数字孪生在制造领域面临概念认知不一致、系统架构异构化、数据互操作性不足、跨系统集成困难等突出问题，严重制约了技术的规模化应用和产业生态的健康发展。在此背景下，国际标准化组织（ISO）于2021年10月22日正式发布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》，作为ISO23247系列标准的基础性文件，系统界定了面向制造业的数字孪生框架的通用概念、术语定义、适用范围和基本原则。本报告围绕该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容、应用价值及未来发展方向进行了系统梳理与分析。报告指出，该标准首次在国际层面统一了制造数字孪生的框架性认知，提出了包含可观测制造元素（OME）、数字孪生实体、数字孪生数据存储等核心组件的参考架构，确立了数字孪生部署的通用性原则，为后续系列标准的制定奠定了理论基石，也将为全球制造企业的数字化转型提供重要的标准化技术指引。关键词：数字孪生；制造系统；ISO23247；标准化框架；互操作性；数字化转型；参考架构；智能制造Keywords:DigitalTwin;ManufacturingSystems;ISO23247;StandardizationFramework;Interoperability;DigitalTransformation;ReferenceArchitecture;IntelligentManufacturing一、引言1.1研究背景数字孪生概念最早由MichaelGrieves教授于2002年在产品生命周期管理（PLM）领域提出，其核心理念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与双向交互。近年来，随着物联网（IoT）、人工智能（AI）、大数据、云计算和边缘计算等技术的快速成熟，数字孪生已从概念验证阶段逐步走向工程应用阶段，成为智能制造领域的关键使能技术之一。据MarketsandMarkets研究报告预测，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%。在制造业领域，数字孪生被广泛应用于产品设计验证、生产过程优化、设备预测性维护、供应链协同管理等众多场景，显著提升了企业的运营效率和决策质量。然而，数字孪生的快速发展也带来了一个突出问题——标准的缺失。不同厂商和科研机构对数字孪生的理解各不相同，所构建的数字孪生系统在术语定义、架构设计、数据格式、接口协议等方面存在显著差异，导致系统之间的互操作性差、集成成本高、数据孤岛现象严重。在此背景下，国际社会迫切需要一套统一的数字孪生框架标准，以规范和指导制造领域数字孪生系统的开发与应用。1.2标准立项的必要性为应对上述挑战，国际标准化组织ISO于2019年正式启动数字孪生制造框架标准化工作，由ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）下属SC4（工业数据分技术委员会）和SC5（企业系统与自动化应用分技术委员会）联合推进。该工作旨在制定一套覆盖数字孪生制造应用全生命周期的系列标准，即ISO23247系列标准。ISO23247-1:2021作为该系列标准的第一部分，承担着"总纲"和"基石"的功能，其核心任务是为整个系列标准确立统一的概念框架、术语体系和基本原则。具体而言，该标准的制定目标包括：（1）统一制造领域数字孪生的核心术语与定义，消除概念混淆；（2）建立数字孪生系统的通用参考架构，为不同实现方案提供对比和评估基准；（3）确立数字孪生部署的一般性原则与要求，指导各类组织有效实施；（4）为后续系列标准（如数据交换、可视化、用例等）提供框架性指导。二、标准研制历程2.1国际标准化背景ISO23247系列标准的制定由ISO/TC184/SC4（工业数据）和ISO/TC184/SC5（企业系统与自动化应用）联合成立的WG15工作组负责。该工作组汇集了来自中国、德国、美国、日本、韩国、法国、英国等主要工业国家的标准化专家，共同推进标准的研制工作。在标准研制过程中，工作组充分参考了以下已有成果：-ISO/IEC30173:2023（数字孪生概念与术语），由ISO/IECJTC1/SC41（物联网与数字孪生分技术委员会）制定，提供了数字孪生领域的基础术语定义；-ISO23247系列其他部分（第2至第4部分），分别涉及参考架构、数字孪生数据要素和数字孪生信息交换；-IEC62832系列标准，涉及工业过程测量控制和自动化中的数字工厂框架；-德国工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）和美国工业互联网参考架构（IIRA）等国家级或行业级架构成果。2.2标准研制时间线ISO23247-1:2021的研制经历了系统而严谨的标准化工作流程。2019年，ISO/TC184/SC4和SC5联合成立WG15工作组，正式启动数字孪生制造框架标准预研工作。经过前期需求调研和范围界定，工作组于2020年初形成委员会草案（CD），该草案在第1版基础上经多轮讨论与修改后，于2020年年中形成国际标准草案（DIS）。2020年底至2021年初，标准进入最终国际标准草案（FDIS）投票阶段，各成员国进行了为期两个月的最终表决。最终，标准于2021年10月22日正式发布，历时约两年半。这一进度在ISO国际标准研制中属于较为高效的水平，充分反映了国际社会对该标准需求的迫切性和共识度。2.3参与国家与组织该标准得到了全球主要工业国家的高度关注和积极参与。其中，德国依托工业4.0战略的深厚积累，在参考架构设计方面发挥了重要的引领作用；中国作为全球制造业第一大国，结合自身在智能制造领域的丰富实践，在应用场景界定和用例梳理方面做出了积极贡献；美国凭借其数字孪生技术源头地位，在概念模型和术语定义方面提供了重要输入；日本和韩国则在数据互操作和信息交换方面贡献了技术方案。此外，一些国际组织和行业协会也以联络组织的身份参与了标准的制定过程。三、标准主要技术内容3.1标准适用范围该标准适用于以下用户群体：-数字孪生系统的开发者和提供者；-制造企业中的系统集成商和技术规划人员；-从事数字孪生研究和应用的高校及科研机构；-需要进行数字孪生系统评估和采购的企业决策者。3.2核心术语定义标准对以下关键术语进行了规范化定义：数字孪生（DigitalTwin）：一种旨在有效同步物理对象或过程的状态或条件的数字表示，实现物理域和信息域的实时映射与融合。数字孪生实体（DigitalTwinEntity）：数字孪生系统内部承载特定功能的基本组件，包括数据存储、信息交换、可视化等核心服务单元。可观测制造元素（ObservableManufacturingElement,OME）：能够响应数据采集并提供其自身状态或条件数据的物理制造元素，如设备、工件、工具、操作人员等，是数字孪生系统数据映射的物理端起点。数字孪生数据存储（DigitalTwinDataStore）：用于存储和管理可观测制造元素及其数字孪生实体状态数据的核心组件。数字孪生信息交换（DigitalTwinInformationExchange）：实现数字孪生系统内外部信息共享和交互的机制与接口。数字孪生可视化（DigitalTwinVisualisation）：以图形化或多样化方式呈现数字孪生状态与运行信息的用户交互功能。可观测性（Observability）：物理制造元素的状态能够被数据采集设备有效感知并转换为数字信号的程度。互操作性（Interoperability）：数字孪生系统各组件之间以及不同数字孪生系统之间进行有效信息交换和协同工作的能力。3.3参考架构描述标准提出了一个包含四个核心组件的制造数字孪生参考架构。该架构从数据流的角度构建了制造数字孪生系统的完整功能框架，四个核心组件的基本分工为：可观测制造元素（OME）是物理域的感知源头，负责将物理实体的状态映射为可计算的数据；数字孪生实体是信息域的功能载体，负责承载数据处理、存储、分析等核心能力；数字孪生数据存储为系统提供统一的数据管理和持久化服务；数字孪生信息交换则负责打通系统内部及外部系统的数据通路，确保信息在物理域和信息域之间的高效流转。此外，标准还明确了用户界面在系统中的应用方式。通过可视化组件和应用程序接口（API），用户能够有效地与数字孪生系统进行交互，实现状态监控、仿真分析和决策支持等功能。该参考架构的设计充分体现了以下原则：-模块化：各组件之间通过明确定义的接口进行交互，支持灵活组合与独立演进；-可扩展性：架构支持从单设备级到工厂级的多层次部署，可在不同规模下进行弹性扩展；-中立性：不绑定特定厂商的技术方案，允许不同技术路线的实现共存与互操作；-数据驱动：强调数据作为数字孪生核心资产的地位，突出了数据治理和数据质量的重要性。3.4一般性原则标准确立了数字孪生系统设计、部署和运营的一般性原则，主要包括：-目的驱动原则：数字孪生的构建应以明确的业务目标和应用场景为出发点，避免"为孪生而孪生"的技术泡沫；-保真度匹配原则：数字孪生的精度和保真度应与应用需求相匹配，在成本与效能之间寻求平衡；-生命周期覆盖原则：数字孪生应覆盖物理实体从设计、制造到运维的全生命周期，实现端到端的数字化协同；-持续同步原则：数字孪生应保持与物理实体的持续同步状态，及时反映物理域的变化，确保数据的一致性和时效性；-安全与可信原则：数字孪生系统的建设应充分关注数据安全、网络安全和模型可信等要求，保障系统的可靠运行；-开放互操作原则：数字孪生系统的设计与实施应遵循开放标准和公开接口，支持跨系统、跨平台的互操作与集成。四、标准的技术特征与创新点4.1首次建立制造数字孪生国际统一术语体系ISO23247-1:2021是国际上首个由ISO正式发布的面向制造业的数字孪生框架标准，其最突出的贡献在于首次在国际标准层面统一了制造数字孪生的核心术语和概念体系。在标准发布之前，不同国家、不同行业甚至不同企业之间对"数字孪生"的理解差异显著，术语混乱成为跨组织协作和技术推广的重要障碍。该标准通过精确的定义和概念辨析，为全球制造业的数字化转型提供了统一的"语言基础"。4.2提出面向制造特征的可观测制造元素概念标准提出的"可观测制造元素"（OME）概念充分反映了制造业数字孪生的特殊性。与一般意义上的数字孪生不同，制造系统中的物理实体不仅包括产品本身，还涵盖设备、工装、物料、人员、环境等多种类型的制造资源。OME概念的引入使得标准能够覆盖制造系统全要素的数字化映射需求，为构建全域数字孪生提供了理论支撑。4.3构建组件化的参考架构标准所定义的参考架构采用了组件化的设计理念，将数字孪生系统划分为有限个核心功能组件，并明确了各组件之间的关联关系。这种架构设计既保持了足够的抽象层次以适用于不同类型的制造场景，又提供了具体的组件划分以指导工程实践，体现了标准化工作中"适度抽象"的方法论智慧。4.4与现有国际标准体系的有机衔接ISO23247-1:2021在制定过程中充分考虑了与现有国际标准体系的兼容性和衔接关系。在术语层面，它与ISO/IEC30173保持一致性；在体系架构层面，它与IEC62832(数字工厂)形成互补关系；在应用层面，它与ISO18435(诊断与维护应用集成)等标准实现有机衔接。这种系统化的标准布局有效避免了标准之间的冲突和重复，为构建统一协调的智能制造标准生态奠定了基础。五、标准的主要参与单位介绍5.1国际标准化组织ISO/TC184/SC4与SC5ISO23247-1:2021由ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）归口管理，具体由SC4（工业数据分技术委员会）和SC5（企业系统与自动化应用分技术委员会）联合制定。TC184是国际标准化组织中负责工业自动化领域标准制定的核心技术委员会，其工作范围涵盖工业自动化系统和集成的标准化，包括离散部件制造和连续过程控制的系统集成、工业数据、企业建模与集成等。SC4专注于工业数据的表示、交换与集成方面的标准制定，在STEP标准（ISO10303系列）和产品数据管理方面拥有深厚积累；SC5则聚焦于企业系统的体系结构、集成和企业建模，在企业参考架构和智能制造方面具有丰富经验。5.2各主要参与国及技术贡献德国（DIN）：凭借工业4.0战略的顶层设计优势和在全球智能制造领域的领先地位，在标准框架设计和参考架构建模方面发挥了引领作用。德国专家将RAMI4.0中的分层架构思想与数字孪生的功能需求相结合，为参考架构的设计提供了重要参考。中国（SAC）：作为全球制造业规模最大的国家，中国依托其在智能制造领域的丰富实践经验和众多示范应用案例，在标准的需求分析、应用场景定义和用例设计方面做出了突出贡献。中国专家积极推动将中国智能制造实践中的成功经验融入国际标准，提升了标准对发展中国家和新兴工业化国家的适用性。美国（ANSI）：作为数字孪生概念的诞生地，美国在数字孪生的理论研究和技术开发方面保持着领先地位。美国专家在术语定义、概念模型和数据互操作等基础性工作中发挥了关键作用。日本（JISC）：在制造执行系统和企业系统集成方面具有丰富的标准化经验，为标准的系统集成方案提供了有益参考。韩国（KATS）：在智能工厂和数据互操作领域具有较强的技术实力，为信息交换机制的制定做出了积极贡献。5.3中国参与情况及上海计算机软件技术开发中心的角色中国对该标准的制定高度关注。在全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）的组织协调下，中国标准化专家积极参与了标准的全流程研制工作，在标准草案讨论、意见反馈和投票表决等各个环节发挥了建设性作用。上海计算机软件技术开发中心作为国内在软件工程和工业软件领域具有重要影响力的研究机构，深度参与了ISO23247系列标准的跟踪研究和应用推广工作。该中心长期从事工业软件质量评测、数字化解决方