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数字孪生大战管理壳｜美德两国斗法机器替身

发布时间：2020-01-07

*文章出处：本文由知识自动化（zhishipai）授权转载

工业4.0已经无法等同于“第四次工业革命”。这一概念，正在远离工业跨代革命的历史荣耀感，而成为德国制造自身的一种新标签。德国工业4.0正有一种迫切的国际化需要，使得德国工业能够在未来的国际制造版图中，占有全新的制高点。为此，德国工业4.0平台一直寻求与各个国家的合作。在中国、日本、意大利、法国、甚至澳大利亚都能见到这种努力的身姿。而与美国工业互联网联盟IIC的合作，则是德国工业4.0平台的一个重点。这几年除了炫目的技术套装，德国工业4.0在应用基础上的研究，也是进展颇深，“资产管理壳AAS”就是德国独树一帜的一个理论突破。而随着美国最早提出来的“数字孪生”的走热，管理壳与数字孪生的关系，也成为一个全新的热点话题。

数字孪生，源自PLM，但显然并不是为PLM而来，它其实就是在等待物联网的时代。它简化了物联网连接对象的复杂性，使得人们可以在远离物理环境的地方，得到想看到的结果。然而，管理壳横空出世，独成一派体系。这未免使得数字孪生对物联网的简化，受到了某种程度的重创。管理壳，正处在与数字孪生两目相视的尴尬阶段，是友是敌是化身，还不太清楚。二者都涉及到许多标准，但却是不同领域的标准。它们的前生如此不同，今后会走在一起吗？ 这是一次美国设计与德国制造的对视，是IT与OT融合的前哨战，两种工业文化隐含其中。

数字孪生找到背面

数字孪生的诞生源于CAD模型，但两者却有着完全不同的应用场合。CAD的历史已有60年左右，数字孪生则是诞生在2003年。CAD模型是用来开发一个产品（系统），但从来不会去监控它；而数字孪生则明显有着更长的路和更大的使命。

Oracle将数字孪生定义为“物理资产的软件化表达”；而在西门子的语境下，已经将其从产品进一步拓展到了流程以及工艺。这都离不开Grieves博士在密歇根大学的PLM高管课程上，首次创建了这个名称所使用的定义，“用于描述实体产品的虚拟、数字的等价物”。然而在当时，所有的数据都是从设计工具而来，尽管数字孪生本意是被设计成一种交互的方式，然而具有讽刺意味的是，它一开始就是一个单向通道。就像一个只能正面示人的月球，它的背面就是无声无息的静寂——物理端很少能够反馈信息，或者代价极其昂贵：只有少数如NASA的火箭或者罗罗的发动机才有这样的资本。可见数字孪生诞生之初，就是一个奢侈品。

到了最近几年，由于物联网和数字技术的发展，才让“数字孪生”这一概念，走出奢华俱乐部，进入大众消费品的视野。物联网让机器的连接变得轻松，而软件则让机器变得更加聪明（因为数据变得更有意义），这也意味着“从物理端到设计端的映射”变得简单、便宜，这使得数字孪生一直渴望拥有可视的背面，能够成为现实。数字孪生的数字与物理的一体两面、双面平等交互的特性，才开始真正确立。正如Grieves在2014年提到，“虚拟产品的设计和维护，正在开始爆发”。

可以说，数字孪生用了至少十年，才真正找回它的另外一半。

数字孪生是一种模拟值，它并不是全部。这是一种将产品可视化、模拟仿真结果、最终能到达虚拟控制的一种手段。根据模拟的不同方面，单个物理设备可能会使用多个数字孪生。例如，可视化模型不需要具有用于构建模型的所有CAD信息。事实上，模型的轻量化版本可能更实用，更适合移动设备的运行需求，以满足视觉模拟与实际设备的同步性。有关模型方面的任何与视觉模拟无关的信息，都可以省略掉。然而，在另外场合，如需要使用不同的模型来模拟磨损对设备部件的影响时，可视信息并无益处，反而会减慢模拟速度。

这也意味着，数字孪生天生具备一种取舍的特性。它跟应用场景相关。从一台机器最开始的CAD数据中提取各种模型的方法，无疑是一条很便捷的路径。然而，使用完整的CAD数据进行模拟，将会降低运行速度。在那些注重机器交互的模拟场合中，过多的数据反倒成为一个不利的因素。

数字孪生可以让用户能够通过产品运行系统的实际数据，来解决“如果…就…”的一些逻辑推理问题。这比产品开发的传统仿真模型，又增加了一些灵动性。换言之，让一个模型变得“有点应激反应”，正是数字孪生所要达到的效果。对比一下，如果一个仿真模型是座沙雕，那么一个数字孪生就是可组合的乐高城堡；一个仿真模型穷其一生就像是一座面无表情、恒久不变（如果够恒久的话）的方尖碑，那么一个数字孪生则更像是一张不断花样翻新的网页，它每天都在身上涂抹并记载着自己成长的经历。

毫无疑问，正是由于物联网具备了“储存万物记忆”的能力，“数字孪生”这一诞生了十多年的概念，开始了自己的全新之旅，从设计和开发阶段的模型，被真正扩展到产品生命周期的部署和服务阶段。世间的因与果，有了更明确的纽带。可以说数字孪生，就是世界因果关系的一个替身。


图1：数字孪生的三个阶段

而在当下，数字孪生尚处在初期的阶段，主要提供了一种视觉和物理的模拟。但无论是视觉上的还是物理上的，数字孪生都是一种模型，都是物理设备的近似值。因此从本质而言，它不可能是完整的。

德国人的OT观：管理壳重装上阵

德国工业4.0选择了不同的路。如果说美国提出的数字孪生最早是从“模型”入手，那么德国提出的管理壳，则选择了从“资产”入手。这里的资产都是围绕着工业4.0组件的智能特性而来，所有有望被“连接”的，都可以看成是资产。因此，这里的“资产”不仅仅是指设备和物料，也包括CAD模型、电气图，甚至包括合同、订单。所以德国工业4.0平台的资产管理壳AAS（Asset Administration Shell），可以用来指代任何参与智能制造流程的事物。如果说物联网的口号是“万物互联”的话，那么在德国工业4.0的世界中，就变成了“万物有壳”。


图2：典型的管理壳

管理壳首先解决的就是各种千奇百怪的设备之间的通讯问题，这自然受到OPC UA以及时间敏感网络TSN众多推进者的热情欢迎。OPC基金会、德国电气电子协会ZVEI和机械工程学会VDMA早已成立了一个“I4AAS OPC UA”联合工作组，专门为AAS开发一个适用于OPC UA的信息模型。然而管理壳也没有遗忘那些没有通讯界面的“暗网部件”，如条形码等。至于物联网非常关心的网络节点的解析和描述，对管理壳而言，更是小菜一碟了。

简而言之，装有管理壳的工业4.0组件，可以轻松走完一个产品的全生命周期。这句话很熟悉吧！不错，数字孪生正是这么说的。不妨大胆地说，德国资产管理壳的野心，甚至超过最初的工业4.0。

图3：管理壳的一生（Source：FESTO在管理壳的进展）

然而，资产管理壳更现实的当下，可以首先看成是一种控制边缘设备的方法。这也是一项跨国和多组织的工作，目的是定义智能工厂的参考体系结构模型。工业4.0平台，正在推动工业互联网联盟，将资产管理壳视为数字孪生的同义词。

图4：德国人认为二者不妨等同（source：德国工业4.0平台组管理壳详解PPT）

实际上，德国人在管理壳是深注信心，下足功夫。工业4.0平台组的工作组1，一直是六个工作组中最为关键的一个技术工作组，它是用来解决工业4.0的顶层架构问题，也就是工业4.0宫殿“龙骨大梁”的问题。

一般人所熟悉的工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）正是工作组1的贡献。如果说RAMI是顶天之道，确立了德国军团的建制秩序，那么“管理壳”则是立地之术，提出了现场设备的军营番号法则。精细的德国人，将管理壳分成“元信息模型”和“子模型”，后者重点是用来面向具体的设备实践场景。在这里，你可以看到大量的机器描述语言，以及模型描述语言，还有通讯协议，都被整合进来。

德国工业4.0的参考架构模型RAMI，加上管理壳，一气呵成的顶天立地之作，构成了一件精美的艺术品，不是吗？

图5：顶天立地两头钻（管理壳的技术穿透力）

然而，这并不是艺术品。它具有艺术品般的精美，却并不是用来欣赏的，而是用来锻造成德国制造的一门新杀器。打开管理壳的外衣，你会发现大量的标准隐藏其中。

图6：重载上阵的管理壳规范（Source：FESTO的管理壳进展）

显然，德国人为管理壳准备了足够多的标准，这是一件重武器。一旦管理壳最终应用，这将是德国机器标准的天下。

IT对OT的误读

如果要想了解IT与OT的融合有多难，看看美国工业互联网联盟对德国工业4.0的误读，便可得知一二。

一家做实时仿真的物联网公司AICAS（美国工业互联网联盟IIC的成员之一）写了一篇报告“数字孪生化（twinning）的影子”，谈到了对数字孪生和管理壳的看法。比较形象的是，它采用了一个动词化“Twinning”的概念，表达了数字孪生的动态特性。在这篇报告中，对德国管理壳向工业互联网联盟靠拢，提出了不同的看法。

AICAS极富创意地将工业互联网家谱定义为四种要素：物联网环境、数字孪生、管理壳和设备协议。

图7：工业物联网家谱（Source：AICAS公司提供）

AICAS认为，管理壳提供了一种管理边缘设备运行代码的生命周期的方法。有了它，人们可以安装新软件和升级现有软件，以及控制在任何给定时间运行的软件。用户还可以监视系统的当前状态，为远程管理提供了一种方便的接入路径。

AICAS还提到了一个设备代理（或者叫“影子设备”）的概念，用于表示机器当前状态的虚拟。设备代理在设备外壳与其孪生设备之间架起桥梁。一个是未连接设备的替身，用来解决物理绝缘的问题；另一个是最新的设备状态保持器(有时称为设备影子)，用于覆盖连接的设备无法访问的时间：要么是因为它处于停机状态，或者是因为间歇性的连接。尽管二者都是数字模型，影子设备代表了物理产品的数据模型，而数字孪生则是代表了行为模型。在云中为现场的每台设备都设置一个代理(所谓的“影子”)是很有用的，不过在具体运行中，不一定需要对工厂中的每台设备都进行模拟或可视化。

AICAS公司的CEO认为，管理壳和数字孪生不完全是一回事，需要到物联网体系结构比较复杂的情况。它分为三部分：边缘运行的代码、云中的代码呈现边缘端当前的状态，以及云端对边缘端的可能状态进行建模分析。这些不同位置的代码，决定了需要采用仔细而明确的术语，才能构建更好的物联网系统。因此，二者还是谨慎地分开为好。

AICAS提供了一个非常好的角度来理解管理壳，它使得“软件定义产品”有着更广泛的应用。然而，看上去AICAS只是将管理壳看成是一个“命令行界面”，因为“Shell”这个术语，一开始的确是出现在IT语境中，用于控制操作系统的命令行解释器。这个老词，已经有40多年的历史。

AICAS代表了工业互联网联盟的一部分IT公司看法。它对数字孪生似乎只重视两个特性：可视化、模拟仿真，但却忽略了数字孪生的高级阶段：反向控制，从而形成完整的闭环。AICAS似乎要将这个关键环节，留给了管理壳。这对于设备软件的完全控制，对于闭合数据采集、数据学习和更新行为的循环至关重要。这就是设备外壳发挥作用的地方，也是工业最为谨慎的地方。如果说OT对IT前来融合报到，给与了最大警惕的话，那么这种担忧则正是来自对“实时控制”绝对安全的要求。数字孪生天生的不精确性，会加剧这种担忧。

AICAS对管理壳的误读，是IT人士对OT产生误解的一个最典型的案例。也对管理壳的博大精深缺乏了解。德国的确是借用了“壳”这个老词，但这只是一个隐喻。任何人都不应该忽略德国工业4.0平台的一片雄心：万物互联，万物有壳。

图8：管理壳意味着“万物有壳”

机器的数字替身怎么运行，这是物联网时代的一个关键命题。对比一下美国和德国的文化，数字孪生是从PLM视角出发，偏设计端；而管理壳则是从OT出发，重在设备与运行端；德国人将在工业4.0与美国工业互联网联盟IIC对接的时候，想把管理壳逐渐等同于数字孪生的同义词，做宽泛化处理。但美国IIC在最新的报告中，则倾向于细分概念，区分二者。美国人建议数字孪生只用于可视化和模拟，而将控制和状态更新交给了管理壳。在这一点上，美国跟德国，还是有一些分歧的。

小记：有待辨识的赛道

数据分析，让机器成为焦点。边缘计算的势力范围正在凝聚，而且成长明显，已经演变成一个机器近端的边缘生态。这里热闹得像一片深林里的动物演唱会，协议、通讯机制、安全、影子设备、分布式计算都在其中。而管理壳，则正是边缘生态的一个活跃分子。这里是德国工业4.0的天下。

然而，一声并不和谐的长鸣从远处飘来。数字孪生也接过工业4.0的旗号，硬挤进机器边缘的生态。管理壳提供了一个设备运行的视角，它需要考虑机器通讯的协议和整个设备的可互操作性。而数字孪生，则从最前端，提供了一个设计机器的视觉，它最擅长考虑的是不同设计软件的模型和数据。

这是两种不同的思维，但骨子里都是一种工业文化的延伸。二者的进一步融合，目前看已是趋势明显。颇为尴尬的是，中国工业互联网对这两者的研究，仍然还都是在基本概念中进行循环，缺少应用基础的研究。缺少了这种研究的实践，就只能跟随别人的步伐。按照数字孪生前行，都是国外设计工具CAD以及PLM的天下；而落实管理壳，则是德国各种标准包括机器本体、流体技术等已经准备好的套圈。看上去热火朝天的中国工业互联网，似乎并没有注意到这两种技术趋势的深耕，而仍然在为网络、平台、安全和节点而奔波。

这未免让人觉得，所谓工业互联网压根就不在一条路上。德美在工业赛道上幕前（应用）幕后（基础）齐交锋，而中国则更多地跑在互联网赛道上。

这恐怕也是当下中国发展工业互联网最需要警惕的地方：拐角处，我们遇见了新工业思维的身影；但一转身在跑道上，却跟丢了对象，兀自成欢。

（鸣谢：原上海二纺机副总工周锦碚，南山工业书院黄迪生老师给与的大力支持）