生肖表图

您的位置: 主页 > 生肖表图 >

数字孪生大战管理壳|美德两国斗法机器替身香

发布时间:2020-01-23

  ”。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”。

  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。

  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”的线的世界中,就变成了“万物有壳”。

  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。

  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。

  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?

  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。

  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。

  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。香港马会开奖历史

  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。

  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。

  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。

  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)

  © 世界经理人:自1999年创立以来,世界经理人网站(致力于引导职业经理人实现卓越管理,以专业的形象为经理人用户全方位提供最佳管理资讯服务和互动平台。