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数字孪生大战管理壳|美德两国斗法机器替身

 wujinlan吴金兰 2020-01-08

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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)

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