德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

工业4.0研究院一直跟踪德国工业4.0的进展,在2013年发布的《工业4.0未来项目实施建议》报告中,德国明确提出以信息物理系统(CPS,Cyber-Physical Systems)为工业4.0的基础技术,打造智能化和网络化的未来世界。
我们回顾一下信息物理系统产生的历史,2006年美国国家科学基金会(NSF,National Science Foundation)首次提出了信息物理系统的概念,希望在未来10-20年解决相关研究问题,这实际上是创建了一门新的学科。

事实上美国国家科学基金会做到了。

在2016年美国21世纪CPS教育委员会发布了《美国信息物理系统教育规划报告》,为10年时间的探索和研究画上了句号。回顾2012年德国国家科学与工程院发布了《德国信息物理系统综合研究报告》,期间到底发生了什么,很值得探究。

德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

伯克利Ptolemy项目概念图(Concept Map)

2013年工业4.0研究院成立之初,首要的任务就是学习德国工业4.0相关体系,其中的重点就是研究信息物理系统——毕竟这是德国工业4.0的技术基础。

为了深入理解信息物理系统的价值,工业4.0研究院主要通过伯克利的Ptolemy开源项目来进行学习研究,通过2年多的研发实践,终于建立了针对信息物理系统的知识与工程体系(相关报告全部可以在工业4.0创新平台上找到),可以进一步对工业4.0的具体工程应用进行深化。

不过我们很快发现了一个问题,那就是信息物理系统的工程应用太复杂了,通常的工程师难以在真正的智能制造场景中应用信息物理系统方法。我们开始观察德国工业4.0是如何解决这个问题的。工业4.0创新平台上案例库翻译了大量的德国案例,部分是德国的信息物理系统实践,其中一些案例确实取得了成果,但大部分制造业的场景并无信息物理系统的解决方案。

简单地讲,德国信息物理系统实践的案例,大都从嵌入式系统转化过来的,而且是一些较为复杂的工业场景才需要用信息物理系统这样高级的概念。这一点跟国内一些供应商大打信息物理系统的牌是同样的原因。

德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

美国商务部下属NIST提出的CPS工程架构

在2016年,工业4.0研究院迅速关闭了成立几年时间的CPS研究中心,但关于CPS的跟踪和研究仍然没有停止,按照美国信息技术与制造业融合新路径数字孪生体方向,工业4.0研究院开始深入研究数字孪生体(Digital Twin)和数字线程(Digital Thread),即数字工程(Digital Engineering)

在同一时间,工业4.0研究院发现美国国家科学基金会对信息物理系统的支助不断减少,在邀标的正式文件中,已经出现“可做的创新内容不多”等提法了。虽然美国商务部下属NIST在继续开展信息物理系统的工作,但也仅仅是为了固化其研究成果,争取在复杂系统领域抢夺全球的标准制定话语权。

德国通过3年左右的时间,似乎已经发现信息物理系统工程化应用的难处,在2015年工业4.0相关报告中,已经较少出现信息物理系统等提法,仅限于德国科学与工程院和弗劳恩霍夫等学术机构专家间或提及,而且提及的方式也还主要以描述性为主,缺少工程细节,更谈不上通用目的技术所要求的可复制性。

以德国工业4.0平台(Plattform Industrie 4.0)正式发布的报告来看,由于它主要跟几大协会共同发布一些报告,部分报告间或提及到信息物理系统,同时还有数字化系统等内容。早在2016年的时候,德国工业4.0平台就开始围绕管理壳(Administration Shell)为核心落实其工业4.0愿景了。

德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

德国工业4.0平台正式文件介绍数字孪生体

在相当长一段时间,德国不少专家在介绍管理壳的时候,仍然以信息物理系统来描述它,这种情况一直延续到2019年3月。

工业4.0研究院德国工作小组成员发现,一直以来德国工业4.0羞于谈及美国工业互联网联盟(IIC,Industrial Internet Consortium)大张旗鼓推进的数字孪生体,开始出现在德国工业4.0相关报告中。在2019年3月19日发布的《工业4.0管理壳详解》(注意2018年版本没有数字孪生体内容),德国工业4.0平台开始以管理壳是数字孪生体的实现来进行描述。

德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

欧盟地平线科研支持项目Twin-Control

由此可见,德国在意识到信息物理系统缺少美国科研界进行持续研究的情况下难以继续推进,一直经过了几年时间才开始意识到美国数字孪生体的价值。

工业4.0研究院德国工作小组透露,在2017年的时候,西门子美国公司就已经参与了美国工业互联网联盟和国防部不少数字孪生体项目,并把这些经验带回到德国。

在2017年的汉诺威工博会上,西门子就开始介绍数字孪生体的解决方案;到2018年的汉诺威工博会,西门子已经可以提出系列的数字孪生体解决方案;当然到2019年汉诺威工博会时期,西门子已经可以从设备、机床、数据采集、云平台(MindSphere)等多个层面提出全面的数字孪生体解决方案了。

另外一个情况值得关注,目前德国工业4.0平台已经跟美国工业互联网联盟建立了数字孪生体相关的对接专项小组,这也是不断推进德国工业4.0转型数字孪生体的一个动力。

当然,工业4.0研究院发起的开源工业互联网联盟(Openii Consortium)则完全以数字孪生体作为其基础技术来构建相关体系。

事实上,连德国的出版社也跟美国的出版社在数字孪生体出版物上开始较劲,德国Springer为了跟美国Elsevier竞争,纷纷抬高给撰写数字孪生体书籍的作者“高价”,企图在数字孪生体新的出版机会上占据领先地位。


参考阅读:
德国工业4.0工作组把数字孪生体作为主攻方向
德国专家呼吁打造“德国版数字孪生体”形象
《德国工业战略2030》中文翻译全文
《德国国家区块链战略》中文翻译全文
“先进制造业+现代服务业=数字孪生体”呼之欲出
数字孪生体为什么是数字经济发展的基础?
中国数字孪生体正在形成的三大流派
西门子将如何拥抱数字孪生体的力量?
数字孪生体联盟发布“数字孪生体2020+计划”


数字孪生体研究中心简介

为了突出数字孪生体在数字化转型承上启下的地位,2017年工业4.0研究院设立数字孪生体研究中心(DTRC,Digital Twin Research Center)


德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

数字孪生体研究中心公众号




原文始发于微信公众号(数字孪生体研究中心):德国为什么从信息物理系统转向数字孪生体?

 

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