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工業(yè)4.0已經(jīng)無法等同于“第四次工業(yè)革命”。這一概念，正在遠(yuǎn)離工業(yè)跨代革命的歷史榮耀感，而成為德國制造自身的一種新標(biāo)簽。
德國工業(yè)4.0正有一種迫切的國際化需要，使得德國工業(yè)能夠在未來的國際制造版圖中，占有全新的制高點(diǎn)。為此，德國工業(yè)4.0平臺一直尋求與各個(gè)國家的合作。在中國、日本、意大利、法國、甚至澳大利亞都能見到這種努力的身姿。而與美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC的合作，則是德國工業(yè)4.0平臺的一個(gè)重點(diǎn)。這幾年除了炫目的技術(shù)套裝，德國工業(yè)4.0在應(yīng)用基礎(chǔ)上的研究，也是進(jìn)展頗深，“資產(chǎn)管理殼AAS”就是德國獨(dú)樹一幟的一個(gè)理論突破。而隨著美國最早提出來的“數(shù)字孿生”的走熱，管理殼與數(shù)字孿生的關(guān)系，也成為一個(gè)全新的熱點(diǎn)話題。
數(shù)字孿生，源自PLM，但顯然并不是為PLM而來，它其實(shí)就是在等待物聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代。它簡化了物聯(lián)網(wǎng)連接對象的復(fù)雜性，使得人們可以在遠(yuǎn)離物理環(huán)境的地方，得到想看到的結(jié)果。然而，管理殼橫空出世，獨(dú)成一派體系。這未免使得數(shù)字孿生對物聯(lián)網(wǎng)的簡化，受到了某種程度的重創(chuàng)。
管理殼，正處在與數(shù)字孿生兩目相視的尷尬階段，是友是敵是化身，還不太清楚。二者都涉及到許多標(biāo)準(zhǔn)，但卻是不同領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。它們的前生如此不同，今后會走在一起嗎？
這是一次美國設(shè)計(jì)與德國制造的對視，是IT與OT融合的前哨戰(zhàn)，兩種工業(yè)文化隱含其中。
數(shù)字孿生找到背面
數(shù)字孿生的誕生源于CAD模型，但兩者卻有著完全不同的應(yīng)用場合。CAD的歷史已有60年左右，數(shù)字孿生則是誕生在2003年。CAD模型是用來開發(fā)一個(gè)產(chǎn)品（系統(tǒng)），但從來不會去監(jiān)控它；而數(shù)字孿生則明顯有著更長的路和更大的使命。
Oracle將數(shù)字孿生定義為“物理資產(chǎn)的軟件化表達(dá)”；而在西門子的語境下，已經(jīng)將其從產(chǎn)品進(jìn)一步拓展到了流程以及工藝。這都離不開Grieves博士在密歇根大學(xué)的PLM高管課程上，首次創(chuàng)建了這個(gè)名稱所使用的定義，“用于描述實(shí)體產(chǎn)品的虛擬、數(shù)字的等價(jià)物”。然而在當(dāng)時(shí)，所有的數(shù)據(jù)都是從設(shè)計(jì)工具而來，盡管數(shù)字孿生本意是被設(shè)計(jì)成一種交互的方式，然而具有諷刺意味的是，它一開始就是一個(gè)單向通道。就像一個(gè)只能正面示人的月球，它的背面就是無聲無息的靜寂——物理端很少能夠反饋信息，或者代價(jià)極其昂貴：只有少數(shù)如NASA的火箭或者羅羅的發(fā)動(dòng)機(jī)才有這樣的資本。可見數(shù)字孿生誕生之初，就是一個(gè)奢侈品。
到了最近幾年，由于物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，才讓“數(shù)字孿生”這一概念，走出奢華俱樂部，進(jìn)入大眾消費(fèi)品的視野。物聯(lián)網(wǎng)讓機(jī)器的連接變得輕松，而軟件則讓機(jī)器變得更加聰明（因?yàn)閿?shù)據(jù)變得更有意義），這也意味著“從物理端到設(shè)計(jì)端的映射”變得簡單、便宜，這使得數(shù)字孿生一直渴望擁有可視的背面，能夠成為現(xiàn)實(shí)。數(shù)字孿生的數(shù)字與物理的一體兩面、雙面平等交互的特性，才開始真正確立。正如Grieves在2014年提到，“虛擬產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和維護(hù)，正在開始爆發(fā)”。
可以說，數(shù)字孿生用了至少十年，才真正找回它的另外一半。
數(shù)字孿生是一種模擬值，它并不是全部。這是一種將產(chǎn)品可視化、模擬仿真結(jié)果、最終能到達(dá)虛擬控制的一種手段。根據(jù)模擬的不同方面，單個(gè)物理設(shè)備可能會使用多個(gè)數(shù)字孿生。例如，可視化模型不需要具有用于構(gòu)建模型的所有CAD信息。事實(shí)上，模型的輕量化版本可能更實(shí)用，更適合移動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行需求，以滿足視覺模擬與實(shí)際設(shè)備的同步性。有關(guān)模型方面的任何與視覺模擬無關(guān)的信息，都可以省略掉。然而，在另外場合，如需要使用不同的模型來模擬磨損對設(shè)備部件的影響時(shí)，可視信息并無益處，反而會減慢模擬速度。
這也意味著，數(shù)字孿生天生具備一種取舍的特性。它跟應(yīng)用場景相關(guān)。從一臺機(jī)器最開始的CAD數(shù)據(jù)中提取各種模型的方法，無疑是一條很便捷的路徑。然而，使用完整的CAD數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，將會降低運(yùn)行速度。在那些注重機(jī)器交互的模擬場合中，過多的數(shù)據(jù)反倒成為一個(gè)不利的因素。
數(shù)字孿生可以讓用戶能夠通過產(chǎn)品運(yùn)行系統(tǒng)的實(shí)際數(shù)據(jù)，來解決“如果…就…”的一些邏輯推理問題。這比產(chǎn)品開發(fā)的傳統(tǒng)仿真模型，又增加了一些靈動(dòng)性。換言之，讓一個(gè)模型變得“有點(diǎn)應(yīng)激反應(yīng)”，正是數(shù)字孿生所要達(dá)到的效果。對比一下，如果一個(gè)仿真模型是座沙雕，那么一個(gè)數(shù)字孿生就是可組合的樂高城堡；一個(gè)仿真模型窮其一生就像是一座面無表情、恒久不變（如果夠恒久的話）的方尖碑，那么一個(gè)數(shù)字孿生則更像是一張不斷花樣翻新的網(wǎng)頁，它每天都在身上涂抹并記載著自己成長的經(jīng)歷。
毫無疑問，正是由于物聯(lián)網(wǎng)具備了“儲存萬物記憶”的能力，“數(shù)字孿生”這一誕生了十多年的概念，開始了自己的全新之旅，從設(shè)計(jì)和開發(fā)階段的模型，被真正擴(kuò)展到產(chǎn)品生命周期的部署和服務(wù)階段。世間的因與果，有了更明確的紐帶。可以說數(shù)字孿生，就是世界因果關(guān)系的一個(gè)替身。
圖1：數(shù)字孿生的三個(gè)階段
而在當(dāng)下，數(shù)字孿生尚處在初期的階段，主要提供了一種視覺和物理的模擬。但無論是視覺上的還是物理上的，數(shù)字孿生都是一種模型，都是物理設(shè)備的近似值。因此從本質(zhì)而言，它不可能是完整的。
德國人的OT觀：管理殼重裝上陣
德國工業(yè)4.0選擇了不同的路。如果說美國提出的數(shù)字孿生最早是從“模型”入手，那么德國提出的管理殼，則選擇了從“資產(chǎn)”入手。這里的資產(chǎn)都是圍繞著工業(yè)4.0組件的智能特性而來，所有有望被“連接”的，都可以看成是資產(chǎn)。因此，這里的“資產(chǎn)”不僅僅是指設(shè)備和物料，也包括CAD模型、電氣圖，甚至包括合同、訂單。所以德國工業(yè)4.0平臺的資產(chǎn)管理殼AAS（Asset Administration Shell），可以用來指代任何參與智能制造流程的事物。如果說物聯(lián)網(wǎng)的口號是“萬物互聯(lián)”的話，那么在德國工業(yè)4.0的世界中，就變成了“萬物有殼”。
圖2：典型的管理殼
管理殼首先解決的就是各種千奇百怪的設(shè)備之間的通訊問題，這自然受到OPC UA以及時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)TSN眾多推進(jìn)者的熱情歡迎。OPC基金會、德國電氣電子協(xié)會ZVEI和機(jī)械工程學(xué)會VDMA早已成立了一個(gè)“I4AAS OPC UA”聯(lián)合工作組，專門為AAS開發(fā)一個(gè)適用于OPC UA的信息模型。然而管理殼也沒有遺忘那些沒有通訊界面的“暗網(wǎng)部件”，如條形碼等。至于物聯(lián)網(wǎng)非常關(guān)心的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的解析和描述，對管理殼而言，更是小菜一碟了。
簡而言之，裝有管理殼的工業(yè)4.0組件，可以輕松走完一個(gè)產(chǎn)品的全生命周期。這句話很熟悉吧！不錯(cuò)，數(shù)字孿生正是這么說的。不妨大膽地說，德國資產(chǎn)管理殼的野心，甚至超過最初的工業(yè)4.0。
圖3：管理殼的一生 （Source：FESTO在管理殼的進(jìn)展）
然而，資產(chǎn)管理殼更現(xiàn)實(shí)的當(dāng)下，可以首先看成是一種控制邊緣設(shè)備的方法。這也是一項(xiàng)跨國和多組織的工作，目的是定義智能工廠的參考體系結(jié)構(gòu)模型。工業(yè)4.0平臺，正在推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟，將資產(chǎn)管理殼視為數(shù)字孿生的同義詞。
圖4：德國人認(rèn)為二者不妨等同 （source：德國工業(yè)4.0平臺組管理殼詳解PPT）
實(shí)際上，德國人在管理殼是深注信心，下足功夫。工業(yè)4.0平臺組的工作組1，一直是六個(gè)工作組中最為關(guān)鍵的一個(gè)技術(shù)工作組，它是用來解決工業(yè)4.0的頂層架構(gòu)問題，也就是工業(yè)4.0宮殿“龍骨大梁”的問題。
一般人所熟悉的工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0）正是工作組1的貢獻(xiàn)。如果說RAMI是頂天之道，確立了德國軍團(tuán)的建制秩序，那么“管理殼”則是立地之術(shù)，提出了現(xiàn)場設(shè)備的軍營番號法則。精細(xì)的德國人，將管理殼分成“元信息模型”和“子模型”，后者重點(diǎn)是用來面向具體的設(shè)備實(shí)踐場景。在這里，你可以看到大量的機(jī)器描述語言，以及模型描述語言，還有通訊協(xié)議，都被整合進(jìn)來。
德國工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型RAMI，加上管理殼，一氣呵成的頂天立地之作，構(gòu)成了一件精美的藝術(shù)品，不是嗎？
圖5：頂天立地兩頭鉆（管理殼的技術(shù)穿透力)
然而，這并不是藝術(shù)品。它具有藝術(shù)品般的精美，卻并不是用來欣賞的，而是用來鍛造成德國制造的一門新殺器。打開管理殼的外衣，你會發(fā)現(xiàn)大量的標(biāo)準(zhǔn)隱藏其中。
圖6：重載上陣的管理殼規(guī)范 （Source：FESTO的管理殼進(jìn)展）
顯然，德國人為管理殼準(zhǔn)備了足夠多的標(biāo)準(zhǔn)，這是一件重武器。一旦管理殼最終應(yīng)用，這將是德國機(jī)器標(biāo)準(zhǔn)的天下。
IT對OT的誤讀
如果要想了解IT與OT的融合有多難，看看美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟對德國工業(yè)4.0的誤讀，便可得知一二。
一家做實(shí)時(shí)仿真的物聯(lián)網(wǎng)公司AICAS（美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC的成員之一）寫了一篇報(bào)告“數(shù)字孿生化（twinning）的影子”，談到了對數(shù)字孿生和管理殼的看法。比較形象的是，它采用了一個(gè)動(dòng)詞化“Twinning”的概念，表達(dá)了數(shù)字孿生的動(dòng)態(tài)特性。在這篇報(bào)告中，對德國管理殼向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟靠攏，提出了不同的看法。
AICAS極富創(chuàng)意地將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)家譜定義為四種要素：物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、數(shù)字孿生、管理殼和設(shè)備協(xié)議。
圖7：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)家譜 （Source：AICAS公司提供）
AICAS認(rèn)為，管理殼提供了一種管理邊緣設(shè)備運(yùn)行代碼的生命周期的方法。有了它，人們可以安裝新軟件和升級現(xiàn)有軟件，以及控制在任何給定時(shí)間運(yùn)行的軟件。用戶還可以監(jiān)視系統(tǒng)的當(dāng)前狀態(tài)，為遠(yuǎn)程管理提供了一種方便的接入路徑。
AICAS還提到了一個(gè)設(shè)備代理（或者叫“影子設(shè)備”）的概念，用于表示機(jī)器當(dāng)前狀態(tài)的虛擬。設(shè)備代理在設(shè)備外殼與其孿生設(shè)備之間架起橋梁。一個(gè)是未連接設(shè)備的替身，用來解決物理絕緣的問題；另一個(gè)是最新的設(shè)備狀態(tài)保持器(有時(shí)稱為設(shè)備影子)，用于覆蓋連接的設(shè)備無法訪問的時(shí)間：要么是因?yàn)樗幱谕C(jī)狀態(tài)，或者是因?yàn)殚g歇性的連接。盡管二者都是數(shù)字模型，影子設(shè)備代表了物理產(chǎn)品的數(shù)據(jù)模型，而數(shù)字孿生則是代表了行為模型。在云中為現(xiàn)場的每臺設(shè)備都設(shè)置一個(gè)代理(所謂的“影子”)是很有用的，不過在具體運(yùn)行中，不一定需要對工廠中的每臺設(shè)備都進(jìn)行模擬或可視化。
AICAS公司的CEO認(rèn)為，管理殼和數(shù)字孿生不完全是一回事，需要到物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的情況。它分為三部分：邊緣運(yùn)行的代碼、云中的代碼呈現(xiàn)邊緣端當(dāng)前的狀態(tài)，以及云端對邊緣端的可能狀態(tài)進(jìn)行建模分析。這些不同位置的代碼，決定了需要采用仔細(xì)而明確的術(shù)語，才能構(gòu)建更好的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。因此，二者還是謹(jǐn)慎地分開為好。
AICAS提供了一個(gè)非常好的角度來理解管理殼，它使得“軟件定義產(chǎn)品”有著更廣泛的應(yīng)用。然而，看上去AICAS只是將管理殼看成是一個(gè)“命令行界面”，因?yàn)椤癝hell”這個(gè)術(shù)語，一開始的確是出現(xiàn)在IT語境中，用于控制操作系統(tǒng)的命令行解釋器。這個(gè)老詞，已經(jīng)有40多年的歷史。
AICAS代表了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟的一部分IT公司看法。它對數(shù)字孿生似乎只重視兩個(gè)特性：可視化、模擬仿真，但卻忽略了數(shù)字孿生的高級階段：反向控制，從而形成完整的閉環(huán)。AICAS似乎要將這個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，留給了管理殼。這對于設(shè)備軟件的完全控制，對于閉合數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)和更新行為的循環(huán)至關(guān)重要。這就是設(shè)備外殼發(fā)揮作用的地方，也是工業(yè)最為謹(jǐn)慎的地方。如果說OT對IT前來融合報(bào)到，給與了最大警惕的話，那么這種擔(dān)憂則正是來自對“實(shí)時(shí)控制”絕對安全的要求。數(shù)字孿生天生的不精確性，會加劇這種擔(dān)憂。
AICAS對管理殼的誤讀，是IT人士對OT產(chǎn)生誤解的一個(gè)最典型的案例。也對管理殼的博大精深缺乏了解。德國的確是借用了“殼”這個(gè)老詞，但這只是一個(gè)隱喻。任何人都不應(yīng)該忽略德國工業(yè)4.0平臺的一片雄心：萬物互聯(lián)，萬物有殼。
圖8：管理殼意味著“萬物有殼”
機(jī)器的數(shù)字替身怎么運(yùn)行，這是物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的一個(gè)關(guān)鍵命題。對比一下美國和德國的文化，數(shù)字孿生是從PLM視角出發(fā)，偏設(shè)計(jì)端；而管理殼則是從OT出發(fā)，重在設(shè)備與運(yùn)行端；德國人將在工業(yè)4.0與美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC對接的時(shí)候，想把管理殼逐漸等同于數(shù)字孿生的同義詞，做寬泛化處理。但美國IIC在最新的報(bào)告中，則傾向于細(xì)分概念，區(qū)分二者。美國人建議數(shù)字孿生只用于可視化和模擬，而將控制和狀態(tài)更新交給了管理殼。在這一點(diǎn)上，美國跟德國，還是有一些分歧的。
小記：有待辨識的賽道
數(shù)據(jù)分析，讓機(jī)器成為焦點(diǎn)。邊緣計(jì)算的勢力范圍正在凝聚，而且成長明顯，已經(jīng)演變成一個(gè)機(jī)器近端的邊緣生態(tài)。這里熱鬧得像一片深林里的動(dòng)物演唱會，協(xié)議、通訊機(jī)制、安全、影子設(shè)備、分布式計(jì)算都在其中。而管理殼，則正是邊緣生態(tài)的一個(gè)活躍分子。這里是德國工業(yè)4.0的天下。
然而，一聲并不和諧的長鳴從遠(yuǎn)處飄來。數(shù)字孿生也接過工業(yè)4.0的旗號，硬擠進(jìn)機(jī)器邊緣的生態(tài)。管理殼提供了一個(gè)設(shè)備運(yùn)行的視角，它需要考慮機(jī)器通訊的協(xié)議和整個(gè)設(shè)備的可互操作性。而數(shù)字孿生，則從最前端，提供了一個(gè)設(shè)計(jì)機(jī)器的視覺，它最擅長考慮的是不同設(shè)計(jì)軟件的模型和數(shù)據(jù)。
這是兩種不同的思維，但骨子里都是一種工業(yè)文化的延伸。二者的進(jìn)一步融合，目前看已是趨勢明顯。頗為尷尬的是，中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)對這兩者的研究，仍然還都是在基本概念中進(jìn)行循環(huán)，缺少應(yīng)用基礎(chǔ)的研究。缺少了這種研究的實(shí)踐，就只能跟隨別人的步伐。按照數(shù)字孿生前行，都是國外設(shè)計(jì)工具CAD以及PLM的天下；而落實(shí)管理殼，則是德國各種標(biāo)準(zhǔn)包括機(jī)器本體、流體技術(shù)等已經(jīng)準(zhǔn)備好的套圈。看上去熱火朝天的中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，似乎并沒有注意到這兩種技術(shù)趨勢的深耕，而仍然在為網(wǎng)絡(luò)、平臺、安全和節(jié)點(diǎn)而奔波。
這未免讓人覺得，所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)壓根就不在一條路上。德美在工業(yè)賽道上幕前（應(yīng)用）幕后（基礎(chǔ)）齊交鋒，而中國則更多地跑在互聯(lián)網(wǎng)賽道上。
這恐怕也是當(dāng)下中國發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)最需要警惕的地方：拐角處，我們遇見了新工業(yè)思維的身影；但一轉(zhuǎn)身在跑道上，卻跟丟了對象，兀自成歡。