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工业物联网(IIoT)系统能够将许多异构设备和其他资产连接到一个系统中，从而从数据中派生出更智能的操作。IIoT在工业生产系统中的应用称为Industry4.0。德国政府尤其认识到工业4.0的重要性(德国的“Industrie 4.0”，这两个术语经常交替使用)，并不断投资于学术研究和工业试验。
工业4.0系统的一个关键促成因素是数字孪生概念。数字孪生不仅便于获取、交换和更多地访问比以前更广泛的各种数据，而且还提供了以前未曾见过的→1的互操作性。
01年的今天，制造业的世界正在因IIoT的到来而发生根本性的变化。这一变化的一个关键组成部分是数字双胞胎。
数字双胞胎的定义正在演变[1]。因此，回顾这一课题的研究现状，探索德国“Plattform Industrie 4.0”的工作，并考察一些数字孪生是关键推动因素的用例，具有重要的指导意义。
数字孪生体的定义
正如→2左边所描述的，数字双胞胎*初被认为是一组高保真的数学模型，它尽可能地反映真实资产(如物理设备、设备和服务)的行为[2]。这种感觉演变为包括模拟的和可见的真实世界资产的动态三维模型(→2的中心)。
02数字孪生定义的演变(基于[1])。
目前，数字双胞胎被定义为“有助于优化业务性能的物理对象或流程的历史和当前行为的不断发展的数字概要。数字双胞胎是基于大规模的，累积的，实时的，真实的数据测量，跨越一系列的维度“[3]→3。此信息由元数据、属性和在资产的所有生命周期阶段生成的报表、文档或操作过程等文档完成。
03信息维度，可以包括在设备的数字双胞胎在其生命周期阶段(基于[4])。
当它与其他数字双胞胎或软件工具→4交互时，数字双胞胎的真正价值是未锁定的。制造商站点上的数字孪生体包含用于设计和制造产品类型的各种模型，而客户站点上的数字孪生体包含用于购买、安装、操作、维护和处理产品实例的各种模型。数字双胞胎之间的数据交换为双方提供了完整的图像。
04各种数字双胞胎之间的互动。
工业生命周期中的数字双胞胎4.0工厂
数字双胞胎是工业4.0优势的关键推动者，因为它将信息与工厂中的单个资产联系在一起。有了特定于上下文的信息，在正确的时间，在正确的地点，就有可能启用静态的、非个性化的文档和数据不可能的新用例。→5展示了abb对工业4.0工厂的设计、建设和运营的愿景，以及数字孪生在每个阶段中的作用[5]。
[05]工业4.0工厂中的数字双胞胎。
在步骤1中，必须开发所有规划结果的完整数字模型(在Industry3.0中并非如此)。规划工程师的隐性知识和假设被明确地建模并存储在工厂的数字孪生体中。所需的设备由人类从数字角色库中选择，并与工厂的数字双胞胎连接。这些角色是抽象的和硬件无关的；在以后的阶段中，真正的设备将完成某些指定的角色。
在第2步中，制造商的可用产品类型目录可以通过电子方式访问，并且可以通过标准接口进行访问。这些目录维护了产品类型的数字孪生，涵盖了这些类型的所有生命周期方面，并实现了访问信息的标准接口。
在步骤3中，实例化选定的产品类型以及与它们相关的信息(标识、参数等)。包含在产品实例的数字双胞胎中。产品实例的数字双胞胎包括在工厂的数字双胞胎中，并与产品类型的数字孪生连接。产品实例的数字双胞胎可以被使用-例如，基于工厂拓扑结构的模拟和测试。仿真结果再次保持在产品实例的数字双胞胎中。
在步骤4中，利用产品实例的数字孪生，对实际产品进行排序。在这里，与订单相关的数字双胞胎部分被传达给产品供应商.该产品，后来，集成到工厂，配置，测试和投入运行。在这一阶段，数字双胞胎丰富了安装和调试信息，设备的放置，序列号等。
在步骤5中，单个产品实例以及工厂的数字孪生体得到操作和维护信息的补充。例如，添加实时参数、运行状态和故障次数.在“PlattformIndustry4.0”中，数字双胞胎(称为“管理外壳”[6])将用于用例的信息组织成子模型，其中包含属性、文件、方法调用、外部链接或该用例的其他数据。
上面描述的每个步骤都丰富了现有的子模型，或者为该用例添加了新的子模型。
数字孪生作为工业4.0用例的推动者
数字双胞胎以更有效的方式使各种用例可行。在下面，将讨论一些示例用例。
用例：集成工程、集成操作和综合维护
在产品的生命周期中，各种信息源、模型和工具成为相关的→3。然而，目前，在生命周期内或跨生命周期阶段的信息流通常是中断的，例如，维护信息不能很容易地反馈到工程阶段，以便更好地调整设备的参数。这个信息线程的断裂导致信息的分散甚至丢失，以及访问正确信息的困难。
数字双胞胎是在生命周期的不同阶段集成来自不同来源的信息的容器。所包含的信息可能是来自不同工具的不同格式，而不一定部署在一个中央存储库中。数字孪生有助于减少访问和管理信息所需的工作量-例如，它可以避免手工维护工程文档以反映操作期间的现场更改。数字孪生系统中包含的信息可以用来学习资产的当前性能，并为未来的系统获得评级。
用例：预测产品设计、制造和分析
目前，在各组织之间以无缝方式交换信息是不可行的。例如，有关ABB在客户环境中销售的产品的行为的信息只有在客户发送由服务工程师创建的保修索赔或共享服务报告，或者客户显式地将反馈信息分享给供应商(例如通过销售人员)时，类型设计人员才能看到。然而，所有这些来源都是不完整和可能不准确的，这意味着产品类型设计者只有有限和不确定的信息可用于下一代产品的设计。
数字孪生体被视为促进跨组织交流信息的关键因素-例如，有关资产的选定操作和维护信息可在数字孪生体内管理，并以适当方式与外部各方交换。特别是提供的过程数据和模型，以及实时仿真结果，有助于预测下一代资产类型的需求和改进设计。预测分析帮助制造商自信地计算未来的挑战。在这个用例中，数字孪生方法允许基于真实数据不断改进资产类型设计。
用例：用于现场设备的即插即用。
今天，从现有的流程设计中获得正确的现场设备配置需要手工工作。有时不使用标准化的描述格式。在使用它们的地方，它们可能仍然不被公开共享，或者当共享过程和自动化设计中的底层标准时，它们在表达相同信息的方式上可能有所不同。信息流可以在数据被转发的所有点被切断。
此外，利用现场总线技术，设备的发现、寻址、识别和在线配置是一项非常手工和容易出错的任务。此外，测量点，现场设备，信号等。通常在不同的工具之间有不同的名称或标识符。因此，通常需要手动映射才能实现正确的关联。*重要的是，如果设备在设备运行期间需要更换，则需要重新进行这些调试步骤。
FDI(现场设备集成)和OPC UA(OPC统一架构)等技术已经缓解了许多设备调试问题。用于现场设备的数字双胞胎建立在这些技术的基础上，并为现场设备提供了即插即用的场景。通过纳入来自信通技术(信息和通信技术)和自动化领域的进一步标准-特别是纳入像Namur这样的客户利益集团的建议-数字双机以统一的方式合并了工程、调试、使用和更换现场设备所需的所有信息。数字双胞胎与其物理对口之间的链接使操作者能够将参数自动下载到现场设备并使其投入运行。虽然物理替换仍然需要训练有素的人员，数字孪生允许立即重新配置，而不需要一个设备或工艺专家。
*明显的是，数字双胞胎将现场设备的基本工程和调试时间从大约10分钟(如果没有问题)减少到了几秒钟。对于一个平均规模为1万I/O点的工厂，每周的工作量会减少到几分钟。
通过维护跨生命周期阶段的信息流，系统地重用来自原始过程设计的现有信息可能具有更大的价值。现场设备的配置成为过程工程师意图的直接结果；任何配置的原因都可以客观和自动地跟踪到客户的需求。这种情况提高了工程数据的质量，因为误差仅限于原始工艺设计。
ABB的数字双胞胎
由于数字双胞胎在工业4.0中的重要作用，ABB的研究项目正在对其各个方面进行研究。例如，BMBF(德国教育和研究部)共同创办的Basys 4.0[7]项目将15个工业和学术伙伴联合起来。该项目的主要目标是开发一个参考开放平台，其中数字孪生是实现工业制造和加工行业灵活性的关键因素。
随着IIoT的发展，数字双胞胎将成为工业自动化的基石。实现有效的数字双胞胎的能力将是书写自动化前景的数字未来的关键技能。
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