NIST 先进制造数字孪生项目：为制造业数字孪生制定标准与验证方法

制造业正在经历数字化转型。这一转型的核心是数字孪生：同步的虚拟模型，可帮助制造商表示、诊断、预测和优化其运营。数字孪生有助于提高产量、改善产品质量并降低制造成本。但正确构建数字孪生颇具挑战，对中小企业尤其如此。一大障碍是缺乏标准，包括词汇、设计、互操作性、可信度方面的通用规则，以及验证和确认数字孪生的方法与程序。

面向先进制造的Digital Twins项目制定技术指南并推动标准制定，帮助制造商识别数字孪生需求、有效管理和使用数据，并创建可用量化不确定性加以验证的模型。研究计划包含三个主要部分：(1) 研究并开发方法，帮助企业实施和测试数字孪生；(2) 推进数字孪生标准的制定与测试；(3) 利用NIST Digital Twin Testbed支持研究和参考实现。目标是让数字孪生更易于开发和验证、更加可靠、得到更广泛采用，从而帮助美国制造商保持竞争力。 

目标

提供测量科学和开放标准，帮助美国制造商利用可信数字孪生更好地定义、测量、分析和控制先进制造系统，并为数字孪生用户和技术提供商构建市场生态。

技术思路

该项目将通过开发使数字孪生可靠、可互操作且可信所需的测量科学和标准，推进数字孪生在制造业中的应用。项目将基于智能传感器、工业物联网（IIoT）、人工智能以及建模与仿真领域的最新进展，重点确保数字孪生能够准确表示并支持复杂制造系统。

项目成果将包括：

• 参考架构和标准，定义数字孪生应如何跨机器、流程和生命周期阶段集成数据，以及应如何对数据、模型和数字孪生结果执行验证、确认与不确定性量化（VVUQ）。
• 测试平台和参考实现，用于演示所开发/提出的标准，以评估数字孪生的准确性、可信度和互操作性，并向标准制定组织提供有价值的反馈，以提升标准质量。

这些成果将通过提供系统之系统框架，把多个子系统集成为一致的数字孪生，确保一致性和可信度，从而应对核心测量科学挑战。同时，项目将开发生命周期集成方法，利用数字线程将设计、生产和维护阶段的数字孪生连接起来，减少冗余数据交换并提高可追溯性。这些成果将共同为数字孪生用户和技术提供商能够放心交换解决方案的市场奠定基础。由此产生的标准和工具将提升先进制造系统的敏捷性和灵活性，并增强美国产业的竞争力。 

研究计划

本项目旨在持续引领并推动新的数字孪生相关标准的制定与测试，并利用数字孪生测试平台对这些标准进行验证和测试。

• 新工作项：指南标准《制造业数字孪生验证、确认与不确定性量化（VVUQ）框架》，ISO 23247《制造业数字孪生框架》第7部分——标准。
• 基于所提出的VVUQ框架的用户案例实施，将VVUQ流程集成到数字孪生工作流中，确保制造应用中的模型可信度、量化的不确定性和可追溯的结果——参考实现。
• ISO 23247第5部分——数字孪生数字线程的用户案例实施，演示如何实施支持制造业数字孪生的数字线程，特别关注跨多个系统的数据流、可追溯性和生命周期集成——参考实现。
• 在实验室中实施并测试了用于数字孪生的MTConnect接口开发。

要点

• ISO 23247（《制造业数字孪生框架》）于2021年发布。
• Shao, G. and Helu, M. 2020. Framework for a digital twin in manufacturing: Scope and requirements. Manufacturing Letters 24, 105-107. https://doi.org/10.1016/j.mfglet.2020.04.004
• Shao, G., Hightower, J. and Schindel, W. 2023. Credibility consideration for digital twins in manufacturing. Manufacturing Letters 35, 24-28.
•  Shao, G. 2021. Use case scenarios for digital twin implementation based on ISO 23247. NIST Advanced Manufacturing Series (NIST AMS) - 400-2
• Lin, SW., Watson, K., Shao, G., Stojanovic, L., and Zarkout, B. 2023. Digital Twin Core-Essential Models for Interoperability. An OMG IIC Technical Report