NIST数字孪生实验室报告：制造单元、数据与标准（PDF文字阅读版）
Digital Twin Lab: Supporting Research and Development for Standards and Implementations
NIST 系统集成部建立了数字孪生实验室（DTL），用于推动美国制造业采用数字孪生。报告介绍了该实验室的愿景与目标、实验室装置与已实施的案例研究，并列出实验室采用的相关标准及其在制造业数字孪生中的语境。报告还探讨了 DTL 可支撑的研究方向与未来工作。
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NIST 先进制造系列
NIST AMS 100-68
数字孪生实验室：为标准制定与实施提供研发支持
Rishabh Venketesh
Deogratias Kibira
Guodong Shao
Matthew J. Triebe
本出版物可从以下网址免费获取：
https://doi.org/10.6028/NIST.AMS.100-68
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NIST 先进制造系列
NIST AMS 100-68
数字孪生实验室：为标准制定与实施提供研发支持
Rishabh Venketesh
Deogratias Kibira
Guodong Shao
Matthew J. Triebe
系统集成部
工程实验室
美国商务部
美国国家标准与技术研究院
本出版物可从以下网址免费获取：
https://doi.org/10.6028/NIST.AMS.100-68
2025 年 8 月
美国商务部
Howard Lutnick，部长
美国国家标准与技术研究院
Craig Burkhardt，代理标准与技术商务部副部长兼代理 NIST 院长
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2025 年 8 月
本文中指明某些设备、仪器、软件或材料（商业或非商业），是为了充分说明实验程序。此类指明
并不意味着 NIST 推荐或认可任何产品或服务，也不意味着所确定的材料或
设备必然是用于该目的的最佳选择。
NIST 技术系列政策
版权、使用和许可声明
NIST 技术系列出版物标识符语法
出版历史
经 NIST 编辑审查委员会于 2025-04-09 批准
如何引用本 NIST 技术系列出版物
Venketesh, R., Kibira, D., Shao, G. and Triebe, M.J., (2025) Digital Twin Lab: Supporting Research and Development
for Standards and Implementations. (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD), NIST
Advanced Manufacturing Series (AMS) NIST AMS 100-68. https://doi.org/10.6028/NIST.AMS.100-68
作者 ORCID iD
Rishabh Venketesh: 0009-0000-7521-0895
Deogratias Kibira: 0009-0002-7796-2518
Guodong Shao: 0000-0001-8856-3622
Matthew J. Triebe: 0000-0002-5964-1078
联系信息
rishabh.venketesh@nist.gov
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摘要
制造业数字化是一个已存在一段时间的概念，如今由于IIoT（工业物联网）使能技术和数据标准化的进步而得以实现。数字孪生处于这一趋势的前沿，正被全球众多制造商所实施。为进一步鼓励美国（U.S.）制造企业采用数字孪生，美国国家标准与技术研究院（NIST）的系统集成部（SID）建立了数字孪生实验室（DTL）。在本报告中，我们概述了DTL的愿景与目标，并提供了制造业背景下数字孪生的基础信息。我们详细描述了DTL的搭建情况以及在实验室中实施的案例研究。此外，还列出了DTL中实施的相关标准，并简要总结了这些标准在制造业数字孪生中的语境。最后，我们探讨了DTL可支持的可能研究领域，并确定了实现研究目标的未来工作。
关键词
数据流水线；数字孪生；数字孪生标准；制造单元；MTConnect；中小企业；智能制造
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目录
1. 引言 ...................................................................................................................................1
1.2.1. 测试与制定相关标准 ................................................................................ 2
1.2.2. 数字孪生系统与组件的原型开发 ...................................................................... 2
1.2.3. 测试使能技术 ..................................................................................................... 3
1.2.4. 提供数字孪生演示并促成合作 ..................................... 3
1.2.5. 开发数字孪生原型工具 ............................................................................... 4
2. 数字孪生实验室运行环境与设备 .................................................................4
2.1.1. 制造工作单元布局与物料流 ..................................................................... 4
2.1.2. 通信网络 ............................................................................................................. 5
2.2.1. PocketNC ...................................................................................................................................... 6
2.2.2. 自动化工装夹具解决方案 ...................................................................................................... 7
3. 数字孪生实验室数据基础设施 ................................................................................................9
3.1.1. 设备数据采集 ................................................................................................ 10
3.1.2. 数据聚合 ........................................................................................................................ 10
3.2.1. 数据流传输要求 ................................................................................................... 11
3.2.2. 技术实现 .......................................................................................................... 11
3.3.1. 数据存储要求 ....................................................................................................... 11
3.3.2. 技术实现 .......................................................................................................... 12
4. 相关标准与实施 ...................................................................................... 12
5. 研究与开发工作 ............................................................................................... 13
5.2.1. 协作机器人数字孪生 ................................................................................................ 14
5.2.2. 数控机床数字孪生 .................................................................................................. 15
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6. 结论与未来工作 ......................................................................................................... 16
参考文献 ....................................................................................................................................... 17
附录A. MTConnect设备配置文件 ............................................................................. 19
附录B. MTConnect代理配置文件 ............................................................................. 29
图目录
图1. DTL制造工作单元的材料流 ...................................................................5
图2. DTL制造工作单元的材料流 ...................................................................6
图3. Pocket NC的轴 ..............................................................................................................7
图4. Pocket NC机床零点定位夹具解决方案的扩展CAD模型 .....................8
图5. 数据流水线示意图 ..............................................................................................................9
图6. 将在CNC上切割、由机器人搬运并由CMM检测的零件设计 .............. 13
图7. 用于模型验证和改进的机器人数字孪生构建中 ...................................... 14
图8. CNC机床的Altair仿真 .................................................................................... 15
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致谢
我们衷心感谢Yehoshua Halle、Eric Charlery、William Stiller、Aubrey Simonson和
Laetitia Monnier为实验室开发数字孪生和数字线程所做的工作，
感谢Michael Chen搭建数据基础设施的工作，以及Simon Frechette和Josh
Lubell对实验室危害审查的支持。
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1. 引言
在美国，大多数（即使不是全部）大型制造企业都已将数字
制造列为优先事项，并开始在其工厂和供应链中实施数字孪生。尽管数字孪生的相关技术起源于20世纪60年代
推动太空探索的进程，但“数字孪生”这一术语直到2002年才由产品生命周期管理领域专家
Michael Greaves提出[1]。在本报告中，我们聚焦于面向制造的数字孪生。数字孪生在现代制造业中的作用已得到广泛认可，以至于最新的《美国先进制造业国家战略》呼吁各方努力
“在整个制造业领域推动先进传感控制技术和机器学习
的应用。通过推进数字孪生来发展智能制造。制定数据兼容性标准，以实现智能制造的
无缝集成。”[2]。
为此，美国国家标准与技术研究院（NIST）成立了数字
孪生实验室（DTL），以推进相关标准的制定与采用，支持
数字孪生技术在制造业中的应用。
推进制造业数字孪生技术的一个障碍在于，需要为该概念及相关术语确立普遍
接受的定义。数字孪生的准确性、同步性、与真实系统的双向通信等方面及其
意义都是存在争议的话题，这使得定义数字孪生并非易事。本
报告采用ISO 23247（制造业数字孪生框架）标准中定义的术语和结构，为制造业数字孪生提供参考框架。该框架包含以下制造业数字
孪生及相关术语的定义[3]。
• 制造业数字孪生——“对可观测制造要素的、满足用途需求的数字表示，
且该要素与其数字表示之间保持同步”
• 可观测制造要素——“在制造中具有可观测物理存在或运行的
项目”
• 数字表示——“表示可观测制造要素的一组属性的
数据元素”
本报告讨论了DTL的愿景与目标（第1节），描述了DTL工作单元的硬件
及相关设置，并介绍了DTL中实施的数据流水线
（分别为第2节和第3节）。此外，还描述了利用DTL开展的
持续标准工作和研究工作（第4节和第5节）。
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实验室愿景
DTL的愿景是通过推进制造业数字孪生领域的测量科学、标准和技术来促进创新。DTL利用关键技术来测试和推广相关标准的使用，以帮助美国制造商在其运营中成功实施数字孪生。
实验室目的与目标
DTL的目的是作为一个测试平台，支持与制造业数字孪生相关的研究领域。DTL支持五个主要目标。
• 测试和开发相关标准
• 对数字孪生系统和组件进行原型设计
• 测试使能技术
• 提供演示并促成数字孪生方面的合作
• 开发数字孪生原型工具
本节讨论这些目标以及DTL如何支持每个目标。
1.2.1. 测试和开发相关标准
为促进数字孪生技术的采用，识别和开发相关标准是必要的。标准可实现使能技术（例如IIoT、智能传感器、通信协议、建模工具和可视化应用）与当今市场中各种制造工具之间的互操作性。此外，通过提供通用语言，标准支持行业合作伙伴就制造业数字孪生进行沟通并分享其观点。DTL提供了一个平台来实施ISO 23247和MTConnect等标准[4] [5] [6] [7] [8]。通过实施，合作者可以展示利用现有标准的优势，识别上述标准中需要改进的领域，并向相关标准组织提供反馈。
利用DTL测试标准的一个例子是在实验室中实施ISO 23247。该标准概述了制造业数字孪生框架的要求。第5.2节提供了如何实施和测试该框架的具体示例。另一个例子是在DTL数据管道中使用MTConnect标准（见第3节）。通过与MTConnect Institute合作，实验室支持测试和开发其MTConnect标准的最新修订版。有关相关标准的更多信息可在第4节中找到。
1.2.2. 对数字孪生系统和组件进行原型设计
数字孪生的核心是由多个组件组成的复杂系统，例如数据
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采集、数据建模和用户界面。DTL 的硬件和软件基础设施
有助于对单个数字孪生组件进行原型设计，并将它们集成
以形成完整的数字孪生。通过
在 DTL 中进行原型设计可以开发的关键数字孪生组件包括 (a) 数据采集与通信和 (b)
数据管理组件。对于前者，DTL 支持实施多种
工业通信协议，例如 Modbus TCP/IP，并结合制造数据的语义
标准，例如 MTConnect。对于后者，DTL 支持
实施数据管理解决方案，例如 MongoDB（一种 No-SQL 数据库
产品），以存储和查询历史数据集。对数字孪生系统和
组件进行原型设计，可以测试标准，并探索数字孪生
组件可复用于不同用例的场景。
1.2.3. 测试使能技术
制造业中数字孪生兴起的一个驱动力是使能
技术的进步。这些技术包括但不限于传感器、自动化
技术、建模与可视化工具、扩展现实（XR）[5]、仿真工具，以及
最新的数据管理解决方案。由于数字孪生在这些
技术的交叉点上运行，因此测试和验证这些技术对成功至关重要。测试不仅
能为希望将车间数字化的利益相关者注入信心，还能帮助他们
应用相关标准（见第 4 节）、开发框架并实施用例
场景。由于其可重构性和灵活性，DTL 提供了部署
各种使能技术的机会。利用使能技术增强
工作单元的一个示例是正在 Pocket NC 上实施的自动化物料装夹解决方案，
如第 2.2.2 节所述，以支持制造单元自动化工作流程的研究。
1.2.4. 提供数字孪生演示并促进合作
作为一个受管理的数据源和一个支持不同工作单元配置的测试平台，
DTL 为内部和外部合作提供了机会。这些机会
包括 (a) 与机床供应商合作，实施数字孪生
标准所支持的能力和开发（例如在
Mitutoyo 三坐标测量机上实施 MTConnect 第 5 部分 - 接口），(b) 优化制造流程以减少
浪费并最大化生产率（例如探索数字孪生与 LEAN
制造原则的交叉点），以及 (c) 与标准开发组织（SDO）
（如 MTConnect Institute）合作测试标准的修订。除了合作和
研究之外，DTL 还展示了如何开发和部署用于制造应用的数字孪生。
此外，数字孪生用例使内部研究人员和
外部利益相关者能够了解数字孪生技术与适当的数据可视化工具
结合时的能力。
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1.2.5. 开发数字孪生原型工具
实验室中可用的软件工具集在能力上各有不同，例如采集和转换来自设备的原始数据、汇总来自多台设备以及产品生命周期某些阶段（设计、制造和检测）的数据、在多种数据标准之间进行转换，以及与客户端应用（例如仿真建模工具、数据库解决方案、增强现实、虚拟现实等）进行接口对接 [4] [5]。虽然其中一些工具是公开可用的，但许多工具是作为 DTL 研究的一部分在内部开发的。利益相关者可以使用我们的工具库来复现 DTL 中的设置，或将其适配到类似的用例。
2. 数字孪生实验室运行环境与设备
DTL 包含设备和硬件，包括协作机器人、一台机床、检测设备和计算硬件。所有设备都集中连接，以支撑第 3 节所述的数据基础设施。本节 (a) 描述 DTL 的硬件和软件设置，以及当前实验室配置如何支持数据从机器流向客户端应用（即数据管道），(b) 说明每件硬件的功能及各自的设置。
制造工作单元与通信网络
单元制造是一种“使用单元生产相似产品的精益方法”，用于优化运营并更高效地利用资源 [9]。单元制造的一些优势包括减少在制品（WIP）、优化空间利用、缩短交付周期、提高生产率和增强灵活性 [10]。为保持竞争力，美国制造企业常采用这种制造方式。然而，平衡成本、效率和灵活性等挑战仍然存在。DTL 旨在通过一个小规模制造工作单元来支持单元制造研究，该工作单元支持全自动化的数字孪生，适用于各种用例。
2.1.1. 制造工作单元布局与物料流
单元制造是一种“使用单元生产相似产品的精益方法”，用于优化运营并更高效地利用资源 [9]。单元制造的一些优势包括减少在制品（WIP）、优化空间利用、缩短交付周期、提高生产率和增强灵活性 [10]。为保持竞争力，美国制造企业常采用这种制造方式。然而，平衡成本、效率和灵活性等挑战仍然存在。DTL 旨在通过一个小规模制造工作单元来支持单元制造研究，该工作单元支持全自动化的数字孪生，适用于各种用例。
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图1. DTL制造工作单元的材料流
虽然图1描述了制造单元的当前配置，但DTL是可重构的，
因此支持多种材料流和布局的实施。
2.1.2. 通信网络
在配置实验室硬件时，一个重要考虑因素是支持
开发灵活的数据管道，使数据能够从制造过程的每个阶段
（从生产到检测）被采集。图2展示了描述制造设备布局和计算资源的网络图。
协作机器人、CMM和CNC直接有线连接到以太网交换机。该
交换机随后直接连接到实验室的无线路由器。一台托管
MTConnect Agent（见第3.1节）的Linux计算机也连接到该路由器。这
使得所有制造设备能够与中央数据聚合器以及彼此通信的本地子网得以建立。
数据库服务也部署在一台Linux计算机上。最后，一台Windows
计算机无线连接到路由器，以从MTConnect Agent拉取数据。
该Windows计算机具有仿真建模工具（例如Altair和MATLAB Simulink），
研究人员可将其用于数字孪生研究和演示。
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图2. DTL制造工作单元的材料流
计算机数控（CNC）机床
实验室使用的CNC机床是一种利用减材制造来生产设计零件的制造技术，
是我们工作单元的核心。此外，CNC机床还提供大量数据项，包括运行数据、
机床状态数据以及装夹和刀具路径数据。本节简要介绍实验室使用的CNC机床
以及额外部署的硬件。
2.2.1. PocketNC
该工作单元使用Pocket NC V2-10，这是一台5轴桌面铣床。凭借5轴铣削
能力，实验室可以模拟大型工业同类设备的减材制造操作。
该铣床具有50,000 RPM主轴，行程为115.5mm（X）、128.3
mm（Y）和90.1mm（Z）。工作台在A方向从-25°旋转到135°，而在B方向
工作台可连续旋转（-9999°到9999°）。这些轴可见于图3。
Pocket NC可与大多数CAM软件配合运行。该机床接受标准G代码，
这使得结果可以放大到车间规模的大型机床。桌面规模的
制造设备使得为研究人员提供可访问的设备变得切实可行
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其结果与车间同类设备的结果相当。
图3. Pocket NC的轴系
2.2.2. 自动化工装解决方案
针对Pocket NC的自动化材料装夹解决方案可支持工作单元的完全自动化。虽然传统车间机床有多种可用的自动化材料装夹解决方案，但Pocket NC的小尺寸要求为该机床定制解决方案。零点夹具（一种使用预定义参考点的装夹系统）解决方案可确保零件只有一个可能的装夹点，从而实现更高的重复性。这对工作单元自动化尤为重要，因为材料装夹中即使最轻微的偏差也可能导致零件质量的显著差异。
图4展示了零点装夹系统的扩展CAD模型。一个定制适配器将夹紧模块连接到Pocket NC的B工作台（见第2.2.1节）。该适配器作为夹具与机床之间的连接件，并且还配有气管接头，为气动夹紧模块提供动力。虽然图4中未显示，但该装夹系统需要在适配器底部安装一个快插旋转接头以连接气管。Schunk的Vero-S模块用作气动夹紧模块。它需要至少6巴（600 kPa）的驱动气压才能释放夹紧机构。最后，要将工件连接到夹紧系统，在装夹前必须完成两个步骤来准备毛坯材料。第一步是安装夹紧销
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到每一块坯料上。夹紧销夹紧在Vero-S模块上，且这些销是
为Vero-S模块专门定制的。第二步是在坯料材料上加工一个凹口，
使工件与夹紧模块实现周向锁定，如图4所示。
图4. Pocket NC机床零点定位夹具解决方案的展开CAD模型
协作机器人
DTL使用UR5e机器人，其重量轻（20.6 kg），具有六个
自由度进行运动。它们的最大有效载荷为5 kg，工作范围为0.85 m，重复精度为±
0.03mm。UR5e机器人用于工作单元中的物料搬运活动：从
输入存储中拾取零件、装载到Pocket NC上、从Pocket NC卸下、装载
CMM、以及从CMM卸下至输出存储。这些机器人通过以下方式编程：
用URScript编写程序并加载到控制器，或使用示教器。
机器人末端执行器为2F-85夹爪，专为物料搬运操作而设计。
该夹爪有两个铰接手指，每个手指有两个关节。这些特性使其
能够处理拾放、机床上下料、装配
和质量检测所需的各种几何形状的零件。该夹爪既可用于基于时间的控制，也可用于基于事件
的控制方案。与UR5e机器人一样，该夹爪可通过以下方式编程：编写
程序并加载到控制器，或使用示教器。
坐标测量机
CMM用于通过用测头接触物体表面来测量物理对象的几何特征，
以测量离散点。CMM通过验证产品与设计相符来支持产品
质量符合性。当零件由CMM测量时，会收集有关零件几何尺寸的数据并
进行分析，以确定是否存在任何不符合项。该分析结果向制造系统或工艺提供
反馈[12]。从而可以避免
成品中过大的几何偏差。
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DTL中的CMM是一台Mitutoyo Ko-ga-me，可通过零件程序手动或自动表征和检测零件。该CMM可与工作单元中的其他设备集成，例如CNC机床和机械臂。这种集成提供实时反馈，对于有效的过程监控和质量控制至关重要，而非仅在独立模式下进行检测。
3. 数字孪生实验室数据基础设施
DTL提供丰富的数据，涵盖来自机器的运行/状态数据以及来自产品检测的计量数据。本节描述DTL的数据基础设施。此外，本节讨论相关标准和工具，为数据管道的设置和实施提供背景。
MTConnect实施
本节简要概述MTConnect标准，并说明该标准如何为DTL数据基础设施提供基础。图5展示了数据管道中的数据流。数据管道的各个方面将在下文讨论。
图5. 数据管道示意图
MTConnect标准为制造数据提供语义词汇表，定义了结构和上下文。该标准有助于促进来自各种机器类型和不同供应商的数据之间的互操作性。除了MTConnect标准提供的语义词汇表外，MTConnect Institute还提供了一套工具，允许从机器收集原始数据、将数据转换为MTConnect-
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合规数据格式、来自多台机床和传感器的数据聚合，以及
为客户端/第三方应用提供数据。有关
MTConnect标准及可用工具如何运作的更多信息，请参阅NIST先进
制造系列报告《连接、部署和使用智能制造
系统测试台》（NIST AMS 200-2）[13]以及MTConnect标准文档
[14][17]。
3.1.1. 从设备采集数据
所有DTL设备（UR5e机械臂、Pocket NC和Mitutoyo Ko-ga-me三坐标测量机）均可
生成运行数据和状态数据。此外，三坐标测量机还提供检测数据。
附录A展示了各机器数据项的设备配置文件，同时
将专有数据标签与MTConnect数据标签相关联。有关MTConnect数据标签
及其各自上下文信息的列表，请参阅MTConnect标准第2.0部分——
设备信息模型[14]。对于每台机器，软件适配器将原始
数据转换为符合MTConnect标准的数据格式。通用机器人控制器不
支持安装第三方软件。因此，Raspberry Pi通过以太网从UR5e采集原始数据
，并在其上安装适配器。符合MTConnect
标准的数据格式称为SHDR，它是一种以竖线分隔的文本格式，结构
如下：
YYYY-MM-DDTHH:MM:SS.SSSSZ|DataTag|DataValue。
SHDR格式将数据标签和数据值与UTC（协调
世界时）时间戳相关联。另外值得注意的是，质量信息框架（QIF）文档（MTConnect以原生可扩展标记语言（XML）格式为其提供包装）用于
聚合和组织来自三坐标测量机的检测数据。
3.1.2. 数据聚合
出于数据聚合目的，MTConnect C++ Agent（v 2.1）托管在
第2.1.2节中提及的Linux计算机上。在将原始机器数据转换为SHDR后，
各机器的适配器通过套接字到套接字编程将SHDR数据发送到Linux主机。在收到来自适配器的数据后，Agent会验证数据以确保
传入数据符合MTConnect标准。包含本地网络信息的脱敏Agent配置
文件可在附录B中找到。
数据流式传输
DTL通过数据管道提供不同的数据流式传输能力。数据管道
阐述了如何管理来自不同来源的持续数据流，并支持针对不同用例
利用DTL。MTConnect Agent是一种软件工具，用于收集和组织
MTConnect数据，并使我们能够在数据管道中实施该标准。
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3.2.1. 数据流式传输要求
数据流式传输的要求如下：
a. 数据流应便于内部研究人员获取，以便与客户端应用程序集成
b. 数据应附带上下文信息，使其他利益相关者能够
更好地理解数据集
c. 数据流应支持添加更多制造要素（机床、
传感器等）
研究人员应能够基于特定组件、设备和时间
区间进行查询。
3.2.2. 技术实现
MTConnect Agent 是由 MTConnect Institute 提供的软件应用程序，
用于采集机床数据、组织数据，并以符合 MTConnect 规范的
格式提供数据。该 Agent 还接收并处理来自客户端应用程序的数据请求。
MTConnect Agent 在聚合并验证来自机床适配器的数据后，
以机器可读格式（即 XML）提供数据。用户可以使用超文本传输
协议（HTTP）请求，基于设备名称、组件名称和样本数量查询该 Agent。
（截至本出版物发布时，该 Agent 仅在 NIST 内部可用。）查询数据后，
研究人员会获得包含其数据集的 XML 文档，该文档可被解析并用于第三方应用程序。
需要注意的是，该 Agent 的最大缓冲区大小为 131,072 个样本，因此不适合存储
较长时间区间内的历史数据。因此，采用了第 3.3 节所述的数据存储策略。
数据存储
DTL 中的应用用例可能需要使用历史数据集，而数据存储
策略使 DTL 能够作为各类用例的受管理数据源。数据
存储策略由我们的设置和用例需求驱动，但可针对类似的数字孪生实现进行修改。
3.3.1. 数据存储要求
数据存储的要求如下：
a. 受管理的数据应便于内部研究人员获取，以便与客户端应用程序集成
b. 用户应能够轻松访问数据集，而无需具备
数据存储实现的技术知识
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c. 数据存储解决方案应具备足够的容量和能力，以
归档历史数据集
研究人员应能够基于特定组件、设备和时间
间隔进行查询。
3.3.2. 技术实现
DTL 中的数据存储采用 MongoDB 实现。MongoDB 是一种开源
No-SQL 数据库解决方案。No-SQL（结构化查询语言）解决方案属于非
关系型数据库。与关系型数据库（SQL）相比，非关系型数据库
优先考虑快速开发，并能在使用过程中适应各种数据属性的
添加。
所实现的方法如下。使用 HTTP 请求对 MTConnect Agent 进行例行采样（约 1 Hz），
从而获得包含采样期间所有机器数据的 XML 文档。随后对这些 XML 文档进行解析，
并将数据重构后添加到 MongoDB 实例中。此外，为方便用户，
还提供了图形用户界面（GUI）帮助用户生成 MongoDB 查询。
4. 相关标准与实现
数字孪生标准（如架构框架）可为数字孪生的开发提供实施
指南。特定标准支持数字孪生的各项功能，如数据采集、通信、信息建模、系统
集成、系统抽象/建模、自动化与控制。下文介绍了
目前正在 DTL 各数字孪生组件中实施的一组标准。未来版本的
本报告将持续向列表中添加新的适用标准。
• ISO 23247《面向制造的数字孪生框架》提供了通用指南、
参考架构以及针对具体案例的数字孪生
实施框架。该标准支持模型的可组合性
以及数字孪生模块之间的互操作性。它还提供了数据
采集、数据通信、集成、建模以及相关标准应用的示例 [15]。
ISO 23247 为 DTL 中所有数字孪生
开发提供了框架（见第 5 节），并且 ISO
23247 中的概念和定义被改编用于本文。
• ISO 10303《自动化系统与集成——产品数据表示
与交换》，也称为产品（STEP）模型数据交换标准，
支持产品制造信息的交换 [16]。我们在产品设计过程中
（见第 5.1 节）以及为数字孪生可视化对实验室设备建模时
（见第 5.2 节）实施了 ISO 10303。
• 美国国家标准学会（ANSI）MTConnect 通过为制造设备提供词汇表来支持
互操作性，使
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可能的结构化上下文数据，并避免专有格式。生产中MTConnect的数据来源包括设备、传感器组件以及其他工厂车间硬件[17]。MTConnect是DTL数据管道的基础（见第3节），管道中实现的MTConnect Agent是由MTConnect Institute提供的软件工具。
QIF是计算机辅助质量QIF系统的框架标准。QIF支持在产品生命周期管理（PLM）和产品数据管理（PDM）领域内捕获、使用和复用计量相关信息。它支持数字线程的创建。它适用于产品设计、制造和质量检测。它依赖XML标准，并包含一个XML模式库。它在实施基于模型的企业和物联网时支持数据完整性和互操作性[18]。当零件由DTL的CMM检测时，QIF用于组织和报告计量信息。
5. 研究与开发工作
DTL内的研究在简化的产品生命周期（即设计、制造和检测阶段）上进行。实验室中的产品设计设置为使用Autodesk Inventor，设计的产品使用实验室中的设备制造。最后，使用CMM完成对制造零件的检测。以下各节描述了当前利用DTL正在进行的研发工作。
支持原型演示的零件设计
为了充分利用DTL中的工作单元，设计了一个零件，使其在CNC机床上切割、由机器人搬运，并由CMM检测。该零件使用Autodesk Inventor设计。设想未来的设计将使用实验室台式计算机上的Inventor构建，刀具路径也将使用同一软件生成。该零件设计（如图6所示）设计为从蜡料毛坯中切割而成。
图6. 将在CNC上切割、由机器人搬运并由CMM检测的零件设计
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设备数字孪生
本节讨论为单个设备开发的数字孪生，并指出具体的
正在进行的工作。目前正在为协作机器人
（见第2.3节）和CNC机床（见第2.4节）开发单个设备数字孪生。每个设备数字孪生
均使用ISO 23247标准开发，同时也用于测试该标准。
5.2.1. 协作机器人数字孪生
DTL工作单元包含两台协作机器人。如第2.3节所述，这些机器人
具有六个自由度，专为工业制造环境设计。
在制造场景中，协作机器人主要用于物料搬运
和机床上下料。Universal Robots提供了可通过
UR-RTDE（Universal Robot Real Time Data Exchange，通用机器人实时数据交换）接口采集的详尽数据项列表。该
接口允许第三方开发者读取机器人的实时数据并向机器人发送
指令。利用UR-RTDE，MTConnect适配器采集每个机器人关节的
位置、速度和加速度，用于数字孪生开发。工具
中心点（TCP）的方位，以及机器人自适应夹爪附件
运动的数据，也由MTConnect适配器采集。所有这些数据项均由
供应商安装在机器人上的内置传感器提供。
图7展示了我们其中一台协作机器人已部署的数字孪生。图中
左侧是正在循环执行基本拖放操作的物理机器人。右上方是
基于机器人模型生成的仿真数据（见附录C）所呈现的机器人运动
可视化。右下方是在MATLAB中生成的可视化，显示
仿真机器人数据与物理系统数据之间的误差。
图7. 用于模型验证与改进的机器人数字孪生（进行中）
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该机器人的数字孪生模型在 MATLAB Simulink 中开发，是对物理机器人的简化
数学描述。实时数据通过 MATLAB Simulink Desktop Real-Time 集成到 Simulink
模型中，该工具提供用于执行 Simulink 模型的实时内核，分析应用程序则在 JAVA 中开发。目前，该
数字孪生不具备用于改进模型或影响物理系统的自动反馈。这是 DTL 的未来研究目标之一。
5.2.2. 数控机床数字孪生
DTL 工作单元包含一台数控机床。如第 2.2 节所述，该机床是
一台五轴桌面数控机床。通过部署外部传感器，研究人员可以采集更多数据集，
例如振动和温度测量数据，并更好地为数字孪生提供用例信息。如下所述，
数据可视化数字孪生的基础目前已在 DTL 中实现。该数控机床在 Altair 中建模（见图 8），
关节位置用从物理机器采集的数据更新，以反映数控机床在运行过程中的运动。
图 8. 数控机床的 Altair 仿真
该模型通过回放 DTL 中数控机床提供的历史数据集来模拟数控机床的运动。未来，将利用 Altair 及其他建模工具的能力
探索数字孪生的多种用例。此外，还将研究
将采集数据流式传输以实时更新数字孪生的方法。
增强现实（AR）与虚拟现实（VR）
在开发数字孪生时，一个重要主题无法回避——用户界面。
具体而言，我们正在研究使用 AR/VR 技术的数字孪生界面设计，
由于所需专业知识独特，这给制造商带来了重大挑战。
DTL 的一项研究工作正在开发一种创作工具 [5]，通过让不具备编程技能的制造业最终用户能够创建 AR/VR
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轻松快速地实现数字孪生接口。初始原型展示了
解析MTConnect机床运行数据的能力，并提供基于菜单的界面和数据可视化沙盒，
引导用户解读和分析数据。
6. 结论与未来工作
在本报告中，我们概述了DTL的愿景和目标。此外，我们描述了
DTL的硬件和软件设置，使其能够支持多个研究领域。
其中一些研究领域促成了本报告中记录的特定案例研究的实施。
最后，我们列出并描述了在DTL中实施的标准。
展望未来，该实验室将支持各种研究目标的推进。首先，我们将
向外部利益相关者公开数据。这不仅将进一步确立
DTL作为受管理数据源的地位，还将扩大DTL研究的影响力。未来
工作将涉及以安全方式提供数据，并允许外部
研究人员使用实时和历史数据集。其次，我们将把
CMM与现有数据管道完全集成。这将使我们能够以标准化格式查看整个
工作单元的数据，并使数字孪生开发过程
更加高效。CMM的软件需要升级，我们将与
供应商合作，确保CMM在数据管道演进过程中与DTL的数据管道兼容。
第三，我们将与外部利益相关者合作，开发和测试
数字孪生VVUQ（验证、确认和不确定性量化）方法。
DTL将在测试这些合作的成果中发挥重要作用。该研究可能
对ISO 23247等数字孪生标准产生影响。最后，我们将与SDO
合作，测试相关标准并提供反馈。因此，可能会出现新的用例，
并需要不同的实验室配置、数据管道和使能技术。
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参考文献
[1] Grieves, Michael. (2016). Origins of the Digital Twin
Concept. 10.13140/RG.2.2.26367.61609.
[2] U.S. National Economic Council. (2022). National strategy for advanced
manufacturing. The White House. https://www.whitehouse.gov/wp-
content/uploads/2022/10/National-
Strategy-for-Advanced-Manufacturing-2022.pdf
[3] ISO. 2020. ISO (DIS) 23247-1: Automation Systems and Integration - Digital Twin
Framework for Manufacturing - Part 2: Reference Architecture. ISO/TC
184/SC4/WG15
[4] Kibira, D., Shao, G., Venketesh, R., and Triebe, M. “Building a Digital Twin of a CNC
Machine Tool” Proceedings of the Winter Simulation Conference 2024.
[5] Simonson, A. and Shao, G. “An Authoring Tool for Manufacturing Digital Twin
Visualization” APMS 2024.
[6] Shao, G.; Frechette, S.; and Srini, V. An analysis of the new ISO 23247 series of
standards on digital twin framework for manufacturing, ASME MSEC 2023.
[7] Kibira, D. and Shao, G. “Data Requirements for Digital Twins of a Robot
Workcell,” Proceedings of the Winter Simulation Conference 2023.
[8] Kibira, D., Shao, G. and Weiss B. Building a Digital Twin for Robot Workcell Prognostics
and Health Management. Proceedings of the Winter Simulation Conference 2021.
[9] Kiran DR (2022) Chapter Twenty – Plan Location and Layout. Principles of Economics and
Management for Manufacturing Engineering, ed Kiran DR (Woburn, MA, Butterworth-
Heinemann), Chapter 20, pp 227-242
[10] Sakran, H. K., Mahbuba, H. M., & Jafer, A. S. (2016). A review of a basic concept of
cellular manufacturing. International Journal of Design and Manufacturing
Technology, 8(1), 30-37.
[11] Kibira, D., Shao, G., & Venketesh, R. (2023, May). Building A Digital Twin of AN
Automated Robot Work cell. 2023 Annual Modeling and Simulation Conference
(ANNSIM), (IEEE, Hamilton, ON, Canada), pp 196-207.
[12] Gaha, R., A. Durupt, and B. Eynard. (2021). Towards the implementation of the
Digital Twin in CMM inspection process: Opportunities, challenges, and proposals.
Procedia Manufacturing, 54:216-221.
[13] Helu M, Hedeberg T, (2020) Connecting, Deploying, and Using the Smart
Manufacturing Systems Test Bed. (National Institute of Standards and Technology,
Gaithersburg, MD), NIST Advanced Manufacturing Series (AMS) 200-2,
https://doi.org/10.6028/NIST.AMS.200-2
[14] MTConnect Institute (2023, Last Accessed September 2023) MTConnect Standard,
Version 2.2, Part 2 – Device Information Model, Standard. URL
https://docs.mtconnect.org/.
[15] ISO. 2021. 1SO (DIS) 23247-1: Automation Systems and Integration - Digital Twin
Framework for Manufacturing - Part 1: Overview and fundamental principles.
ISO/TC 184/SC4/WG15
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[16] ISO. 2021. ISO 10303-1: Industrial automation systems and integration - product
data representation and exchange - Part 1: Overview and fundamental principles.
ISO/TC 184/SC4
[17] MTConnect Institute (2023, Last Accessed September 2023) MTConnect Standard,
Version 2.2, Part 1 – Fundamentals, Standard. URL https://docs.mtconnect.org/.
QIF. 2020: The quality information framework standard. URL http://qifstandards.org/.
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附录A. MTConnect设备配置文件
以下是MTConnect设备配置文件。该文件为XML格式，列出了
可用的数据项及相关元数据。该文件涵盖实验室中所有
机器流式传输的数据。通过将设备配置文件与
MTConnect标准文档结合使用，利益相关者可以了解正在采集哪些数据属性及其在制造业中的上下文。
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附录B. MTConnect代理配置文件
以下是代理配置文件。该文件配置MTConnect代理，使其使用各机器上安装的MTConnect适配器的网络地址进行连接。该文件还
设置设备配置文件的目录、基本代理设置和日志记录
配置。利益相关者可将该代理配置文件用于类似设置，并
对其进行修改以容纳更多机器和不同的数据管道。
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来源：NIST · 制造研究 · nvlpubs.nist.gov