国际标准化组织ECLASS发布白皮书展现基于IOTA-DLT的工业数字孪生基础框架

EClass近期发布的白皮书中提出了基于分布式账本的基础设施概念，用于工业数字孪生(Digital Twins)的身份和访问管理。这在通往未来开放的全球工业4.0生态系统的道路上实现了一个重要的里程碑。

在本白皮书中，介绍了一种实现工业数字孪生企业通用的去中心化注册的方法。

五个与实践相关的用例解释了如何在实践中实施和应用这种去中心化注册表。这些用例展示了数字孪生产品及其周围的服务如何在注册处进行注册，并由不同生命周期阶段的用户进行访问。此外，用例还展示了工业资产用户如何将多个数字孪生关联到同一资产，以及如何根据独特的资产ID找到这些数字孪生。其他用例描述了对第三方在数字孪生中提供的信息进行鉴定的可能性，以及对分散登记处中列出的服务实施分散的身份和访问管理的可能性。在这一概念中，ECLASS标准主要用于描述数字孪生的授权和认证证书中的服务和属性。本白皮书所涉及的挑战与不同领域相关，例如汽车、能源、零售和物流。为了更加具体，白皮书集中于工业4.0的要求，并使用资产管理壳(Asset Administration Shell)的技术规范、”工业4.0平台 “和 “工业数字孪生协会 “提出的数字孪生的标准化实施来解释解决方案的概念。

什么是 “数字孪生”？

推进数字化，在采购、物流和生产领域，以及在机器和产品的工程、维护和操作领域，不断增加的网络化和横向整合，正在创造新的机会和以前难以想象的商业模式。传统的价值链正越来越多地转变为相互关联的价值网络，合作伙伴可以在其中无缝地找到并交换相关信息。

机器、产品和流程获得了它们的数字孪生（Digital Twins），它们代表了信息世界中物理世界的所有相关方面。物理物体和它们的数字孪生体的结合创造了所谓的网络物理系统。

在整个生命周期中，数字孪生中采集的相关产品信息和生产数据必须在任何时间、任何地点向价值链上的合作伙伴提供。因此，在信息世界中，以数字孪生的形式对现实世界进行数字化表述变得越来越重要。然而，价值网络中所有参与者所期望的跨越公司边界、国家和大陆的横向和纵向整合与合作，只有在共同标准的基础上才能成功。

什么是资产管理壳(Asset Administration Shell)？

所谓资产管理壳（AAS）是 “工业4.0平台 “和VDMA（德国工程联合会）、ZVEI（德国电气电子制造商协会）等行业协会以及 “工业数字双胞胎协会 “为实现数字孪生而提出的共同概念。AAS有望成为推动第四次工业革命、构建创新应用的标准化基础。

AAS的核心要素是标准化的机器可解释的信息模型，用标准化的属性来表示产品、工厂、机器及其零部件的属性、配置参数、行为和能力。ECLASS在这方面发挥了重要作用。ECLASS标准被工业4.0社区看作是数字孪生企业之间信息交换的通用词汇和标准化语义的供应商。

什么是ECLASS？

ECLASS是国际上唯一符合ISO/IEC标准的工业标准，因此是全球产品和服务分类和明确描述的参考数据标准。目前已有超过4,000家客户成功使用ECLASS的45,000个类别和19,000个属性，用16种语言进行数字数据交换。除了在采购、控制、生产和分销方面的传统应用外，ECLASS在用于跨企业的过程数据管理和工程功能时，也显示出其特殊的优势。ECLASS e.V. 协会成立于 2000 年，是一个由来自各行各业和贸易部门的公司、协会和机构管理的非营利组织。他们的共同目标是扩大ECLASS标准，使之符合当前和未来的市场需求，并促进其国际应用。

为什么通用注册和身份管理对掌握工业4.0如此重要？

要创建所需的灵活价值链，仅靠单个的数字孪生（Digital Twins）是不够的。资产及其Digital Twins必须在一个开放的数字生态系统中可以明确识别和发现。

目前在工业4.0社区中讨论的概念是基于经典的中心化方法，其中中心化平台是信任的支柱，它在一个共同的网络中接管数字孪生的注册、身份管理、认证和授权。

中心化方法无疑是工业4.0应用短期实现的第一个有效步骤，但并不完全符合工业4.0的长期愿景，它强调了未来数字生态系统的高度去中心化的特征，不允许存在集中式垄断地位的组件，因为其不可用性会影响整个系统的安全运行。

白皮书中提出的基于分布式账本的基础设施

新的ECLASS白皮书提出了一种方法，通过结合DLT、W3C指定的分散标识符（DID）、AAS和ECLASS语义，为身份和访问管理的基本任务提供完全去中心化的解决方案，并解释了如何克服集中式系统的几个缺点。

图1展示了白皮书中提出的分散式登记处的整体架构，该架构基于分散式标识符（DID）和DLT。这可以用基本场景来解释。企业，例如制造商，在其私有的可信网络中运营各种资产的数字孪生。目前运营资产的价值链上的合作伙伴希望访问这些资产的数字孪生。资产运营商并不知道访问数字孪生的终端（他们必须使用的端口和通信技术）的具体信息。资产运营商只知道数字孪生的DID，他们可以从一个独特的资产ID中得出。数字孪生的注册（第1步）通过提交DID文件进行，该文件作为交易存储在一个通用数据集（分布式账本）中。该文件由Digital Twin ID（步骤2）引用，在本系统中，它是可以从唯一的资产ID导出的DID。

资产运营者连接到DLT系统的一个公网节点，并在数据集中找到相应的交易。从这个事务中可以提取出DID文档。DID文档包含了如何访问数字孪生的机器可读描述，包括端点信息。然后可以从DLT网络外部访问数字孪生。

与数字孪生相关的所有服务都可以在相应的DID文件中的去中心化登记处中列出。对于服务的定义，ECLASS目录是一个重要的部分，以确保以语义正确和机器可读的方式描述服务。只要消费者访问了DID文件，他就可以检索到这个文件，并掌握所有信息来访问数字孪生。

图2显示了数字孪生服务本身如何在DID文档内，在这个去中心化的登记处中被定义。

DID的控制者负责在描述数字孪生服务的DID文档中提供所有需要的信息。DID元模型为DID的创建者提供了如何构建和构建相应的DID文档的方向，以确保兼容性和语义正确性。

作为数字孪生的基础设施的IOTA Tangle

从技术上看，白皮书中提出的概念几乎可以由每一个DLT来实现。然而，并不是每一个DLT都非常适合成为工业4.0所设想的开放数字生态系统的基础。

2030年的工业4.0愿景中明确提出了对这种未来数字生态系统的要求：开放性、去中心化、支持市场上的异质性和多样性、没有具有优势角色和垄断地位的参与者。

例如，在私有和联盟区块链中，控制任务被分配给一个合格的、已知的一方或群体，这就自动赋予该群体比其他参与者更优越的权利和一种垄断地位。从定义上看，私有区块链和联盟区块链并不意味着网络和生态系统的开放特征。

公有区块链网络仍有很大的缺陷：交易率低、可扩展性有限、能耗极高。此外，需要购买电子货币（加密货币）来转移信息。这往往与巨大的监管障碍和过多的行政工作有关。此外，可以注意到 “矿工 “有向少数大型矿池集中的趋势。

IOTA解决了区块链的基本缺点，作为一种开源技术，代表了公共区块链的替代方案。IOTA Tangle作为一个全球公共网络，提供了必要的特性，成为未来开放数字工业4.0生态系统的基础设施基础。

由于IOTA网络不需要任何交易费用，因此在ECLASS白皮书中所需要的数据交易可以免费处理。用IOTA发送金融交易（包括小额交易）的可能性，以及允许轻松切换到利用小额支付的商业模式。

通过广泛的用户和使用案例的生态系统，积累的经验不断地回流到IOTA的进一步发展中，符合成为物联网和开放的数字跨公司生态系统的标准协议的要求。

作为ECLASS白皮书中提出的概念的进一步发展，与IOTA开源技术的整合将满足安全、数据完整性和数据主权的要求。集成的第2层功能（如IOTA访问）可以为管理工业资产及其数字孪生产品的访问权提供基础。IOTA的设计具有高度的可扩展性和互补性，形成一个和谐的整体来实现工业4.0的愿景。

IOTA主网正一步步为完全的去中心化做准备。随着IOTA 1.5的最新更新，正在迅速成为企业级的准备。第一个试验网为企业、行业协会和联盟提供了最好的机会，让他们开始探索自己的想法，在IOTA网络上创造新的产品和商业模式，共同合作、共同创造、共同掌握第四次工业革命。

作者：Alexander Belyaev & Alaettin Dogan.