ISO 23247

راهنمای جامع استاندارد ISO 23247: معماری دوقلوی دیجیتال برای ساخت و تولید هوشمند

در بحبوحه چهارمین انقلاب صنعتی (Industry 4.0)، کارخانه‌ها در حال تبدیل شدن به اکوسیستم‌های پیچیده و به هم پیوسته‌ای هستند که در آن‌ها مرز بین دنیای فیزیکی و دیجیتال به سرعت در حال محو شدن است. در قلب این تحول، مفهوم "دوقلوی دیجیتال" (Digital Twin) قرار دارد؛ یک نمایش مجازی، پویا و همگام‌سازی شده از یک دارایی یا سیستم فیزیکی. استاندارد بین‌المللی ISO 23247 به عنوان اولین و جامع‌ترین چارچوب مرجع در این زمینه، یک معماری استاندارد و یک نقشه راه عملی برای طراحی، توسعه و پیاده‌سازی چارچوب دوقلوی دیجیتال برای ساخت و تولید (Digital Twin Framework for Manufacturing - DTFM) ارائه می‌دهد. این استاندارد به سازمان‌ها کمک می‌کند تا با ایجاد یکپارچگی داده‌ها از منابع مختلف، به یک دیدگاه جامع و لحظه‌ای از فرآیندهای تولید خود دست یابند و تصمیم‌گیری‌های هوشمندانه‌تر، بهینه‌تر و پیش‌بینانه‌تری اتخاذ کنند.

مقدمه

تصور کنید بتوانید عملکرد یک خط تولید پیچیده را در یک محیط مجازی به صورت لحظه‌ای مشاهده، شبیه‌سازی و تحلیل کنید. تصور کنید قبل از اعمال هرگونه تغییر فیزیکی، بتوانید تأثیر آن را بر کل سیستم بسنجید؛ یا بتوانید پیش‌بینی کنید کدام ماشین در هفته آینده نیاز به تعمیر خواهد داشت. این‌ها دیگر داستان‌های علمی-تخیلی نیستند، بلکه واقعیت‌هایی هستند که از طریق فناوری دوقلوی دیجیتال در حال تحقق‌اند. با این حال، ساخت یک دوقلوی دیجیتال مؤثر، چالشی بزرگ است. این فرآیند نیازمند جمع‌آوری، یکپارچه‌سازی و تفسیر داده‌ها از منابع بسیار متنوعی است؛ از سنسورهای اینترنت اشیاء (IoT) در کف کارخانه گرفته تا سیستم‌های برنامه‌ریزی منابع سازمانی (ERP) و مدیریت چرخه عمر محصول (PLM). بدون یک معماری استاندارد و زبان مشترک، این تلاش به سرعت می‌تواند به یک پروژه پیچیده، پرهزینه و ناسازگار تبدیل شود. استاندارد ISO 23247 دقیقاً برای حل این مشکل تدوین شده است. این استاندارد یک چارچوب کلی ارائه می‌دهد که مشخص می‌کند چه اجزایی برای ساخت یک دوقلوی دیجیتال لازم است، این اجزا چگونه باید با یکدیگر تعامل کنند و چگونه می‌توان از یکپارچگی و قابلیت همکاری (Interoperability) داده‌ها در سراسر سیستم اطمینان حاصل کرد. ISO 23247 یک محصول یا نرم‌افزار خاص نیست، بلکه یک "دستورالعمل معماری" است که به سازمان‌ها کمک می‌کند تا دوقلوهای دیجیتال خود را بر پایه‌ای محکم، استاندارد و آینده‌نگر بنا نهند.

۱. تاریخچه و ضرورت تدوین استاندارد ISO 23247

ایده نمایش دیجیتالی از یک محصول فیزیکی ریشه‌هایی قدیمی‌تر دارد، اما مفهوم "دوقلوی دیجیتال" به شکلی که امروز می‌شناسیم، در اوایل قرن بیست و یکم و با تلاش‌های ناسا برای مدیریت و شبیه‌سازی فضاپیماهای خود محبوبیت یافت. با ظهور انقلاب صنعتی چهارم و فناوری‌هایی مانند اینترنت اشیاء صنعتی (IIoT)، هوش مصنوعی و رایانش ابری، پتانسیل استفاده از این مفهوم در صنعت ساخت و تولید به شدت مورد توجه قرار گرفت.

چالش‌های صنعت ۴.۰
کارخانه‌های مدرن با چالش‌هایی نظیر نیاز به افزایش بهره‌وری، کاهش زمان عرضه محصول به بازار، بهبود کیفیت و پاسخگویی سریع به تقاضای متغیر مشتریان مواجه هستند. برای غلبه بر این چالش‌ها، نیاز به دیدی جامع و مبتنی بر داده از تمام جنبه‌های عملیات تولید وجود دارد. با این حال، داده‌های تولید اغلب در "سیلوهای اطلاعاتی" جدا از هم قرار دارند:

• داده‌های عملیاتی (OT): داده‌های لحظه‌ای از ماشین‌آلات، سنسورها و سیستم‌های کنترل در کف کارخانه.

• داده‌های اطلاعاتی (IT): داده‌های مربوط به برنامه‌ریزی، مدیریت موجودی، کیفیت و مشتریان که در سیستم‌هایی مانند ERP، MES و SCM ذخیره می‌شوند.

• داده‌های مهندسی (ET): داده‌های مربوط به طراحی محصول و فرآیند که در سیستم‌های CAD و PLM نگهداری می‌شوند.

ایجاد یکپارچگی بین این دنیاهای متفاوت، یک چالش فنی و مفهومی بزرگ بود. سازمان‌ها برای ساخت دوقلوهای دیجیتال خود به راهکارهای سفارشی و اختصاصی روی می‌آوردند که اغلب مقیاس‌پذیر، قابل همکاری و قابل نگهداری نبودند.

نقش سازمان بین‌المللی استاندارد (ISO)
در پاسخ به این نیاز صنعت، کمیته فنی ISO/TC 184 (اتوماسیون و یکپارچه‌سازی در سیستم‌های صنعتی)، زیرکمیته SC 4 (داده‌های صنعتی) مسئولیت تدوین یک استاندارد بین‌المللی را برای ایجاد یک چارچوب مشترک بر عهده گرفت. هدف، ارائه یک معماری مرجع بود که به شرکت‌ها، صرف‌نظر از اندازه یا صنعتی که در آن فعالیت می‌کنند، اجازه دهد تا اجزای مختلف دوقلوی دیجیتال خود را به شیوه‌ای استاندارد و قابل همکاری به یکدیگر متصل کنند.
پس از چندین سال کار کارشناسی توسط متخصصان بین‌المللی، اولین بخش‌های استاندارد ISO 23247 در سال ۲۰۲۱ منتشر شد. این استاندارد از همان ابتدا به صورت چندبخشی طراحی شد تا جنبه‌های مختلف چارچوب، از مفاهیم کلی تا جزئیات فنی پیاده‌سازی را پوشش دهد. این رویکرد ماژولار به استاندارد اجازه می‌دهد تا با تکامل فناوری، به‌روزرسانی و گسترش یابد. ISO 23247 به سرعت به عنوان یک استاندارد بنیادین برای هر سازمانی که به طور جدی به دنبال پیاده‌سازی دوقلوهای دیجیتال در فرآیندهای تولیدی خود است، شناخته شد.

۲. کالبدشکافی ساختار چهاربخشی استاندارد ISO 23247

استاندارد ISO 23247 یک چارچوب جامع است که در چهار بخش مکمل ارائه می‌شود. درک نقش هر بخش برای پیاده‌سازی موفقیت‌آمیز این معماری ضروری است.

ISO 23247-1: visão geral e princípios gerais (Overview and general principles)

• هدف: این بخش، سنگ بنای کل استاندارد است. مفاهیم، اصول و واژگان اساسی را تعریف کرده و یک نمای کلی از چارچوب دوقلوی دیجیتال برای ساخت و تولید (DTFM) ارائه می‌دهد.

• مفاهیم کلیدی:

  • موجودیت قابل مشاهده (Observable Manufacturing Element - OME): هر عنصر فیزیکی یا منطقی در محیط تولید که می‌توان آن را مشاهده، نظارت و کنترل کرد. این می‌تواند یک ماشین CNC، یک ربات، یک اپراتور انسانی، یک قطعه کار، یا حتی کل خط تولید باشد.

  • فضای داده (Data Space): محیطی که داده‌ها از منابع مختلف در آن جمع‌آوری، مدیریت و به اشتراک گذاشته می‌شوند.

  • مدل دوقلوی دیجیتال (Digital Twin Model): مدل‌های دیجیتالی که جنبه‌های مختلف OME را نمایش می‌دهند. این مدل‌ها می‌توانند شامل مدل‌های هندسی (CAD)، مدل‌های فیزیکی (شبیه‌سازی رفتار)، مدل‌های مبتنی بر داده (یادگیری ماشین) و غیره باشند.

  • همگام‌سازی (Synchronization): فرآیند به‌روز نگه داشتن دوقلوی دیجیتال با وضعیت لحظه‌ای همتای فیزیکی آن.

ISO 23247-2: Modelo de referência para a representação digital da informação de fabrico (Reference model for digital representation of manufacturing information)

• هدف: این بخش یک مدل داده مرجع برای نمایش اطلاعات تولید را مشخص می‌کند. به عبارت دیگر، تعیین می‌کند که "چه" اطلاعاتی باید بین دنیای فیزیکی و دوقلوی دیجیتال رد و بدل شود.

• جزئیات: این مدل مرجع، ساختار و معناشناسی (Semantics) داده‌های کلیدی مورد نیاز برای توصیف وضعیت و عملکرد OMEها را تعریف می‌کند. این کار به اطمینان از قابلیت همکاری و درک مشترک داده‌ها بین سیستم‌های مختلف کمک می‌کند. این بخش مشخص می‌کند که چگونه اطلاعات مربوط به منابع، محصولات، فرآیندها و کیفیت باید به شیوه‌ای استاندارد نمایش داده شوند.

ISO 23247-3: Arquitetura funcional (Functional architecture)

• هدف: این بخش "چگونگی" عملکرد سیستم را تشریح می‌کند. یک معماری عملکردی مرجع برای DTFM ارائه می‌دهد و واحدهای عملکردی اصلی و روابط بین آن‌ها را مشخص می‌کند.

• واحدهای عملکردی کلیدی:

  • واحد حسگری و کنترل (Sensing and Control Unit): مسئول جمع‌آوری داده‌ها از دنیای فیزیکی (OMEها) و ارسال دستورات کنترلی به آن‌ها.

  • واحد مدیریت داده (Data Management Unit): مسئول پردازش، ذخیره‌سازی و مدیریت داده‌های جمع‌آوری شده در فضای داده.

  • واحد مدل‌سازی و شبیه‌سازی (Modeling and Simulation Unit): شامل مدل‌های دوقلوی دیجیتال است و قابلیت‌های شبیه‌سازی، تحلیل و پیش‌بینی را فراهم می‌کند.

  • واحد برنامه کاربردی (Application Unit): شامل برنامه‌های کاربردی است که از داده‌ها و مدل‌های دوقلوی دیجیتال برای اهداف خاصی مانند نظارت بر عملکرد، بهینه‌سازی فرآیند یا نگهداری و تعمیرات پیش‌بینانه استفاده می‌کنند.

  • رابط‌های استاندارد: این بخش بر اهمیت استفاده از رابط‌ها و پروتکل‌های استاندارد برای ارتباط بین این واحدها تأکید می‌کند.

ISO 23247-4: Exemplos de utilização (Usage scenarios)

• هدف: این بخش با ارائه مثال‌های عملی، نشان می‌دهد که چگونه چارچوب تعریف شده در سه بخش اول می‌تواند برای سناریوهای مختلف تولیدی به کار گرفته شود.

• مثال‌ها: این سناریوها موارد کاربردی رایج مانند:

  • نظارت و کنترل عملکرد خط تولید: استفاده از دوقلوی دیجیتال برای مشاهده لحظه‌ای وضعیت ماشین‌آلات و شاخص‌های کلیدی عملکرد (KPIs).

  • نگهداری و تعمیرات پیش‌بینانه (Predictive Maintenance): تحلیل داده‌های سنسورها برای پیش‌بینی خرابی‌های احتمالی و برنامه‌ریزی تعمیرات قبل از وقوع توقف‌های برنامه‌ریزی نشده.

  • بهینه‌سازی پارامترهای فرآیند: استفاده از شبیه‌سازی برای یافتن بهترین تنظیمات برای ماشین‌آلات به منظور افزایش کیفیت یا کاهش مصرف انرژی.

  • مدیریت زنجیره تأمین: گسترش دوقلوی دیجیتال برای شامل کردن اطلاعات از تأمین‌کنندگان و مشتریان به منظور بهبود دید و هماهنگی در کل زنجیره.

۳. مزایای استراتژیک و عملیاتی حاصل از به‌کارگیری ISO 23247

پیاده‌سازی یک چارچوب دوقلوی دیجیتال بر اساس استاندارد ISO 23247، مزایای تحول‌آفرینی را در سطوح مختلف سازمان به ارمغان می‌آورد.

مزایای عملیاتی (کف کارخانه):

• کاهش زمان توقف (Downtime): با استفاده از نگهداری و تعمیرات پیش‌بینانه، سازمان‌ها می‌توانند خرابی‌ها را قبل از وقوع پیش‌بینی کرده و از توقف‌های پرهزینه و غیرمنتظره جلوگیری کنند.

• بهبود کیفیت محصول: نظارت لحظه‌ای بر فرآیندها و استفاده از تحلیل داده‌ها به شناسایی انحرافات کیفی در مراحل اولیه کمک می‌کند و ضایعات (Scrap) و دوباره‌کاری (Rework) را کاهش می‌دهد.

• افزایش بهره‌وری و توان عملیاتی (Throughput): با استفاده از شبیه‌سازی و بهینه‌سازی، می‌توان گلوگاه‌ها (Bottlenecks) را در خط تولید شناسایی کرده و بهترین برنامه تولید و تخصیص منابع را برای به حداکثر رساندن خروجی تعیین نمود.

• افزایش ایمنی: دوقلوهای دیجیتال می‌توانند برای شبیه‌سازی شرایط کاری خطرناک و آموزش اپراتورها در یک محیط مجازی امن مورد استفاده قرار گیرند.

مزایای استراتژیک (سطح کسب‌وکار):

• تصمیم‌گیری مبتنی بر داده: ISO 23247 با یکپارچه‌سازی داده‌ها از منابع مختلف، یک "منبع واحد حقیقت" (Single Source of Truth) ایجاد می‌کند که به مدیران اجازه می‌دهد تا تصمیمات خود را بر اساس داده‌های دقیق و به‌روز اتخاذ کنند.

• کاهش زمان عرضه محصول به بازار: با استفاده از دوقلوهای دیجیتال برای شبیه‌سازی و اعتبارسنجی فرآیندهای تولید جدید (Virtual Commissioning)، می‌توان زمان راه‌اندازی خطوط تولید جدید را به شدت کاهش داد.

• افزایش انعطاف‌پذیری و چابکی: یک دوقلوی دیجیتال به سازمان اجازه می‌دهد تا به سرعت تأثیر تغییرات در تقاضای مشتری یا اختلالات در زنجیره تأمین را مدل‌سازی کرده و بهترین واکنش را برنامه‌ریزی کند.

• ایجاد قابلیت همکاری و جلوگیری از وابستگی به یک تأمین‌کننده (Vendor Lock-in): با تکیه بر یک معماری استاندارد، سازمان‌ها می‌توانند از راه‌حل‌ها و فناوری‌های شرکت‌های مختلف در کنار یکدیگر استفاده کنند و از محدود شدن به یک اکوسیستم اختصاصی جلوگیری نمایند.

• ایجاد نوآوری: دوقلوهای دیجیتال یک پلتفرم قدرتمند برای آزمایش ایده‌های جدید، توسعه محصولات و خدمات نوین (مانند "محصول به عنوان یک سرویس") و ایجاد مدل‌های کسب‌وکار جدید فراهم می‌کنند.

نتیجه‌گیری

استاندارد ISO 23247 یک نقطه عطف در مسیر تحول دیجیتال صنعت ساخت و تولید است. این استاندارد صرفاً یک سند فنی نیست، بلکه یک چارچوب استراتژیک است که به سازمان‌ها کمک می‌کند تا از پیچیدگی‌های ساخت دوقلوهای دیجیتال عبور کرده و از قدرت داده‌ها برای دستیابی به سطح جدیدی از هوشمندی و کارایی عملیاتی بهره‌برداری کنند. با ارائه یک زبان مشترک و یک معماری مرجع، ISO 23247 موانع پیش روی یکپارچه‌سازی داده‌ها را از بین برده و راه را برای نوآوری و همکاری در اکوسیستم تولید هموار می‌سازد. برای سازمان‌هایی که به دنبال بقا و پیشرفت در عرصه رقابتی صنعت ۴.۰ هستند، درک و به‌کارگیری این استاندارد دیگر یک انتخاب نیست، بلکه یک ضرورت استراتژیک برای ساختن کارخانه‌های هوشمند آینده است.

استانداردهای مشابه یا مکمل

برای پیاده‌سازی موفق ISO 23247، آشنایی با سایر استانداردهای مرتبط در حوزه داده‌های صنعتی و ساخت هوشمند بسیار مفید است. این استانداردها می‌توانند در لایه‌های مختلف معماری به کار گرفته شوند:

• سری استانداردهای ISO 10303 (STEP): این استاندارد برای نمایش و تبادل داده‌های محصول (مانند مدل‌های CAD) به صورت دیجیتال استفاده می‌شود و می‌تواند برای ساخت مدل‌های هندسی در دوقلوی دیجیتال کاربرد داشته باشد.

• ISO 15926: استانداردی برای یکپارچه‌سازی داده‌ها در طول چرخه حیات کارخانه‌های فرآیندی که مدلی برای معناشناسی داده‌ها ارائه می‌دهد.

• IEC 62264 (ISA-95): استانداردی کلیدی برای یکپارچه‌سازی سیستم‌های کنترل سازمانی و صنعتی که به تعریف مرزها و تبادل اطلاعات بین سیستم‌های IT (مانند ERP) و سیستم‌های OT (مانند MES) کمک می‌کند.

• OPC Unified Architecture (OPC-UA): یک پروتکل ارتباطی ماشین به ماشین که به طور گسترده در صنعت برای تبادل داده امن و قابل همکاری بین دستگاه‌ها و سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود و می‌تواند در لایه ارتباطی چارچوب ISO 23247 به کار رود.

• ISO/IEC/IEEE 8802-3 (Ethernet): استانداردی برای شبکه‌های ارتباطی که زیرساخت لازم برای اتصال اجزای مختلف در کف کارخانه را فراهم می‌کند.

• سری استانداردهای ISO 8000: استانداردهایی که به کیفیت داده‌ها می‌پردازند و برای اطمینان از صحت و اعتبار داده‌های ورودی به دوقلوی دیجیتال حیاتی هستند.