林业4.0：数字孪生赋能智能林业

工业4.0超越工厂：林业应用

扬·赖茨、米夏埃尔·施卢泽和尤尔根·罗森曼
人机交互研究所，亚琛工业大学，reitz@mmi.rwth‐aachen.de， schluse@mmi.rwth‐aachen.de， rossmann@mmi.rwth‐aachen.de
www.mmi.rwth‐aachen.de

摘要

纸张、包装或家具等产业严重依赖木材作为基础资源，使得林业领域成为经济的重要组成部分。然而，林区不仅是经济资源，也是具有重要文化与生态意义的公共产品。
这导致了众多的限制条件和法规，旨在确保可持续利用。结合该行业高度的专业分工和去中心化的工作流程，形成了具有大量利益相关者的高度复杂的增值链。尽管存在许多创新的技术解决方案，旨在解决个别问题，但仍然缺乏能够实现集成化增值网络的整体性方法和基础设施。
基于制造业在工业4.0方面的经验，我们提出一个新概念：林业4.0。其实现涉及将木材资源、数据集、现有及新的软硬件组件以及利益相关者整合到林业领域的新型物联网、服务与人之中。其节点为数字孪生，用于描述其对应的现实世界实体，预测/控制其行为，并将其集成到周围系统/流程中。通过这种方式，林业4.0旨在整合当前孤立的实体，并揭示新技术解决方案和商业模式的潜力。
最后，我们展示了在多领域仿真系统中实施该概念的初步步骤，并提出了将该概念推广到林业领域的策略。

关键词 ：工业4.0，林业，林业4.0，数字孪生

1 引言

林业领域的经济影响显著——仅在北莱茵‐威斯特法伦州，就有18000家企业雇佣了16.5万人员，创造了380亿欧元的收入——但其复杂性也同样突出。这种复杂性体现在相关利益相关者的数量和多样性，以及组织结构和流程的复杂程度上。当前的技术和行政方法在管理由此产生的具有长供应链、去中心化流程以及涉及森林管理多元利益的复杂增值网络方面显得不足。关于可持续林业、自然资源保护以及应对气候变化的最优利用等新要求，难以与经济激励相协调。过去的技术解决方案要么过于狭窄而不足以解决问题，要么过于复杂而未能得到广泛应用。与此同时，从传感器到机械和软件产品等创新且强大的组件已经出现，但仍处于孤立状态。迫切需要一个总体性概念来整合这些碎片化应用。
制造业为应对增值网络、产品和流程中日益增长的复杂性而提出的解决方案是工业4.0。将工业4.0的理念与技术应用于林业领域，似乎是优化现有流程并催生新商业模式的可行途径。通过把握数字孪生和物联网、服务与人（IoTSP）等核心概念，并将其应用于林业领域，我们提出了一种面向去中心化产业的去中心化方法，并展示了如何在实践中实现这一方法。
本文其余部分组织如下。第2节介绍了工业4.0的最新进展，其在其他领域的应用以及现有林业应用。第3节总结了导致林业4.0发展的林业特定挑战，如第4节所示。第5节概述了在虚拟测试平台中通过基于仿真的快速原型法实现的数字孪生的初步应用。

2 研究现状

工业4.0

林业4.0依赖于工业4.0的概念。近年来，“工业4.0”这一术语获得了广泛关注，并主要在制造业领域被广泛讨论。它通过数字化、自动化和个人化 [4]，描述了对制造和商业流程的理解、组织和控制的新水平。推动这一发展的关键技术是资产在物联网服务平台（IoTSP）中的连接。这简化了通信，提供了对大量实时数据的访问，并实现了由智能/智能化信息物理系统（CPS）组成的复杂增值网络。结合灵活的云计算服务和高级数据分析等技术，进一步扩展了优化和更紧密整合增值链的机会。

在其他领域的应用

在汽车行业等主要制造业中开始变得普遍的技术和理念，在经济的其他领域却远未成为常态。转移这些理念和技术在其他领域的应用具有巨大的创新潜力。目前已有成功技术转移的初步实例，农业就是一个突出的例子。先进的农场管理系统提供优化的作业计划、自动化文档，以及机械、农民和管理者之间便捷的沟通方式。自主农业机械正逐渐成为现实，由高精度GPS引导的驾驶辅助系统提高了效率并减轻了驾驶员负担，同时根据遥感生成的地图精确投放种子和肥料。硬件与软件的连接是这些创新的核心。

林业中的工业4.0

近年来，已开发出多种概念和技术解决方案，用于在林业应用中实现工业4.0的某些方面。如今，众多制造商提供了对机械或动力工具运营数据的实时访问服务。然而，这些解决方案仅限于各自制造商的设备（例如约翰迪尔TimberLink、庞塞Opti、小松MaxiXplorer、胡斯克瓦那车队服务）。
目前仍缺乏一种基于整体协作架构的供应商和流程无关的方法，该架构包含节点和接口，可灵活配置增值网络，支持节点间的实时通信，并根据工业4.0原则实现产品与流程之间的无缝通信 [10]。

3 域特定挑战

复杂的增值网络

林业领域以高度的劳动分工为特征，即由多个独立且异构的利益相关者组成，他们使用专用机械、手持设备以及软件应用/服务，在高度去中心化的流程中开展工作。图1展示了由此形成的复杂增值网络的简化视图。显然，其中存在多个利益相关者和参与者，他们大多数相互影响，但并未明确连接。
以消耗木材的锯木厂和砍伐树木的承包商为例，二者显然是有关联的，因为承包商在原木类别和规格方面的决策会直接影响锯木厂内部的流程。然而，这些利益相关者之间并没有直接的沟通渠道。与行业代表的交谈表明，信息从锯木厂办公室传递到收割机可能需要长达十二周的时间。这种延迟使得对不断变化的市场需求做出快速反应变得极为困难。此外，图1还显示，林业并非一个孤立的产业。相反，由于其在森林中的存在及其对森林的影响，该产业与保护和可持续性等问题密切相关，同时也与游客和猎人的需求紧密相连。

动态环境

与工厂车间相比，林区的条件始终在变化。短期的波动（如天气）存在接下来对周期性变化模式（如季节）以及看似随机的冲击（如极端天气事件和虫害入侵）做出反应。所有这些因素都会直接影响木材采伐过程，进而影响木材市场。
特别是大规模风倒木等突发事件，要求所有相关参与者及时响应。

不可靠的互联网连接

林业领域的工作人员经常在偏远地区作业，这些地区的可靠互联网连接无法得到保障。任何解决方案都必须能够应对长时间的网络中断。
尽管林业领域的这些挑战性特征加剧了工业4.0技术的引入难度，但也为改进带来了巨大机遇。目前大多数规划和业务流程依赖于直觉和经验，因为缺乏可靠的决策数据基础。相关方往往对变化的条件做出被动反应，而非主动规划和应对。通过提供数据可用性、简化的沟通以及仿真等预测工具来弥补这一差距，具有巨大的潜力。

4 林业4.0概念

遥感和地面方法能够创建森林的精确数字表示。与机械和工具的数字表示相连接，为整个流程的数字化提供了基础。这实现了物、人员和服务之间的高效通信，并提高了自动化的潜力。我们建议基于数字孪生的概念，采用以对象为中心的方式连接这些数字表示。

什么是数字孪生？

“数字孪生”这一术语于2011年开始在工业4.0背景下受到关注。然而，迄今为止，该术语尚无统一的定义。[7]中提供了关于数字孪生不同观点和应用的调查。通常，该术语用于描述两个概念：信息物理系统的管理外壳和仿真模型。从仿真技术的角度来看，重点在于对资产行为的预测。在此背景下，数字孪生成为可实验的数字孪生（EDT，[9]）。从工业4.0的角度来看，数字孪生是物理资产的虚拟数字表示，该术语与管理外壳同义使用[1]。从这一角度来看，数字孪生的主要功能是在物联网服务平台中表示资产并与其通信。
这两种视角并非互斥，而是强调了资产数字化的不同方面。在林业中，这两种视角均有相应的用例。森林的数字孪生可用于模拟某项行动对生态系统在长达数十年时间尺度上的影响[5]，也可以通过连接土壤湿度传感器并分析实时测量数据，来推断森林对大型机器的可进入性。

图2展示了一台作为信息物理系统（CPS）的收割机，由物理资产及其数字孪生体组成。物理资产与其数字孪生体之间的内部通信（以黑色箭头表示）通过给定资产上的可用接口（例如CAN总线）单独实现。如果数字孪生体按照预定好的一套规则实现，则可利用工业4.0通信方式（如MQTT或OPC UA）实现与其他物、服务及人员的互操作性。

Connecting Digital Twins

如第3节所述，在林区作业时可能会出现严重的网络中断。我们必须确保信息物理系统在网络无法访问的情况下仍能安全运行。
隐私和数据所有权是另一个重要问题，尤其是在较为保守的林业领域，人们对中央平台存在抵触情绪。
我们认为，由作为对等节点的数字孪生构成的通信架构可以解决这些问题。这种以对象为中心的视角本质上是去中心化的，允许信息物理系统通过本地网络进行通信，即使在没有互联网接入的区域也能确保每个具有充分授权的人都能随时获取周围信息物理系统的最新数据。它还解决了隐私问题，因为数据存储在本地网络内，而不是中心化云平台。这意味着大多数智能功能被集成到各个信息物理系统中，使其相比集中式架构具有更高的自主性。
工业4.0通过提供通信标准奠定了基础，但要实现跨领域和跨供应商的互联林业领域的愿景，仍需进一步制定针对林业特定数据建模的标准。

图3展示了使用OPC UA连接两个信息物理系统（CPS）的示意图。在此示例中，数字孪生被实现为一个OPC UA服务器，通过安全会话连接到OPC UA客户端应用程序，例如另一个数字孪生或与信息物理系统交互的人员。所需的公钥基础设施（PKI）以及发现服务器均为OPC UA规范内置的功能。
为了确保物联网服务平台（IoTSP）不同节点之间的互操作性，需要标准化的信息模型。OPC UA规范旨在进行扩展，以满足不同领域的需求，如图4所示。
我们建议在林业领域引入一个特定领域的信息模型，沿用已有的ForestGML [8]。

Transformation of the Value-Added Network

通过引入数字孪生，将利益相关者、机械和软件服务连接起来，对林业领域产生了重大影响。图5展示了图1中增值网络向由相关利益方/参与者监督的数字孪生网络的转变。在此，所有物理资产都被表示为信息物理系统，能够彼此之间以及与授权人员进行信息交换。信息物理系统与人员之间的交互用灰色箭头表示。这些交互可以是与机械和工具的直接交互，例如林务员与油锯之间的交互，也可以是通过网络进行的交互，例如通过网站。过去需要长达十二周时间才能完成的锯木厂与收割机之间的信息交换，现在可以即时完成。
信息物理系统之间的通信通过绿色箭头表示。这些直接连接能够显著提升效率，并具备自动化常规流程的潜力。收割机可以在木材准备好取货时，自动通知运输卡车具体的时间和地点。

5 基于仿真的快速原型开发

我们采用基于仿真的系统工程方法[9]来开发数字孪生、其信息模型和接口。
该方法的基础是基于模型的系统工程，用于定义由数字孪生所表示的所有资产的结构。通过集成各类计算机辅助设计/仿真/行为模型、（控制）算法以及通信基础设施，将数字孪生扩展为可实验数字孪生（EDT）。包含相互作用的可实验数字孪生网络的场景在虚拟试验台（VTB）中进行仿真，VTB提供了必要的数据管理、通信和仿真基础设施。可实验数字孪生包含实现各种仿真算法所需的所有信息，例如刚体/柔体动力学、接触动力学、传感器/执行器动力学、数据处理算法以及不同类型的通信网络等。它们可以在虚拟试验台内与其他可实验数字孪生进行通信，也可以在混合设置中与真实的CPS进行通信。这使得涉及多个物理资产的应用能够实现快速原型开发，而此类开发若在现实中进行则会因资金和时间限制而无法实现。

图6显示了一个截图，描绘了两个VTB，其中包含收割机和集材机的高精度 EDT，这些机械配备了虚拟OPC UA服务器和客户端（另见图3）。它们正在基于遥感数据[3]精确建模的森林EDT中行驶。可以模拟这三台EDT之间的交互操作，例如伐木和装运树木。这两个EDT通过外部OPC UA通信基础设施进行通信。此外，还可以实现纯虚拟设置，通过纯虚拟通信将所有（实验性）数字孪生整合到一个单一的VTB中。其他可用的机械EDT包括集材机或拖拉机，设备如油锯，以及软件应用和服务的数字孪生。

6 结论与未来工作

我们提出了一种通过用互联的数字孪生网络取代集中式软件单体来连接林业领域的概念。这不仅将提高行业内的效率，还将促进公众的参与。同时，这也为新的商业模式（例如“X即服务”）奠定了基础。该愿景涉及建立林业特定的数据建模和通信标准。我们建议采用OPC UA，并展示了在多领域仿真系统中，物理资产及其相应的数字孪生体相互通信的初步仿真结果。
下一步将包括创建一个包含选定物理资产的数字孪生体和EDT的代表性资源库。
在此基础上，将在虚拟智能森林实验室基础设施中开发多种应用，同时迭代优化所采用的数据模型和通信策略。与虚拟 counterpart 并行建设的物理 counterpart——现实智能森林实验室——正在开发中，它由一组具有代表性的森林场地、森林机械与设备以及软件服务和应用程序组成，所有这些都配备了上述通信接口。两者将共同构成一个由数字孪生体组成的增值网络，可用于配置特定的增值链，并在真实场景中验证由此产生的流程。这些环境共同支持在纯虚拟场景中的快速原型设计、真实与虚拟信息物理系统在混合设置中的集成，以及在真实条件下进行实地测试验证。