微軟DTDL 應用介紹與案例

摘要：透過微軟Azure Digital Twins (ADT)技術，工研院機械所與臺灣微軟合作開發的ITRI-ADX專案，為工業界提供了一套DTDL (Digital Twins Definition Language) 管理工具。此專案採納了容器化技術和微服務架構，並且整合了OPC UA、Modbus、AMQP等多種通訊協定，示範DTDL在塑橡膠射出機(Injection Molding Machines, IMM)及工具機(Universal Machine Technology Interface, Umati)的應用落地。ITRI-ADX不僅提高了開發效率，其無代碼及低代碼彈性擴展的設計，加上直觀的可視化操作介面，大幅提升了產業導入的效率和效益。
Abstract：Through Microsoft Azure Digital Twins (ADT) technology, the Industrial Technology Research Institute (ITRI) collaborated with Microsoft Taiwan to develop the ITRI-ADX project, providing the industrial sector with a DTDL management toolset. This project adopts containerization technology and microservices architecture. It integrates multiple communication protocols such as OPC UA, Modbus, and AMQP, demonstrating the application of DTDL in injection molding machines (IMM) and machine tools (Umati). ITRI-ADX not only improves development efficiency but also its no-code and low-code flexible expansion design, along with an intuitive visual operation interface, significantly enhances the efficiency and benefits of industry adoption.

關鍵詞：數位雙生定義語言、智慧機械雲、無代碼
Keywords：Digital twins definition language, iMacloud, No-code

前言
工研院機械所與臺灣微軟合作開發的ITRI-ADX專案，旨在透過Azure Digital Twins簡稱ADT技術，為工業用戶提供一套無代碼的可視化工具方案。ADT技術是專為數位雙生和物聯網(IoT)服務設計的技術，而ITRI-ADX則作為此系統的視覺化工具，提供用戶直觀的介面來查看、修改和分析生產過程中的數據和關係。此外，ITRI-ADX還提供了一個基於.NET Core Blazor的容器化微服務專案，允許前端用戶透過瀏覽器進行無代碼的互動操作，核心實現與OPC UA、Modbus及RabbitMQ AMQP等工業通訊架構的整合和資料映射。技術架構方面，ITRI-ADX採用了微軟的.NET Core Blazor框架，支持跨平台和容器化部署，提升了開發效率和應用性能。商務效益上，ITRI-ADX推動了國內製造業的智慧製造應用，通過低代碼、無代碼的設計和可視化操作，加速了Model與DTDL模型的建立、更新與維護，有效提升了產業導入的效率與效益。
Microsoft微軟的數位雙生定義語言(DTDL) 已開放給社群，它基於JSON-LD和RDF等開放 W3C 標準，這讓DTDL能夠輕鬆地在不同的服務和工具之間進行應用。DTDL被用於為各式各樣的應用場景定義數位雙生，包括但不限於微軟官方案例提供的範疇。DTDL可以明確定義數位雙生的結構、關係和能力，使其成為構建數位雙生解決方案的基礎組件；經由客戶、合作夥伴及業界的合作，允許DTDL數位模型來映射和反映現實世界中的實體、環境和系統之間的互動[1]。微軟官方提供DTDL一些應用和案例場景如下：
‧智慧建築和基礎設施：可用於模擬建築及其系統(如HVAC空調、照明和安全系統)，以優化操作、能源使用和維護計畫。
‧智慧聯網(AIoT)：在製造和工業環境中，DTDL有助於對複雜機械和生產線進行建模，用於監控、預測性維護和營運效率。
‧智慧能源：對於能源管理和優化，DTDL模型可以代表能源資產，如風力渦輪機和太陽能板，促進更好的整合、性能分析和電網管理。
‧醫療保健：模擬醫院資產、病患護理設備，甚至是模擬病患流動，以改善護理的提供和營運效率。
‧智慧城市：模擬城市基礎設施、交通系統和公共服務，以增強城市規劃、環境監測以及公民服務。
以上這些例子凸顯了微軟DTDL通過提供一種標準化方式，來代表和與物理資產以數位分身互動，使各個領域的數位轉型成為可期待的多功能性和潛力。
數位分身介紹-國際標準與聯盟
本文提到的數位分身技術，包括數位雙生(Digital Twins, DT)與數位三重體(Digital Triplets, D3)。Digital Twins在實現智慧工廠方面有其重要性，可模擬生產線上的人機交互，並透過即時監測和控制來提高決策和異常檢測的效率。近年來也有Digital Triplets，D3的研究提出是在數位雙生(Digital Twins)概念基礎上的進一步擴展，它不僅包括了物理實體在數位空間的映射(即數位雙生)，還涉及到與人的互動和AI協同工作的能力。數位分身技術在製造業、城市規劃、醫療等領域的應用正迅速發展，在日本也正透過模擬人機交互來優化生產流程，並在健康護理中提供個性化醫療方案，在健康護理和遠程醫療服務中，透過D3技術可以更精確地模擬和預測病人的健康狀態，從而提供更個性化的醫療建議和治療方案。D3技術可以用來模擬對組織 IT 基礎設施的更改影響，如增加新應用程序、升級硬體或軟體，或更改網路配置，模擬IT基礎設施變更的影響。由Umeda等人的研究，講述了為支持日本製造業常見的持續改進(起源於豐田公司的Kaizen)改善法，開發了一個基於「D3」概念的教育計畫，旨在結合虛擬和實體世界，強調知識共享和系統工程師的智能活動[2]。由Alima等人的研究，發表於2023年的《Sustainability》期刊，該研究聚焦於透過技術進步實現工業4.0向工業5.0的演進，結合了人工智慧、人類創造力和經驗，以促進智慧工廠的人本中心、可持續性和韌性。文章展示了如何透過對傳統鑽床的智慧改造，並探討了D3在促進工業自動化、網路安全和人工智慧等領域的應用，並提出了一個具體案例，展示了如何通過即時監控、控制、認證和優化系統來增強決策制定和異常檢測的過程、可持續性和韌性智慧工廠的重要性[3]，如圖1所示。

圖1 出自於Digital Triplets 新概念pattern的互動圖
資料來源：Sustainability 工研院機械所重製

接著介紹與數位分身技術相關的國際標準，特別是微軟的Azure Digital Twins (ADT)，此外，還包括數位雙生相關的聯盟和協會，例如工業數位雙生協會(Industrial Digital Twin Association, IDTA)、5G汽車協會(5G Automotive Association, 5GAA)、清潔能源智慧製造創新研究所(Clean Energy Smart Manufacturing Innovation Institute, CESMII)和臺灣數位雙生學會等。雖然這些標準由不同標準制定組織提出，如資產管理殼(Asset Administration Shell, AAS)、數位雙生定義語言(DTDL)、NGSI-LD API、開放資料協定(Open Data Protocol, OData) v4.0、SensorThings API (STA) v1.0及WoT，它們透過使用Web標準來實現設備間的通訊。這些標準在許多方面採取了類似的方法或解決方案，包括對JSON格式的支援，提供了一種統一的方式來描述和交互物聯網中的資源，如表1所示[4]。

表1 分析不同物聯網(IoT)和數位雙生(DT)標準的分類[4]  

資料來源：Applied Sciences 工研院機械所重製