数字孪生（DT）、人工智能（AI）与工业物联网（IIoT）技术的进步显著推动了制造业数字化，但这些技术通常被应用于单个制造过程，而非整合进统一的信息物理制造环境。为此，有研究提出了一种信息物理数字工厂架构，用以支撑“离身作业”（disembodied work）：制造系统可通过扩展现实（XR）用户界面实现远程监督与操作，由基于AI的控制与人类操作员协同完成。该架构将同步数字孪生、分层云边AI、IIoT与XR遥操作界面集成为一体的信息物理制造环境，并通过数控加工、机器人辅助磨削与机器人化拆解等代表性制造作业完成验证。
一、动机：作业与场所的解绑
制造业与建筑业面临劳动力供给不足与生产外包的压力。年轻一代普遍认为工厂工作缺乏弹性、安全性差、人机工效不佳：调查显示77%的受访者会考虑离开要求完全到岗的工作，21%的人愿意接受降薪以维持远程工作。2001至2018年间，美中贸易逆差与美国约370万个岗位流失相关联，其中近75%属于制造业。然而，由于监督、异常处理与复杂决策仍需与制造资源直接交互，熟练操作员仍被物理绑定在工厂内。论文提出的“离身作业”，指人类无需与制造资源共处一地，即可监督、协作或介入物理制造系统；与常规遥操作不同，它允许通过同步数字孪生在自主系统与远程操作员之间动态分配决策权限。该模式本身并不阻止外包，但它让实体资产、工装与物料流留在本地，同时扩大了可操作这些资源的人才池。
二、三层数字工厂架构
所提架构按时间尺度与决策层级划分为三层，形成跨机器、制造单元与工厂级的互联信息物理反馈回路。制造资源层由物理制造系统构成，对外提供运动执行、操作、工艺执行与工艺感知等标准化能力，从而以统一操作接口协调异构设备。执行层是运行核心，包含三个协同组件：任务调度器协调跨制造资源的并发信息物理活动，每项活动以包含假设、进展条件与保证条件的“契约”表示，契约检查器在运行过程中持续校验这些条件，防止冲突操作——活动只有在前置条件满足时才能开始，执行中必须体现可度量的进展，且需满足后置条件后系统才继续推进；模式切换器负责在自主控制与人类监督遥操作之间动态分配决策权限，依据任务复杂度、置信水平、安全约束与通信状况，在AI自主、半自主混合与完全远程操作之间迁移控制责任；安全监视器不依附于任何具体任务，持续独立地执行碰撞避免、安全线速度以及对人员和其他机器的保护距离约束。云应用层是人机交互所在层，操作员通过XR界面与系统交互。
三、执行模式与人机权限切换
系统支持两种操作模式。遥操作模式下，操作员通过XR用户界面实时控制设备，适用于此前未遇到的新任务或非结构化任务，例如拆解未知型号的电动汽车电池（EVB）或处理数控机床错误状态。自主模式下，系统调用已学习的任务模块与基于强化学习（RL）的策略执行熟悉任务，例如重复拆解已知型号EVB或在正常工况下加工零件。两种模式并非互斥，操作员可在任务中途移交自动化，并随时重新接管遥操作。模式切换器的实现遵循Simplex架构的思路：把自主策略视为高性能但未经形式化验证的控制器，把人机在环控制视为安全回退项；当系统接近仍可恢复安全的区域边界时，控制权即由前者移交后者。由于接管者是人而非自动控制器，安全保证还取决于操作员的响应速度。
四、状态同步与分层AI
赛博与物理状态的持续同步是离身作业的前提。架构采用基于消息队列遥测传输（MQTT）协议的发布/订阅通信模型，实现物理制造资源、数字孪生、云服务与远程操作员之间的持续同步，并解耦软件组件，支持异构制造系统的可扩展集成。AI方面采用分层架构：云端AI运行在编排层，负责资源分配、调度、操作员管理、长期知识管理与工厂级决策，工作于较高级别的工作模块，即描述制造过程“是什么”而非“如何完成”；边缘AI则贴近物理制造系统，闭合低延迟的感知—行动回路。整体上，数字孪生提供信息物理系统的状态表示，IIoT实现信息交换，AI支撑决策，遥操作实现人的参与，四者共同构成统一的CPS。
论文还将该架构与ISO 23247、5C架构、RAMI 4.0与资产管理员外壳（AAS）、IEC 62264等参考架构进行了定位对比，认为既有数字工厂实现主要支持生产计划与仿真，数字孪生研究多聚焦于制造过程与系统，尚未建立把工厂级异构资源、过程与系统数字孪生、AI驱动监控与人机遥操作整合于统一数字工厂的运行型CPS架构。
小结
该研究提出的信息物理数字工厂架构，把同步数字孪生、分层云边AI、弹性通信与人机遥操作整合为统一的制造环境，并通过数控加工、机器人辅助磨削与EVB拆解等作业验证了可行性，为未来人机协同控制的数字工厂提供了可复用的信息物理框架。其核心价值在于：在保障安全的前提下，使人、智能软件与物理制造系统能够以地点无关的方式协同运行。
参考来源
本文根据 Cyber-Physical Digital Factory Architecture as the Enabler of Disembodied Work 等公开资料整理，版权归原作者与原媒体所有。