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数字孪生标准-数字孪生标准体系

发布时间:2022-07-29

编辑人:灵图互动

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数字孪生是指针对物理世界中的物体,通过数字化的手段构建一个在数字世界中一模一样的实体,借此来实现对物理实体的了解、分析和优化。从技术角度而言,数字孪生集成了建模与仿真、虚拟现实、物联网、云边协同以及人工智能等技术,通过实测、仿真和数据分析来实时感知、诊断、预测物理实体对象的状态,通过指令来调控物理实体对象的行为,通过相关数字模型间的相互学习来进化自身,合理有效地调度资源或对相关设备进行维护。

数字孪生标准体系

数字孪生标准体系由数字孪生各项子标准体系组成,数字孪生标准体系结构如图1-3所示。

数字孪生标准体系结构

图1-3数字孪生标准体系结构

1. 数字孪生基础共性标准

数字孪生基础共性标准主要规范数字孪生的基础性和通用性标准,相关标准及主要内容如图1-4所示。

数字孪生基础共性标准及主要内容

图1-4数字孪生基础共性标准及主要内容

(1) 术语标准

定义数字孪生有关概念及相应缩略语,可以帮助使用者理解数字孪生概念,并为其他各部分标准的制定提供支撑。数字孪生相关术语包括数字孪生主要概念定义、关键技术以及相近概念等,例如数字孪生、孪生数据、数字线程、数字孪生模型、数字孪生系统、数字孪生技术、数字孪生平台、多空间尺度模型、多时间尺度模型、多维动态模型、物理实体、虚拟实体、连接、数字孪生服务、服务化封装、数字足迹、数字化资产、虚实交互等。

(2)参考架构标准

数字孪生按照物理实体的功能及结构可分为单元级数字孪生系统级数字孪生和复杂系统级数字孪生3个层级。参考架构标准对上述3个层级的分层规则、数字孪生体系架构以及各部分参考架构进行规范,帮助使用者明确数字孪生分层方法、体系结构以及各部分之间的关系。参考架构标准包括数字孪生分层准则、数字孪生总体参考架构、单元级数字孪生参考架构、系统级数字孪生参考架构、复杂系统级数字孪生参考架构、数字孪生五维模型总体架构、数字孪生物理实体、数字孪生虚拟实体、孪生数据、连接与交互、数字孪生应用/服务平台、数字孪生安全参考架构和数字孪生测评参考架构等。

(3) 适用原则

规范数字孪生的适用性要求,帮助使用者决策实体是否适用数字孪生,包括功能要求、性能要求、安全要求、可靠性要求、维护要求、一致性要求(包括可测性要求)等。

2. 数字孪生关键技术标准

数字孪生关键技术标准用于规范数字孪生实施过程中涉及的关键技术要求,如图1-5所示。

数字孪生关键技术相关标准

图1-5数字孪生关键技术相关标准

2.1 物理实体标准

物理实体标准主要对物理实体的感知接入、决策执行、边缘端协作方面进行规范,相关标准及主要内容如图1-6所示,包括以下几个方面:

物理实体相关标准及主要内容

图1-6物理实体相关标准及主要内容

(1)感知接入标准

规范数字孪生系统中人、机、物、环境等物理实体的感知接入相关技术要求,保证物理实体信息获取与上传的规范性和兼容性,包括固有属性感知接口、历史属性读取接口等静态属性感知要求,以及实时状态感知接口、感知装置安装部署、感知装置性能、感知接入时间敏感性等动态属性感知要求。

(2)决策执行标准

规范物理实体的运行控制、运行优化、维护策略、故障自恢复的决策执行相关技术要求,包括控制指令格式、指令校验、指令注入权限等控制指令接入要求:响应时间、执行效率、时序同步等时间敏感性要求;执行精度、执行稳定性、执行反馈等执行有效性要求。

(3)边缘端协作标准

规范数字孪生系统物理实体边缘端协作相关技术要求,包括边缘端部署架构、边缘端功能边界划分准则、边缘端计算接口、边缘端计算性能、边缘端网络性能等。

2.2 虚拟实体标准

虚拟实体标准主要对模型功能、模型描述、模型构建、模型组装、模型验证、模型运行、模型管理进行规范,相关标准及主要内容如图1-7所示,包括以下几个方面:

虚拟实体相关标准及主要内容

图1-7虚拟实体相关标准及主要内容

(1)模型功能与描述标准

规范几何、物理、行为、规则多维多时空尺度模型的功能与描述相关技术要求,包括几何功能、物理功能、行为功能、规则功能、维度功能、尺度功能、时空粒度功能、能力描述、性能描述、建模语言、模型封装、模型输入输出描述等。

(2)模型构建与组装标准

规范几何、物理、行为、规则多维多时空尺度模型的构建与组装相关技术要求,包括考虑模型性能的建模规则、建模环境、建模过程、模型组装规则、模型组装接口、模型组装过程、模型扩展等。

(3)模型验证标准

规范几何、物理、行为、规则单个模型与组装模型的分层级验证相关技术要求,包括单个模型与组装模型的验证规则、验证环境、验证流程、功能验证、性能(包括粒度、质量、准确性、可用性、易用性等)验证、一致性验证、兼容性验证等。

(4)模型运行与管理标准

规范模型的运行与管理相关技术要求,包括模型运行环境、模型运行配置、模型运行实时监测、模型简化/轻量化原则、模型更新、模型优化、模型增删改查等。

2.3 孪生数据标准

数据是驱动数字孪生系统运行的根本。孪生数据标准主要是对数字孪生系统涉及的孪生数据表示、分类、存储 预处理、使用与维护、测试进行规范,相关标准及主要内容如图1-8所示。

孪生数据相关标准及主要内容

图1-8孪生数据相关标准及主要内容

(1)数据表示标准

规范数字孪生数据表示涉及的相关技术要求,包括孪生数据表示准则、数据索引、数据结构、数据时序关系、数据空间关系等。

(2)数据分类标准

规范数字孪生系统涉及到的孪生数据类别,包括分类准则、历史数据和实况数据,其中历史数据和实况数据包含物理实体、虚拟实体和服务产生的状态数据、控制数据、衍化数据、知识数据、仿真数据、管理数据等。

(3)数据存储标准

规范孪生数据存储相关技术要求,包括分布式存储、本地存储、存储介质、数据存取等。

(4)数据预处理标准

获取到物理实体、虚拟实体和服务的原始数据之后,需要对其进行预处理操作,相关技术要求包括数据清洗、数据降阶、数据变换、数据规约、数据关联、数据集成等。

(5)数据使用与维护标准

规范孪生数据使用与维护过程中涉及的相关技术要求,包括使用环境、数据融合、数据可视化、数据优化、数据加载、数据共享、数据维护等。

(6)数据测试标准

规范数据测试相关技术要求,主要包括数据测试流程、数据规范性测试、数据完整性测试、数据准确性测试、数据兼容性测试、数据易用性测试等。

2.4 连接与集成标准

连接与集成标准主要对数字孪生物理实体、虚拟实体、服务、数据库的数据连接与集成进行规范,相关标准及主要内容如图1-9所示。

连接与集成相关标准及主要内容

图1-9连接与集成相关标准及主要内容

(1)连接映射标准

规范数字孪生中物理实体、虚拟实体、服务与数据库的连接映射相关技术要求,包含连接方式、映射模型、映射字典等。

(2)信息传输标准

规范物理实体、虚拟实体、服务与数据库之间的数据传输相关技术要求,包括传输协议,传输实时性,传输可靠性,传输安全等。

(3)交互与集成标准

规范物理实体、虚拟实体、服务与孪生数据之间的交互与集成相关技术要求,包括物理实体与虚拟实体交互、物理实体与孪生数据交互、物理实体与服务交互、虚拟实体与孪生数据交互、虚拟实体与服务交互、服务与孪生数据交互、系统集成方法、系统集成运行机制等。

(4)连接测试标准

规范物理实体、虚拟实体、服务与数据库之间的连接测试相关技术要求,包括连接兼容性测试、连接可靠性测试、连接时间敏感性测试、交互功能与性能测试、系统集成测试等。

2.5 服务标准

服务标准主要对服务描述模型、服务开发、服务部署、服务运行、服务管理、服务质量与评测、服务交易进行规范,相关标准及主要内容如图1-10所示。

服务相关标准及主要内容

图1-10服务相关标准及主要内容

(1)服务描述模型标准

规范数字孪生中的服务描述模型建模相关技术要求,包括建模规则、建模环境、建模语言、建模流程等。

(2)服务开发标准

规范服务开发的相关技术要求,包括功能描述、设计规范、开发环境、开发流程、服务封装、服务模板库等。

(3)服务部署与运行标准

规范数字孪生中服务部署及运行相关技术要求,包括部署要求、运行环境、服务实例化、运行监测、服务协作、服务运行容错等。

(4)服务管理标准

规范服务全生命周期过程管理相关技术要求,包括服务搜索、供需匹配、服务优选、服务调度、服务组合、服务容错、服务协作等。

(5)服务质量与评测标准

规范数字孪生的服务质量与评测相关技术要求,包括时间、成本、信誉、满意度、非功能服务质量(包括可伸缩性、可扩展性、可重用性、鲁棒性、可测试性)等。

(6)服务交易标准

规范数字孪生的服务交易相关技术要求,包括服务交易平台、服务交易方式、服务交易安全、服务定价与计费、服务授权等。

3. 数字孪生工具及平台标准

数字孪生工具及平台标准用于对数字孪生实现过程中涉及的软硬件工具及平台进行规范,相关标准及主要内容如图1-11所示。

数字挛生工具及平台相关标准及主要内容

图1-11数字挛生工具及平台相关标准及主要内容

(1) 工具标准

规范数字孪生中涉及的软硬件工具相关技术要求,包括工具功能、工具性能、工具运行环境、工具二次开发、工具集成、工具使用与维护等。

(2)平台标准

规范数字孪生实现过程涉及的平台相关技术要求,包括平台功能、平台性能(包括平台基本性能、可靠性、扩展性、安全性)、平台运行环境、平台使用和维护、平台接口与集成、平台安全等。

4. 数字孪生测评标准

数字孪生测评标准用于对数字孪生体系的测试要求与评价方法进行规范,相关标准及主要内容如图1-12所示。

数字孪生测评相关标准及主要内容

图1-12数字孪生测评相关标准及主要内容

(1)测评导则

规范数字孪生体系的测试与评价过程的基本要求,包括测评目的、测评类型、测评等级、测评环境、测评工具、测评保密安全等。

(2)测评过程标准

规范数字孪生体系的测试与评价过程相关技术要求,包含测评分析、测评准备、测评方法选择、测评步骤、测评文档等。

(3)测评指标标准

规范数字孪生体系测试与评价过程涉及的各类指标要求,例如稳定性、可靠性、易用性、安全性、一致性、可维护性、保障能力、移植性、扩展性、自适应性、自演化性、可测性、经济性、满意度等。

(4)测评用例标准

规范数字孪生体系的测试与评价用例相关技术要求,包括用例选取、用例校验、用例使用、用例归档等。

5. 数字孪生安全标准

数字孪生安全标准用于规范数字孪生体系安全,相关标准及主要内容如图1-13所示。

数字孪生安全相关标准及主要内容

图1-13数字孪生安全相关标准及主要内容

(1)物理系统安全要求

规范数字孪生体系中物理系统的安全要求,包括物理系统安全风险分析、电气系统安全、机械系统安全、本质安全、功能安全等。

(2)功能安全要求

规范数字孪生中的设计、制造、安装、运维等过程的安全功能相关技术要求,包括孪生系统安全风险分析、孪生系统安全功能设计、孪生系统安全完整性等级评估等。

(3)信息安全要求

规范数字孪生体系中涉及的各类信息安全相关技术要求,包括孪生系统信息安全风险分析、孪生数据安全、孪生系统网络安全等。

6. 数字孪生行业应用标准

依据数字孪生基础共性标准、关键技术标准、工具及平台标准,测评标准和安全标准,结合各行业或领域自身需求与特点,制定数字孪生机床、数字孪生车间、数字孪生卫星、数字孪生发动机、数字孪生工程机械装备、数字孪生城市、数字孪生船舶、数字孪生医疗等具体行业的应用标准。在数字孪生使用前,应用对象、功能需求、适用性评价等行业应用标准能够帮助企业决策数字孪生的适用性;在数字孪生使用过程中,技术要求、工具标准、平台标准等结合行业/领域特性的应用标准能够指导数字孪生在各领域的应用落地:在数字孪生使用后,测试要求、评价方法、安全要求、管理要求等行业应用标准能够指导数字孪生的评估及优化方法,保证其使用安全性、稳定性、可用性与易用性。


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