数字孪生关键技术标准
2022-10-19 来源： 智造苑
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，相关标准如图1所示，包括物理实体标准、虚拟实体标准、孪生数据标准、连接与集成标准、服务标准五部分。[1]
图1 数字孪生关键技术相关标准[1]
「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2所示，包括以下几个方面：[1]
（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。
图2 物理实体相关标准及主要内容[1]
「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3所示，包括以下几个方面：[1]
（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[2]，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。
图3 虚拟实体相关标准及主要内容[1]
「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4所示，包括以下几个方面：[1]
（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，包括数据属性、数据描述、数据索引、数据结构、数据时序关系、数据空间关系、数据用例等。
（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、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、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。
图4 孪生数据相关标准及主要内容[1]
「4. 孪生数据相关标准及主要内容」
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5所示，包括以下几个方面：[1]
（1）连接映射标准。规范数字孪生中物理实体、虚拟实体、服务与数据库之间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、孪生数据与服务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、交互网络、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。
图5 连接与集成相关标准及主要内容[1]
「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、服务质量与测评、服务交易进行规范，相关标准及主要内容如图6所示，包括以下几个方面：[1]
（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QoS与测评标准。规范数字孪生的服务QoS与测评相关技术要求，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。
图6 服务相关标准及主要内容[1]
参考文献
[1]陶飞, 马昕, 胡天亮, 等. 数字孪生标准体系[J]. 计算机集成制造系统, 2019(10): 2405-2418.
[2]陶飞, 张萌, 程江峰, 等. 数字孪生车间——一种未来车间运行新模式[J]. 计算机集成制造系统, 2017, 23(1): 1-9.
引自：《数字孪生及车间实践》（作者：陶飞，戚庆林，张萌，程江峰）
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