1. 北京航空航天大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)及電氣工程學(xué)院   2. 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院   3. 國(guó)家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心   4. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司   5. 中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院物聯(lián)網(wǎng)研究中心   6. 中國(guó)信息通信研究院信息化與工業(yè)化融合研究所   7. 國(guó)家工業(yè)信息安全發(fā)展研究中心系統(tǒng)所   8. 中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心   9. 機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所   10. 聯(lián)想（北京）有限公司   11. 北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所   12. 高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室   13. 樹根互聯(lián)技術(shù)有限公司   14. 海爾智家股份有限公司   15. 北自所（北京）科技發(fā)展有限公司   16. 中國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院   17. 中國(guó)空間技術(shù)研究院北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所   18. 科德數(shù)控股份有限公司

數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能化（如智慧城市、智能制造）、服務(wù)化、綠色可持續(xù)等是當(dāng)前全球工業(yè)和社會(huì)發(fā)展趨勢(shì)。數(shù)字孿生（Digital Twin）作為一種在信息世界刻畫物理世界、仿真物理世界、優(yōu)化物理世界、可視化物理世界的重要技術(shù)，為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)和趨勢(shì)提供了有效途徑。當(dāng)前，數(shù)字孿生技術(shù)被工業(yè)界和學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注和研究[1-2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止目前共有來(lái)自美國(guó)、中國(guó)、德國(guó)等40多個(gè)國(guó)家，超過160家機(jī)構(gòu)的500多位研究人員開展了數(shù)字孿生理論與應(yīng)用研究，并有相關(guān)研究成果發(fā)表，同時(shí)西門子公司、特斯拉公司、ANSYS公司、通用電氣公司等全球知名企業(yè)開展了數(shù)字孿生在相關(guān)領(lǐng)域的落地應(yīng)用實(shí)踐[2-3]。如在制造領(lǐng)域，以德國(guó)西門子公司為代表的企業(yè)研究了將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造、運(yùn)營(yíng)、服務(wù)、回收等全生命周期過程[4]。國(guó)內(nèi)北航數(shù)字孿生小組在2017年提出了數(shù)字孿生車間的概念，闡述了數(shù)字孿生車間的關(guān)鍵技術(shù)[5-7]，探索了數(shù)字孿生與大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人機(jī)交互、信息物理系統(tǒng)等技術(shù)的關(guān)系[8-11]，開展了數(shù)字孿生在設(shè)計(jì)[12]、制造[13-14]、服務(wù)[15-17]領(lǐng)域的應(yīng)用研究，并與國(guó)內(nèi)12家單位共同發(fā)起了數(shù)字孿生會(huì)議。在航空航天領(lǐng)域，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）、洛克希德·馬丁公司、美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室等開展了數(shù)字孿生在飛行器結(jié)構(gòu)優(yōu)化、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、壽命預(yù)測(cè)與健康管理等方面的應(yīng)用研究[18-20]。在交通領(lǐng)域，特斯拉公司、DNV GL船級(jí)社公司、SNC-蘭萬(wàn)靈公司（SNC-LAVALIN）等研究了數(shù)字孿生在汽車[21]、船舶[22]、火車[23]等領(lǐng)域的應(yīng)用。此外，在電力[24]、醫(yī)療[25]、智慧城市[26-27]等領(lǐng)域均有相關(guān)企業(yè)和科研單位開展數(shù)字孿生的應(yīng)用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)北航數(shù)字孿生小組提出了數(shù)字孿生五維模型，并和相關(guān)企業(yè)共同探討了數(shù)字孿生五維模型在衛(wèi)星/空間通信網(wǎng)絡(luò)、船舶、車輛、發(fā)電廠、飛機(jī)、復(fù)雜機(jī)電裝備、立體倉(cāng)庫(kù)、醫(yī)療、制造車間、智慧城市10個(gè)領(lǐng)域的落地應(yīng)用探索[14]。

然而，在多年的數(shù)字孿生理論研究與應(yīng)用實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：①缺乏數(shù)字孿生相關(guān)術(shù)語(yǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)、適用準(zhǔn)則等標(biāo)準(zhǔn)的參考，導(dǎo)致不同用戶從不同的應(yīng)用維度與技術(shù)需求層面出發(fā)，對(duì)數(shù)字孿生有不同的理解與認(rèn)識(shí)，從而造成數(shù)字孿生研究和落地應(yīng)用過程中存在交流困難、集成困難、協(xié)作困難等問題；②缺乏數(shù)字孿生相關(guān)模型、數(shù)據(jù)、連接與集成、服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)的參考，在數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)實(shí)施過程中，導(dǎo)致模型間、數(shù)據(jù)間、模型與數(shù)據(jù)間、系統(tǒng)間集成難、一致性差、兼容性低、互操作難等問題，造成新的孤島；③缺乏相關(guān)適用準(zhǔn)則、實(shí)施要求、工具和平臺(tái)等標(biāo)準(zhǔn)的參考，在相關(guān)行業(yè)/領(lǐng)域?qū)嵤?shù)字孿生過程中，造成用戶或企業(yè)不知如何使用數(shù)字孿生。

以上問題嚴(yán)重阻礙了數(shù)字孿生的進(jìn)一步發(fā)展與落地應(yīng)用，亟需數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)與參考，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)外尚未見到數(shù)字孿生相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布。因此本文結(jié)合前期數(shù)字孿生研究與應(yīng)用探索，與國(guó)內(nèi)本領(lǐng)域相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)委員會(huì)及應(yīng)用企業(yè)（包括機(jī)床、衛(wèi)星、發(fā)動(dòng)機(jī)、工程機(jī)械裝備等行業(yè)）共同建立一套數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，并從數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)六個(gè)層面進(jìn)行具體闡述，期望為數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)研究人員提供參考。

1.1數(shù)字孿生的理解與溝通需標(biāo)準(zhǔn)輔助

在數(shù)字孿生的理論研究與應(yīng)用實(shí)踐過程中，不同領(lǐng)域、不同需求、不同層次的人員對(duì)數(shù)字孿生的理解與認(rèn)識(shí)不同。如Sight Machine公司認(rèn)為數(shù)字孿生是物理資產(chǎn)、產(chǎn)品、過程或系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、虛擬表示，主要表示其當(dāng)前工作狀態(tài)[28]，而Glaessgen和Stargel認(rèn)為數(shù)字孿生除了能夠展示物理實(shí)體當(dāng)前狀態(tài)外，還能夠進(jìn)一步預(yù)測(cè)物理實(shí)體健康狀況、剩余壽命、任務(wù)成功率等未來(lái)狀態(tài)[29]。又如Tobe認(rèn)為數(shù)字孿生模型是三維仿真模型[30]，而Wong認(rèn)為數(shù)字孿生模型不須是三維仿真模型，也可以是二維模型[31]。再如Leiva認(rèn)為數(shù)字孿生包含物理實(shí)體的模型數(shù)據(jù)和運(yùn)行數(shù)據(jù)[32]，Rosen等認(rèn)為數(shù)字孿生能包含物理實(shí)體全生命周期內(nèi)涉及的所有數(shù)據(jù)[33]，而GAVS公司認(rèn)為數(shù)字孿生應(yīng)包含人工智能數(shù)據(jù)、軟件分析數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)等[34]。上述對(duì)數(shù)字孿生的不同理解與認(rèn)識(shí)造成在數(shù)字孿生研究過程中交流困難、在數(shù)字孿生構(gòu)建過程中集成困難、在落地應(yīng)用過程中協(xié)作困難。急切需要數(shù)字孿生相關(guān)術(shù)語(yǔ)、系統(tǒng)架構(gòu)、適用準(zhǔn)則等基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)幫助加強(qiáng)對(duì)數(shù)字孿生的理解與認(rèn)識(shí)，推廣數(shù)字孿生概念。

1.2關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)施需標(biāo)準(zhǔn)參考

本研究團(tuán)隊(duì)在前期工作中，提出了數(shù)字孿生五維模型，從物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、連接、服務(wù)五個(gè)維度，對(duì)數(shù)字孿生技術(shù)的落地實(shí)施給出了參考，并被學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛關(guān)注[14]。但在應(yīng)用過程中，由于缺乏數(shù)字孿生相關(guān)模型、數(shù)據(jù)、連接與集成、服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)的參考，造成不同數(shù)字孿生開發(fā)團(tuán)隊(duì)研發(fā)的產(chǎn)品兼容性差、互操作困難，導(dǎo)致模型間、數(shù)據(jù)間、模型與數(shù)據(jù)間集成難、一致性差等問題，形成新的孤島，具體包含以下幾個(gè)方面：

①物理實(shí)體是數(shù)字孿生五維模型的構(gòu)成基礎(chǔ)，由于物理實(shí)體實(shí)時(shí)狀態(tài)感知與多物理尺度特征向虛擬層面的映射（信息上傳）、物理實(shí)體接收并執(zhí)行來(lái)自虛擬層面的反向控制指令（控制反饋）缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，不同開發(fā)人員不清楚物理實(shí)體需要感知哪些狀態(tài)？映射哪些屬性特征？反向控制哪些行為？導(dǎo)致物理實(shí)體接口形式不統(tǒng)一、技術(shù)層級(jí)不明確、功能邊界不清晰；

②虛擬實(shí)體是物理實(shí)體在數(shù)字空間的真實(shí)、客觀、完整的映射，是孿生數(shù)據(jù)的載體，由于其描述方式、建模方法、組合規(guī)則、運(yùn)行機(jī)制、驗(yàn)證策略等缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致不同人員開發(fā)的虛擬實(shí)體描述層級(jí)一致性差、格式兼容性低、組合機(jī)制適配性弱，因而可用性低、難以集成；

③孿生數(shù)據(jù)是數(shù)字孿生的核心驅(qū)動(dòng)力，為虛擬實(shí)體與物理實(shí)體融合提供準(zhǔn)確全面的信息源，由于孿生數(shù)據(jù)的表示、分類、預(yù)處理、存儲(chǔ)、使用、測(cè)試等缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)分類不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)格式不兼容，因而通用性差、互操作困難、數(shù)據(jù)融合困難；

④連接實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)和服務(wù)之間的互聯(lián)互通，由于其連接方式、信息傳輸、交互機(jī)制、測(cè)試方法等缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致輸入輸出難以兼容、交互機(jī)制難以匹配、虛擬運(yùn)行難以協(xié)同；

⑤服務(wù)是數(shù)字孿生功能高效行使的媒介，由于其描述方法、開發(fā)要求、運(yùn)行管理、測(cè)試評(píng)價(jià)等缺乏標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，導(dǎo)致不同人員開發(fā)的服務(wù)兼容性差、互操作性低。

1.3數(shù)字孿生行業(yè)落地應(yīng)用需標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)

經(jīng)多年的研究和實(shí)踐探索，數(shù)字孿生的行業(yè)應(yīng)用經(jīng)歷了兩個(gè)階段：①?gòu)能姽さ矫裼?，?shù)字孿生首先在航空航天為代表的軍事領(lǐng)域得到應(yīng)用，近年來(lái)隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息化、智能化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字孿生應(yīng)用逐漸拓展至各類民用行業(yè)中，尤其在制造業(yè)中得到大量研究與應(yīng)用[3]。②從制造企業(yè)到各行各業(yè)，數(shù)字孿生在制造企業(yè)中得到應(yīng)用發(fā)展后，引起了更多需求數(shù)字化轉(zhuǎn)型的行業(yè)廣泛關(guān)注，并在汽車、船舶、電力、醫(yī)療、智慧城市等諸多領(lǐng)域得到探索應(yīng)用[2]。

然而，在數(shù)字孿生行業(yè)落地應(yīng)用發(fā)展過程中，仍有以下問題亟需解決：①在實(shí)施數(shù)字孿生前，企業(yè)應(yīng)結(jié)合自身需求及條件考慮是否適用數(shù)字孿生，如必須考慮行業(yè)適用性、投入產(chǎn)出比等問題，而不能盲目跟風(fēng)使用。因此，需數(shù)字孿生相關(guān)適用準(zhǔn)則、功能需求、技術(shù)要求等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)企業(yè)進(jìn)行適用性評(píng)估與決策分析。②一旦企業(yè)決策使用數(shù)字孿生，下一個(gè)面臨的問題是如何實(shí)施數(shù)字孿生，如需要具備什么樣的軟硬件條件、依賴哪些工具與平臺(tái)的輔助、需要哪些功能等。因此，需實(shí)施要求、工具、平臺(tái)等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)數(shù)字孿生的應(yīng)用落地進(jìn)行指導(dǎo)。③實(shí)施數(shù)字孿生后，如何評(píng)價(jià)使用數(shù)字孿生帶來(lái)的綜合效益以及數(shù)字孿生系統(tǒng)的綜合性能（如準(zhǔn)確性、安全性、穩(wěn)定性、可用性與易用性），進(jìn)而為下一階段的應(yīng)用提供迭代優(yōu)化與決策的依據(jù)。因此，需數(shù)字孿生測(cè)評(píng)、安全、管理等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為數(shù)字孿生的評(píng)估與安全使用提供參考與指導(dǎo)。

針對(duì)上述數(shù)字孿生在特定領(lǐng)域/行業(yè)實(shí)施前“是否適用數(shù)字孿生”，實(shí)施中“如何實(shí)施數(shù)字孿生”，實(shí)施后“如何評(píng)價(jià)數(shù)字孿生”三階段的不同需求，迫切需要建立數(shù)字孿生相關(guān)行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。

根據(jù)上述對(duì)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的需求分析，綜合考慮標(biāo)準(zhǔn)體系的合理性、完整性、系統(tǒng)性、可用性，設(shè)計(jì)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架圖如圖1所示，從基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)六個(gè)方面給出標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)。

①數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)：包括術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)、參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)、適用準(zhǔn)則三部分，關(guān)注數(shù)字孿生的概念定義、參考框架、適用條件與要求，為整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系提供支撐作用。

②數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：包括物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、孿生數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、連接與集成標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)五部分，用于規(guī)范數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)施，保證數(shù)字孿生實(shí)施中的關(guān)鍵技術(shù)的有效性，破除協(xié)作開發(fā)和模塊互換性的技術(shù)壁壘。

③數(shù)字孿生工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)：包括工具標(biāo)準(zhǔn)和平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)兩部分，用于規(guī)范軟硬件工具/平臺(tái)的功能、性能、開發(fā)、集成等技術(shù)要求。

④數(shù)字孿生測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)：包括測(cè)評(píng)導(dǎo)則、測(cè)評(píng)過程標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)用例標(biāo)準(zhǔn)四部分，用于規(guī)范數(shù)字孿生體系的測(cè)試要求與評(píng)價(jià)方法。

⑤數(shù)字孿生安全標(biāo)準(zhǔn)：包括物理系統(tǒng)安全要求、功能安全要求、信息安全要求三部分，用于規(guī)范數(shù)字孿生體系中的人員安全操作、各類信息的安全存儲(chǔ)、管理與使用等技術(shù)要求。

⑥數(shù)字孿生行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)：考慮數(shù)字孿生在不同行業(yè)/領(lǐng)域、不同場(chǎng)景應(yīng)用的技術(shù)差異性，在基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)數(shù)字孿生在機(jī)床、車間、衛(wèi)星、發(fā)動(dòng)機(jī)、工程機(jī)械裝備、城市、船舶、醫(yī)療等具體行業(yè)應(yīng)用的落地進(jìn)行規(guī)范。

圖1 數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架

數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系由數(shù)字孿生各項(xiàng)子標(biāo)準(zhǔn)體系組成，數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)、測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)、安全標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)六部分。

圖2 數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)

數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)主要規(guī)范數(shù)字孿生的基礎(chǔ)性、通用性標(biāo)準(zhǔn)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖3所示，包括以下幾個(gè)方面。

①術(shù)語(yǔ)標(biāo)準(zhǔn)：定義數(shù)字孿生有關(guān)概念以及相應(yīng)縮略語(yǔ)，幫助使用者理解數(shù)字孿生概念，并為其他各部分標(biāo)準(zhǔn)的制定提供支撐。數(shù)字孿生相關(guān)術(shù)語(yǔ)包括數(shù)字孿生主要概念定義、關(guān)鍵技術(shù)以及相近概念等，例如數(shù)字孿生、孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字線程（Digital Thread）、數(shù)字孿生模型、數(shù)字孿生系統(tǒng)、數(shù)字孿生技術(shù)、數(shù)字孿生平臺(tái)、多空間尺度模型、多時(shí)間尺度模型、多維動(dòng)態(tài)模型、物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、連接、數(shù)字孿生服務(wù)、服務(wù)化封裝、數(shù)字足跡、數(shù)字化資產(chǎn)、虛實(shí)交互等[2]。

②參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)：數(shù)字孿生按照物理實(shí)體的功能及結(jié)構(gòu)可分為單元級(jí)數(shù)字孿生、系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生和復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生三個(gè)層級(jí)[14]。參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)上述三個(gè)層級(jí)的分層規(guī)則、數(shù)字孿生體系架構(gòu)以及各部分參考架構(gòu)進(jìn)行規(guī)范，幫助使用者明確數(shù)字孿生分層方法、體系結(jié)構(gòu)以及各部分之間關(guān)系等。參考架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)包括數(shù)字孿生分層準(zhǔn)則、數(shù)字孿生總體參考架構(gòu)、單元級(jí)數(shù)字孿生參考架構(gòu)、系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生參考架構(gòu)、復(fù)雜系統(tǒng)級(jí)數(shù)字孿生參考架構(gòu)、數(shù)字孿生五維模型總體架構(gòu)、數(shù)字孿生物理實(shí)體、數(shù)字孿生虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)、連接與交互、數(shù)字孿生應(yīng)用/服務(wù)平臺(tái)、數(shù)字孿生安全參考架構(gòu)、數(shù)字孿生測(cè)評(píng)參考架構(gòu)等[14]。

③適用準(zhǔn)則：規(guī)范數(shù)字孿生的適用性要求，幫助使用者決策是否適用數(shù)字孿生，包括功能要求、性能要求、安全要求、可靠性要求、維護(hù)要求、一致性要求（包括可測(cè)性要求）等。

圖3 數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)范數(shù)字孿生實(shí)施過程中涉及的關(guān)鍵技術(shù)要求，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如圖4所示，包括物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)、孿生數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、連接與集成標(biāo)準(zhǔn)、服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)五部分。

圖4 數(shù)字孿生關(guān)鍵技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)

物理實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)物理實(shí)體的感知接入、決策執(zhí)行、邊緣端協(xié)作方面進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖5所示，包括以下幾個(gè)方面。

①感知接入標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生系統(tǒng)中人、機(jī)、物、環(huán)境等物理實(shí)體的感知接入相關(guān)技術(shù)要求，保證物理實(shí)體信息獲取與上傳的規(guī)范性和兼容性，包括固有屬性感知接口、歷史屬性讀取接口等靜態(tài)屬性感知要求，以及實(shí)時(shí)狀態(tài)感知接口、感知裝置安裝部署、感知裝置性能、感知接入時(shí)間敏感性等動(dòng)態(tài)屬性感知要求。

②決策執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范物理實(shí)體的運(yùn)行控制、運(yùn)行優(yōu)化、維護(hù)策略、故障自恢復(fù)的決策執(zhí)行相關(guān)技術(shù)要求，包括控制指令格式、指令校驗(yàn)、指令注入權(quán)限等控制指令接入要求；響應(yīng)時(shí)間、執(zhí)行效率、時(shí)序同步等時(shí)間敏感性要求；執(zhí)行精度、執(zhí)行穩(wěn)定性、執(zhí)行反饋等執(zhí)行有效性要求。

③邊緣端協(xié)作標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生系統(tǒng)物理實(shí)體邊緣端協(xié)作相關(guān)技術(shù)要求，包括邊緣端部署架構(gòu)、邊緣端功能邊界劃分準(zhǔn)則、邊緣端計(jì)算接口、邊緣端計(jì)算性能、邊緣端網(wǎng)絡(luò)性能等。

圖5 物理實(shí)體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

5.2 虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)

虛擬實(shí)體標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)模型功能、模型描述、模型構(gòu)建、模型組裝、模型驗(yàn)證、模型運(yùn)行、模型管理進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖6所示，包括以下幾個(gè)方面。

①模型功能與描述標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范幾何、物理、行為、規(guī)則多維多時(shí)空尺度模型的功能與描述相關(guān)技術(shù)要求[5]，包括幾何功能、物理功能、行為功能、規(guī)則功能、維度功能、尺度功能、時(shí)空粒度功能、能力描述、性能描述、建模語(yǔ)言、模型封裝、模型輸入輸出描述等。

②模型構(gòu)建與組裝標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范幾何、物理、行為、規(guī)則多維多時(shí)空尺度模型的構(gòu)建與組裝相關(guān)技術(shù)要求，包括考慮模型性能的建模規(guī)則、建模環(huán)境、建模過程、模型組裝規(guī)則、模型組裝接口、模型組裝過程、模型擴(kuò)展等。

③模型驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范幾何、物理、行為、規(guī)則單個(gè)模型與組裝模型的分層級(jí)驗(yàn)證相關(guān)技術(shù)要求，包括單個(gè)模型與組裝模型的驗(yàn)證規(guī)則、驗(yàn)證環(huán)境、驗(yàn)證流程、功能驗(yàn)證、性能（包括粒度、質(zhì)量、準(zhǔn)確性、可用性、易用性等）驗(yàn)證、一致性驗(yàn)證、兼容性驗(yàn)證等。

④模型運(yùn)行與管理標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范模型的運(yùn)行與管理相關(guān)技術(shù)要求，包括模型運(yùn)行環(huán)境、模型運(yùn)行配置、模型運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、模型簡(jiǎn)化/輕量化原則、模型更新、模型優(yōu)化、模型增刪改查等。

圖6 虛擬實(shí)體相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

圖7 孿生數(shù)據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

5.4連接與集成標(biāo)準(zhǔn)

連接與集成標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)數(shù)字孿生物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)連接與集成進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖8所示，包括以下幾個(gè)方面。

①連接映射標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生中物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接映射相關(guān)技術(shù)要求，包含連接方式、映射模型、映射字典等。

②信息傳輸標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)技術(shù)要求，包括傳輸協(xié)議，傳輸實(shí)時(shí)性，傳輸可靠性，傳輸安全等。

③交互與集成標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、孿生數(shù)據(jù)與服務(wù)之間的交互與集成相關(guān)技術(shù)要求，包括物理實(shí)體與虛擬實(shí)體交互、物理實(shí)體與孿生數(shù)據(jù)交互、物理實(shí)體與服務(wù)交互、虛擬實(shí)體與孿生數(shù)據(jù)交互、虛擬實(shí)體與服務(wù)交互、服務(wù)與孿生數(shù)據(jù)交互、系統(tǒng)集成方法、系統(tǒng)集成運(yùn)行機(jī)制等。

④連接測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范物理實(shí)體、虛擬實(shí)體、服務(wù)與數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接測(cè)試相關(guān)技術(shù)要求，包括連接兼容性測(cè)試、連接可靠性測(cè)試、連接時(shí)間敏感性測(cè)試、交互功能與性能測(cè)試、系統(tǒng)集成測(cè)試等。

圖8 連接與集成相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

5.5服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)

服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)服務(wù)描述模型、服務(wù)開發(fā)、服務(wù)部署、服務(wù)運(yùn)行、服務(wù)管理、服務(wù)QoS(服務(wù)質(zhì)量)與測(cè)評(píng)、服務(wù)交易進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖9所示，包括以下幾個(gè)方面。

①服務(wù)描述模型標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生中的服務(wù)描述模型建模相關(guān)技術(shù)要求，包括建模規(guī)則、建模環(huán)境、建模語(yǔ)言、建模流程等。

②服務(wù)開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范服務(wù)開發(fā)的相關(guān)技術(shù)要求，包括功能描述、設(shè)計(jì)規(guī)范、開發(fā)環(huán)境、開發(fā)流程、服務(wù)封裝、服務(wù)模板庫(kù)等。

③服務(wù)部署與運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生中服務(wù)部署及運(yùn)行相關(guān)技術(shù)要求，包括部署要求、運(yùn)行環(huán)境、服務(wù)實(shí)例化、運(yùn)行監(jiān)測(cè)、服務(wù)協(xié)作、服務(wù)運(yùn)行容錯(cuò)等。

④服務(wù)管理標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范服務(wù)全生命周期過程管理相關(guān)技術(shù)要求，包括服務(wù)搜索、供需匹配、服務(wù)優(yōu)選、服務(wù)調(diào)度、服務(wù)組合、服務(wù)容錯(cuò)、服務(wù)協(xié)作等。

⑤服務(wù)QoS與測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生的服務(wù)QoS與測(cè)評(píng)相關(guān)技術(shù)要求，包括時(shí)間、成本、信譽(yù)、滿意度、非功能服務(wù)質(zhì)量（包括可伸縮性、可擴(kuò)展性、可重用性、魯棒性、可測(cè)試性）等。

⑥服務(wù)交易標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生的服務(wù)交易相關(guān)技術(shù)要求，包括服務(wù)交易平臺(tái)、服務(wù)交易方式、服務(wù)交易安全、服務(wù)定價(jià)與計(jì)費(fèi)、服務(wù)授權(quán)等。

圖9 服務(wù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

數(shù)字孿生工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)用于對(duì)數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)過程中涉及的軟硬件工具/平臺(tái)進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖10所示，包括以下兩個(gè)方面。

①工具標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生中涉及的軟硬件工具相關(guān)技術(shù)要求，包括工具功能、工具性能、工具運(yùn)行環(huán)境、工具二次開發(fā)、工具集成、工具使用與維護(hù)等。

②平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生實(shí)現(xiàn)過程涉及的平臺(tái)相關(guān)技術(shù)要求，包括平臺(tái)功能、平臺(tái)性能（包括平臺(tái)基本性能、可靠性、擴(kuò)展性、安全性）、平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境、平臺(tái)使用和維護(hù)、平臺(tái)接口與集成、平臺(tái)安全等。

圖10 數(shù)字孿生工具/平臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

數(shù)字孿生測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)用于對(duì)數(shù)字孿生體系的測(cè)試要求與評(píng)價(jià)方法進(jìn)行規(guī)范，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖11所示，包括以下幾個(gè)方面。

①測(cè)評(píng)導(dǎo)則：規(guī)范數(shù)字孿生體系的測(cè)試與評(píng)價(jià)過程的基本要求，包括測(cè)評(píng)目的、測(cè)評(píng)類型、測(cè)評(píng)等級(jí)、測(cè)評(píng)環(huán)境、測(cè)評(píng)工具、測(cè)評(píng)保密安全等。

②測(cè)評(píng)過程標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生體系的測(cè)試與評(píng)價(jià)過程相關(guān)技術(shù)要求，包含測(cè)評(píng)分析、測(cè)評(píng)準(zhǔn)備、測(cè)評(píng)方法選擇、測(cè)評(píng)步驟、測(cè)評(píng)文檔等。

③測(cè)評(píng)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生體系測(cè)試與評(píng)價(jià)過程涉及的各類指標(biāo)要求，例如穩(wěn)定性、可靠性、易用性、安全性、一致性、可維護(hù)性、保障能力、移植性、擴(kuò)展性、自適應(yīng)性、自演化性、可測(cè)性、經(jīng)濟(jì)性、滿意度等。

④測(cè)評(píng)用例標(biāo)準(zhǔn)：規(guī)范數(shù)字孿生體系的測(cè)試與評(píng)價(jià)用例相關(guān)技術(shù)要求，包括用例選取、用例校驗(yàn)、用例使用、用例歸檔等。

圖11數(shù)字孿生測(cè)評(píng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

數(shù)字孿生安全標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)范數(shù)字孿生體系安全，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容如圖12所示，包括以下幾個(gè)方面。

①物理系統(tǒng)安全要求：規(guī)范數(shù)字孿生體系中物理系統(tǒng)的安全要求，包括物理系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析、電氣系統(tǒng)安全、機(jī)械系統(tǒng)安全、本質(zhì)安全、功能安全等。

②功能安全要求：規(guī)范數(shù)字孿生中的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)維等過程的安全功能相關(guān)技術(shù)要求，包括孿生系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)分析、孿生系統(tǒng)安全功能設(shè)計(jì)、孿生系統(tǒng)安全完整性等級(jí)評(píng)估等。

③信息安全要求：規(guī)范數(shù)字孿生體系中涉及的各類信息安全相關(guān)技術(shù)要求，包括孿生系統(tǒng)信息安全風(fēng)險(xiǎn)分析、孿生數(shù)據(jù)安全、孿生系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全等。

圖12 數(shù)字孿生安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及主要內(nèi)容

依據(jù)數(shù)字孿生基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)、關(guān)鍵技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、工具/平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)評(píng)標(biāo)準(zhǔn)和安全標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合各行業(yè)/領(lǐng)域自身需求與特點(diǎn)，制定數(shù)字孿生機(jī)床、數(shù)字孿生車間、數(shù)字孿生衛(wèi)星、數(shù)字孿生發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)字孿生工程機(jī)械裝備、數(shù)字孿生城市、數(shù)字孿生船舶、數(shù)字孿生醫(yī)療等具體行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)字孿生使用前，應(yīng)用對(duì)象、功能需求、適用性評(píng)價(jià)等行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)能夠幫助企業(yè)決策數(shù)字孿生的適用性。在數(shù)字孿生使用過程中，技術(shù)要求、工具標(biāo)準(zhǔn)、平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)等結(jié)合行業(yè)/領(lǐng)域特性的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)能夠指導(dǎo)數(shù)字孿生在各領(lǐng)域的應(yīng)用落地。在數(shù)字孿生使用后，測(cè)試要求、評(píng)價(jià)方法、安全要求、管理要求等行業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)能夠指導(dǎo)數(shù)字孿生的評(píng)估及優(yōu)化方法，保證其使用安全性、穩(wěn)定性、可用性與易用性。

本文從數(shù)字孿生理解與認(rèn)識(shí)、關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)施、行業(yè)落地應(yīng)用三個(gè)維度分析和探討了數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)需求。結(jié)合前期提出的數(shù)字孿生五維模型，探究建立了一套數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，并從基礎(chǔ)共性、關(guān)鍵技術(shù)、工具/平臺(tái)、測(cè)評(píng)、安全與行業(yè)應(yīng)用六個(gè)方面對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)體系進(jìn)行了闡述。期望相關(guān)工作能為數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)研究與制定工作起到一點(diǎn)拋磚引玉和參考推動(dòng)作用。

本文研究工作僅對(duì)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系框架及涉及的主要內(nèi)容進(jìn)行了膚淺研究與探討，還存在很多不足，如所列的標(biāo)準(zhǔn)不一定精準(zhǔn)和全面，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)的內(nèi)容還不全面，所考慮的應(yīng)用對(duì)象和行業(yè)還不夠廣泛等等。懇請(qǐng)國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者和專家批評(píng)指正！

數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)很多工作有待相關(guān)研究人員，特別是標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)和專業(yè)人員，進(jìn)一步共同深入開展，包括：①數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)體系的進(jìn)一步完善，各項(xiàng)數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)的具體研制；②數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)；③數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)的構(gòu)建；④數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)在各行業(yè)的落地推廣應(yīng)用；⑤數(shù)字孿生標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)工作的國(guó)際化等。