GBT 43441.1-2023 信息技术 数字孪生 第1部分：通用要求

信息技术数字孪生2023-11-27发布IGB/T43441.1—2023 12规范性引用文件 13术语和定义 14缩略语 25参考架构 25.1概述 25.2目标实体 35.3数字实体 45.4孪生互动 45.5服务应用 56基本要求 66.1同步性 66.2一致性 66.3实时性 66.4可靠性 66.5可维护性 66.6集成性 76.7可扩展性 77功能要求 77.1概述 77.2数字实体构建 77.3测量与感知 77.4实时仿真 87.5数据分析 87.6预测优化与决策 97.7反馈与控制 97.8可视化交互 97.9数字资产管理 8安全要求 8.1环境物理安全 8.2数据安全 ⅡGB/T43441.1—20238.3网络安全 8.4访问控制 附录A(资料性)数字孪生行业服务 参考文献 Ⅲ本文件按照GB/T1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。本文件是GB/T43441《信息技术数字孪生》的第1部分。GB/T43441已经发布了以下部分：——第1部分：通用要求。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由全国信息技术标准化技术委员会(SAC/TC28)提出并归口。本文件起草单位：中国电子技术标准化研究院、中国电子技术标准化研究院华东分院、金航数码科技有限责任公司、电子科技大学、华中科技大学、南方电网有限责任公司、安世亚太科技股份有限公司、重庆邮电大学、腾讯云计算(北京)有限责任公司、三一重机有限公司、阿里巴巴(北京)软件服务有限公司、北京五一视界数字孪生科技股份有限公司、株洲中车时代电气股份有限公司、上海宽带技术及应用工程研究中心、中国电子科技集团公司第三十八研究所、江苏金陵智造研究院有限公司、网思科技集团有限公司、东软集团、广东利元亨智能装备股份有限公司、苏芯物联技术(南京)有限公司、上海集成通信设备有限公司、上海天臣微纳米科技股份有限公司、安徽格比智能装备有限公司、国网浙江省电力有限公司电力科学研究院、中建科技集团有限公司、中国移动通信有限公司研究院、特斯联科技集团有限公司、深圳工业总会、无锡物联网创新中心有限公司、武汉工学智联科技有限公司、西安航天自动化股份有限公司、中国航空工业发展研究中心管理工程研究所、中国科学院上海微系统与信息技术研究所、中国铁道科学研究院集团有限公司、浙江晶日科技股份有限公司、安徽巨一科技股份有限公司、东风设计研究院有限公司、无锡物联网产业研究院、西安前沿动力软件开发有限责任公司、清华大学、上海逸迅信息科技有限公司、上海交通大学、浙江大学、北京电信规划设计院有限公司、北京航空航天大学、亚信科技(中国)有限公司、中汽研汽车工业工程(天津)有限公司、重庆长安汽车股份有限公司、卡奥斯工业智能研究院(青岛)有限公司、北京石油化工学院、北自所(北京)科技发展股份有限公司、南京维拓科技股份有限公司、宁夏巨能机器人股份有限公司、西南石油大学、喀什地区电子信息产业技术研究院、鹏城实验室、山东省人工智能研究院、中兴通讯股份有限公司、厦门盈趣科技股份有限公司、四川元匠科技有限公司、中国电子信息产业集团有限公司第六研究所、深圳市洲明科技股份有限公司、北京世冠金洋科技发展有限公司、众芯汉创(北京)科技有限公司、中数链(上海)文化发展有限公司、贵阳险峰机床有限责任公司、新疆丝路六合电气科技有限公司、苏州精控能源科技有限公司、上海慧程智能系统有限公司、上海核工程研究设计院有限公司、海克斯康制造智能技术(青岛)有限公司、北京计算机技术及应用研究所、江苏南高智能装备创新中心有限公司、深圳市轴心自控技术有限公司、南方电网储能股份有限公司、国家石油天然气管网集团有限公司科学技术研究总院分公司、京东方科技集团股份有限公司、网易(杭州)网络有限公司、研祥智能科技股份有限公司、云南昆船设计研究院有限公司、深圳华龙讯达信息技术股份有限公司、苏州火星视觉数字科技有限公司。李永韬、刘思杨、姜洪朝、白莹杰、孙昊婧、曹世鹏、周凯、刘浩波、姚荣斌、王中照、冯立、荣辉、郝健、数字孪生是具有数据连接的特定目标实体的数字化表达，该数据连接可以保证物理状态和虚拟状态之间以适当的速率和精度进行同步。由于数字孪生具备虚实融合与实时交互、迭代运行与优化，以及全要素/全流程/全业务数据驱动等特点，目前已被广泛应用到制造、城市、农业、能源、建筑等多个领域。数字孪生技术可帮助工厂管理者实现对工厂生产资源计划、过程管控指令的模拟和优化，以改善工厂设计、建设和再造阶段的决策方案，并提升工厂经营阶段的产出效益；可帮助城市管理者推进数字城市与现实城市同步规划与同步建设，实现城市规建管运全生命期管理与治理模式创新；可帮助农业生产者进行生产作业的监控和优化，对于农业机械装备可进行预测性诊断；可帮助能源管理者实现对能源生产和传输过程的可视化监控和管理，进行故障分析和远程运维等；可帮助建筑建设者推进建筑规划、设计、施生对患者病情进行实时监控，提供个性化的医疗方案，对医疗资源进行动态优化等。面对数字孪生在多种场景中的广泛应用需求，开展数字孪生标准化工作显得尤为重要。GB/T43441旨在规定数字孪生的参考架构、数字实体构建、信息交互、数字化资产分类与管理等，拟由四个部分构成。——第1部分：通用要求。目的在于规定数字孪生的参考架构、基本要求、功能要求以及安全要求。——第2部分：数字实体。目的在于规范数字实体的架构、建模、管理和应用要求。——第3部分：信息交互。目的在于规范信息交互功能架构、接口、数据结构和功能要求。——第4部分：数字资产分类与管理要求。目的在于规定数字孪生过程中产生的数字化资产分类及管理要求。IN1信息技术数字孪生第1部分：通用要求本文件规定了数字孪生的参考架构、基本要求、功能要求以及安全要求。本文件适用于数字孪生有关系统或产品的开发、应用与服务。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。GB/T22239—2019信息安全技术网络安全等级保护基本要求GB/T35273—2020信息安全技术个人信息安全规范3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。具体或抽象的事物，包括这些事物之间的关联。目标实体targetentity现实世界被选中进行数字化映射的实体。目标实体的数字化映射。具有保证物理状态和虚拟状态之间以适当速率和精度同步的数据连接的特定目标实体的数字化表达。数字孪生系统digitaltwinsystem基于数据驱动来实现目标实体与数字实体间各要素动态迭代的系统。注：数字孪生系统由目标实体、数字实体、两者之间的数据连接以及数据连接过程中涉及的模型、数据和接口等要素组成。数字资产digitalasset仅以数字形式存在的资产，或资产的数字表示。2效指耿引效指耿引4缩略语下列缩略语适用于本文件。BIM:建筑信息模型(BuildingInformationModel/Modeling)GIS:地理信息系统(GeographicInformationSystem)HTTP:超文本传输协议(HyperTextTransferProtocol)HTTPS:超文本传输安全协议(HyperTextTransferProtocoloverSecureSocketLayer)MQTT:消息队列遥测传输(MessageQueuingTelemetryTransport)NB-IoT:窄带物联网(NarrowBandInternetofThings)TCP:传输控制协议(TransmissionControlProtocol)UE4:第四代虚幻引擎(TheFourthGenerationUnrealEngine)WLAN:无线局域网(WirelessLocalAreaNetwork)5参考架构数字孪生的概念模型见图1。基于数据驱动和孪生互动过程，目标实体与数字实体之间实现动态b)虚实结合：目标实体和数字实体之间通过物联网等技术手段实现双向映射、动态交互与实时连c)动态迭代：数字实体实时接收目标实体的数据以实现迭代优化；目标实体实时接收数字实体的反馈以实现辅助决策。服务服务应片露实体动态迭代数字标引说明：4→——信息交互；-—逻辑关系。3数字孪生参考架构包括目标实体、孪生互动、数字实体和服务应用等四个部分，见图2。能源能源建筑应用支撑数字实体孪生互动目标实休服务应用反馈与控制测量与感知关联关系数字模型李生数据实体本体可视化农业制造其他决策优化频测图2数字孪生参考架构目标实体是建模与交互的对象，数字实体是目标实体的数字化映射，孪生互动是数字孪生系统中目标实体与数字实体之间的信息交互过程，通过应用支撑实现行业服务应用。实体本体可按照逻辑属性、产生时间以及复杂程度进行分类，见表1。a)按照逻辑属性：分为具体和抽象两种类型。b)按照产生时间：分为过去式、现在式两种类型。c)按照复杂程度：分为单元级与系统级两种类型。表1实体本体分类表分类规则类型逻辑属性示例复杂程度单元级具体可见的生命体(如人、动物、植物)与非生命体(如设备、设施、产品、建筑)的单元/部件；不可见的能量场(如磁、热、力、光、声、流体、绝缘等)的单一区域或单个能量场抽象设备、设施、产品、建筑等维护或设计等过程中单一环节的方法与经验系统级具体设备、设施、产品、建筑单元/部件组合，物理场多区域耦合或多物理场耦合等抽象设备、设施、产品、建筑等维护或设计等全过程各环节组成的、完整的方法与经验产生时间过去式一曾经出现、存在或运行的，具备具体或抽象逻辑属性的实体事物现在式当下出现、存在或者正在运行的，具备具体或抽象逻辑属性的实体事物4实体的关联关系可按照更新情况和特征属性两个维度进行划分，见表2。a)按照更新情况：分为动态与静态两种类型。其中，静态关联确定后不再变动，动态关联可根据事物发展情况定时或不定时更新。b)按照特征属性：分为物质流、能量流与信息流三种类型。注：传递信息的有效性与无效性均为实体关联关系的客观反映，不影响其存在、运行与流转。表2关联关系分类表分类规则类型示例更新情况静态生命体与非生命体的分类依据、生命体中动物与植物的分类依据及非生命体之间即物质或设施、产品、服务的分类依据动态生命体与非生命体的从属关系、动物与植物的依存关系、个人与组织的从属关系、业务流程、设备与建筑设计/运维经验等特征属性物质流地球化学循环、生物圈内物质循环、工业流程物质交换等能量流食物链能量流动、工业流程能量流动等信息流生物领域生命信息的传递、人文领域思想的传递、工业生产领域经验的传递、信息领域数据的传递等5.3数字实体数字模型对目标实体及其关联关系映射构建目标实体内外部特征与行为规律的模型。——构建手段包括计算机图形设计、仿真技术、基于本体的建模方法、运筹学、机器学习等。——模型种类包括三维几何模型、有限元分析模型、化学反应模型、流体力学模型、过程映射模型、运筹优化模型、概率图模型、神经网络模型等。孪生数据对目标实体相关各类信息进行数字化表达，包含本体数据、规则数据以及衍生数据。——本体数据对目标实体的几何特征、物理属性以及相关约束进行数字空间的映射，是标识、尺寸、 规则数据对目标实体在物理空间所遵循的运行规律进行数字空间的映射，是知识、规定、流程，——衍生数据指数字实体基于目标实体相关数据开展仿真、分析、预测等产生的数据。5.4孪生互动测量与感知实现目标实体几何特征、物理属性以及相关约束等的数字化表达，主要流程可包括：a)确定目标实体类型，识别应测量或感知的数据范围；b)确定测量感知的方式和媒体；5c)获取目标实体的几何特征、物理属性等静态数据以及压力、流量、速度等动态数据；e)进行数据传输与数据存储。5.4.2反馈与控制反馈与控制实现数字实体对目标实体的信息反馈和执行控制等，主要流程可包括：a)获取基于数据分析、仿真等产生的反馈结果，形成反馈信息；b)确定反馈对象，包括识别指令的目标实体或执行调整指令的操作人员；c)将反馈信息通过接口、交互组件等传输至目标设备或操作人员；d)执行反馈控制指令，该指令可由设备自主执行或操作人员执行；e)识别执行反馈控制指令后目标实体的实时状况。5.5服务应用可视化指使用计算机图形和图像处理技术及工具(如采用二维或三维数字建模等)呈现目标实体的仿真是将包含确定性规律和完整机理的模型转化为软件方式来模拟目标实体，包含系统仿真、物理分析指基于数字实体，通过时空计算、业务场景模拟等手段对目标实体进行关键信息提取及研究，实现实时运行状态检测、故障定位等。预测指通过采集目标实体的历史数据和实时运行数据预先推测目标实体的状态，包括目标实体的优化指通过在数字空间进行仿真、分析和预测，对目标实体全生命周期的结果进行改进和完善，并实时、动态和持续作用于物理空间，包括算法优化、模型优化、资源配置优化等。决策指基于目标实体和数字实体相关信息进行分析与推理，针对预设目标提出科学合理的解决方案，并向目标实体下达控制指令或向决策人员提供实施建议。66基本要求同步性包括内容信息同步和基准时钟同步两个方面。a)内容信息同步：数字实体与目标实体之间应动态地进行双向内容信息同步，同步的频率和精度应满足实际应用需求。b)基准时钟同步：数字实体内不同模型间、数字孪生系统内不同模块间及数字实体与目标实体间的接口，应采用相同基准时钟。6.2一致性数字孪生系统中目标实体与数字实体保持几何特征、物理属性、相关约束以及逻辑规则的一致。a)数字实体应准确反映目标实体的几何尺寸、位置、装配关系等几何特征。b)数字实体应准确反映目标实体的材料属性、特征等物理属性。c)数字实体应准确反映目标实体相关的驱动因素、环境扰动、运行机制等相关约束。d)数字实体应准确反映目标实体在物理空间所遵循的运行规律，包括知识、规定、流程、策略、方6.3实时性数字孪生系统的目标实体与数字实体之间的实时性体现在数据获取、数据传输、数据预处理、信息a)应在规定时间内对多源异构数据进行定频或变频采集。b)应在规定时间内对所采集数据进行预处理、传输处理、存储等。c)数字实体应在满足同步或异步要求的前提下，不定时进行模型更新和系统刷新。d)交互过程中系统响应时间、刷新频率应满足实际需求。e)应保障用户对目标实体和数字实体的快速访问与高效检索能力。6.4可靠性可靠性包括稳定性和鲁棒性两个方面。a)稳定性：●数字孪生系统应具备在规定时间和实际应用条件下无故障地提供服务的能力；●数字孪生系统部署完成后，应具备稳定运行及信息交互能力。b)鲁棒性：数字孪生系统应具备在执行过程中处理异常信息或错误信息的能力，当算法、模型等6.5可维护性可维护性包括可验证性与可追溯性两个方面。a)可验证性：数字孪生系统应能够对数字实体模型与数据的正确性进行验证。b)可追溯性：数字孪生系统应保存运行过程中涉及的过程或活动的历史记录和实时数据，当系统出现预警或故障信息时，应能追本溯源到对应数据点或信息点，实现对全生命周期的数字孪生系统进行运维和监控。7数字孪生系统应提供开放接口，实现与其他系统间的数据交换和信息传递。6.7可扩展性可扩展性要求包括：a)数字实体应具备添加、替换相关模型的能力；b)数字实体相关模型内容应可扩展。7功能要求7.1概述数字孪生系统功能包括但不限于数字实体构建、测量与感知、实时仿真、数据分析、预测优化与决策、反馈与控制、可视化交互和数字资产管理。7.2数字实体构建数字实体构建功能要求包括以下方面。a)应建立目标实体的数字化映射，包括目标实体的几何特征、物理属性以及相关约束等信息。b)宜建立目标实体的几何模型、有限元分析模型、化学反应模型、流体力学模型、过程仿真模型、运筹优化模型、概率图模型、神经网络模型、可视化交互模型等不同模型。c)几何建模应包括目标实体的尺寸、形状和位置等信息，在满足应用要求的前提下，宜对已有的几何模型进行简化、轻量化、贴图等处理。d)应针对目标实体建立经实践验证可行的数学、物理、化学、逻辑关系等机理模型。e)可视化建模应建立满足可视化交互需要的三维模型，支持对空间、环境、天气等不同应用场景模型建模；宜根据场景需要，支持不同类型的建模方法，如可见光建模、结构光建模、激光点云建模、维度建模、实体联系建模、手工建模、倾斜摄影建模等；可视化建模应支持导入主流三维格式模型建模方式。f)数据建模应按业务或行业需要，建立对目标对象进行数据归纳分析预测的模型，支持构建松耦合、弹性开放的行业数据模型。g)宜满足模型构建规则、接口要求、组装要求以及扩展性说明，应支持对目标对象编码和管理，保证通过编码对模型中目标对象的唯一性进行识别。h)宜支持采取多种特征工程方法构建数据特征，如自动特征、变量选择、主成分分析、因子分析等；宜支持UE4等主流建模软件工具以及depthmap、multi-planeimage等多种模型表达方法。成、添加和替换数字模型的能力，能够针对多尺度、多物理、多层级的模型内容进行扩展；应在统一的坐标系上，对模型进行融合，保证模型与数据信息更新的实时性、同步性和可靠性。j)应基于规则实现目标实体和数字实体的创建，宜支持同类模型、不同类模型之间的关联关系定义。7.3测量与感知测量与感知功能要求包括：a)应对目标实体在物理空间的全面、多维度、多类型数据和信息进行静态或动态、单次或批量数8据的采集和感知，如外观数据、运行数据、动态实时感知数据、特征属性数据、内部逻辑规则数b)测量与感知的数据应有时间标记，以追溯故障、对齐数据；c)视频监控宜支持与标准视频监控数据深度集成；d)宜支持多种感知和采集技术对数据进行获取，如高精度测量技术、感知技术、通信技术等；e)应支持多种通信方式的测量与感知，包括但不限于有线以太网、无线3G/4G/5G/WLAN/蓝牙/NB-IoT等；f)应支持多种应用层以及传输层协议以实现数据与信息的通信，包括但不限于HTTP、g)数据采集频率应满足数字孪生实时性要求和行业应用要求；h)数字孪生系统宜具备自检能力，对获取到的信息进行校验。7.4实时仿真实时仿真功能要求包括：a)目标实体与数字实体应双向实时映射，目标实体的数据应被实时感知并传送给数字实体，数字实体通过数据实时更新与模型校正，同步彼此的动态变化并实时做出响应；b)应明确仿真分析的初始条件和边界条件，宜具备以多样的数字模型映射目标实体的能力；c)应支持按实际应用场景要求的同步速率和精度要求对目标实体实施实时仿真分析，实时获取目标实体状态数据，对目标实体状态进行实时分析判断，充分反应目标实体特征，并预测目标实体将来的变化状态；d)数字实体与目标实体应能够实现双向交互，通过人机交互对数字实体下发执行命令，数字实体将相关数据同步至目标实体，目标实体接收到数字实体或人机交互命令，动态变化并实时做出e)实时仿真过程应满足有穷性、确切性，包含输入项和输出项，每个过程步骤应有效，宜支持目标实体全生命周期动态可追溯、追踪的仿真分析；f)应对目标实体进行虚实结合的过程或者运行状态变化的仿真分析，宜实时反映目标实体的行g)宜支持仿真分析结果与试验结果的相互验证，应实现数字实体和目标实体的几何结构高度仿h)仿真分析宜支持多学科、多物理场联合仿真，实时仿真过程应支持对场景、实体对象、事件等一项或多项要素融合，进行动态参数/数值配置并作为输入条件；i)仿真分析宜支持采用人工智能、大数据等技术修正计算分析模型和算法。7.5数据分析数据分析功能要求包括：据格式转换、多源异构数据元数据级特征级融合、数据与业务关联以及标签化、数据清洗等操b)宜支持按实际应用场景要求的同步速率和精度要求对目标实体进行快速数据分析，数字孪生系统应具备在线数据分析、离线数据分析、云端数据分析功能；c)应支持对多维数据进行融合分析，宜支持对目标实体进行空间分析计算；d)应通过数据分析实现数字孪生业务应用，如设备故障诊断、预测性维护、发动机标定、商场人流量预测等；9e)宜根据数字孪生应用需要，采取合适的人工智能算法进行数据脱敏、过滤、处理和分析，分析方f)宜支持数据分析模型的可视化展示，包括对比分析、漏斗分析、留存分析、用户行为路径分析、用户分群、用户画像分析等。7.6预测优化与决策预测优化与决策功能要求包括：a)应借助数字实体与目标实体的持续互动，支持基于目标实体实时状态参数，采用不同的分析方法与预测模型来评估目标实体的健康状态以及预测未来变化趋势，在其故障发生之前进行诊断与预测，并能够对故障点和故障原因进行加载、报警、显示等；b)应支持开展目标实体设计、制造、运营等阶段的不确定性预测，提供产品剩余寿命预测，应支持基于预测的结果，结合终端现场实际情况制定相应的生产维护策略；c)目标实体与数字实体可实现迭代优化，数字实体应根据实时数据对目标实体的运行状态进行仿真优化分析，并对目标实体进行实时调控，优化目标实体的任务执行；d)应具备在数据采集与分析的基础上，掌握目标实体在时间、空间、规则等上的分布特征，通过描述目标实体的可视化模型和内在机理，对目标实体的状态数据进行监视、分析、推理，为目标实体的配置、运营、服务等方面的持续优化提供辅助决策依据；e)应具备可自定义预测方案和自定义决策方案，并且可以在自主决策和辅助决策之间进行切换；f)宜支持采用虚拟现实技术和增强现实技术开展可视化维修与实施。7.7反馈与控制反馈与控制功能要求包括：a)应具备从数字实体连接到目标实体的传输接口方式，应支持可扩展的自定义接口方式；b)反馈与控制方式宜支持至少两种连接方式；c)目标实体宜支持控制指令格式、指令校验、指令注入权限等控制指令接入要求；d)数字实体应支持基于虚拟调试技术、控制代码自动生成、高精度控制技术等多种控制执行技术的实时反馈；别定制反馈控制流程和方法；f)应提供可视化反馈功能，实现数据可视化动态展示和交互操作下的控制应用；g)对数字实体的交互控制应能实时反馈控制目标实体，交互控制逻辑应严谨，应能对超过所设定的阈值信息进行报警提示或进行相应的自动控制，不应造成目标实体损坏。7.8可视化交互可视化交互功能要求包括：a)应支持在微型计算机、虚拟现实/增强现实/混合现实设备等一种或多种终端设备进行数据可视化的动态展示和交互操作；b)应具备可视化场景搭建和可视化交互设计能力，支持人机操作界面进行操作；c)应支持将测量与感知数据进行可视化展示，支持将仿真和数据分析结果进行可视化展示，宜支d)宜利用可视化技术建立用户与数据采集分析系统交互的良好沟通方式，使用户能够个性化规整、约束及优化数据采集分析过程；e)宜保证可视化交互展示信息与目标实体状态实时同步，反映目标实体的属性特征，并对互动结果进行直观显示；f)宜支持对三维模型进行可视化展示，支持多模态孪生数据的可视化访问；g)应为不同数字孪生系统之间提供集成应用，以及数字实体和其他数据源的交互提供可视化访问界面；h)应支持不同视角的切换和可视化交互，如通过鼠标、虚拟按钮、快捷键等方式进行全局视角监7.9数字资产管理数字资产管理功能要求包括：a)应支持对多元异构数据的存储和统一管理功能，并对资产进行分类管理，存储和管理其全生命周期模型和数据，支持对多模态数据的一体化存储管理；b)应根据数据的类型和特点，对数据进行分类、分区域存储和展示。c)应建立数据存取、标记与管理机制，满足实时异构数据快速可靠存取要求，应对多源、异构数据的格式和编码进行规范化表达；d)宜建立目标对象与对应数字资产之间关联关系，基于结构管理数字资产，实现数字资产结构化关联管理；e)应支持对模型进行定义、删除、更新和配置，支持面向不同数字孪生应用对各种模型以及数据多模态孪生数据复合索引和快速构建；f)应支持数字资产版本管理，包括记录同一数字资产不同版本的信息，可对不同版本信息进行追溯，可对目标对象不同阶段的数字资产演变过程进行追溯；g)宜建立各类评估规则，支持资产评估，确定资产的完整性与质量；h)宜支持面向用户的数字资产共享，包括资产在线查看、资产申请、审批、服务接口发布以及可调用等；i)应建立数字资产安全权限管理机制。8安全要求8.1环境物理安全环境物理安全要求包括：a)数字孪生系统部署环