《工业数字孪生总体框架》 编制说明

1一、工作简况（一）任务来源为扎实推进实施军民标准通用化工程，加强重点领域军民通用标准制定，中国和平利用军工技术协会结合工业互联网实际建设需求和当下发展趋势，于2023年2月15日提出了《工业互联网平台》系列团体标准编制计划并予以立项。本项团体标准为《工业数字孪生总体框架》，计划编号为：T/CPUM本标准由中国和平利用军工技术协会提出并归口。本标准由国网湖北信通公司为牵头单位的起草小组组织起草。（二）标准制订的目的工业数字孪生作为工业互联网数据驱动的智能优化闭环的核心使能技术，打通了数字空间和物理世界，为企业开展智能化升级提供了新型应用模式。近两年，国内外企业积极探索数字孪生在工业中的应用，在缩短产品研制周期、提高生产效益和设备运行效率等方面取得良好成效，展现了巨大的赋能潜力与广阔的推广前景。随着我国工业互联网创新发展战略深入实施，部分应用企业已基于工业互联网完成了数字化、网络化改造，少数头部企业渴望通过工业互联网开展智能化升级。数字孪生在工业研发、生产、运维全链条均发挥重要作用。在研发阶段，数字孪生能够通过虚拟调试加快推动产品研发低成本试错。在生产阶段，数字孪生能够构建实时联动的三维可视化工厂，提升工厂一体化管控水平。在运维阶段，数字孪生可以将仿真技术与大数据技术结合，不但能够知道工厂或设备“什么时候发生故障”，还能够了解“哪里发生了故障”，极大提升了运维的安全可靠性。2021年我国各部委和地方政府开始纷纷出台数字孪生相关政策文件。国家发改委“上云用数赋智”、科协“未来十大先进技术”、工信部“智能船舶标准”均将数字孪生列为未来发展关键技术，上海和海南在城市规划中也提出要打造数字孪生城市。在产业实践方面，我国多类主体均开展数字孪生探索，如恒力石化、中广核等流程行业应用企业积极构建三维数字化工厂，湃睿科技、摩尔软件等企业利用AR/VR提升数字孪生人机交互效果，工业自动化企业华龙迅达构建虚实联动的烟草设备数字孪生。但是目前在数字孪生方面除了在研的20221218-Z-604《自动化系统与集成工业数据数字孪生的可视化元素》标准外，没有相关标准针对工业数字孪生进行规范和引导。造成系统冲突、信息不流通、设备相互间的兼容性和通用性较差，造成资源浪费等问题，亟需制定相关标准进行规范和引导。2工业数字孪生总体框架工业数字孪生通用要求工业数字孪生开发运维通用要求工业数字孪生数据交换与接口要求工业数字孪生应用和服务规范工业数字孪生应用成熟度评估方法工业数字孪生工业互联网数据中心数字孪生技术规范本项目《工业数字孪生总体框架》拟定主要规定工业数字孪生整体框架，同时以附录的形式给出了一些优秀的参考案例，建立工业数字孪生框架经典模式，为其他企业、研究单位等提供可复制、可借鉴的优秀范例，在工业互联网平台全产业链进行推广，达到产业示范的效果。（三）主要工作过程（1）项目预研专家座谈会2023年8月30日，由中国和平利用军工技术协会主办，北京蓝象标准咨询服务有限公司承办的《工业数字孪生》系列团体标准预研研讨会在北京召开。中国和平利用军工技术协会标准化工作委员会副主任委员李锦程出席会议并点评，中国和平利用军工技术协会标准化工作委员会副主任委员乔华阳出席会议并致辞和总结。航空工业信息技术中心设计与制造工程部部长（一级技术专家）许鸿杰、中国标准化研究院原副院长（研究员）汤万金出席会议并点评。《工业数字孪生》系列团体标准主编单位及核心参编单位代表等30余人参加了本次会议。会议由中国和平利用军工技术协会标准化工作委员会高级工程师（北京蓝象标准咨询服务有限公司首席技术官）张德保主持。国网湖北信通公司参编代表介绍了企业在工业互联网平台应用方面的主要工作、标准化战略布局等情况，以及《工业数字孪生总体框架》标准的研制思路与核心内容。参会专家和代表重点围绕《工业数字孪生》系列团体标准的定位、核心内容、标准名称和范围展开了热烈的讨论，并研讨了系列标准之间的关系，认为该系列标准应该坚持需求牵引，急用先行，优先解决现有成熟场景的标准化问题，对数字孪生场景和模型做好研究，并在此基础上推进系列标准的研制。同时，该系列标准作为协会首批工业数字孪生领域的标准，应为后续标准研制留有开口，逐步对该系列标准进行扩展。会后，标准研制组根据会议的建议和意见进行分析和研究，对《工业数字孪生总体框架》标准草案进行相应修改与完善。（2）首次研讨会2024年7月2日，由中国和平利用军工技术协会主办、蓝象标准（北京）科技有限公司承办的《工业3数字孪生》系列7项团体标准首次研讨会在北京召开。中国和平利用军工技术协会标准化工作委员会副主任委员乔华阳出席会议并致辞，公安部科技信息化局原党委书记、局长（研究员）厉剑出席会议并点评，标准主编单位、副主编单位、部分参编单位代表等30余人参加了本次会议。会议由中国和平利用军工技术协会标准化办公室技术负责人、蓝象标准（北京）科技有限公司首席技术官张德保主持。国网湖北信通公司代表标准研制组对标准研制思路、核心内容进行了介绍。参会专家和代表重点围绕系列标准的统一协调性以及标准的名称、技术框架、性能指标、条款的陈述方式等方面展开了热烈的讨论。标准研制组根据会议的建议和意见进行分析和研究，会前和会上各单位和专家提出的20条修改建议进行了处理，并对标准草案进行了相应修改与完善，形成征求意见稿，报中国和平利用军工技术协会审批。（四）主要参加起草单位和工作组成员所做的工作本标准起草工作组由国网湖北信通公司为牵头单位组成。起草组承担了标准起草的组织、标准文本的编制、重点企业意见征求、标准编制说明的撰写和内审等工作。二、标准编制原则和确定标准主要内容的依据（一）标准编写原则本标准按照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。起草过程，充分考虑现有相关标准的统一和协调；标准的要求充分考虑了国内当前的行业技术水平，对草案内容进行多次征求意见和充分讨论。（二）主要内容本文件作为系列文件的框架性标准，重点介绍了工业数字孪生的总体架构，明确了工业数字孪生物理层、资源层、数据层、服务层、应用层、运营运维、安全要求、标准要求的主要内容，为后续标准的制定提供了基础框架和理论支撑。通过本文件，可以全面理解工业数字孪生的核心要素和技术路径，为后续标准打下坚实的基础。适用于制造业、能源、交通运输、农业等行业开展工业数字孪生总体框架构建、规划、设计、应用、运营、运维、评估等活动。1）术语和定义在分析调研船舶、交通、石化、核工业、信息工业、航空工业、航天工业等领域的基础上，借鉴了GB/T43441.1《信息技术数字孪生第1部分：通用要求》标准中相关的术语定义，提出了工业数字孪生、数字孪生、数据采集、云服务、虚拟映射的术语定义，并在系列标准中做好统一。标准格式符合GB/T1.1相关规定。2）总体架构工业数字孪生应以工业各场景为基础，构建真实世界的虚拟映射，实现对设备全生命周期管理，及多类数字化技术集成融合和创新应用，对工业生产进行规划、管理、诊断，从而实现生产高效率、低成本、高质量发展，工业数字孪生系统包括物理层、资源层、数据层、服务层、应用层五个核心层面，以及运营运维、安全要求、标准要求三个贯穿始终的纵向要求，共同构成了工业数字孪生的基石。工业数字孪生总体架构如图1所示。a)物理层：包括生产线、设备、传感器、执行器等。4b)资源层：包括计算资源、存储资源、网络资源和资源调度等。c)数据层：包括数据关系、知识库构建、模型库、智能分析等。d)应用层：包括概念设计、生产制造、使用保障、供应链管理等。e)运营运维：包括系统监控、日志管理、维护升级、性能优化等。f)安全要求：包括身份认证、访问控制、数据加密、容错设计等。g)标准要求：包括接口标准化、数据格式、互操作性、兼容性等。图1工业数字孪生总体框架（三）主要依据本标准在响应工业互联网相关政策法规，通过研究分析相关国家标准和行业标准，提出本项目的研制思路。主要参考引用以下标准：GB/T39815—2021工业互联网平台参考架构T/CPUMTBBBBB工业数字孪生通用要求T/CPUMTCCCCC工业数字孪生建设与运维管理要求T/CPUMTDDDDD工业数字孪生数字模型与数据集成交换要求T/CPUMTEEEEE工业数字孪生应用和服务规范本标准除了要与国家法律、法规和国家标准、行业标准相协调的基础上，还将与工业互联网相关标准体系相协调。本标准在《工业数字孪生》系列标准中起纲领性作用，为工业数字孪生系统建设提供宏观导。三、国外相关法律、法规和标准情况的说明美国从战略规划、应用实践、产业创新等方面全方位布局数字孪生发展。一是“政产研”合力推动数5字孪生上升为国家战略。二是依托航空航天基础优势，探索形成了成熟的应用路径。三是供给侧企业加快技术创新，利用新一代信息技术优化数字孪生应用效果。美国数字孪生综合优势体现在在三个方面：一是构建了基于模型的系统工程方法论，通过统一语义和语法标准、给定系统集成路径，为数字孪生应用提供理论指导。二是拥有强大的仿真产业，ANSYS、MathWorks、Altair等企业为数字孪生应用提供基础建模工具。三是拥有丰富的应用数据和模型，空客、洛克希德马丁、特斯拉等应用在产品研制过程中积累了大量机理模型，持续优化数字孪生精度。德国立足标准制定基础优势，面向数字孪生打造了数据互联、信息互通、模型互操作的标准体系（即管理壳理论），实现各类数字化资产（数据、信息、模型）之间的无缝集成融合，提升物理实体在虚拟空间映射精准度。相较于美国更多开展“装备级”数字孪生，德国具有西门子单点优势，是全球极少数能够提供“工厂级”数字孪生的工业服务商。工业自动化巨头西门子近10年花费100多亿美元收购了几乎全类工业软件，涵盖了产品生命周期管理（Teamcenter）、计算机辅助设计(NX)、电子设计自动化(Mentor)、事件仿真(Simcenter)、制造运营管理系统（Opcenter）等，并持续将各类工业软件集成至Mindsphere工业互联网平台。四、我国有关现行法律、法规和其他强制性标准的关系我国在理论研究方面，中国关于数字孪生思想的研究由来已久，1978年钱学森提出系统工程理论，由此开创国内学术界研究系统工程的先河。2004年，继美国提出数字孪生概念，中国科学院王飞跃聚焦解决复杂系统方法论，首次提出平行系统的概念，将系统工程与新一代信息技术结合；在产业实践方面，我国多类主体均开展数字孪生探索，如恒力石化、中广核等流程行业应用企业积极构建三维数字化工厂，湃睿科技、摩尔软件等企业利用AR/VR提升数字孪生人机交互效果，工业自动化企业华龙迅达构建虚实联动的烟草设备数字孪生。尽管我国多类主体探索数字孪生热情高涨，但产业实践大多数停留在简单的可视化和数据分析，与国外基于复杂机理建模的分析应用还存在一定差距。五、重大意见分歧的处理结果依据本标准在标准起草过程中，对标准中的技术内容没有发生重大分歧。六、数据验证本标准通过收集、整理当前工业互联网及数字孪生相关国内外文献10余篇，查阅相关现行国家、行业标准12项，并调研涉及工业数字孪生应用的7个行业，对标准进行了充分的试点验证。1）术语和定义本部分在分析调研船舶、交通、石化、核工业、信息工业、航空工业、航天工业等领域的基础上，借鉴了GB/T32919—2016《信息安全技术工业控制系统安全控制应用指南》、GB/T42021—2022《工业互联网总体网络架构》、GB/T42562—2023《工业互联网平台选型要求》、GB/T35295—2017《信息“数据处理”、“工业控制系统”的术语定义，并在系列标准中做好统一。标准格式符合GB/T1.1相关规定。2）工业数字孪生总体框架6工业数字孪生应以工业各场景为基础，构建真实世界的虚拟映射，实现对设备全生命周期管理，及多类数字化技术集成融合和创新应用，对工业生产进行规划、管理、诊断，从而实现生产高效率、低成本、高质量发展，工业数字孪生系统包括物理层、资源层、数据层、服务层、应用层五个核心层面，以及运营运维、安全要求、标准要求三个贯穿始终的纵向要求，共同构成了工业数字孪生的基石。通过重点对船舶、交通、石化、核工业、信息工业、航空工业、航天工业等领域主流企业进行调研，如探月与航天工程中心、三一重工股份有限公司、北京方州科技有限公司、中航工业西安飞行自动控制研究所、国网湖北信通公司、通用技术集团机床工程研究院有限公司、中国运载火箭技术研究院、中国汽车工程研究院股份有限公司、中国航空工业集团公司成都飞机设计研究所、电子科技大学等企业，总体框架及各层条款符合各行各业的通用性。相关条款表述符合GB/T1.1相关规定。七、预期的社会经济效果标准的制定主要具有以下几点意义：（1）可以为工业数字孪生模型的