数字孪生体标准化进展年度回顾

导读：距2019年11月21日《为什么需要给数字孪生加上一个“体”字？》一文发表刚满一年。值此岁末年初之际，有必要回顾一年多来的数字孪生体领域标准化相关进展，为数字孪生体下一个十年的开篇布局提供有效支撑。

一、对数字孪生体技术发展历程的再审视

图1给出了截止至上周的标准化视角下的数字孪生体技术发展历程。与去年11月底的初稿（图2）和去年12月底的***稿（图3）相比，除了新增了近两年数字孪生体技术发展和标准化的重要事件外，还有如下重要更新：

图1 标准化视角下的数字孪生体技术发展历程

图2 数字孪生体技术发展历程初稿（2019.11.28）

图3 数字孪生体技术发展历程***稿（2019.12.27）

把原来四个阶段划分（技术准备期、概念产生期、领先应用期、扩展应用期）中的后两个阶段改名为探索应用期和领先应用期，也就是说，将扩展应用期推后十年到2030-2040年。

这一改动是考虑到技术发展进化S曲线本身的特性、数字孪生体技术作为第四次工业革命通用目的技术（GPT）的特性，以及2010-2020过去这十年对数字孪生体技术来说称为各领域、各行业的探索更合适。伴随着标准、平台和工具研发的不断成熟，接下来的十年我们将迎来数字孪生体技术的领先应用期。预计在2030-2040年的扩展应用期，我们将迎来数字孪生体技术S曲线斜率最陡峭的一段。

1、与头两版事件字体颜色只区分数字孪生体技术和非数字孪生体技术不同，新版字体颜色按技术来源类别做了明确划分，确认和进一步修正了一年前我们在《数字孪生体技术***（2019）》中对数字孪生体技术体系的理解。

即系统工程/MBSE是数字孪生系统和数字线程的顶层框架技术和关键技术；数字线程是数字孪生系统的关键技术；物联网是数字孪生系统的底层伴生技术；建模、仿真、机器学习是数字孪生体的关键技术；而云计算、边缘计算、大数据、区块链等是数字孪生系统和数字孪生体的使能技术。

图4 国际上数字孪生体相关的标准化组织

2、我们对数字孪生体技术体系的内部定位与各标准化组织（图4）对待数字孪生体技术所采取的行动高度一致。除了笔者在《数字孪生体的标准化之路》一文中梳理的一系列标准化活动外，图1标出了上个月ISO/IEC JTC 1/SC 41第八次全体会议上决定将SC41名称由“物联网及相关技术分技术委员会”变更为“物联网和数字孪生分技术委员会”，并成立ISO/IEC JTC 1/SC 41/WG6数字孪生工作组，标志着数字孪生体和物联网在标准化组织层面上的合体。

图5 数字孪生体的简化概念模型（来源：Michael Grieves博士）

3、图1根据Michael Grieves博士在ISO/TC 184/SC 4年会上展示的信息（图5），将数字孪生体概念产生的时间标定为2002年10月31日，并将这个时间作为数字孪生体技术发展历程概念产生期的起点。

概念产生期的结束是三个事件的综合作用：2009年，空军实验室提出机身数字孪生体；2010年，NASA发布包含数字孪生体的建模仿真、材料结构两份技术路线图；2011年，Grieves博士在其新书中从John Vickers那里借用NASA的数字孪生体名称。个人认为，与霍金和罗杰·彭罗斯分享对黑洞的预言和理论证明类似，数字孪生体的理论模型、术语名称和概念验证的荣誉应由Michael Grieves博士、空军实验室和NASA三方分享。这与数字孪生体相关综述文章大都提到这三方贡献的科学共同体共识一致。

另外，个人觉得，没有必要把技术准备期的若干预先技术作为数字孪生体概念产生时间，例如CAD模型和CAE仿真都不是数字孪生体。这有点类似于技术发明的临门一脚，人们只记得瓦特之于蒸汽机，贝尔之于电话机，莱特兄弟之于飞机，奥托之于内燃机，戴姆勒、本茨和福特之于汽车；而人们不会把飞机的发明权归于李林塔尔，更不会给达芬奇。

Grieves博士对数字孪生体的重要贡献就是他提出的PLM的概念化理想，这个模型的好处是给出了数字孪生体有别于建模仿真的区别特征（指一个概念同其他相关概念相区别的本质特征）——数字孪生体按照适当的速率实现与对应实体的状态同步。而且这个模型简洁易懂，被广泛使用，历久弥新。

二、数字孪生体联盟为什么要做团体标准

今年6月，数字孪生体联盟成立标准工作组；上周，数字孪生体联盟标准工作组发布第一个团体标准《数字孪生体概念和术语体系》（征求意见稿）。数字孪生体联盟为什么要做团体标准？我们有三点考虑。

宏观层面，应和国家标准战略和标准化工作市场化改革的要求。插播一条新闻，上周中美标准化合作双边视频会议召开，国家标准委主任和ANSI主席共同出席会议。双方交流议题中的几项（两国标准化战略研究进展情况，标准化战略实施对国际标准化的影响，如何加强团体标准的规范性管理）引发了我们的兴趣。这是因为之前我们对美国标准战略的特点和演变做了研究：与国际上绝大多数国家采用标准化组织驱动不同，美国采取的是标准的使用者驱动，强调由市场驱动、基于产业部门、行业主导、政府支持的私营部门标准解决方案。

这也是2015年国务院发布《深化标准化工作改革方案》、2018年开始施行的新《中华人民共和国标准化法》、2019年开始施行的新《团体标准管理规定》这一系列改革和新法律法规的重要初衷——在标准制定主体上，培育发展团体标准，增加标准的有效供给。团体标准入法，既是中国标准化改革的一项重大突破，又为数字孪生体联盟的标准化工作指明了方向。

1、中观层面，数字孪生体产业快速健康发展的要求。全球第一个数字孪生体领域的国际标准是ISO 23247（面向制造的数字孪生系统框架），这个标准从2017年11月由韩国提出立项申请，研制已历时三年，最快也要到明年第一季度正式发布。而智慧城市、能源、建筑、通讯网络等领域的数字孪生体国际标准都还在路上，或刚刚起步。

虽然从图4可以看出，众多国际标准化组织都在这一领域加大投入，但数字孪生体领域标准化工作的产出还是无法适应产业快速发展的要求，迫切需要高效的产出机制和有效的协同机制。所以，遵照《中华人民共和国标准化法》和《团体标准管理规定》制定具有国际领先水平和广泛市场接受度的数字孪生体联盟团体标准，既是对数字孪生体联盟标准化工作的促进和规范，对联盟各成员单位、各数字孪生体创新中心开源生态建设成果的标准化梳理总结和科学管理；也为社会各界增加了数字孪生体相关标准的有效供给，为推动全社会的数字化转型做出重要贡献。

2、微观层面，数字孪生体术语工作和标准体系建设的需要。术语工作是标准化工作的基础。虽然《团体标准管理规定》规定：对于术语、分类、量值、符号等基础通用方面的内容应当遵守国家标准、行业标准、地方标准，团体标准一般不予另行规定。

但是，考虑到数字孪生体这一全新技术领域尚无术语国家标准，而对标在研的ISO 23247-1（面向制造的数字孪生系统框架 第一部分 概述和一般原则）术语部分，质量不敢恭维。所以，数字孪生体联盟标准工作组成立之初就决定出手数字孪生体概念体系和术语体系，作为我们第一个团体标准。

三、团体标准《数字孪生体概念和术语体系（征求意见稿）》解读

制定具有国际领先水平和广泛市场接受度的团体标准是我们的目标。既然我们对ISO 23247-1术语定义的质量不满意，那么何谓国际领先水平的术语定义标准？2017年6月，笔者在系统工程沙龙活动中做了讲座《系统思维和系统分析方法在术语定义中的应用》，其中给出了术语定义的成熟度等级（图6）。

图6 术语定义的成熟度等级

《数字孪生体概念和术语体系（征求意见稿）》（以下简称《征求意见稿》）的水平差不多接近四级，达到这一水平的各领域术语相关国家标准不多。并不是所有术语相关标准都需要达到五级，但已有一些以数据或信息为标准化对象的国际标准达到了五级（即利用MBSE工具和平台构建基于模型的标准开发协同环境），而国内还是空白，差距不小。

图7 数字孪生体概念体系***稿（2019.12）

数字孪生体概念和术语体系的开发工作早在一年多前撰写《数字孪生体技术***》时就开始了。概念数从当时识别出的33个（图7）增加到目前的80个（图8、图9，为了降低难度方便大家阅读，《征求意见稿》中给出的概念体系图是简化版）。针对每个概念，我们从国际标准、国家标准、学术论文、本体库、双语词典等各处收集术语定义，然后分析识别概念间的各种关系，最后绘制概念体系图，实现从概念体系到术语体系的推演。下面对《征求意见稿》和图8图9做若干补充说明。

图8 数字孪生体概念体系团体标准稿（2020.11）

图9 数字孪生体概念体系英文版（CPHS2020会议，2020.11-12）

1. 图7-图9采用STEP标准EXPRESS-G图绘制，与SysML块定义图、UML类图等价。

2. 无论是《征求意见稿》中的简化版概念体系，还是图8图9的完整版，其中都有大量概念与数字孪生体不直接相关。为什么要把实体相关概念、分类框架相关概念也纳入数字孪生体概念体系？这是因为数字孪生体不是孤立存在的技术，它依赖于我们对现实世界的正确理解，依赖于我们对数字孪生化对象的准确建模。所以，需要用系统思维、系统分析、架构定义等系统工程方法为数字孪生体建立本体意义上的概念体系模型。

3. 回应一年前的《为什么需要给数字孪生加上一个“体”字？》一文，《征求意见稿》为digital twin、digital twins、digital twinned、digital twinning、digital twin entity、digital twin system这些英文概念术语在各种上下文语境下都找到了对应的中文翻译，避免了中文只能用“数字孪生”这四个字的尴尬。

4. 《征求意见稿》以数字孪生化对象（digital twinning target）扩展了数字孪生体的外延，将我们通常理解的只有物理实体才有数字孪生体，扩大为物理实体、数字实体、物理虚拟混合实体或它们的组合，明确了数字孪生体或可数字孪生化实体的范围，以适应数字孪生网络、数字孪生能源等场景。

5. 《征求意见稿》区分了数字孪生体和数字孪生系统（简而言之，图4的全部对应数字孪生系统，图4中虚拟空间里的实体对应数字孪生体）；按技术系统完备性法则确定了数字孪生系统的功能子系统；形成了数字孪生体的分类和种属关系，将同步性认定为数字孪生体的本质特征和区别特征。可能有人认为，保真度也是数字孪生体的本质特征和区别特征。实际上，保真度只是（数字）模型的本质特征；对于数字孪生体来说，没有了图5中来自数字孪生化对象的实线数据流，也就不能称其为数字孪生体。所以，《征求意见稿》将数字孪生体按照适当的速率实现与对应的所关注实体的单向状态同步的性质认定为数字孪生体的区别特征。

6. 《征求意见稿》丰富了数字线程的内涵，定义了时间数字线程、空间数字线程、领域数字线程三个下位概念，将互操作性认定为数字线程的本质特征和区别特征。

7. 关于Digital Thread，中文目前常见的译法有四种：数字主线、数字线程、数字线索和数字纽带。从2005年洛马提出数字线程，到2011年进一步提出数字织锦（图1），再加上相关新闻报道中经常出现的Sew、Weave、Stitch等词（图10），可以确信，Digital Thread一词用到了借喻的手法，即借用纺织品的相关概念术语（即在缝纫或编织中使用的长而细的棉线、尼龙线或其他纤维）来比喻指代各种系统的全生命期内的各种模型数据和信息的互操作和融合。所以，Digital Thread的中文翻译也要反映这一情况，比如需要使用带绞丝旁“纟”的字。这一点，四种译法倒是都满足要求。

图10 数字线程相关报道和演讲拼图（来源：Peerless Media、Avnet、洛马、CIMdata）

但是，“数字主线”这一译法问题出在了“主”字上，容易让人有“主次之分”、“主线辅线”、“主线支线”等额外联想。而无论是美军方对Digital Thread的定义，还是洛马、波音等企业的实践，都没有这一层含义。所以，“数字主线”的译法可以排除了。

“数字线索”这一译法问题出在“线索”这个词上，它取了thread另外一个释义，在现代汉语中其含义是比喻事情的发展脉络、探索问题的头绪途径，英文对应clue。所以，“数字线索”的译法也可以排除了。

剩下两种译法，“线程”借用了计算机领域术语；“纽带”除了指较粗的绳，还有连接、联系（link, bond, tie）的含义，也可接受。按使用范围和接受度，将“数字线程”作为首选术语，“数字纽带”可以作为许用术语。

8. 虽然数字孪生体与数字线程这两个概念起源不同，但很快业界就认识到两者密不可分。去年5月CIMdata公司用借喻的手法甚至说：没有数字线程，单个的数字孪生体就是个孤儿。我们在去年的***和刚刚的《征求意见稿》中也表达了同样的观点，并把数字线程提到与数字孪生体同等重要程度来看待：数字线程是数字孪生系统的关键技术，数字孪生体通过数字线程被集成、融合到数字孪生系统中。

9. 图8、图9的概念体系和《征求意见稿》的术语定义为后续数字孪生系统参考架构、分类框架、以及数字孪生体成熟度模型的开发奠定了坚实的基础。

四、数字孪生系统与CPS

关于数字孪生系统与CPS之间的关系，国内外已有众多的分析文章。本文提供一个新的视角——人工物理系统分析的视角。

一个完备的人工物理系统要包含能量源（可在系统外部）、动力子系统、传输子系统、执行子系统、控制子系统和测量子系统，通过作用于系统作用对象实现系统目的（图11）；新的人工物理系统经常没有足够能力独立实现主要功能，要依赖超系统或使能系统提供资源；随着技术的发展，人工物理系统逐渐获得所需资源，自己提供主要功能；人工物理系统朝着不断自我完善、减少人的参与、以提高系统效率的方向进化。图12给出了人工物理系统中现实物理域与虚拟信息域的划分示意。

图11 TRIZ理论的提高人工物理系统完备性进化法则图

12 人工物理系统中现实物理域与虚拟信息域的划分示意（来源：Nikolay Shpakovsky）

根据电子标准院和中国信息物理系统发展论坛2017年发布的《信息物理系统***》中列举的各种CPS现有定义和给出的CPS定义，以及国家标准《信息物理系统 术语（征求意见稿）》中给出的CPS定义，“CPS是控制系统、嵌入式系统的扩展与延伸，其涉及到的相关底层理论技术源于对嵌入式技术的应用与提升”。

也就是说，CPS并未给一个人工物理系统增加新的功能，其目的和手段是集成智能传感器、软件和执行器来改善人工物理系统中的控制子系统控制功能的执行，是在一个子系统内部运用TRIZ理论的增强物场相互作用；而数字孪生系统是为一个人工物理系统建立数字孪生体，利用超系统资源实现整个系统向双系统跃迁的进化趋势（图13）。由于人工物理系统完备性的嵌套和递归，数字孪生体技术可以作为CPS的使能技术；同样，CPS也可作为数字孪生系统的使能技术。但在技术发展的宏观层次上，由于数字孪生系统在提高人工物理系统理想度的全局性贡献，相比CPS，更具符合新一轮产业革命通用目的技术的要求。

图13 CPS和数字孪生系统在人工物理系统由简单结构和功能、到复杂结构和功能、再到简单结构复杂功能的螺旋式上升式进化中的位置

五、展望与结语

经过一年多的努力，数字孪生体联盟及其标准工作组基本完成了《中国数字孪生体标准战略建议》、《数字孪生体联盟团体标准研制计划》和《数字孪生体概念和术语体系（征求意见稿）》，目前正按照《数字孪生体联盟团体标准研制计划》开始啃下一块硬骨头（图14）。数字孪生体联盟坚持守正创新，秉承包容和开源的价值观，愿与产业同仁共同推动数字孪生体标准化工作。

 图14 数字孪生体标准化工作的一级分解

最后，以中国标准化研究院原院长王忠敏说过一段话自勉：“标准的生命力及其最深厚的根源不在政府，不在标准化主管部门，不在上层，也无关行政命令和首长的指示或决定。标准和标准化不但是经济和社会发展的技术基础，也有着更加深刻更为丰富的文化内涵。这些内在东西，只能深藏在民众经济和社会生活的土壤之中”。

致谢：

感谢一周来，来自各个行业以及标准化领域的同仁和老师们对《数字孪生体概念和术语体系（征求意见稿）》提出的宝贵意见和建议。欢迎数字孪生体产业的所有利益相关者继续拍砖指正。大家可以从https://openii.cn/twinconsoritum/standards

下载pdf，添加批注。我们会与各位老师沟通，认真仔细回复，尽快形成正式发布的版本。

参考文献

[1] 数字孪生体实验室.数字孪生体技术***. 安世亚太科技股份有限公司, 2019.12

[2] 数字孪生体联盟标准工作组.数字孪生体概念和术语体系团体标准征求意见稿. 2020.11

[3] Haibo Duan, Feng Tian. The development of standardized models of digital twin. Proceedings of CPHS 2020 3rd IFAC Workshop on Cyber-Physical & Human Systems, 3-5 December 2020, Beijing, China

作者：段海波，安世亚太公司咨询总工程师，数字孪生体实验室北美分部主任，INCOSE CSEP(2017)，MATRIZ三级认证(2005)；ISO/TC184/SC4，SAC/TC159/SC4和SAC/TC28/SC7委员。研究方向：数字孪生体与物联网、基于增材思维的先进设计与智能制造，系统工程与MBSE，精益研发与知识工程，以及上述领域的标准化。

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