1T/CESAXXXX—202X工業(yè)數(shù)字孿生引擎功能架構本文件規(guī)定了工業(yè)數(shù)字孿生引擎的功能架構，描述了工業(yè)數(shù)字孿生引擎物理層、原生數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)孿生體層、數(shù)字主線層、數(shù)字孿生管理層和數(shù)據(jù)孿生應用服務層的功能要素。本文件適用于指導工業(yè)數(shù)字孿生引擎軟件產(chǎn)品設計，開發(fā)和集成。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T40020-2021《信息物理系統(tǒng)參考架構》GB/T40021—2021《信息物理系統(tǒng)術語》3術語和定義GB/T40021—2021《信息物理系統(tǒng)術語》中術語和定義適用于本文件，在《信息物理系統(tǒng)術語》之外,下列術語和定義同樣適用于本文件。3.1工業(yè)數(shù)字孿生引擎digitaltwinengineofindustry具備支撐構建滿足工業(yè)產(chǎn)品全生命周期場景需求和功能要求的一套完整工具與組件的集成引擎或平臺。3.2工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)digitaltwinsystemofindustry是指滿足工業(yè)產(chǎn)品全生命周期場景需求，基于工業(yè)數(shù)字孿生引擎進行開發(fā)、實施和運行的工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)。4縮略語下列縮略語適用于本標準。GIS地理信息系統(tǒng)（GeographicInformationSystem）API應用程序接口(ApplicationProgrammingInterface)BIM建筑信息模型（BuildingInformationModeling）5功能架構2T/CESAXXXX—202X工業(yè)數(shù)字孿生引擎是構建滿足工業(yè)產(chǎn)品全生命周期場景需求和功能要求的一套完整工具與組件的集成引擎或平臺。基于工業(yè)數(shù)字孿生引擎可以開發(fā)，實施，和運行工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)（工業(yè)數(shù)字孿生系統(tǒng)不在本標準規(guī)定范圍內）。工業(yè)數(shù)字孿生引擎的功能架構（如圖5-1所示）主要包括六個部分，分別是物理層（不在本標準規(guī)定范圍內）、原生數(shù)據(jù)層、數(shù)字孿生體層、數(shù)字主線層、數(shù)字孿生管理層和數(shù)據(jù)孿生應用服務層，具體如下：a)物理層指工業(yè)場景中涉及的傳感采集設備，集成控制設備，和專用智能設備的集合，為原生數(shù)據(jù)層提供物理實體數(shù)據(jù)支撐；b)原生數(shù)據(jù)層是對數(shù)據(jù)采集口和協(xié)議進行規(guī)范，并對各類工業(yè)數(shù)據(jù)進行清洗、修正與轉換的模塊，應具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)預處理等功能，為數(shù)據(jù)孿生體層提供高質量數(shù)據(jù)；c)數(shù)字孿生體層是獲取孿生數(shù)據(jù)，構建數(shù)字孿生模型的模塊，應具備孿生數(shù)據(jù)和模型構建功能，為數(shù)字主線層提供數(shù)據(jù)和模型支撐；d)數(shù)字主線層是將孿生數(shù)據(jù)和孿生模型進行關聯(lián)的模塊，應具備孿生數(shù)據(jù)關聯(lián)和孿生模型關聯(lián)等功能，方便數(shù)據(jù)孿生管理層執(zhí)行各種操作；e)數(shù)字孿生管理層是組裝數(shù)字孿生體并進行管理的模塊，應具備孿生體庫構建、孿生體匹配、孿生體融合、智能檢索和檢查、加載和裝載調用、編輯等功能，為數(shù)字孿生應用服務層提供數(shù)字孿生體；f)數(shù)字孿生應用服務層是提供數(shù)字孿生應用服務的模塊，應具備孿生監(jiān)測、預測、仿真、優(yōu)化、多維交互和孿生可視化等功能。圖1功能架構圖3T/CESAXXXX—202X6原生數(shù)據(jù)層6.1概述原生數(shù)據(jù)層負責對采集到的各類工業(yè)數(shù)據(jù)進行集成、清洗、修正與轉換，應具備數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)預處理等功能。6.2數(shù)據(jù)集成數(shù)據(jù)集成通過規(guī)范數(shù)據(jù)接口與協(xié)議，建立規(guī)范的數(shù)據(jù)應用標準，提高數(shù)據(jù)質量。集成數(shù)據(jù)涉及集成物理實體層的各類工業(yè)數(shù)據(jù)，類型包括但不限于結構化、半結構化、非結構化等數(shù)據(jù)等。6.2.1數(shù)據(jù)接口a)支持有線連接類數(shù)據(jù)接口包括但不限于RS485、RS232、MBUS等；b)支持無線連接類數(shù)據(jù)接口包括但不限于藍牙、WIFI、2G/3G/4G/5G、LoRa、Zigbee、HART等。6.2.2數(shù)據(jù)協(xié)議a)數(shù)據(jù)源類型協(xié)議包括但不限于傳感器、PLC、CNC、OPCSERVER，DB，F(xiàn)ILE，WebServiceb)數(shù)據(jù)采集協(xié)議包括但不限于JT/T808、MQTT、RESTfulAPI、MODBUS、COAP等;c)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議包括但不限于JDBC、ODBC、FTP/SFTP、HTTP/HTTPS、TCP/IP等。6.3數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理支持對原生數(shù)據(jù)進行整合加工，將原生數(shù)據(jù)中不符合要求的數(shù)據(jù)轉化成有價值的數(shù)據(jù)，并支持對預處理后的數(shù)據(jù)加密存儲。其過程包含但不限于對數(shù)據(jù)的清洗、轉換、加密等。a)數(shù)據(jù)清洗：支持對業(yè)務數(shù)據(jù)中無效數(shù)據(jù)、不規(guī)范數(shù)據(jù)進行清洗，剔除影響數(shù)據(jù)建模的不完整數(shù)據(jù)、錯誤數(shù)據(jù)、重復數(shù)據(jù)；b)數(shù)據(jù)轉換：支持將數(shù)據(jù)從-種格式或結構轉換為另-種格式或結構的過程，應支持對數(shù)據(jù)進行拆分、融合、標準化轉換、度量單位轉換等處理；c)數(shù)據(jù)加密：支持對清洗、轉換后的數(shù)據(jù)存儲進行加密處理。7數(shù)字孿生體7.1孿生數(shù)據(jù)孿生數(shù)據(jù)是明確定義物理實體全生命周期信息在虛擬空間和實體空間之間的空間數(shù)據(jù)映射，應具備數(shù)據(jù)結構定義，孿生數(shù)據(jù)治理，和孿生數(shù)據(jù)映射等功能。7.1.1數(shù)據(jù)結構定義數(shù)據(jù)結構定義模塊可按照人，機，料，法，環(huán)對全生命周期數(shù)據(jù)進行分類，建立全生命周期數(shù)據(jù)層級關系，并根據(jù)層級關系對全生命周期數(shù)據(jù)的實例，屬性，和關系進行結構描述和定義。7.1.2孿生數(shù)據(jù)治理孿生數(shù)據(jù)治理模塊應具備根據(jù)數(shù)據(jù)結構對全生命周期數(shù)據(jù)的實例、屬性、關系進行積累，存儲，轉移和歸類的功能。4T/CESAXXXX—202X7.1.3孿生數(shù)據(jù)映射孿生數(shù)據(jù)映射模塊應具備實現(xiàn)實體空間與虛擬空間之間信息交互聯(lián)動的功能，包含以下功能：a)定義孿生數(shù)據(jù)映射頻率和映射數(shù)據(jù)維度；b)建立物理空間和信息空間數(shù)據(jù)映射數(shù)據(jù)字典；c)構筑信息空間與物理空間數(shù)據(jù)映射的閉環(huán)通道。7.2模型構建7.2.1概述工業(yè)數(shù)字孿生引擎模型構建應支持工業(yè)數(shù)字孿生體全生命周期模型構建，包括設計階段、制造階段、運行階段的物理模型、機理模型、融合模型及應用模型。可內置模型構建工具或集成模型構建工具。7.2.2物理模型物理模型構建應具備參照物理實體的運動過程、結構、形狀及狀態(tài)等特點，建立物理過程、概念以及實體的功能，應包括概念模型、三維模型、電子電氣模型、工藝模型等模型的構建，可覆蓋力學、熱學、聲學、流體、電磁、軟件等物理領域。可根據(jù)模型應用目的，如可視化、實時仿真等，對物理模型進行幾何實體、承載信息、構建邏輯等方面的精簡、轉換、縮減，實現(xiàn)輕量化處理。7.2.3機理模型機理模型構建可通過理論公式、經(jīng)驗公式及仿真等方法實現(xiàn)目標任務變化規(guī)律的表征，根據(jù)對象、生產(chǎn)過程的內部機制或者物質流的傳遞機理構建數(shù)學模型，應包含以下功能：a)通過理論公式準確構建對應實體的機理模型；b)通過經(jīng)驗公式近似構建對應實體的機理模型；c)調節(jié)經(jīng)驗公式參數(shù)，提高經(jīng)驗公式準確性；d)根據(jù)經(jīng)驗公式結果，使用仿真的方法不斷的調節(jié)經(jīng)驗公式參數(shù)，改進模型，直到更新后的模型滿足要求。7.2.4數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型構建應具備針對物理模型和機理模型難以描述的復雜問題，利用原生數(shù)據(jù)層上傳數(shù)據(jù)進行目標建模的功能，具體應包含以下內容。a)數(shù)據(jù)預處理數(shù)據(jù)預處理應具備數(shù)據(jù)處理、過濾不可用數(shù)據(jù)的功能，具體應包含以下內容：——數(shù)據(jù)清洗功能：將數(shù)據(jù)中缺失的值補充完整、消除噪聲數(shù)據(jù)、識別或刪除離群點并解決不一致性。主要達到的目標是：將數(shù)據(jù)標準化、異常及重復數(shù)據(jù)清除、錯誤數(shù)據(jù)糾正；——數(shù)據(jù)集成功能：將多個數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進行整合并統(tǒng)一存儲；——數(shù)據(jù)變換功能：通過平滑聚集、數(shù)據(jù)概化、規(guī)范化等方式將數(shù)據(jù)轉換成適用于數(shù)據(jù)挖掘的形式。b)模型構建模型構建可通過對數(shù)據(jù)特征提取以及模型算法的選擇和訓練，獲得目標任務的數(shù)據(jù)模型，可通過以下功能實現(xiàn)：——特征提取功能：根據(jù)目標任務的數(shù)據(jù)特點，從源生數(shù)據(jù)中提取具有目標任務規(guī)律和特點的特征，從而提高算法執(zhí)行效率和數(shù)據(jù)模型精度，為數(shù)據(jù)模型提供可解釋性；5T/CESAXXXX—202X——模型訓練功能：根據(jù)目標任務的數(shù)據(jù)特點，利用人工智能算法從提取特征中學習目標任務實現(xiàn)模式，完成自適應的模型訓練任務。7.2.5融合模型融合模型構建可根據(jù)主體模型及融合級別的不同，將機理模型與數(shù)據(jù)模型以某種方式融合在一起，建立適用于實際業(yè)務的高精度模型。7.2.6應用模型應用模型構建包含針對工業(yè)數(shù)字孿生應用場景，對物理模型、機理模型、數(shù)據(jù)模型和融合模型進行組合，并融合人工智能算法、專家經(jīng)驗、知識庫等，建立多模態(tài)分析模型，實現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)測、異常識別、故障診斷、壽命預測和能耗優(yōu)化等。8數(shù)字主線數(shù)字主線是可擴展、可配置和組件化的分析通信框架，應具備覆蓋設備全生命周期的跨層次、跨尺度、多視圖的信息的功能。8.1數(shù)字主線定義數(shù)字主線定義可通過提取多源異構數(shù)據(jù)中的信息實現(xiàn)本體的實例、屬性和關系的創(chuàng)建，包含以下功a)使用標記語言和特定規(guī)則對多源異構數(shù)據(jù)文件進行編輯，實現(xiàn)數(shù)據(jù)描述格式的轉化和統(tǒng)一；b)提取統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式文件中的實例、屬性、關系。8.2主線數(shù)據(jù)庫主線數(shù)據(jù)庫可通過連接數(shù)據(jù)庫與描述工具實現(xiàn)全生命周期數(shù)據(jù)的集成表示，包含以下功能：a)創(chuàng)建數(shù)據(jù)描述文件；b)結合描述文件，按照概念層中定義的屬性和關系建立主線數(shù)據(jù)庫；c)通過設置數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)導入和數(shù)據(jù)的存儲查詢；d)具備數(shù)據(jù)庫管理功能。8.3模型數(shù)據(jù)關聯(lián)管理模型數(shù)據(jù)關聯(lián)管理模塊應從時間，空間，和生產(chǎn)要素等不同維度實現(xiàn)主線數(shù)據(jù)與模型數(shù)據(jù)的關聯(lián)匹配，通過調用開放API接口，為數(shù)字孿生管理層提供高質量數(shù)據(jù)支撐服務和數(shù)據(jù)協(xié)議管理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)調用等功能。9數(shù)字孿生管理9.1孿生體庫構建孿生體庫構建應針對工業(yè)數(shù)字孿生管理和應用服務需要，實現(xiàn)分類構建、統(tǒng)一命名、映射與描述等功能，包含以下內容：a)孿生體庫統(tǒng)一命名規(guī)則：支持統(tǒng)一的庫命名方式，如下劃線式、駝峰式等，實現(xiàn)孿生體庫的命名方式統(tǒng)一；6T/CESAXXXX—202Xb)孿生體庫分類構建與庫編碼自增長：支持針對模型和孿生體分類構建孿生體庫，支持庫編碼的c)孿生體庫中的映射關系管理：以模型為孿生體的最小管理單元，孿生體庫中可映射每個孿生體所包含的模型；d)模型和孿生體應用范圍及邊界條件設定：孿生體庫中的模型和孿生體應明確應用范圍以及邊界條件，方便在匹配、融合、應用時進行篩選；e)孿生體庫按需分配和彈性擴容：孿生體庫支持按需分配和彈性擴容，當孿生體庫容量接近滿負荷時及時進行提醒。9.2孿生體組裝孿生體組裝應具備物理對象基本單元的孿生體構建等功能，可通過組裝基本單元實現(xiàn)數(shù)字孿生體的構建，包含以下內容：a)構建模型的層級關系并明確模型的組裝順序；b)在組裝過程中需要添加合適的約束條件；c)基于構建的約束關系與模型組裝順序實現(xiàn)模型的組裝；d)按照模型數(shù)據(jù)的關聯(lián)關系將數(shù)字主線中相應數(shù)據(jù)輸入至組裝的模型中，再將模型輸出的孿生數(shù)據(jù)存入數(shù)字主線中實現(xiàn)模型、數(shù)據(jù)的匹配，從而形成數(shù)字孿生體。9.3孿生體管理孿生體管理模塊應具備基于面向對象語言和模型字典對孿生體模型文件進行管理的功能，包含以下a)將孿生體以文件形式進行存儲實現(xiàn)孿生體庫的構建；b)建立模型文件的存取路徑以對模型進行存取；c)對模型進行增加、刪除、修改及查詢；d)對模型文件進行編輯和編譯等。9.4孿生體智能檢索孿生體智能檢索可通過理解孿生體模型所包含的信息內容和用戶的信息需要，實現(xiàn)檢索意圖理解、目標查詢、結果呈現(xiàn)的模塊，具體內容如下：a)孿生體復雜條件檢索,對模型關聯(lián)關系、模型屬性和模型標注信息對模型進行精準查詢。支持模型類型-模型標簽-模型知識圖譜復合條件檢索功能；b)孿生體自然語言處理,支持詞匯挖掘、同義詞挖掘、縮略詞挖掘、實體識別等自然語言處理功能，支持異構模型信息抽取、識別和轉換功能；c)孿生體檢索結果推薦,根據(jù)檢索的結果，通過知識推理的方法，對該模型的一些特征信息進行梳理，找到模型推薦依據(jù)。通過基于模型內容推薦、基于協(xié)同過濾推薦以及結合多種算法的組合推薦，實現(xiàn)將推薦模型應用到實際場景中。9.5孿生體裝載與調用孿生體裝載與調用應具備于孿生體的加載和數(shù)據(jù)源的綁定等功能，包含以下內容：a)根據(jù)數(shù)字孿生輔助分析決策的內容和過程分析孿生體調用需求；b)通過模型語言工具和執(zhí)行模塊從孿生體庫中獲取相關模型；c)通過接口調用方式將孿生體安裝至數(shù)字孿生引擎開發(fā)環(huán)境；d)獲取孿生體所需參數(shù)，從數(shù)字主線中獲取所需的數(shù)據(jù)進行傳遞；7T/CESAXXXX—202Xe)接收計算結果。10數(shù)字孿生應用服務10.1組件孿生組件是對孿生數(shù)據(jù)和孿生模型的簡單封裝，可以基于不同應用場景選擇一個或多個組件構建孿生應用。組件應當包含：交互支持、可視化、監(jiān)測、仿真、輔助決策。10.1.1交互支持交互支持可通過不同維度的交互方式實現(xiàn)人與虛擬場景實時機交互的模塊，應包含模型加載與處理、交互方式選擇、模型操作：a)模型加載預處理模塊可將孿生模型通過接口導入的方式加載到交互環(huán)境中并對模型進行渲染處理；b)交互方式可分為人機交互與增強交互，人機交互包括鍵盤、鼠標等人機交互手段，增強交互包括虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實與影像現(xiàn)實；c)模型操作應包含模型的位置移動、模型分解、模型等比例縮放等。10.1.2可視化可視化應包含數(shù)字孿生加載、輕量化、展示終端和展示方式等模塊。a)數(shù)字孿生加載數(shù)字孿生加載模塊使用相應的引擎API將通用格式文件模型加載到展示環(huán)境中，可根據(jù)初始化的需求來決定加載的模型。b)輕量化數(shù)字孿生模型輕量化可以在保留完整模型基本信息和保證模型精確度的前提下，將原始文件在幾何描述、承載信息、構建邏輯等方面實現(xiàn)精簡，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的流暢瀏覽與操作，并使模型的可視化與建模軟件無關聯(lián)。c)展示方式展示方式模塊應具備提供數(shù)字孿生可視化服務的功能，包含以下內容：——GIS全場景展示；——自由三維漫游展示；——單體設備三維展示；——GIS+BIM模型展示；——監(jiān)控儀表數(shù)據(jù)采集可視化展示。10.1.3監(jiān)測監(jiān)測是對孿生數(shù)據(jù)和孿生模型的運行狀況和與潛在故障有關的因素進行監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)用于數(shù)字孿生應用的狀態(tài)管理和故障診斷與報警，需要時也可被應用系統(tǒng)調用。10.1.4仿真仿真是指對孿生本體的物理信息、環(huán)境信息、數(shù)據(jù)處理過程等數(shù)據(jù)進行實時采集、并完成實時映射，實現(xiàn)對孿生本體的真實復現(xiàn)。10.1.5輔助決策8T/CESAXXXX—202X輔助決策是通過仿真的方式對孿生數(shù)據(jù)和孿生模型的運行情況進行分析判斷，對于不滿足預期的情況，進行主動優(yōu)化干預，用以提升孿生物理對象的運行效率，達到預期結果最優(yōu)化，同時，使數(shù)字孿生服務本身不受影響的按優(yōu)化后的模式繼續(xù)正常運行。10.2實例實例是完整的數(shù)字孿生應用的構建示例，包含多個組件的使用組合，通過特定的業(yè)務場景表達數(shù)字孿