《數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)規(guī)范》

ICS33.040.40

CCSL78

CASME

中國中小商業(yè)企業(yè)協(xié)會團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

T/CASMEXXXX—XXXX

數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系

統(tǒng)規(guī)范

Specificationfordatabidirectionalcommunicationsystemfordigitaltwin

multi-channelreadingandwritingdevices

（征求意見稿）

2023-XX-XX發(fā)布2023-XX-XX實施

中國中小商業(yè)企業(yè)協(xié)會??發(fā)布

T/CASMEXXXX—XXXX

數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)規(guī)范

1范圍

本文件規(guī)定了數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)規(guī)范的術(shù)語和定義、數(shù)字孿生概念模型、

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊、雙向通信流程及要求、性能要求、運行測試。

本文件適用于數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)。

2規(guī)范性引用文件

下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)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(yīng)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/T29831.3系統(tǒng)與軟件功能性第3部分：測試方法

GB/T29832.3系統(tǒng)與軟件可靠性第3部分：測試方法

GB/T29833.3系統(tǒng)與軟件可移植性第3部分：測試方法

GB/T29834.3系統(tǒng)與軟件維護(hù)性第3部分：測試方法

GB/T29835.3系統(tǒng)與軟件效率第3部分：測試方法

GB/T29836.3系統(tǒng)與軟件易用性第3部分：測試方法

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1

數(shù)字孿生digitaltwin

指將物理實體鏡像映射到虛擬空間，生成一個“數(shù)字雙胞胎”，在虛擬空間中的克隆體可以通過物

聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時雙向互聯(lián)互通，反映對應(yīng)物理實體的全生命周期過程，在整合底層數(shù)據(jù)信息的基礎(chǔ)上

進(jìn)行仿真預(yù)測，為優(yōu)化決策賦能。數(shù)字孿生的關(guān)鍵技術(shù)包括建模、渲染、仿真及物聯(lián)網(wǎng)。

3.2

雙向通信two-waycommunication

指傳輸數(shù)據(jù)的方向是可以在多個方向上流動的一種通信方式。兩個設(shè)備或終端之間發(fā)送和接收方向

可以是雙向的，而不一定只有一個接收一個發(fā)送。雙向通信可以在系統(tǒng)的表示方式上節(jié)約時間，可以根

據(jù)不同的命令更有效的傳輸數(shù)據(jù)，從而更有效的控制遠(yuǎn)程設(shè)備。

4數(shù)字孿生概念模型

數(shù)字孿生的概念模型見圖1，孿生互動基于數(shù)據(jù)驅(qū)動實現(xiàn)物理實體、數(shù)字實體、服務(wù)應(yīng)用之間的虛

實結(jié)合及動態(tài)迭代。具體如下：

a)數(shù)據(jù)驅(qū)動：包括數(shù)據(jù)采集、分析以及基于數(shù)據(jù)的決策和執(zhí)行，并在迭代優(yōu)化中形成知識。

b)虛實結(jié)合：通過物理實體和數(shù)字實體之間雙向映射、動態(tài)交互與實時連接等手段，提供可視化、

仿真、預(yù)測等服務(wù)應(yīng)用。

c)動態(tài)迭代：數(shù)字實體實時接收物理實體的數(shù)據(jù)以實現(xiàn)迭代優(yōu)化；物理實體實時接收數(shù)字實體的

反饋以實現(xiàn)輔助決策。

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說明：

信息交互

邏輯關(guān)系

圖1數(shù)字孿生概念模型

5系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能模塊

5.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文件所規(guī)定的數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)（以下簡稱系統(tǒng)）的結(jié)構(gòu)見圖2。系統(tǒng)

主要分為前端數(shù)據(jù)接收模塊、前端數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模塊、前端消息事件交互模塊、前端數(shù)據(jù)分發(fā)模塊、后

臺數(shù)據(jù)接收模塊、后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模塊、后臺消息事件交互模塊和后臺數(shù)據(jù)分發(fā)模塊等功能模塊。

圖2數(shù)字孿生多途徑讀寫設(shè)備數(shù)據(jù)雙向通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

5.2前端數(shù)據(jù)接收模塊

接收多樣性設(shè)備的數(shù)據(jù)和后臺數(shù)據(jù)分發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對前端接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份鑒權(quán)、甄別

過濾噪音數(shù)據(jù)和格式判斷。

5.3前端數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模塊

將前端接收的數(shù)據(jù)中不是標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，并將標(biāo)準(zhǔn)格

式的數(shù)據(jù)發(fā)送給前端消息事件交互模塊。

5.4前端消息事件交互模塊

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接收標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)并更新消息事件，通知對應(yīng)的模塊處理消息事件，并判斷所述消息事件是否滿

足觸發(fā)事件條件得到判斷結(jié)果，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)操作。

5.5前端數(shù)據(jù)分發(fā)模塊

將前端滿足觸發(fā)事件的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

5.6后臺數(shù)據(jù)接收模塊

接收多樣性設(shè)備的數(shù)據(jù)和前端數(shù)據(jù)分發(fā)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，并對后臺接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行身份鑒權(quán)、甄別

過濾噪音數(shù)據(jù)和格式判斷。

5.7后臺數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模塊

將后臺接收的數(shù)據(jù)中不是標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，并將標(biāo)準(zhǔn)格式的

數(shù)據(jù)發(fā)送給后臺消息事件交互模塊。

5.8后臺消息事件交互模塊

接收標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)并更新消息事件，通知對應(yīng)的模塊處理消息事件，并判斷所述消息事件是否滿

足觸發(fā)事件條件得到判斷結(jié)果，根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)操作。

5.9后臺數(shù)據(jù)分發(fā)模塊

將后臺滿足觸發(fā)事件條件的數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

6雙向通信流程及要求

6.1方法流程示意圖

方法執(zhí)行詳細(xì)流程圖見圖3。

圖3系統(tǒng)雙向通信方法執(zhí)行流程圖

6.2流程要求

6.2.1多樣性設(shè)備應(yīng)為物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生設(shè)備。

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6.2.2將設(shè)備接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)以獲取數(shù)據(jù)，或?qū)⒃O(shè)備接入計算機接口以獲取數(shù)據(jù)。

6.2.3系統(tǒng)應(yīng)支持前端數(shù)據(jù)接收模塊和后臺數(shù)據(jù)接收模塊同時接收多樣性設(shè)備發(fā)送的處理數(shù)據(jù)，前端

模塊和后臺模塊自身能處理的直接處理；模塊自身不能處理的數(shù)據(jù)，由其他能識別的模塊處理后分發(fā)。

6.2.4多樣性設(shè)備數(shù)據(jù)應(yīng)實現(xiàn)與前端的可視化通信。

6.2.5多樣性設(shè)備數(shù)據(jù)由后臺數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為內(nèi)部數(shù)據(jù)后分發(fā)給其他后端模塊或前端模塊。

6.2.6多后端和多前端協(xié)同合作，共同接收處理分發(fā)數(shù)據(jù)。

6.2.7前端數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)應(yīng)具備被動接收數(shù)據(jù)和主動輪詢查看數(shù)據(jù)兩種方式，其中主動輪詢

查看數(shù)據(jù)是一種數(shù)據(jù)監(jiān)聽方式。

6.2.8前端監(jiān)聽協(xié)議和后端監(jiān)聽協(xié)議應(yīng)支持但不限于HTTP（超文本傳輸協(xié)議）、WebSocket（雙向通

信協(xié)議）、MQTT（消息隊列遙測傳輸）、Modbus（串行通信協(xié)議）、OPC（工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議）、SiemensS7

（西門子協(xié)議S7）、GPS（全球定位系統(tǒng)）等。

6.2.9系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式為標(biāo)準(zhǔn)化的JSON數(shù)據(jù)格式（輕量級數(shù)據(jù)交換格式），格式化檢測單元應(yīng)根據(jù)

數(shù)據(jù)的關(guān)鍵特征碼判斷數(shù)據(jù)格式是否為系統(tǒng)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)格式，非標(biāo)準(zhǔn)格式的外部數(shù)據(jù)應(yīng)由數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模

塊處理轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式。

6.2.10系統(tǒng)通過注冊中間件的方式擴展支持不同協(xié)議和格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

6.2.11系統(tǒng)內(nèi)部事件列表的事件類型包括但不限于數(shù)據(jù)分發(fā)、歷史數(shù)據(jù)保存等。

6.2.12前端消息事件交互模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給實時顯示模塊根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則進(jìn)行實時顯示。

6.2.13實時顯示模塊屬于人機交互模塊，用于監(jiān)聽前端輸入事件、網(wǎng)絡(luò)消息事件、條件觸發(fā)事件等。

6.2.14網(wǎng)絡(luò)廣播數(shù)據(jù)和無差別設(shè)備上報數(shù)據(jù)存在不同，接收到的數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)過數(shù)據(jù)甄別單元提前甄別過

濾，舍棄掉非訂閱、非系統(tǒng)所需的數(shù)據(jù)，以提升系統(tǒng)性能和穩(wěn)定性。

6.2.15前端數(shù)據(jù)分發(fā)模塊根據(jù)預(yù)先配置的通信配置、自定義獨立的數(shù)據(jù)發(fā)送服務(wù)，發(fā)送數(shù)據(jù)。

6.2.16后臺數(shù)據(jù)分發(fā)模塊根據(jù)訂閱的數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

7性能要求

7.1數(shù)據(jù)采集

7.1.1數(shù)據(jù)來源

7.1.2幾何參數(shù)的數(shù)據(jù)應(yīng)為設(shè)備的基本參數(shù)，如材料特性、關(guān)鍵尺寸、公差、表面粗糙度、密度、硬

度以及零件之間的裝配關(guān)系等，可從設(shè)計階段獲得。

7.1.3設(shè)備工作狀態(tài)的書記采集應(yīng)通過所附的傳感器采集機械設(shè)備在工作過程中的各項參數(shù)，如電壓、

電流、扭矩、壓力、位移速度、加速度等。

7.1.4影響物理系統(tǒng)運行的環(huán)境數(shù)據(jù)采集應(yīng)包括環(huán)境溫度、大氣壓力和濕度水平等。

7.1.5傳感器技術(shù)

7.1.6傳感器種類的選擇、傳感器的安裝位置和傳感器的組合應(yīng)保證系統(tǒng)中多個傳感器單元之間的時

間同步。

7.1.7傳感器的選用宜選擇可測量功率的電流傳感器、測量振動的加速度傳感器、測量力的測力計和

聲發(fā)射傳感器等。

7.1.8物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是一個將多種“事物”進(jìn)行整體整合的互聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)可以專注于數(shù)字孿生多樣性設(shè)備的數(shù)

據(jù)采集，是實現(xiàn)數(shù)字孿生的一項關(guān)鍵技術(shù)。數(shù)字孿生可以降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜性，數(shù)字孿生將物理系

統(tǒng)克隆到虛擬系統(tǒng)的能力與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的傳感和驅(qū)動能力有關(guān)。物聯(lián)網(wǎng)框架中的數(shù)字孿生體模型見圖4，

數(shù)字孿生部分1應(yīng)在采集設(shè)備/網(wǎng)關(guān)層形成，側(cè)重于實時數(shù)據(jù)處理、信息提取和實時優(yōu)化；數(shù)字孿生部分

2應(yīng)在云中形成的，側(cè)重于數(shù)據(jù)分析，以支持遠(yuǎn)程業(yè)務(wù)應(yīng)用。數(shù)字孿生部分1和數(shù)字孿生部分2共同構(gòu)成

設(shè)備的一個數(shù)字孿生體。

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圖4物聯(lián)網(wǎng)框架中的數(shù)字孿生體模型圖

7.2數(shù)據(jù)傳輸

7.2.1系統(tǒng)通信接口應(yīng)支持但不限于OPC-UA（OPC統(tǒng)一體系架構(gòu)）、MQTT（消息隊列遙測傳輸）和

MTConnect（數(shù)控設(shè)備互聯(lián)通訊協(xié)議）等協(xié)議，可根據(jù)信息傳輸?shù)男枰x擇對應(yīng)的協(xié)議。

7.2.2宜采用部署高速網(wǎng)絡(luò)連接（例如5G、光纖通道協(xié)議等）和數(shù)據(jù)壓縮的方法減少通信延遲。

7.2.3通過構(gòu)建延遲域捕獲底層現(xiàn)象的動態(tài)，以降低延遲對數(shù)字孿生體的影響。

7.2.4數(shù)據(jù)采集程序應(yīng)通過從時變誤差數(shù)據(jù)傳輸模型中獲取誤差值來確定誤差補償值，規(guī)避延遲對數(shù)

字孿生體的影響。

7.3數(shù)據(jù)存儲

7.3.1數(shù)據(jù)采集后的儲存方案分為內(nèi)部存儲和云端存儲，應(yīng)根據(jù)需要選擇合適存儲方式，確保數(shù)據(jù)存

儲的安全和取用的靈便。

7.3.2應(yīng)采用分布式數(shù)據(jù)庫（如區(qū)塊鏈等）記錄已執(zhí)行的數(shù)字實踐，以點對點的方式在參與者之間共

享，實現(xiàn)服務(wù)協(xié)同中的數(shù)據(jù)同步和加密等功能。

7.4數(shù)據(jù)處理

7.4.1采樣的原始數(shù)據(jù)應(yīng)經(jīng)由數(shù)據(jù)接收模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行身份鑒權(quán)、甄別過濾噪音數(shù)據(jù)和格式判斷，再

移交數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理模塊進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換。

7.4.2宜選用低通濾波器去除信號噪音，通過補償漂移（如補償溫度變化）減少低頻的頻率和負(fù)載頻

率。

7.4.3應(yīng)對采樣的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，減小干擾信號對數(shù)據(jù)的影響。

7.4.4多源異構(gòu)數(shù)據(jù)應(yīng)融合后集成在一起計算，融合的級別可選擇：

a)數(shù)據(jù)級別：如果多傳感器數(shù)據(jù)是可加的，則可以進(jìn)行直接數(shù)據(jù)融合。直接數(shù)據(jù)融合包括但不限

于經(jīng)典推理、卡爾曼濾波和加權(quán)平均法等估計方法；

b)特征級別：取數(shù)據(jù)中的特征向量，并基于特征向量進(jìn)行融合，例如將不同傳感器的信號特征組

合為特征向量；

c)決策級別：處理每一個傳感器的數(shù)據(jù)并做出判斷，最后對所有決策進(jìn)行融合，數(shù)字孿生設(shè)備的

故障數(shù)據(jù)、維修數(shù)據(jù)等可以在決策層實現(xiàn)，用于決策支持。

8運行測試

8.1測試環(huán)境

系統(tǒng)測試時集群節(jié)點應(yīng)大于3，并保持測試環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)通暢。

8.2測試范圍

測試范圍應(yīng)包括系統(tǒng)功能測試和和非功能性測試。對集成后的系統(tǒng)從業(yè)務(wù)以及功能角度進(jìn)行測試并

根據(jù)