ISOIEC 301732023 数字孪生-概念和术语标准立项发展报告

数字孪生——概念和术语标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Digitaltwin—Conceptsandterminology摘要数字孪生作为连接物理世界与数字世界的核心使能技术，近年来在智能制造、智慧城市、航空航天、能源管理等领域获得广泛应用，已成为全球数字化转型的战略性技术方向。然而，由于数字孪生概念边界模糊、术语体系不统一，导致跨领域交流障碍、系统互操作性不足、产业生态碎片化等问题日益凸显。在此背景下，国际标准化组织（ISO）与国际电工委员会（IEC）联合发布ISO/IEC30173:2023《数字孪生——概念和术语》，首次从国际标准层面系统定义了数字孪生的核心概念与术语体系。本报告从标准立项背景、研制过程、核心内容、技术特征及应用价值等维度对该标准进行全面解析，梳理其与现有标准化体系的衔接关系，探讨其对我国数字孪生标准化工作的启示，并对数字孪生标准化未来发展方向进行展望。报告认为，ISO/IEC30173:2023的发布标志着数字孪生标准化从分散探索走向体系化构建的关键转折，为数字孪生系统的设计、开发、部署与评估提供了统一的语言基础和概念框架。关键词：数字孪生；术语标准；ISO/IEC30173；标准化体系；互操作性；数字化转型；概念模型Keywords:DigitalTwin;TerminologyStandard;ISO/IEC30173;StandardizationFramework;Interoperability;DigitalTransformation;ConceptualModel一、引言1.1研究背景数字孪生（DigitalTwin）的概念最早可追溯至2003年，由美国密歇根大学MichaelGrieves教授在产品生命周期管理（PLM）课程中首次提出。2010年，美国国家航空航天局（NASA）在其技术路线图中正式使用"数字孪生"一词，将其定义为"充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应物理装备的全生命周期过程"。此后十余年间，随着物联网（IoT）、大数据、人工智能、云计算、边缘计算等新一代信息技术的迅猛发展，数字孪生的技术可行性和应用价值不断凸显。据MarketsandMarkets研究机构预测，全球数字孪生市场规模将从2023年的735亿美元增长至2028年的2595亿美元，年复合增长率高达28.7%。数字孪生技术已被广泛应用于产品设计、生产过程优化、设备预测性维护、城市智慧管理、医疗健康仿真、能源系统调度等多个领域。然而，高速发展的背后潜藏着深刻的标准化危机。由于数字孪生概念外延广泛、内涵交叉重叠，不同行业、不同企业对数字孪生的理解存在显著差异：有的将其等同于仿真模型，有的将其视为数字线程（DigitalThread）的延伸，有的则将其与建筑信息模型（BIM）混为一谈。术语体系的混乱直接导致了以下问题：第一，跨系统数据交换缺乏统一的语义基础，互操作性难以实现；第二，数字孪生系统的成熟度评估缺乏基准，用户难以辨别真伪；第三，不同厂商的数字孪生产品和服务难以协同，产业生态碎片化；第四，行业监管和合规评估缺乏依据。在此背景下，国际标准化组织认识到制定数字孪生基础性术语标准的紧迫性和必要性，于2020年正式启动ISO/IEC30173的研制工作。1.2标准定位与意义ISO/IEC30173:2023是ISO/IEC联合技术委员会（JTC1）框架下发布的首项数字孪生基础性国际标准，属于数字孪生标准体系中层级最高的基础标准之一。该标准旨在为数字孪生领域建立统一定义的术语体系提供基础术语和定义，以促进数字孪生领域的通用理解，推动数字孪生生态系统的构建。该标准的意义主要体现在三个层面：在技术层面，它为数字孪生系统的设计、开发、部署和评估提供了统一的概念框架和语言基础；在产业层面，它有助于打破行业壁垒，促进跨领域、跨系统的集成与互操作，推动数字孪生产业生态的成熟发展；在治理层面，它为各国制定数字孪生相关政策和监管措施提供了国际共识性的术语参照。二、标准研制过程2.1标准立项与组织架构ISO/IEC30173的研制工作由ISO/IECJTC1（信息技术联合技术委员会）下属的SC41（物联网与数字孪生分技术委员会）负责推进。SC41成立于2016年，其前身是ISO/IECJTC1/SWG3（物联网特别工作组），主要承担物联网和数字孪生领域的国际标准化工作。截至标准发布时，SC41共有32个参与成员国和13个观察成员国，中国是SC41的积极贡献者之一，长期深度参与其各项标准研制工作。2020年下半年，中国国家标准化管理委员会（SAC）联合多国国家标准化机构正式提交新工作项目提案（NWIP），建议在SC41框架下制定数字孪生术语标准。提案经过各成员国投票表决后获得通过，正式立项编号为ISO/IEC30173。项目由中国和韩国联合牵头，德国、日本、美国、英国、法国、加拿大等多个国家的专家共同参与起草。2.2研制历程与主要分歧从立项到发布，ISO/IEC30173的研制历时约三年，共经历五个委员会草案（CD）投票阶段和两个国际标准草案（DIS）投票阶段。研制过程中，各成员国专家围绕数字孪生的核心定义、概念边界和术语关系展开了深入讨论，主要分歧集中在以下方面：第一，"数字孪生"定义的广义与狭义之争。一种观点主张采用广义定义，将数字孪生视为"具有数据连接的、目标明确的物理实体及该物理实体的虚拟表示"，强调其数据连接的动态特征；另一种观点倾向于保留较窄的定义，聚焦于"物理实体与虚拟实体之间的实时映射与双向同步"。经过多轮磋商，标准最终采用了广义定义，以便涵盖不同行业和应用场景下的多样化实现形式。第二，数字孪生与相关概念（如仿真、数字模型、数字阴影）的边界划分。部分专家主张将数字孪生限定为具有自动数据流的双向交互系统，以区别于仅有单向数据流的"数字阴影"和无数据连接的"数字模型"。这一讨论最终形成了数字孪生、数字模型和数字阴影的层次化区分框架。第三，数字孪生子系统的组成要素。关于数字孪生是否必须包含物理实体、虚拟实体、数据连接、服务系统和治理体系等全部要素，各国专家意见不一。标准采用了基于系统论的组成部分框架，将数字孪生定义为由目标明确的物理实体、目标明确的虚拟实体、连接物理实体与虚拟实体的数据连接、以及数据服务等组成的整体。2023年8月，ISO/IEC30173最终国际标准草案（FDIS）以高赞成率通过投票。2023年11月8日，标准正式由ISO和IEC联合发布。2.3标准发布的基本信息ISO/IEC30173:2023标准发布信息如下：标准编号ISO/IEC30173:2023；标准名称《数字孪生——概念和术语》（Digitaltwin—Conceptsandterminology）；标准状态为现行（Published）；发布机构为国际标准化组织（ISO）和国际电工委员会（IEC）；标准分类为信息技术（IT）综合类；发布日期为2023年11月8日；标准语言为英语；标准版本为电子版加密PDF格式。该标准的发布是数字孪生领域标准化进程中一个具有里程碑意义的事件，为数字孪生概念体系的确立提供了国际层面的权威依据。三、标准主要内容3.1核心概念定义ISO/IEC30173:2023围绕数字孪生领域的基础概念，系统定义了涵盖数字孪生本体及其相关要素在内的关键术语，主要包括以下核心定义：数字孪生（digitaltwin）：具有目标明确的物理实体及该物理实体的虚拟表示，具有数据连接，且具有数据连接和数据处理能力，能够使物理实体与虚拟实体之间以适当的保真度进行同步。该定义强调数字孪生是物理实体与虚拟实体之间建立数据连接的有机整体，而非单纯的虚拟模型。定义中的"目标明确"指向特定应用场景和目的；"数据连接"意味着物理实体与虚拟实体之间存在自动化的数据流动；"适当的保真度"则承认数字孪生可以在不同精度水平上实现，取决于应用需求。物理实体（physicalentity）：是数字孪生中被表征的对象，可以是物理对象、过程、系统或相关信息。物理实体作为数字孪生中可观测的对象，其状态和运行数据通过数据连接传递至虚拟实体。虚拟实体（virtualentity）：是物理实体在数字空间中的表征，包括物理实体的模型、描述或呈现形式。虚拟实体通过数据连接与物理实体保持动态同步，能够反映物理实体的状态变化并进行仿真预测。孪生（twin）：作为数字孪生的简称，指代物理实体与虚拟实体及其数据连接的组合体。该定义为标准中"数字孪生"的简称提供了规范表述。数字孪生系统（digitaltwinsystem）：为实现数字孪生的目标而开发的系统，包括物理实体、虚拟实体、数据连接以及数据处理和管理功能等组成部分。该定义将数字孪生提升至系统层面，强调其组成部分的集成与协同。数字孪生生态系统（digitaltwinecosystem）：由数字孪生系统以及与之相关的利益相关方、业务流程、支撑平台和周边系统共同构成的环境或体系。3.2数字孪生组成部分框架标准提出数字孪生的组成部分框架，将数字孪生划分为四个核心组成部分：（1）物理实体——作为数字孪生的对象，可以是产品、设备、建筑物、城市、流程或人类活动等各类物理对象。物理实体通过部署在其上的传感器等感知设备向虚拟实体提供运行状态数据。（2）虚拟实体——以数字形式存在的物理实体的镜像或映射，包含几何模型、物理模型、行为模型和规则模型等多种表征形态。虚拟实体不仅是被动的数字映射，还具备仿真分析、预测推演和优化决策等主动功能。（3）数据连接——实现物理实体与虚拟实体之间数据双向流动的通道，包括传感数据的采集与传输（物理到虚拟）、控制指令和优化参数的反馈执行（虚拟到物理）。数据连接的实时性、可靠性和安全性直接决定数字孪生的性能水平。（4）数据处理与服务——为数字孪生提供服务功能的应用及管理功能，包括数据存储、数据处理、数据分析、仿真执行以及用户交互等，为数据的存储、管理和分析提供支撑。该组成部分框架为数字孪生系统的设计、开发和评估提供了基本的结构化参照，是标准中具有核心指导意义的内容之一。3.3数字孪生特征描述标准进一步明确了数字孪生的关键特征，为识别和评估数字孪生系统提供了判断依据。主要包括以下特征：-物理实体与虚拟实体之间的映射性：虚拟实体以物理实体为基准建立，两者之间存在明确的对应关系和映射规则。-数据驱动的动态同步性：虚拟实体依赖于从物理实体获取的实时数据得以持续更新，以反映物理实体的最新状态。-全生命周期的覆盖性：数字孪生贯穿物理实体从设计、制造、运行到退役的全生命周期，在不同阶段提供相应的表征与分析能力。-多学科融合性：数字孪生集成几何、物理、行为、规则等多维模型，融合机械、电气、软件、数据科学等多学科知识。3.4与其他标准的协调关系ISO/IEC30173:2023在术语层面为数字孪生领域的系列标准提供了统一的基础。与ISO/IEC30172（数字孪生——应用场景与用例）、ISO/IEC30174（数字孪生——数字孪生的自动化及集成）等标准形成有机衔接，共同构成数字孪生领域的标准族。同时，该标准与ISO/IEC20924（物联网——术语与定义）保持概念的一致性，确保了物联网和数字孪生两大关联领域术语体系的协调统一。此外，该标准还参考了ISO/IEC/IEEE15288（系统工程——系统生命周期过程）等系统工程技术标准，以及ISO23247（制造自动化中的数字孪生框架）系列标准中的相关术语，在尽可能兼容已有术语使用习惯的基础上加以统一和规范化。四、标准的应用价值与影响4.1促进跨领域交流与合作ISO/IEC30173:2023为全球数字孪生相关的学术研究、技术开发和商业交流提供了共同的语言基础。在过去，由于术语使用不一致，不同领域甚至同一领域内不同团队之间的沟通常常出现理解偏差，严重影响了知识共享和技术转移的效率。该标准发布后，学术论文撰写、技术方案交流、产品宣传和国际合作中的概念混用现象有望得到显著缓解。4.2支撑系统互操作与产业生态构建数字孪生系统的价值在很大程度上取决于其与其他系统之间的互操作能力。统一的术语和概念框架是语义互操作的前提条件。ISO/IEC30173:2023通过规范数字孪生的核心概念和组成部分，为不同厂商、不同平台之间的数据交换和服务集成奠定了语义基础。这对于构建开放的数字孪生产业生态、避免厂商锁定和市场碎片化具有重要意义。4.3为后续标准研制提供基础框架作为数字孪生领域的第一项基础性国际标准，ISO/IEC30173:2023为后续一系列标准和报告的研制确立了概念框架和方法论基础。目前SC41正在推进的数字孪生参考架构、数字孪生应用指南、数字孪生成熟度评估等标准项目，均以ISO/IEC30173确立的概念框架为出发点，保证了整个数字孪生标准体系的逻辑一致性和结构完整性。五、参与单位介绍在ISO/IEC30173:2023的研制过程中，中国电子技术标准化研究院作为我国数字孪生标准化工作的核心支撑单位，做出了突出贡献。中国电子技术标准化研究院（ChinaElectronicsStandardizationInstitute,CESl）是工业和信息化部直属的事业单位，也是国家标准化管理委员会批准成立的全国信息技术标准化技术委员会秘书处挂靠单位。该研究院自20世纪60年代起从事电子信息技术领域的标准化研究与实践，是我国电子信息领域标准化工作的国家级核心机构，在国际标准化活动中长期代表中国参与ISO/IECJTC1的各项标准研制工作。在数字孪生标准化领域，中国电子技术标准化研究院承担着多重角色。作为全国信息技术标准化技术委员会物联网分技术委员会（SAC/TC28/SC41）秘书处单位，该院全面负责我国物联网与数字孪生领域的国家标准研制组织工作。在ISO/IEC30173研制过程中，该院专家作为中国代表团的核心成员，深度参与了术语定义的讨论、概念框架的起草和标准文本的审议工作，提出了多项被国际同行采纳的关键修改建议，特别是在数字孪生组成部分框架和概念关系梳理方面做出了重要学术贡献。六、结论与展望ISO/IEC30173:2023《数字孪生——概念和术语》的发布是数字孪生标准化进程中具有里程碑意义的事件。作为数字孪生领域首项国际基础标准，该标准系统回答了"什么是数字孪生""数字孪生由哪些部分组成""数字孪生具有哪些特征"等根本性问题，为全球数字孪生的研究、开发和应用提供了统一的概念基础和语言框架。该标准的实施将有效促进跨领域技术交流、支撑系统互操作、引导产业规范化发展，为数字孪生技术在更广泛场景中的落地应用扫除了语义障碍。展望未来，数字孪生标准化工作将沿着"基础标准→参考架构→行业应用→评估治理"的路径持续深化。在基础层面，数字孪生数据格式、接口协议、安全要求等标准的研制将进一步完善；在行业层面，面向智能制造、智慧城市、智慧能源、智慧医疗等垂直领域的数字孪生应用标准将逐步出台；在治理层面，数字孪生成熟度评估、可信度验证、合规性审计等标准化需求将日益迫切。随着AI、边缘计算、6G等新技术的融合渗透，数字孪生标准体系将不断演进完善，为全球数字化转型和可持续发展目标的实现提供坚实的技术支撑。参考文献[1]ISO/IEC30173:2023,Digitaltwin—Conceptsandtermino