GBZ 44267-2024 自动化系统与集成 工业数据 数字孪生的可视化元素标准立项发展报告

自动化系统与集成工业数据数字孪生的可视化元素标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:VisualizationElementsofDigitalTwinforIndustrialDatainAutomationSystemsandIntegration摘要随着新一代信息技术与制造业深度融合，数字孪生作为实现物理世界与信息世界虚实映射与交互的关键技术，已成为全球智能制造领域的研究热点与应用前沿。然而，数字孪生在工业场景中的落地应用长期面临可视化元素表达不统一、数据语义不一致、系统互操作性差等突出问题，严重制约了数字孪生技术的规模化推广与跨领域协同。在此背景下，国家标准化管理委员会于2024年8月23日正式发布国家标准GB/Z44267-2024《自动化系统与集成工业数据数字孪生的可视化元素》，并于2025年3月1日起实施。该标准属于指导性技术文件，由中国标准化管理委员会归口管理，分类号为信息技术在工业中的应用。本标准系统规定了数字孪生系统中可视化元素的分类体系、属性描述、数据映射关系及表达要求，构建了覆盖几何模型、物理属性、行为规则、实时状态等多维度的可视化元素标准化框架，为工业数字孪生系统的设计开发、数据集成与互联互通提供了统一的技术准则。本报告系统梳理了该标准的编制背景、技术内容、关键创新点及应用前景，并着重介绍了主要起草单位的核心技术能力与行业贡献，以期为标准实施推广及后续深入研究提供有价值的参考。关键词：数字孪生；可视化元素；自动化系统；工业数据；互操作性；标准化；智能制造Keywords:DigitalTwin;VisualizationElements;AutomationSystems;IndustrialData;Interoperability;Standardization;IntelligentManufacturing一、引言1.1编制背景与意义数字孪生（DigitalTwin）概念最早由MichaelGrieves教授于2003年在其产品生命周期管理研究中正式提出，其核心理念是通过物理实体与虚拟模型之间的实时数据映射与双向交互，实现全生命周期的数字化镜像与智能决策支持。近年来，随着物联网、大数据、人工智能、云计算等新一代信息技术的迅猛发展，数字孪生已从最初的产品设计仿真领域，迅速扩展至智能制造、智慧城市、能源管理、航空航天、医疗健康等众多行业领域，成为推动产业数字化转型的核心使能技术之一。在工业制造领域，数字孪生被广泛应用于产品虚拟验证、生产过程监控、设备预测性维护、工厂数字化交付等关键环节。然而，随着应用深度与广度的持续拓展，一个日益突出的问题逐渐显现：由于缺乏统一的可视化元素标准，不同厂商、不同平台、不同项目中所构建的数字孪生系统在可视化表达层面存在显著差异，具体表现为：-表达方式不统一：同一物理对象的几何模型、属性标注、状态指示在不同系统中采用不同的图形符号与视觉编码方式，导致跨系统识别困难；-数据语义不一致：可视化元素所关联的工业数据缺乏统一的语义描述框架，存在"同名异义"或"同义异名"现象，严重阻碍数据共享与系统集成；-交互规范缺失：可视化元素的交互行为、层级组织、动态更新规则缺乏统一约定，影响用户体验与系统可用性；-互操作性不足：不同数字孪生平台之间的模型交换、数据互认缺乏共同遵循的技术规范，形成新的"信息孤岛"。1.2标准基本信息GB/Z44267-2024《自动化系统与集成工业数据数字孪生的可视化元素》是由国家标准化管理委员会于2024年8月23日正式发布的国家标准，属于指导性技术文件（GB/Z），将于2025年3月1日起正式实施。该标准的发布标志着我国在数字孪生标准化领域迈出了关键一步，填补了数字孪生可视化元素表达方面的国家标准空白。标准分类号为"信息技术在工业中的应用"（对应中国标准分类号，即CCS分类号），体现了其作为工业数据领域的共性基础标准定位。在标准性质上，GB/Z为指导性技术文件（Guidancetechnicaldocument），主要面向数字孪生系统设计与开发人员、工业软件平台厂商、系统集成商及相关科研机构提供技术参考与实施指南，具有较强的指引性与参考价值。二、标准编制基础与需求分析2.1数字孪生技术发展现状与趋势数字孪生技术在全球范围内正处于从概念验证向规模化应用过渡的关键阶段。据国际权威市场研究机构预测，全球数字孪生市场规模预计在2025年将突破百亿美元量级，年均复合增长率保持在35%以上。在工业领域，数字孪生被Gartner列为十大战略技术趋势之一，预计到2027年，超过40%的大型工业企业将使用数字孪生技术提升业务效率。从技术演进趋势来看，当前数字孪生技术正呈现出以下显著特征：第一，模型粒度精细化。数字孪生模型不再局限于设备级或产线级的宏观表达，而是向零部件级、材料微观结构级等更细粒度层次延伸，对可视化元素的精度和表达能力提出了更高要求。第二，数据维度多元化。除几何尺寸与物理属性外，数字孪生系统正逐步融合实时传感数据、工艺过程数据、质量检测数据、能耗数据等多源异构数据，需要可视化的信息维度大幅扩展。第三，交互方式智能化。增强现实（AR）、虚拟现实（VR）、混合现实（MR）等沉浸式交互技术的引入，使得数字孪生的可视化呈现与交互模式日趋多样化、智能化。第四，应用场景复杂化。数字孪生正在从单点应用（如单台设备的监控）向车间级、工厂级、供应链级的复杂系统应用延伸，跨层级、跨域的可视化协同需求日益凸显。上述技术发展趋势使得数字孪生可视化元素标准化工作的紧迫性和重要性进一步凸显。2.2国内外标准化现状分析在国际标准化层面，ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）及其下属分委会SC4（工业数据分委会）长期致力于工业数据领域的标准化工作，已发布了一系列与产品数据交换、工业自动化系统集成相关的国际标准，如ISO10303系列标准（STEP标准）。在数字孪生领域，ISO/IECJTC1/SC41（物联网及数字孪生分技术委员会）正在推进数字孪生概念与术语、参考架构等基础性标准的制定工作，但截至目前，国际范围内尚缺乏专门针对数字孪生可视化元素的系统标准。美欧等主要工业强国也在积极布局数字孪生相关标准，但同样聚焦于参考架构、数据模型与互操作框架层面。在国内标准化层面，我国近年来高度重视数字孪生标准化工作。工业和信息化部等部门相继出台多项政策文件，明确提出要加强数字孪生等新技术领域的标准研制与应用推广。全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）在工业数据、智能制造等领域的标准化工作中持续发力，已发布多项相关国家标准。但在此标准发布之前，我国在数字孪生可视化元素表达方面同样缺乏统一的国家标准，相关技术要求和实现方法主要依赖企业自定义规范或行业惯例，缺乏系统性、权威性的技术指引。因此，GB/Z44267-2024的发布实施填补了国内外在该领域的标准空白，对于引导行业规范化发展、促进技术交流与系统互操作具有重要意义。三、标准主要内容3.1标准适用范围与定位GB/Z44267-2024适用于自动化系统与集成领域中工业数据驱动的数字孪生系统，涵盖数字孪生系统的设计、开发、部署、运行和维护等全生命周期各阶段。标准的服务对象主要包括：数字孪生系统的设计开发者（系统架构师、软件工程师、数字建模工程师）、工业数据管理者、系统集成商、平台服务提供商以及相关领域的研究与教学人员。标准定位为指导性技术文件（GB/Z），这意味着其所规定的内容更侧重于技术指引和最佳实践总结，而非强制性技术要求。这一性质定位充分考虑了数字孪生技术尚处于快速演进阶段的现实背景，既为行业提供统一的技术基线，又为技术创新和差异化发展保留了空间。3.2核心技术框架本标准从系统工程和软件工程的双重视角出发，构建了数字孪生可视化元素体系的核心技术框架，主要包含以下几个关键维度：（1）可视化元素分类体系的应用视角。标准从数字孪生应用的工程视角出发，将可视化元素划分为几何表达、属性标注、状态感知、行为模拟、场景环境等主要类别。几何表达类元素负责物理实体的三维造型与空间结构的可视化呈现；属性标注类元素用于表达物理实体的静态属性信息，如材料、尺寸、规格参数等；状态感知类元素映射物理实体的实时运行状态与动态数据，包括温度、压力、振动、运行模式等；行为模拟类元素描述物理实体的动态行为特征和运行逻辑；场景环境类元素则用于构建数字孪生运行的环境背景与空间上下文信息。（2）可视化元素的语义化描述。为避免不同系统间数据语义理解的偏差，本标准的语义化描述框架为可视化元素提供了统一的数据描述语言。该描述框架强调可视化元素与物理实体、工业数据源之间的映射关系确立，确保可视化表达具有可追溯性。同时，标准为每个可视化元素定义了标准化的属性字段，包括元素的标识、类型、几何参考、关联数据源以及渲染方式等关键属性，显著提升了可视化元素在异构系统中的可理解性和可交换性。（3）数据互操作与表达一致性。标准重点解决了不同数字孪生系统之间可视化数据互操作的关键技术问题，支持在异构平台间实现模型和可视化数据的可交换性。通过制定统一的数据表达格式和交换接口约定，标准为跨系统、跨平台的数据集成与互操作提供了技术基础，有效提升数字孪生系统的集成效率和协同能力。3.3关键技术要点解析在技术实施层面，GB/Z44267-2024着重明确以下几个关键技术要点：可视化建模规范。标准对数字孪生体可视化模型的构建方法提出了规范性要求，涵盖了几何建模的精度等级划分、模型坐标系与度量单位的统一约定、三维模型的面片数量与细节层次（LOD）控制策略，以及模型贴图、材质、光照等视觉属性的推荐配置方案。这些技术要求旨在确保数字孪生模型具有良好的视觉一致性、空间准确性和渲染性能。数据映射与绑定规则。可视化元素作为物理实体与工业数据之间的可视化中间层，其核心任务是将抽象的数据转化为直观的视觉表达。标准详细规定了工业数据与可视化元素之间的映射规则和绑定机制，包括数据源地址的定义方式、数据更新频率的设定原则、数据异常情况下的可视化预警表达方式，以及数据驱动的动态视觉效果（如颜色渐变、形变、闪烁等）的触发条件与表达规范。交互行为约定。为提升数字孪生系统的用户体验和可操作性，标准对可视化元素的交互行为提出了统一约定，包括视图导航操作（旋转、缩放、平移）、元素选取方式、信息查询触发机制、层级钻取交互逻辑，以及多人协同操作时的一致性保障策略等。多源数据融合表达。面向工业场景中多源异构数据融合呈现的需求，标准探讨了不同类型工业数据在同一可视化场景中的融合表达原则，包括时序数据与空间模型的叠加方式、多源传感数据的同步可视化策略，以及数据冲突时的处理规则等。四、主要起草单位介绍本标准由全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）提出并归口，由国内在工业自动化与数字孪生技术领域具有深厚积累的科研院所、高校及行业领军企业联合起草制定。在诸多参与单位中，北京机械工业自动化研究所有限公司（以下简称"北自所"）作为核心起草单位之一，在标准研制过程中发挥了不可替代的主导作用，值得重点介绍。4.1单位概况北京机械工业自动化研究所有限公司（RIAMB）创建于1954年，前身为第一机械工业部机械科学研究院自动化研究所，是新中国成立后首批从事工业自动化技术研究的国家级科研机构之一。经过近七十年的发展积淀，北自所已成长为我国装备制造业自动化领域学科最齐全、技术实力最雄厚的综合性研究机构，在工业自动化、制造业信息化、数字化设计与制造、工业机器人及应用、物流自动化、自动检测与控制等方向拥有一大批具有自主知识产权的核心技术成果。4.2在标准研制中的贡献北自所长期担任全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159）秘书处单位，深度参与了我国工业自动化与集成领域标准体系的规划与构建。在GB/Z44267-2024的研制过程中，北自所主要承担了以下关键工作：第一，牵头开展行业调研与技术需求分析。北自所依托其在离散制造业和流程工业领域的深厚工程实践经验，组织了对航空、汽车、电子、机械等典型行业数字孪生应用现状的系统调研，梳理了不同行业在可视化元素表达方面的共性问题与差异化需求，为标准技术框架的确定提供了扎实的实践依据。第二，主导核心技术内容研制。结合其在数字孪生、虚拟仿真、工业数据管理等方面的技术积累，北自所联合相关单位完成了可视化元素分类体系设计、语义化描述框架构建、数据映射规则定义等核心技术内容的研究与撰写工作，确保标准内容的科学性、先进性与可操作性。第三，组织验证试验与意见征集。北自所协调组织多家行业企业开展了标准技术内容的验证试验，在真实工业场景中对可视化元素表达规范进行了应用测试，并根据验证反馈对标准文本进行了多轮修改完善，有效保障了标准的适用性与可行性。4.3行业影响力与后续服务除标准研制外，北自所还积极致力于标准的推广应用与技术服务。该所依托国家智能制造系统解决方案供应商联盟等平台，持续开展数字孪生相关标准的宣贯培训、技术咨询和应用示范等工作。同时，北自所还牵头承担了多项智能制造综合标准化与新模式应用项目，在汽车、机械、航天等重点行业打造了一批数字孪生标准化应用示范工程，为GB/Z44267-2024的落地实施积累了丰富的实践经验。五、标准实施意义与应用前景5.1对产业发展的促进意义GB/Z44267-2024的发布实施对我国数字孪生产业乃至智能制造整体发展具有重要的战略意义：在技术层面，该标准为数字孪生系统的可视化功能设计提供了统一的技术基线，有助于降低系统开发的复杂度和技术风险，减少重复性研发投入，推动数字孪生技术成果的复用与共享。通过统一可视化元素的数据语义与表达规范，可有效消除数字孪生系统之间的"信息壁垒"，为实现跨系统、跨平台的数据集成与业务协同创造有利条件。在产业层面，该标准的实施将有力促进数字孪生产业链的良性发展。对于软件厂商而言，遵循统一标准有助于其产品与服务在更广泛的市场范围内实现互联互通，降低市场准入门槛；对于系统集成商而言，标准化的可视化元素表达方式可显著减少系统适配与定制开发工作量，提升项目交付效率；对于最终用户企业而言，标准化降低了技术选型和系统升级的复杂性，有助于保护既有投资并实现渐进式数字化转型。在创新生态层面，该标准的发布为我国参与数字孪生国际标准化工作提供了重要基础。通过在国内率先建立较为系统的可视化元素标准体系，我国在该领域的标准话语权和国际影响力将持续增强，有望为国际标准的制定贡献中国经验与中国方案。5.2技术应用场景展望展望未来，GB/Z44267-2024所构建的可视化元素标准体系将在以下典型场景中发挥重要的指导作用：-智能工厂数字孪生系统建设：基于统一的可视化元素标准，实现工厂级数字孪生系统中设备、产线、物料、人员等各类要素的一致性表达，支撑生产过程的可视化监控、仿真优化与调度决策。-产品全生命周期数字孪生管理：支持产品从设计、制造到运维各阶段数字孪生模型的可视化信息无缝传递，真正实现"从摇篮到坟墓"的全生命周期数字化镜像。-跨企业供应链协同：在供应链上下游企业之间建立可视化数据共享的公共语言，支持供应链运行状态的可视化跟踪