《钢铁行业 数字孪生 第3部分：信息交互》

GB/T×××××-××××钢铁行业数字孪生第3部分：信息交互范围本文件规定了钢铁行业数字孪生信息交互的功能架构、信息结构要求、信息接口要求，规定了数字孪生系统中各类信息交互应满足的要求。本文件适用于钢铁行业数字孪生的研究、建设和应用过程中对信息交互的具体要求。规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。《信息技术数字孪生第1部分：通用要求》GB/T43441.1-2023术语与定义GB/T43441.1—2023界定的术语和定义适用于本文件。体系架构钢铁行业数字孪生信息交互应包括目标实体与数字实体之间的交互、数字实体内交互、数字实体间交互、数字实体与孪生应用之间的交互，见图1。——目标实体与数字实体之间的交互:a）测量感知：通过传感器、物联网（IoT）、边缘计算等技术，对现实世界中的目标实体对象进行信息获取和动态感知，并将信息传递到数字实体。b）反馈控制：通过数字实体的分析、预测和优化结果，反向指导目标实体的运行、调整或干预，实现物理世界的动态优化与闭环控制。——数字实体内交互：在数字实体内部，基于算法、规则或事件驱动，数字模型与孪生数据之间进行双向的输入、处理、输出与反馈过程，两者的信息交互使数字实体具备动态演化能力。——数字实体间交互：通过数字实体与其他数字实体之间的跨实体信息交互，实现不同数字实体间数据和资源交换。——数字实体与孪生应用之间的交互:a）服务调用：通过调用数字实体提供的信息接口，实现孪生应用对数据、模型等信息的提取，是信息从数字实体向孪生应用的传递过程。b）数据输出：通过分析平台、决策引擎、用户接口等将处理后的信息传递至数字实体，以驱动其模型更新、状态调整或协同优化，是数字孪生系统的服务应用向数字实体传递信息的过程。交互方式：通过工业级通信协议、标准化API接口及时序数据库，构建低延迟、高可靠的数据链路，依托消息队列与事务机制实现端到端消息同步，确保跨系统协同与实时交互的确定性。钢铁行业数字孪生信息交互架构图目标实体与数字实体之间的交互测量感知交互内容测量感知活动的交互信息应包含但不限于以下内容：a）直接测量数据：通过传感器等直接监测的原始信号，如电压、电流等。b）派生数据：通过计算或融合生成的数据信息，如振动信号的FFT频谱、多点位温度融合等。c）外部系统数据：来自第三方平台或人工输入的信息，如人工巡检记录、天气预报数据等。d）其他交互数据。技术要求在钢铁行业中，测量感知信息应满足高精度、实时性、可靠性等需求，主要包括以下内容：a）工艺参数测量应做到几何尺寸精密、温度控制精准、成分分析精确。b）数据传输应满足数字孪生系统的实时性和低延迟要求，根据场景需求分层设计动态调整采样频率与延迟容忍度。c）应能够实现多源异构数据融合。d）信息传输与存储过程中应进行加密，保障数据安全可靠。反馈控制交互内容反馈控制的交互信息应包含但不限于以下内容：a）参数调整类信息：基于模型预测的结果，对目标实体的运行参数进行调整的目标值。b）操作优化类信息：用于优化设备运行节奏的生产节拍调整或降低能耗资源的优化指令等信息。c）故障处理类信息：实时检测到的异常响应指令或预测性维护指令。d）协同控制类信息：多设备协同操作指令或全局资源调度分配策略。e）安全约束类信息：安全操作限制条件或建议性安全提示。f）其他交互数据。技术要求反馈控制的技术要求主要包含以下内容：a）反馈控制信息传递应满足极端环境下的高可靠性，毫秒级实时响应，数据精度满足工艺极限。b）应支持动态优化算法的实时部署与迭代，与现有生产流程和设备操作规范兼容，同时明确给出操作调整后产量提升、能耗降低等量化预期效果。c）故障诊断指令须立即触发完整的多级响应流程（包括预警-停机-自修复），对于可远程操作的故障，远程控制指令的执行应确保高可靠性。d）应确保协同控制信息通信具有极高的可靠性和稳定性，并保证协同控制指令在时间和空间上具备高度一致性，保障各实体协同作业顺畅。e）安全约束信息须完整涵盖钢铁生产全流程安全要素，建立有效强制执行机制，确保任何违反安全约束的操作都能被可靠、有效地阻断。数字实体内交互交互内容数字实体内的交互指数字模型与孪生数据之间的交互，包括但不限于以下内容：a）数据驱动：实时/历史数据为模型提供输入，确保虚拟世界与物理世界的一致性。b）模型增值：模型对数据进行加工（仿真、预测、优化），生成更高维度的决策信息。c）双向迭代：数据验证模型精度，模型优化数据价值，形成持续改进的智能循环。d）其他交互信息。技术要求数字实体内交互的技术要求主要包含以下内容：a）基于输入数据所产生的模型输出结果应符合钢铁生产实际逻辑与预期，确保数据能高效精准地驱动数字模型运行。b）模型预测准确性、模拟精度等关键性能指标在增值后应获得显著提升，以满足钢铁行业复杂多变的生产需求。c）迭代周期应做到紧凑且稳定，确保能及时响应生产过程变化。数字实体间交互交互内容数字实体间的交互信息包括但不限于以下内容：a）设备级数字实体的协同运行：设备实体间共享实时状态数据并调整运行参数。b）产线级数字实体的流程联动：各工艺段协同生产节奏，并传递异常。c）跨层级数字实体的数据整合：设备、产线、工厂级数据聚合，以及反向控制指令下发。d）横向跨系统数字实体的业务协同：生产与供应链联动、质量与工艺闭环等跨业务系统数据。e）其他交互信息。技术要求数字实体间交互的技术要求主要包含以下内容：a）设备级协同操作应具备极高的精度与实时性，确保协同动作准确、响应迅速。b）产线上下游流程应实现无缝衔接与稳定联动，保障生产流程顺畅及产品质量高度一致。c）跨层级数字实体进行数据整合时，应确保数据传输高度准确、整合周期紧凑，实现多源数据的及时与可靠汇聚。d）横向跨系统业务协同应保持高度可靠性，任务执行时间与计划预期应高度吻合。数字实体与孪生应用之间的交互服务调用交互内容服务调用的交互信息包括但不限于以下内容：a）实时数据镜像：同步目标实体的实时数据。b）动态建模：持续构建动态更新的数字模型。c）应用参数：基于数字模型，用于进行可视化展示、仿真、分析、预测、优化、决策的参数数据。d）其他交互信息：如培训操作指导、监控视频、应急预案等。技术要求服务调用的技术要求主要包含以下内容：a）数据同步应具备高频率与极低时延，尤其关键设备须保障数据实时性与极高准确性。b）模型更新响应须迅速，资源占用受控，所构建模型应与实际生产场景高度契合，满足复杂工况下的精准模拟需求。c）参数传输应采用双向加密（SM4国密算法），具备极低丢包与快速响应能力，确保传输安全与实时。数据输出交互内容数据输出的交互信息包括但不限于以下内容：a）结果信息：数字孪生应用利用数字模型，得到的仿真、分析、预测、优化、决策的结果。b）动态更新的数据：经孪生应用处理后，作用于整个孪生系统并得到的验证与反馈信息。c）其他交互信息。技术要求数据输出的技术要求主要包含以下内容：a）输出结果应具备极高的准确性与完整性，确保无关键数据遗漏，并以极低延迟实时输出。b）数据更新应区分实时与周期性状态，具备高精度时间同步与长期可用的历史数据存储能力，异常数据应明确标注。信息结构要求数据分类与编码统一分类原则：钢铁行业数字孪生涉及的数据应根据生产流程、设备类型、业务功能等因素进行科学分类，如分为原材料数据、生产工艺数据、设备运行数据、质量检测数据、物流数据等。编码规范：建立统一的编码体系，对各类数据对象进行唯一编码，确保编码具有稳定性、可扩展性和兼容性，遵循相关国际标准和国家标准，如ISO编码标准及国内钢铁行业相关编码规范等。数据格式结构化数据：对于生产计划、设备参数、质量指标等结构化数据，应采用标准的关系型数据库或时序数据库格式存储和管理，确保数据的一致性和完整性，便于数据的查询、统计和分析。半结构化与非结构化数据：对于文档、图片、视频等半结构化和非结构化数据，可采用NoSQL数据库或分布式文件系统进行存储，并建立相应的元数据管理机制，以便于数据的检索和利用。数据语义语义模型构建：基于钢铁行业的业务术语和概念，构建统一的数据语义模型，明确各个数据元素的含义、关系和约束，消除数据语义的歧义性，确保不同系统和部门之间对数据的理解一致。语义标注：对数据进行语义标注，使数据具有更好的可读性和可理解性，便于数据的共享和集成，可采用资源描述框架（RDF）、网络本体语言（OWL）等语义网技术进行语义标注和表示。数据组织与层次分层架构：信息应按照逻辑关系和功能特点进行分层组织，一般可分为设备层、车间层、工厂层和企业层等，每层包含相应的子系统和数据模块，实现数据的分层管理和集成。关联关系建立：明确各层次之间以及同一层次不同数据之间的关联关系，通过数据接口和数据映射等方式，确保数据在不同层次和系统之间的流畅传递和共享，形成一个有机的整体。信息接口要求接口类型硬件接口：规定钢铁生产设备与数据采集系统之间的硬件接口标准，包括传感器接口、控制器接口、网络接口等，确保不同厂家的设备能够与数字孪生系统进行无缝对接，如采用工业以太网、Profibus、Modbus等标准通信协议。软件接口：定义不同软件系统之间的接口规范，如生产执行系统（MES）与企业资源计划（ERP）系统、过程控制系统（PCS）之间的接口，可采用Web服务、应用程序接口（API）、消息队列等技术实现系统间的数据交互和协同工作。通信协议通信标准遵循：信息交互应遵循统一的通信协议标准，如OPC、MQTT等，确保数据在传输过程中的准确性、可靠性和实时性，满足钢铁生产过程对数据交互的高要求。协议配置与参数：明确通信协议的配置参数和使用规则，如数据传输速率、数据格式、数据加密方式等，以适应不同的网络环境和应用场景，保证数据通信的稳定性和安全性。数据传输与交互数据传输方式：根据数据的特点和应用需求，确定合适的数据传输方式，如实时传输、定时传输、事件触发传输等，对于关键的生产数据和设备状态数据，应采用实时传输方式，确保数据的及时性。数据交互流程：制定详细的数据交互流程规范，包括数据请求、数据响应、数据同步、数据更新等操作流程，明确数据交互的发起方、接收方和处理过程，确保数据交互的有序进行。接口安全身份认证与