超乎想象的“标准孪生”世界

吴笑风 赵 川 范 维 王 晶

标准孪生是一种虚拟化的表征模型，可以作为系统工程工具嵌入产品的生命周期管理。

当下，“标准孪生（Standard Twin）”已成为海事界的新热词，其理念及应用场景，正逐渐显示出了其越来越大的推广价值。

标准孪生是什么？

目前，船舶工业的标准化工作正逐渐呈现出新的特征：一是与海事立法活动的更深度耦合。海事立法是船舶工业领域标准化活动的主要驱动力之一。随着国际海事组织（IMO）近年来对船舶节能环保、自主船舶等问题的关注以及目标型船舶建造标准（GBS）方法的发展，标准化将在为立法活动提供支持方面发挥更重要的作用。二是涉及来自不同标准化机构的更多标准互补。造船是庞大而复杂的系统工程,需要生产环节之间的良好合作和高度国际化的供应链网络。这一过程中将广泛涉及来自各类标准化机构的标准共同发挥作用，为产品的整个生命周期提供保障。三是更频繁的跨领域标准化活动。与其他工业领域类似，随着“智能化”趋势的出现，对跨领域（特别是信息和通信技术领域）标准的需求显著提升。同时，更严苛环保的要求也使得对燃料、废气排放、海洋生态等跨领域的标准有了更多的关注。

当前的标准化主要是基于经验和共识的。标准制修订方面，层级式组织（即技术委员会、分技术委员会、工作组和各类专家咨询组）和决策模式已在国际上广泛实施；标准应用方面，用户根据行业特点和业务需求独立自行采纳相关标准予以实施，也已被实践证明有效。然而面对新的挑战，对标准化需求的定位和识别以及对法规和标准的跟踪和同步等方面所导致的工作难度和工作量的提升都是不可忽视的。因此，借助信息化工具实施“精准标准化”——针对标准用户的实际状况，运用科学有效的程序精确识别标准化需求、精确采纳和实施标准、精确主导或参与标准制修订，是一种有益的尝试。

在这样的背景下，“标准孪生（Standard Twin）”系统模型理论的提出及应用，对行业标准的发展具有深远意义。其核心是一个用标准条款描述的动态表征系统，用于从特定用户视角描述对象（如某产品、系统、过程、服务等）所遵循的标准集合。对标准孪生模型的使用可以贯穿对象的整个生命周期，便于标准用户和标准化管理者精准地识别对象的标准化程度以及标准的合理性、先进性等关键特征，为标准化工作提供重要的决策依据。

标准孪生系统

1、系统结构和运行方式

标准孪生系统的结构如图1所示。所谓标准孪生系统，实质是一套基于数据库的关系型模型和应用，通过在标准条款（clause）层级对标准化对象的关键特征进行描述，实现对对象标准化情况的精准表征，从而成为标准化活动的决策依据。

标准孪生系统中涉及两种数据库应用程序，即面向用户的“标准孪生体”和面向标准化总体管理的“标准孪生空间”。其中，标准孪生体是针对用户需求抽取相应标准条款形成的轻量化、精准化的数据库，主要满足该用户视角下对对象的标准化情况的实时表征，反映对象品质控制、接口和界面、后期维护等的管理衡准和依据；标准孪生空间是全部标准孪生体中（不重复）标准条款的集合，因此也是作用对象的一个相对完整的标准模型。“标准孪生”系统通过各环节间的信息流动和标准化活动实现信息的同步并体现对信息的运用。

标准孪生系统的运行原理可描述如下：各用户根据自身关切从各标准化组织的数据库中（也包括私有数据库如企业标准库或采纳的事实标准）获得与对象相关的标准条款，并通过标准孪生体为其构建模型。该模型即描述了该对象的实际标准化状况的“标准孪生体”，可作为质量控制、接口和协作管理、生命周期管理等活动的参考依据。同时，用户可根据标准孪生体识别对象的标准化状态，择机参与相关标准的制修订或设定更加适用的私有标准。系统中设一中心管理员用户，对象的标准孪生空间由其运营。标准孪生空间数据库由标准孪生体中的信息聚合而成。同时，中心管理员还承担跟踪标准化组织官方动态，同步更新标准孪生空间中标准条款的职能。而后标准孪生空间通过信息广播服务，向各标准孪生体发布内容更新。中心管理员通过标准孪生空间也可识别出潜在的标准化需求，从而为对应的标准化组织提供输入。

图1：标准孪生系统结构示意

图2：标准孪生系统的数据组织形式示意

2、 数据组织形式

标准孪生系统的数据组织形式如图2所示。标准条款是标准孪生系统中的基本标准信息载体。这里的“条款”是对对象某一特性的最基本描述。对于标准文件，通常是较低级标题下对应的内容；对于海事法规等规范性文件，常为1个或多个段落。

每一标准条款拥有唯一的识别码。除条款内容文本外，标准孪生空间数据库还记录每个标准条款的适用对象、条款关键词、用户和利益攸关方、及与其直接关联的标准条款识别码。对用户（孪生体）端而言，若孪生空间数据库中已有相关的标准条款记录，则可直接提取使用，否则需要录入信息并向孪生空间端推送。这些信息的获取方式描述如表1。在当前的模型原型验证阶段，数据库信息的录入仍以依靠经验为主。在后期的系统优化中可考虑在对相应对象技术体系充分梳理的基础上引入封闭式列表的方式，有助于提升信息的规范性。

系统功能的实现依靠数据库应用程序的开发，即利用以上各信息域中的内容进行信息查询和检索。常用功能可包括生成某对象的全部适用标准条款、根据条款关键词筛选不同生命周期阶段中适用的标准、显示针对某特性的所有（来自不同标准化组织的）适用标准条款、跟踪与某条款关联的条款的更新情况等。用户可基于这些功能对标准化对象的状况进行分析，从而为标准化活动的决策提供依据。

表1：数据库中标准条款各信息域内容的获取

3、关键特性

根据上述系统结构和实现方式，标准孪生系统体现出如下特性：

（1）全面且精益：标准孪生系统中，标准信息以条款级别进行组织。这一形式允许不同用户针对个性化的需求将来自不同标准化组织和不同行业的标准条款被准确地提取和组合。例如，它可以有效识别和管理“隐性”条款（关于某设备的技术要求可能作为一部通用标准中的一个子条款而存在）。虽然大多传统标准数据库已提供关键字搜索和全文检索等功能，但标准孪生系统的目标是提供自动化的信息同步和更直接的映射方式。这一机制将有助于用户对给定标准化对象表征的完整性和成熟度做出评估，便于描述出该对象的适用标准中存在的缺失、重叠和冲突等情况，从而可进一步识别未来标准化需求。

（2）用户为中心的高度可定制化：标准孪生体的设计初衷是促进以用户（即标准使用者）为中心的标准化模式，通过开发定制化的应用可对不同用户的关注导出精确的模型。例如，设备硬件制造企业更多专注于生产程序、测试和质量要求等；软件集成企业则倾向于关注详细规范的接口、数据通信协议及组件之间的互操作性等。标准孪生系统中的标准类型也包括了海事法规、传统意义的技术标准、个性化的企业标准以及对象实际采用的事实标准，可忠实反映该用户视角下对象的标准化状况。

（3）良好的可实现性和互用性：标准孪生系统的底层是由关系数据库实现的，通过开发数据库应用程序对标准条款进行操作，实现各种功能。该模型具有通用性，可通过多种数据库和应用开发手段实现。我们使用微软Access进行了系统原型的模拟和查询功能的试验。实际操作中，该结构可较为方便地向通用的数据库和应用开发平台上移植。这使得标准孪生系统容易在各级产业生态内部署。此外，通过构建层级式体系结构对包含多组件的系统构建“标准孪生体”亦是可能的。

（4）对海事立法敏感：以为海事立法提供支持为目的的标准化活动需要对相应法规和标准进行及时同步。标准孪生系统在设计中纳入了法规和标准的耦合关系。通过这种对应关系，用户可追踪二者的变化情况，并通过标准孪生系统获得相关的修订产生的影响范围，预测潜在影响，从而评估对相应法规条款或标准条款进行更新的需求。更进一步，它可成为未来GBS框架下标准化活动的有效分析工具。

应用初探

充气式救生筏是重要的海上救生设备。IMO《经修正的救生设备试验建议》文件（MSC.81(70)）规定了“充气式救生筏（inflatable liferafts）”的测试要求。其中的孔隙度测试（porosity test）和耐油性测试（oil resistance test）条款引用了ISO/TR 6065文件和ASTM（美国试验材料协会）关于试验油料的相关文件。而ISO/TR 6065文件已于2013年12月被撤销；耐油性测试所指定的ASTM第1号油料已于2005年停产。但直到2018年，IMO才在ISO的建议下开启对该《修订建议》文件的更新修订。对用户而言，在此期间虽然可以自主寻找替代手段解决这一问题，但长期使用过时的标准条款在产品生命周期管理和监管工作中无疑是不利因素。

以“充气式救生筏”为对象，以“设备制造商”用户视角建立标准孪生模型。与本例相关的条款体现在测试要求（MSC.81(70)文件）——材料测试——孔隙度测试（5.17.13.2.2.7条款）和耐油性测试（5.17.13.2.2.8条款）中。其中，孔隙度测试条款直接引用国际标准技术报告文件ISO/TR 6065第A.2.10.2段落；耐油性测试条款直接引用ISO/TR 6065第A.2.5段落，且指明使用ASTM第1号油料。

图3：准孪生系统的模拟工作状况示意（信息片段）

通过标准孪生空间与用户标准孪生体间的标准信息同步定期广播服务，上述文件被标识为“失效”。由此，用户获知需要在产品生命周期管理中更新标准。同时，用户在实践中发现，ISO/TR 6065第A.2.10.2段落有关孔隙度测试的要求 和ISO/TR 6065第A.2.5段 落有关耐油性测试要求可分别被ISO 15372:2000文件中的6.2.9.2条款和6.2.5条款等效替换；ASTM第1号油料也从ASTM D471文件2006版起（目前最新版本为2016年修订，即ASTM D471-16a）被IRM 901号油料替换。因此，用户可在获得标准孪生空间同步服务的第一时间更新其孪生体，从而使标准化对象得到精准的描述。根据上述情况，中心管理员用户可通过有关渠道及时向IMO提出修订原文件的建议。图3给出了本例中标准孪生系统的模拟工作状况。

从本例看出，对用户（设备制造商）而言，为产品设置一套精准的技术和管理衡准对于质量控制、监管要求、生命周期管理等都是有必要的。当前的标准化工作机制已能够为用户的标准化需求提供较好的保障，但在对标准更新情况的跟踪以及标准和法规的同步等方面仍有优化的空间。实践中，这依赖于标准用户和标准化管理者间的协作。标准孪生系统的应用恰恰为这种协作提供了工具。

应用展望

借助信息化手段支持标准化管理已不是新理念。从标准化管理机构到企业的生产实践，已有诸多通过信息化工具辅助标准化工作的尝试。然而，在标准条款级别进行针对不同用户的订制化表征尚属首次。针对船舶和海事工业界特点，这一系统中纳入了标准与海事法规（一种广义标准）的相互关联，使得其拥有了更强的行业适用性。但总体上，标准孪生系统仍具有通用性，适合在应对标准化管理精准化新挑战中作为一种辅助工具存在。

标准孪生概念的提出或多或少受到了“数字孪生（Digital Twin）”的启发。后者是以数字化方式创建物理实体的虚拟模型，可通过模拟仿真和数据分析等手段对物理实体进行分析，从而实现优化和扩展等。标准孪生同样是一种虚拟化的表征模型，可以作为系统工程工具嵌入产品的生命周期管理。但它不只面向于物理实体，对于流程、服务等“软对象”亦有良好的适用性。其多用户订制功能的灵活性为各层级标准化战略的精准实施提供了实用的辅助分析决策工具。特别是高度定制化的数据结构和索引系统使它具有与技术体系相结合的潜力，使得它还有可能在未来为标准体系的建设提供一种新思路。

笔者也注意到，标准孪生的应用会在标准条款的结构化整理和数据库录入等方面产生一定的额外工作量，同时甚至会需要在标准化工作机制方面进行一定的革新（例如对于系统中心管理员角色的分配、用户组之间的协调和管理流程等）。但它被信息化手段赋予的灵活性和潜在的效率优势对用户和标准化管理主体仍有吸引力。总之，标准孪生作为标准化管理创新的尝试，具有积极意义和参考价值，值得做进一步探索。