數字院所系統架構與標準體系研究

摘 要：為解決各科研院所對數字院所理念認識不一致、推行數字院所建設缺乏統籌規劃與宏觀指導等問題，本文從頂層設計入手構建了數字院所三維架構，描述了數字院所各領域、各層級、各環節的關鍵要素及相互關系。在此基礎上，建立了數字院所標準體系結構與框架，闡述了框架中通用共性、智慧賦能技術、基礎支撐、運營模式層級、安全、行業應用等子標準體系的建設內容，為數字院所標準研究提供了參考，并為數字院所的規劃和建設實施提供了指導。

關鍵詞：數字院所，系統架構，標準體系，運營模式層級

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2023.07.004

Research on System Architecture and Standards Framework of Digital Institute

ZHANG Leiming

（The 14th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation）

Abstract： In order to solve the problems of inconsistent understanding and lacking overall planning and macro guidance for the construction of digital institute， a three-dimensional system architecture of digital institute is proposed starting from the top-level design， which systematically describes the key elements and relationships of each fi eld， level and link of digital institute. Then， based on the system architecture， the standards structure and framework of digital institute are established. The standards framework consists of six parts， including general standards， intelligent technology standards， fundamental standards， operating-mode level standards， safety/security standards， and application standards. Finally， the contents of the six parts are elaborated. The standards framework can provide reference for standards research and guide the planning and construction of digital institute.

Keywords： digital institute， system architecture， standards framework， operating-mode level

0 引 言

推行數字院所建設是落實“制造強國”的關鍵舉措，是貫徹“數字中國”戰略要求的重要部署。各科研院所積極響應國家部署，擁抱數字化轉型浪潮，圍繞數字院所建設積極探索實踐，結合研發、制造、IT等建設要素[1]，逐步構建與自身業務密切相關的特色建設模式[2-3]。然而由于各院所主營業務的不同和自身信息化能力建設的差異，各院所對于數字院所內涵、特征、核心要素理解不一致，對于數字院所建設模式、演化層級、推進路線等尚未達成共識，對于數字院所建設成效和綜合效益的評估尚無定論。

數字化標準是院所數字化轉型的重要基礎支撐。為應對各院所對數字院所關鍵要素、演化階段、業務模式變革理念認知不一致，推行數字院所建設缺乏統一規劃和指導的問題與挑戰，亟需各方凝聚共識，做好數字院所建設頂層設計，設計一套覆蓋全領域、全層次、全環節的系統架構，構建數字院所標準體系，加強數字院所標準的統籌規劃與宏觀指導，加快創新技術成果向標準轉化，強化標準的實施與監督，為數字院所建設奠定路線基礎，為院所業務和信息化兩個層面的轉型提供標準支撐[4-5]。

本文結合前期各單位數字院所實踐探索，綜合考慮與智能制造、兩化融合、工業互聯網等已有標準體系的協調，深入分析數字院所內涵特征，提出數字院所三維系統架構，在此基礎上提出數字院所標準體系結構以展示數字院所標準體系全貌。更進一步提出一套數字院所標準體系框架，并詳細論述通用共性、智慧賦能技術、基礎支撐、運營模式層級、安全、行業應用等子標準體系的建設內容，為數字院所的建設與運營提供指導和依據，指導數字院所標準體系及各類相關標準的建設工作。

1 數字院所系統架構

數字院所是基于知識構筑的數字化組織，其組織機制、運營方式、管理和科研生產模式是以知識應用為基礎，以創新驅動發展為目的，具有自學習、自成長、自優化、自適應的特征，是支撐我國科研院所未來自主創新的核心科研組織。

數字院所建設作為承接科研院所數字化轉型的重要載體，是推進科研生產模式由信息化向智慧化轉變的變革契機，也是發揮科研院所技術、人才等資源優勢的實現方式。數字院所的建設是涉及科研院所全領域全流程全維度的系統性工程，是提高科研院所組織管理水平和運行決策效率、加速產品和技術創新、構筑院所高質量發展能力的重要途經[6]。

數字院所標準體系的構建秉承需求引領、問題導向，統籌規劃、合理布局，技術引導、特色突出，開放兼容、強化實施的建設原則，深入研究數字院所的戰略特征、組織特征、流程特征、數據特征以及技術特征，綜合新一代信息技術標準體系，充分考慮數字院所內涵、發展特征以及實際需求，構建了數字院所系統架構，如圖1所示。該架構從價值網絡、演化層級、資源環境三個維度系統性闡述了數字院所的核心賦能領域、發展階段與演進范式、關鍵基礎與技術，通過對數字院所涉及的活動、智慧成熟度、特征等內容進行描述，從而統一各相關方對數字院所的認識，明確數字院所的標準化需求、對象和范圍，指導數字院所標準體系建設。

1.1 價值網絡維度

價值網絡維度圍繞產品（服務）生命周期及價值鏈的關鍵環節和活動，描述智慧賦能的客觀活動對象，展現數字院所價值創造過程。

智慧管控包含組織、決策、運營、市場營銷等，包括院所面向市場開展的各類經營與管理活動。智慧研發包括需求分析、系統協同設計、仿真分析、試驗驗證等過程，展現從用戶需求到產品實現的全環節。智慧生產包括生產策劃、制造運營、生產執行與反饋等一系列環節，是從客戶訂單、制造執行到產品交付的數字化價值流的體現。智慧保障包括保障交付、保障運營、保障提升等活動，涵蓋保障能力形成到保障實施的全流程。

1.2 演化層級維度

演化層級維度展示和衡量院所在各層級的智慧成熟度和智能能力水平。數字院所各演化層級次第交織、迭代升級，體現著院所建設發展的階段性特征與智慧層級發展的融合性特征。

全面感知。采集匯聚反映數字院所運行狀態、產品服務與資源環境的各類數據，打通不同流程與主體之間的數據壁壘，全面互聯數字院所運營和價值創造過程，實現院所內部泛在感知和信息共享，為數據要素全面深度應用以及數據驅動全流程決策的實現提供基礎。

數字運營。以數字技術為核心驅動力，以現代信息網絡為重要載體，通過數字技術與實體運營深度融合，打通價值網絡的數據流和業務流，全面深化各業務領域數字化應用，推動管理、研發、制造、保障各環節信息集成和業務協同，奠定院所發展與治理模式新形態重構的基礎。

知識決策。動態適應院所內外部環境變化，依托數據這一關鍵生產要素進行迭代式學習和動態知識沉淀，構建人機互動的知識共享和知識創造體系，實現院所經營過程高效化知識重用和廣泛化知識應用，驅動各層級人員對院所運營、價值創造過程的科學決策，為推動院所的持續自主創新提供支撐。

智能創新。院所的組織、流程、技術和資源動態優化配置，開放式創新體系不斷普及，外部創新資源便捷應用，智能化新生產方式不斷涌現，平臺化產業新生態迅速崛起。院所具備根據內外環境變化自學習、自成長、自優化、自適應、及知識創造能力，形成自主創新新生態。

1.3 資源環境維度

資源環境維度提供面向數字院所不同價值領域和適應不同智慧階段水平的安全可靠的基礎設施和服務能力，推進數字院所數字化、知識化、智慧化的實現。

基礎設施。為數字院所各層級價值實現提供硬件、軟件等物理、信息相關的新一代基礎設施，包括通信網絡基礎設施、新興技術基礎設施、算力基礎設施以及融合基礎設施等，助力數字院所全方位、全角度、全鏈條的發展和升級，推動數字院所產業、業態、模式的形成和發展。

互聯互通。以應用服務構建目標為指導，應用新一代通信網絡技術對基礎設施軟硬件進行網絡互聯、數據互聯、資源互聯、云化計算與服務應用，構建軟硬件集成的應用服務基礎。互聯互通網絡化連接既涉及院所內部面向各業務場景的縱向集成，還涉及院所面向信息系統、用戶等場景橫向集成，向下統接智能基礎設施，向上驅動應用服務運行。

應用服務。打造系統化、多層次的平臺體系，建立支撐數字院所數字化、知識化、智慧化運營模式的應用系統和平臺，結合新一代人工智能技術、大數據技術、數字孿生技術等對數字院所各業務領域進行功能集成和技術映射，持續推動平臺功能迭代、服務創新和智能演進升級。

融合協同。集成、封裝應用服務各平臺，基于角色提供多終端訪問支持與一體化應用體驗。針對與供應鏈上下游企業的協作需求，構建協同化平臺，實現院所內部、產業鏈乃至更大范圍的協同共享。

2 數字院所標準體系

以數字院所系統架構為指導，遵循標準體系建設原則，設計了如圖2所示的標準體系結構，從通用共性、安全、智慧賦能技術、基礎支撐、運營模式層級和行業應用等六個方面給出標準指導。

通用共性標準和安全標準貫穿各類標準，指導各類標準的制定。智慧賦能技術標準是數字院所標準體系的技術標準支撐。基礎支撐標準包含支撐上層各領域標準的軟硬件及場所的相關標準。運營數字化標準是在基礎支撐標準基礎上實現院所數字化轉型，該標準領域在數字院所標準體系結構中起著承上啟下的作用。運營知識化標準在數字化標準領域基礎上，對數字院所的基于知識的新模式、新業態、新產業進行標準研究。運營智慧化標準作為數字院所最高層級智慧的標準指導，研究創新體系、生產方式變革、管理機制創新等方面的標準。行業應用標準位于數字院所標準體系結構圖的頂層，面向行業具體需求，對各類標準進行細化和落地，指導各行業數字院所的規劃、建設和運營。

對圖2所示的標準體系結構向下映射和細化，得到數字院所標準體系框架，如圖3所示。

2.1 通用共性標準

通用共性標準包括總體、數據、檢測、評價等標準，是支撐數字院所建設運營的通用標準，用于規定數字院所的基礎通用概念、方法和要求等，適用于各環節、各領域及各發展階段。

2.2 智慧賦能技術標準

智慧賦能技術標準用于規范數字院所平臺數字化、知識化、智慧化的技術生態體系的構建，為開放式創新體系和智能化生產方式提供技術支撐。

（1）工業互聯網技術標準。包括網絡與聯接技術、邊緣計算技術、平臺與支撐技術等標準[7]。用于規范數字院所在構建生產制造新模式和新業態過程中涉及到的資源泛在連接、平臺高效配置等要求，支撐數字院所生產制造在個性化定制、網絡化協同、服務化延伸等方面發展的需求。

（2）人工智能技術標準。包括機器學習技術、自然語言處理技術、人機交互技術、計算機視覺技術、虛擬現實/增強現實技術等標準[8]。用于規范數字院所研究人工智能的內涵、外延和需求的核心概念，描述人工智能系統框架與評價人工智能系統的智能等級，規范人工智能系統的互操作性。

（3）工業大數據技術標準。包括數據采集技術、數據存儲技術、數據分析技術、數據服務技術、數據應用技術等標準[8]。用于規范數字院所處理多源、異構、高通量、高實時、強機理的工業大數據的核心技術，滿足數字院所多場景平臺和服務需求，實現數字院所面向生產過程、產品、服務等領域智能化的數據價值變現。

（4）云計算與服務技術標準。包括虛擬化技術、分布式數據存儲技術、負載管理和監控技術、用戶交互技術、云服務技術等標準[8]。用于構建數字院所云生態體系，指導云平臺的設計與建設、云計算與服務的監管與評價活動，規范不同云計算與服務的業務能力，提升數字院所云計算與服務平臺的設計、實現、部署和運營管理水平。

（5）數字孿生技術標準。包括物理實體、虛擬實體、服務等標準[9]。用于規范數字院所實施數字孿生過程中涉及到的功能需求、關鍵技術、平臺工具等要求，指導數字院所物理空間和賽博空間的虛實互動。

2.3 基礎支撐標準

基礎支撐標準用于對支撐數字院所建設運營和演化轉型的基礎設施和軟硬件設備及其技術要求進行規范，滿足數字院所智慧演化和產業轉型升級發展的信息物理需求。其中：

信息基礎設施標準用于規范數字院所信息基礎設施的內涵與技術特征，支撐數字院所構建數字運營和數據全生命周期管理的軟硬件設施，打造開放的數據生態環境，以數據為中心，最大化數據價值。

智能設備標準用于規范數字院所生產新模式對制造設備的技術要求，為智能車間和生產線的構建提供工藝方法、邏輯控制、機器人運動軌跡等基礎信息。工業軟件標準用于規范數字院所在價值網絡實現過程中對研發、制造、保障、管理等工業軟件的集成和選型，提高工業軟件在院所運營過程中發揮的作用，為院所的智能生產和變革創新提供支撐。智能車間標準用于規范數字院所演化過程中對車間的設計、建造和交付的技術要求[10]。

2.4 運營模式層級標準

運營模式層級標準用于規定數字院所在各個演化層級的運營模式和院所管控、產品全壽期協同以及平臺建設運行等業務活動。數字院所運營模式沿著數字化、知識化、智能化方向協同式、螺旋式迭代創新和優化升級，建立數字主線基礎，構建知識發現與應用體系，最終實現知識創造與智能創新[11]。

2.4.1 運營數字化標準

用于指導數字院所建設以統一模型為核心的貫通院所運營的數字主線，疏通數據孤島并構建全環節、全壽期、全要素、全價值鏈的數據流，驅動物理與信息空間聯通以及數據自動流動、交互共享，實現數字院所動態感知、實時分析、數字決策、精準執行的閉環。包括以下3個部分：

（1）管控數字化標準。包括戰略管控數字化、企業資源管理數字化、綜合業務管理數字化等標準。用于規范數字院所端到端協同管控過程，指導數字院所塑造多主體、多領域、多要素高度融合的數字化協同管理模式，推動開展全流程能力協同與業務協作。

（2）產品全壽期數字化標準。包括協同設計與仿真、數字化生產、數字化綜合保障等標準。用于規范數字院所產品全壽期的數字化與協同化，指導產品全壽期的數據貫通與共享，以數據流驅動業務流，實現產品全壽期全要素的有效連接，形成多專業、多學科的高度融合的產品全壽期業務協同模式。

（3）平臺數字化標準。包括數字應用平臺、工業大數據平臺等標準。用于規范支撐數字院所管控和產品全壽期數字化的運營平臺應滿足的要求，指導數字院所在運營狀態全面感知基礎上，打通數據流通壁壘，開展跨時空、多尺度數據資源的關聯融合與流通共享，整合和治理數據資產，提供統一、面向多場景的數據服務。

2.4.2 運營知識化標準

用于指導數字院所建立涵蓋院所運營狀態、環境變動、活動事件的知識發現體系，構建完整的可自主學習的知識結構，在數字空間形成認知與決策能力，驅動信息與物理空間融合交互，革新優化生產組織要素的價值鏈關系，賦予數字院所科學決策、資源彈性供給與高效配置、動態優化能力。包括以下3個部分：

（1）管控知識化標準。包括數據驅動型決策、知識沉淀的流程革新等標準。用于規范數字院所建立數據驅動與知識輔助的決策與流程重構機制，指導數字院所決策由經驗指導的定性化決策轉變為精確定量化的信息服務決策，驅動院所實現基于知識驅動的業務流程與組織結構革新與優化。

（2）產品全壽期知識化標準。包括基于模型的系統工程、全壽期一體化數字孿生、基于主題的知識應用等標準。用于規范數字院所構建產品全壽期的物理與信息空間的數字孿生，形成物理與信息空間的集成交互、雙向映射、融合反演，將面向場景的知識應用帶來的價值提升貫穿于產品的全壽期，實現產品全壽期的預測與推演拓展。

（3）平臺知識化標準。包括企業知識圖譜平臺、知識服務平臺等標準。用于規范支撐數字院所管控和產品全壽期知識化的運營平臺應滿足的要求，指導數字院所構建知識發現體系與高效利用機制，提供便捷的知識表達、積累、沉淀方式，基于平臺以模型化、組件化形式對單一業務場景、跨業務場景以及全業務場景提供知識開放共享和驗證應用服務，建立物理與信息空間的完整雙向閉環賦能知識回路。

2.4.3 運營智慧化標準

用于指導數字院所從要素驅動體系到創新驅動生態轉變，催生面向未知環境與風險的具備自識別和自適應能力的新型生產要素和創新業務模式，變革經營價值系統與決策邏輯，實現知識體系的循環迭代和全局創新，形成面向環境、狀態、集群、任務的自感知、自認知、自決策、自優化、自成長的智能創新組織。包括以下3個部分：

（1）管控智慧化標準。包括基于知識的智能決策、AI協作的自適應管理等標準。用于規范數字院所構建知識推演和AI深度協作的智能推演與決策機制和自適應管理能力，打造全員自組織、自主適應的組織形態，增強人機協同創新效果，具備識別與處理未知環境、集群、任務的能力，滿足企業運營管控快速迭代創新的需要，產生全新認知、全新行為和全新價值。

（2）產品全壽期智慧化標準。包括知識推動的產品創新、AI協作的全壽期一體化等標準。用于規范數字院所產品全壽期活動自感知、自學習、自決策、自優化的價值創造與協同創新，指導數字院所全壽期業務模式從主題知識應用躍升為全場景全要素全價值鏈深度融合的知識推演和自優化，基于智能化人機協作自預測物理空間與環境變化，自動提取活動特征進行關聯分析、推演預測、互動創新，形成多目標、多層次、多環節業務活動的自適應、自成長能力。

（3）平臺智慧化標準。包括創新聚合平臺、自主AI協作平臺等標準。用于規范支撐數字院所管控和產品全壽期智慧化的運營平臺應滿足的要求，指導數字院所匯聚創新要素資源，基于AI協作實現知識體系的循環迭代和創新、新知識自創造、創新服務自對接、創新邊緣自突破、構建自重構、成長自優化的智慧平臺生態。

2.5 安全標準

安全標準用于保障數字院所信息及其數據不被破壞、更改、泄露，確保基礎信息設施、網絡、平臺能夠連續可靠地運行，構建數字院所安全保障體系[12]。其中：安全管理標準用于規范數字院所相關的安全管理及服務要求，對各類安全措施進行指導和管理，從而保護數字院所資產的重要安全屬性。技術與機制標準用于規范數字院所在物理安全、基礎安全、業務安全等方面的防護技術要求。

2.6 行業應用標準

依據通用共性標準、基礎支撐標準、智慧賦能技術標準、運營模式層級標準、安全標準，圍繞網信系統、信息材料、電子整機、電子器件等行業典型產品對象，聚焦不同類型院所智慧轉型的需求，優先在各自急需領域實現突破，并相互借鑒完善，逐步覆蓋數字院所全應用領域。

3 結 語

本文在充分考慮數字院所內涵特征基礎上，從價值網絡、演化層級、資源環境三個維度構建了數字院所系統架構，明確了數字院所標準體系建設需求、對象和范圍。以數字院所系統架構為指導，遵循標準體系建設原則，提出了數字院所標準體系結構，確定了各標準子體系在體系中的位置及相互關系。在此基礎上，探索建立了一套數字院所標準體系框架，包含通用共性、智慧賦能技術、基礎支撐、運營模式層級、安全、行業應用等6個子標準體系，并分別闡述了各子標準體系建設內容。期待本文研究結果能夠指導數字院所標準制定工作，助推數字院所的建設與高質量發展。

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作者簡介

張雷鳴，通信作者，博士研究生，工程師，研究方向為兩化融合與數字化轉型。

（責任編輯：張佩玉）