数字院所系统架构与标准体系研究

摘 要：为解决各科研院所对数字院所理念认识不一致、推行数字院所建设缺乏统筹规划与宏观指导等问题，本文从顶层设计入手构建了数字院所三维架构，描述了数字院所各领域、各层级、各环节的关键要素及相互关系。在此基础上，建立了数字院所标准体系结构与框架，阐述了框架中通用共性、智慧赋能技术、基础支撑、运营模式层级、安全、行业应用等子标准体系的建设内容，为数字院所标准研究提供了参考，并为数字院所的规划和建设实施提供了指导。

关键词：数字院所，系统架构，标准体系，运营模式层级

DOI编码：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

推行數字院所建设是落实“制造强国”的关键举措，是贯彻“数字中国”战略要求的重要部署。各科研院所积极响应国家部署，拥抱数字化转型浪潮，围绕数字院所建设积极探索实践，结合研发、制造、IT等建设要素[1]，逐步构建与自身业务密切相关的特色建设模式[2-3]。然而由于各院所主营业务的不同和自身信息化能力建设的差异，各院所对于数字院所内涵、特征、核心要素理解不一致，对于数字院所建设模式、演化层级、推进路线等尚未达成共识，对于数字院所建设成效和综合效益的评估尚无定论。

数字化标准是院所数字化转型的重要基础支撑。为应对各院所对数字院所关键要素、演化阶段、业务模式变革理念认知不一致，推行数字院所建设缺乏统一规划和指导的问题与挑战，亟需各方凝聚共识，做好数字院所建设顶层设计，设计一套覆盖全领域、全层次、全环节的系统架构，构建数字院所标准体系，加强数字院所标准的统筹规划与宏观指导，加快创新技术成果向标准转化，强化标准的实施与监督，为数字院所建设奠定路线基础，为院所业务和信息化两个层面的转型提供标准支撑[4-5]。

本文结合前期各单位数字院所实践探索，综合考虑与智能制造、两化融合、工业互联网等已有标准体系的协调，深入分析数字院所内涵特征，提出数字院所三维系统架构，在此基础上提出数字院所标准体系结构以展示数字院所标准体系全貌。更进一步提出一套数字院所标准体系框架，并详细论述通用共性、智慧赋能技术、基础支撑、运营模式层级、安全、行业应用等子标准体系的建设内容，为数字院所的建设与运营提供指导和依据，指导数字院所标准体系及各类相关标准的建设工作。

1 数字院所系统架构

数字院所是基于知识构筑的数字化组织，其组织机制、运营方式、管理和科研生产模式是以知识应用为基础，以创新驱动发展为目的，具有自学习、自成长、自优化、自适应的特征，是支撑我国科研院所未来自主创新的核心科研组织。

数字院所建设作为承接科研院所数字化转型的重要载体，是推进科研生产模式由信息化向智慧化转变的变革契机，也是发挥科研院所技术、人才等资源优势的实现方式。数字院所的建设是涉及科研院所全领域全流程全维度的系统性工程，是提高科研院所组织管理水平和运行决策效率、加速产品和技术创新、构筑院所高质量发展能力的重要途经[6]。

数字院所标准体系的构建秉承需求引领、问题导向，统筹规划、合理布局，技术引导、特色突出，开放兼容、强化实施的建设原则，深入研究数字院所的战略特征、组织特征、流程特征、数据特征以及技术特征，综合新一代信息技术标准体系，充分考虑数字院所内涵、发展特征以及实际需求，构建了数字院所系统架构，如图1所示。该架构从价值网络、演化层级、资源环境三个维度系统性阐述了数字院所的核心赋能领域、发展阶段与演进范式、关键基础与技术，通过对数字院所涉及的活动、智慧成熟度、特征等内容进行描述，从而统一各相关方对数字院所的认识，明确数字院所的标准化需求、对象和范围，指导数字院所标准体系建设。

1.1 价值网络维度

价值网络维度围绕产品（服务）生命周期及价值链的关键环节和活动，描述智慧赋能的客观活动对象，展现数字院所价值创造过程。

智慧管控包含组织、决策、运营、市场营销等，包括院所面向市场开展的各类经营与管理活动。智慧研发包括需求分析、系统协同设计、仿真分析、试验验证等过程，展现从用户需求到产品实现的全环节。智慧生产包括生产策划、制造运营、生产执行与反馈等一系列环节，是从客户订单、制造执行到产品交付的数字化价值流的体现。智慧保障包括保障交付、保障运营、保障提升等活动，涵盖保障能力形成到保障实施的全流程。

1.2 演化层级维度

演化层级维度展示和衡量院所在各层级的智慧成熟度和智能能力水平。数字院所各演化层级次第交织、迭代升级，体现着院所建设发展的阶段性特征与智慧层级发展的融合性特征。

全面感知。采集汇聚反映数字院所运行状态、产品服务与资源环境的各类数据，打通不同流程与主体之间的数据壁垒，全面互联数字院所运营和价值创造过程，实现院所内部泛在感知和信息共享，为数据要素全面深度应用以及数据驱动全流程决策的实现提供基础。

数字运营。以数字技术为核心驱动力，以现代信息网络为重要载体，通过数字技术与实体运营深度融合，打通价值网络的数据流和业务流，全面深化各业务领域数字化应用，推动管理、研发、制造、保障各环节信息集成和业务协同，奠定院所发展与治理模式新形态重构的基础。

知识决策。动态适应院所内外部环境变化，依托数据这一关键生产要素进行迭代式学习和动态知识沉淀，构建人机互动的知识共享和知识创造体系，实现院所经营过程高效化知识重用和广泛化知识应用，驱动各层级人员对院所运营、价值创造过程的科学决策，为推动院所的持续自主创新提供支撑。

智能创新。院所的组织、流程、技术和资源动态优化配置，开放式创新体系不断普及，外部创新资源便捷应用，智能化新生产方式不断涌现，平台化产业新生态迅速崛起。院所具备根据内外环境变化自学习、自成长、自优化、自适应、及知识创造能力，形成自主创新新生态。

1.3 资源环境维度

资源环境维度提供面向数字院所不同价值领域和适应不同智慧阶段水平的安全可靠的基础设施和服务能力，推进数字院所数字化、知识化、智慧化的实现。

基础设施。为数字院所各层级价值实现提供硬件、软件等物理、信息相关的新一代基础设施，包括通信网络基础设施、新兴技术基础设施、算力基础设施以及融合基础设施等，助力数字院所全方位、全角度、全链条的发展和升级，推动数字院所产业、业态、模式的形成和发展。

互联互通。以应用服务构建目标为指导，应用新一代通信网络技术对基础设施软硬件进行网络互联、数据互联、资源互联、云化计算与服务应用，构建软硬件集成的应用服务基础。互联互通网络化连接既涉及院所内部面向各业务场景的纵向集成，还涉及院所面向信息系统、用户等场景横向集成，向下统接智能基础设施，向上驱动应用服务运行。

应用服务。打造系统化、多层次的平台体系，建立支撑数字院所数字化、知识化、智慧化运营模式的应用系统和平台，结合新一代人工智能技术、大数据技术、数字孪生技术等对数字院所各业务领域进行功能集成和技术映射，持续推动平台功能迭代、服务创新和智能演进升级。

融合协同。集成、封装应用服务各平台，基于角色提供多终端访问支持与一体化应用体验。针对与供应链上下游企业的协作需求，构建协同化平台，实现院所内部、产业链乃至更大范围的协同共享。

2 数字院所标准体系

以数字院所系统架构为指导，遵循标准体系建设原则，设计了如图2所示的标准体系结构，从通用共性、安全、智慧赋能技术、基础支撑、运营模式层级和行业应用等六个方面给出标准指导。

通用共性标准和安全标准贯穿各类标准，指导各类标准的制定。智慧赋能技术标准是数字院所标准体系的技术标准支撑。基础支撑标准包含支撑上层各领域标准的软硬件及场所的相关标准。运营数字化标准是在基础支撑标准基础上实现院所数字化转型，该标准领域在数字院所标准体系结构中起着承上启下的作用。运营知识化标准在数字化标准领域基础上，对数字院所的基于知识的新模式、新业态、新产业进行标准研究。运营智慧化标准作为数字院所最高层级智慧的标准指导，研究创新体系、生产方式变革、管理机制创新等方面的标准。行业应用标准位于数字院所标准体系结构图的顶层，面向行业具体需求，对各类标准进行细化和落地，指导各行业数字院所的规划、建设和运营。

对图2所示的标准体系结构向下映射和细化，得到数字院所标准体系框架，如图3所示。

2.1 通用共性标准

通用共性標准包括总体、数据、检测、评价等标准，是支撑数字院所建设运营的通用标准，用于规定数字院所的基础通用概念、方法和要求等，适用于各环节、各领域及各发展阶段。

2.2 智慧賦能技术标准

智慧赋能技术标准用于规范数字院所平台数字化、知识化、智慧化的技术生态体系的构建，为开放式创新体系和智能化生产方式提供技术支撑。

（1）工业互联网技术标准。包括网络与联接技术、边缘计算技术、平台与支撑技术等标准[7]。用于规范数字院所在构建生产制造新模式和新业态过程中涉及到的资源泛在连接、平台高效配置等要求，支撑数字院所生产制造在个性化定制、网络化协同、服务化延伸等方面发展的需求。

（2）人工智能技术标准。包括机器学习技术、自然语言处理技术、人机交互技术、计算机视觉技术、虚拟现实/增强现实技术等标准[8]。用于规范数字院所研究人工智能的内涵、外延和需求的核心概念，描述人工智能系统框架与评价人工智能系统的智能等级，规范人工智能系统的互操作性。

（3）工业大数据技术标准。包括数据采集技术、数据存储技术、数据分析技术、数据服务技术、数据应用技术等标准[8]。用于规范数字院所处理多源、异构、高通量、高实时、强机理的工业大数据的核心技术，满足数字院所多场景平台和服务需求，实现数字院所面向生产过程、产品、服务等领域智能化的数据价值变现。

（4）云计算与服务技术标准。包括虚拟化技术、分布式数据存储技术、负载管理和监控技术、用户交互技术、云服务技术等标准[8]。用于构建数字院所云生态体系，指导云平台的设计与建设、云计算与服务的监管与评价活动，规范不同云计算与服务的业务能力，提升数字院所云计算与服务平台的设计、实现、部署和运营管理水平。

（5）数字孪生技术标准。包括物理实体、虚拟实体、服务等标准[9]。用于规范数字院所实施数字孪生过程中涉及到的功能需求、关键技术、平台工具等要求，指导数字院所物理空间和赛博空间的虚实互动。

2.3 基础支撑标准

基础支撑标准用于对支撑数字院所建设运营和演化转型的基础设施和软硬件设备及其技术要求进行规范，满足数字院所智慧演化和产业转型升级发展的信息物理需求。其中：

信息基础设施标准用于规范数字院所信息基础设施的内涵与技术特征，支撑数字院所构建数字运营和数据全生命周期管理的软硬件设施，打造开放的数据生态环境，以数据为中心，最大化数据价值。

智能设备标准用于规范数字院所生产新模式对制造设备的技术要求，为智能车间和生产线的构建提供工艺方法、逻辑控制、机器人运动轨迹等基础信息。工业软件标准用于规范数字院所在价值网络实现过程中对研发、制造、保障、管理等工业软件的集成和选型，提高工业软件在院所运营过程中发挥的作用，为院所的智能生产和变革创新提供支撑。智能车间标准用于规范数字院所演化过程中对车间的设计、建造和交付的技术要求[10]。

2.4 运营模式层级标准

运营模式层级标准用于规定数字院所在各个演化层级的运营模式和院所管控、产品全寿期协同以及平台建设运行等业务活动。数字院所运营模式沿着数字化、知识化、智能化方向协同式、螺旋式迭代创新和优化升级，建立数字主线基础，构建知识发现与应用体系，最终实现知识创造与智能创新[11]。

2.4.1 运营数字化标准

用于指导数字院所建设以统一模型为核心的贯通院所运营的数字主线，疏通数据孤岛并构建全环节、全寿期、全要素、全价值链的数据流，驱动物理与信息空间联通以及数据自动流动、交互共享，实现数字院所动态感知、实时分析、数字决策、精准执行的闭环。包括以下3个部分：

（1）管控数字化标准。包括战略管控数字化、企业资源管理数字化、综合业务管理数字化等标准。用于规范数字院所端到端协同管控过程，指导数字院所塑造多主体、多领域、多要素高度融合的数字化协同管理模式，推动开展全流程能力协同与业务协作。

（2）产品全寿期数字化标准。包括协同设计与仿真、数字化生产、数字化综合保障等标准。用于规范数字院所产品全寿期的数字化与协同化，指导产品全寿期的数据贯通与共享，以数据流驱动业务流，实现产品全寿期全要素的有效连接，形成多专业、多学科的高度融合的产品全寿期业务协同模式。

（3）平台数字化标准。包括数字应用平台、工业大数据平台等标准。用于规范支撑数字院所管控和产品全寿期数字化的运营平台应满足的要求，指导数字院所在运营状态全面感知基础上，打通数据流通壁垒，开展跨时空、多尺度数据资源的关联融合与流通共享，整合和治理数据资产，提供统一、面向多场景的数据服务。

2.4.2 运营知识化标准

用于指导数字院所建立涵盖院所运营状态、环境变动、活动事件的知识发现体系，构建完整的可自主学习的知识结构，在数字空间形成认知与决策能力，驱动信息与物理空间融合交互，革新优化生产组织要素的价值链关系，赋予数字院所科学决策、资源弹性供给与高效配置、动态优化能力。包括以下3个部分：

（1）管控知识化标准。包括数据驱动型决策、知识沉淀的流程革新等标准。用于规范数字院所建立数据驱动与知识辅助的决策与流程重构机制，指导数字院所决策由经验指导的定性化决策转变为精确定量化的信息服务决策，驱动院所实现基于知识驱动的业务流程与组织结构革新与优化。

（2）产品全寿期知识化标准。包括基于模型的系统工程、全寿期一体化数字孪生、基于主题的知识应用等标准。用于规范数字院所构建产品全寿期的物理与信息空间的数字孪生，形成物理与信息空间的集成交互、双向映射、融合反演，将面向场景的知识应用带来的价值提升贯穿于产品的全寿期，实现产品全寿期的预测与推演拓展。

（3）平台知识化标准。包括企业知识图谱平台、知识服务平台等标准。用于规范支撑数字院所管控和产品全寿期知识化的运营平台应满足的要求，指导数字院所构建知识发现体系与高效利用机制，提供便捷的知识表达、积累、沉淀方式，基于平台以模型化、组件化形式对单一业务场景、跨业务场景以及全业务场景提供知识开放共享和验证应用服务，建立物理与信息空间的完整双向闭环赋能知识回路。

2.4.3 运营智慧化标准

用于指导数字院所从要素驱动体系到创新驱动生态转变，催生面向未知环境与风险的具备自识别和自适应能力的新型生产要素和创新业务模式，变革经营价值系统与决策逻辑，实现知识体系的循环迭代和全局创新，形成面向环境、状态、集群、任务的自感知、自认知、自决策、自优化、自成长的智能创新组织。包括以下3个部分：

（1）管控智慧化标准。包括基于知识的智能决策、AI协作的自适应管理等标准。用于规范数字院所构建知识推演和AI深度协作的智能推演与决策机制和自适应管理能力，打造全员自组织、自主适应的组织形态，增强人机协同创新效果，具备识别与处理未知环境、集群、任务的能力，满足企业运营管控快速迭代创新的需要，产生全新认知、全新行为和全新价值。

（2）产品全寿期智慧化标准。包括知识推动的产品创新、AI协作的全寿期一体化等标准。用于规范数字院所产品全寿期活动自感知、自学习、自决策、自优化的价值创造与协同创新，指导数字院所全寿期业务模式从主题知识应用跃升为全场景全要素全价值链深度融合的知识推演和自优化，基于智能化人机协作自预测物理空间与环境变化，自动提取活动特征进行关联分析、推演预测、互动创新，形成多目标、多层次、多环节业务活动的自适应、自成长能力。

（3）平台智慧化标准。包括创新聚合平台、自主AI协作平台等标准。用于规范支撑数字院所管控和产品全寿期智慧化的运营平台应满足的要求，指导数字院所汇聚创新要素资源，基于AI协作实现知识体系的循环迭代和创新、新知识自创造、创新服务自对接、创新边缘自突破、构建自重构、成长自优化的智慧平台生态。

2.5 安全标准

安全标准用于保障数字院所信息及其数据不被破坏、更改、泄露，确保基础信息设施、网络、平台能够连续可靠地运行，构建数字院所安全保障体系[12]。其中：安全管理标准用于规范数字院所相关的安全管理及服务要求，对各类安全措施进行指导和管理，从而保护数字院所资产的重要安全属性。技术与机制标准用于规范数字院所在物理安全、基础安全、业务安全等方面的防护技术要求。

2.6 行业应用标准

依据通用共性标准、基础支撑标准、智慧赋能技术标准、运营模式层级标准、安全标准，围绕网信系统、信息材料、电子整机、电子器件等行业典型产品对象，聚焦不同类型院所智慧转型的需求，优先在各自急需领域实现突破，并相互借鉴完善，逐步覆盖数字院所全应用领域。

3 结 语

本文在充分考虑数字院所内涵特征基础上，从价值网络、演化层级、资源环境三个维度构建了数字院所系统架构，明确了数字院所标准体系建设需求、对象和范围。以数字院所系统架构为指导，遵循标准体系建设原则，提出了数字院所标准体系结构，确定了各标准子体系在体系中的位置及相互关系。在此基础上，探索建立了一套数字院所标准体系框架，包含通用共性、智慧赋能技术、基础支撑、运营模式层级、安全、行业应用等6个子标准体系，并分别阐述了各子标准体系建设内容。期待本文研究结果能够指导数字院所标准制定工作，助推数字院所的建设与高质量发展。

参考文献

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[12]谷艾.面向信息物理系统的安全机制与关键技术研究[D].沈阳：中国科学院大学（中国科学院沈阳计算技术研究所），2021.

作者简介

张雷鸣，通信作者，博士研究生，工程师，研究方向为两化融合与数字化转型。

（责任编辑：张佩玉）