GBT 43209-2023 自動化系統(tǒng)與集成 智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)技術(shù)要求

自動化系統(tǒng)與集成智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)技術(shù)要求GB/T43209—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 l3術(shù)語和定義 4縮略語 25總體架構(gòu) 35.1概述 5.2物理層 35.3虛擬控制層 5.4重構(gòu)功能層 6流程定義 7物理層要求 67.1數(shù)據(jù)采集能力要求 67.2網(wǎng)絡(luò)要求 7.3設(shè)備可重構(gòu)要求 67.4制造單元劃分要求 68虛擬控制層要求 78.1數(shù)據(jù)模塊要求 8.2仿真模塊要求 88.3監(jiān)控模塊要求 9重構(gòu)功能層要求 9.1工藝流程重構(gòu)模塊建模要求 9.2生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊建模要求 9.3生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊建模要求 9.4物流調(diào)度重構(gòu)模塊建模要求 9.5重構(gòu)算法性能要求 9.6重構(gòu)模型算法修改要求 參考文獻 IGB/T43209—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識別專利的責(zé)任。本文件由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本文件由全國自動化系統(tǒng)與集成標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC159)歸口。本文件起草單位：清華大學(xué)、北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司、香港大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、北京電子工程總體研究所、北京理工大學(xué)、重慶大學(xué)、聯(lián)想(北京)有限公司、東風(fēng)汽車集團股份有限公司、華中科技大學(xué)、中國科學(xué)院自動化研究所、浙江大學(xué)、航天科工仿真技術(shù)有限責(zé)任公司、北京工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心有限公司、中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院、蘇州海通機器人系統(tǒng)有限公司、北京極智嘉科技股份有限公司、浙江國自機器人技術(shù)股份有限公司。本文件主要起草人：申作軍、王海丹、鄧天虎、任磊、李罪、張金會、李帥、李孝斌、于辰濤、王子濤、1自動化系統(tǒng)與集成智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)技術(shù)要求本文件規(guī)定了智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)技術(shù)的總體架構(gòu)、流程定義、物理層要求、虛擬控制層(數(shù)據(jù)模塊、仿真模塊、監(jiān)控模塊)技術(shù)要求及重構(gòu)功能層技術(shù)要求。本文件適用于智能生產(chǎn)線及其相關(guān)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、實施和應(yīng)用。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。GB/T37973—2019信息安全技術(shù)大數(shù)據(jù)安全管理指南GB/T39334.2—2020機械產(chǎn)品制造過程數(shù)字化仿真第2部分：生產(chǎn)線規(guī)劃和布局仿真要求GB/T42447—2023信息安全技術(shù)電信領(lǐng)域數(shù)據(jù)安全指南3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。專用于生產(chǎn)特定數(shù)量產(chǎn)品或產(chǎn)品系列的設(shè)備集合。智能生產(chǎn)線smartproductionline將儀表及自動化技術(shù)、信息技術(shù)、仿真技術(shù)、監(jiān)測技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用在設(shè)備、產(chǎn)品、資源及配套虛擬生產(chǎn)線virtualproductionline實體生產(chǎn)線在虛擬空間的映射，可準(zhǔn)確反映實體生產(chǎn)線的事件。生產(chǎn)線重構(gòu)productionlinereconfiguration虛擬重構(gòu)virtualreconfiguration利用智能生產(chǎn)線提供的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)線設(shè)備、工藝、產(chǎn)品、活動、狀態(tài)等進行仿真，并對生產(chǎn)線流程、2制造單元manufacturingunit使一種或多種原料轉(zhuǎn)換、分離或反應(yīng)直到生產(chǎn)出中間或最終產(chǎn)品的設(shè)備集合。運輸設(shè)備transportationfacility配合生產(chǎn)過程，完成在稀缺資源分配過程中所涉及的物流調(diào)配的設(shè)備。與產(chǎn)品生命全周期有關(guān)的材料、毛坯、半成品、外協(xié)件和包裝物等的總稱。將傳感器植入生產(chǎn)線設(shè)備中，實時采集描述設(shè)備特定運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)傳入數(shù)據(jù)庫中。發(fā)現(xiàn)并糾正數(shù)據(jù)文件中可識別的錯誤，包括檢查數(shù)據(jù)一致性、處理無效值、填補缺失值、剔除重復(fù)值等。對生產(chǎn)線中各類設(shè)備的物理特征和功能特性的數(shù)字化表達，以及對設(shè)備布局、工藝流程和設(shè)備間關(guān)系等要素的數(shù)字化定義。生產(chǎn)對象由投入到產(chǎn)出，經(jīng)過一定順序排列的加工、搬運、檢驗、停放、儲存的過程。在滿足給定的空間或性能約束條件下，將工位、設(shè)備、物料緩存、倉儲等各類設(shè)施合理、優(yōu)化地布局在特定空間內(nèi)，從而有效、經(jīng)濟、安全地達到預(yù)期目標(biāo)。生產(chǎn)調(diào)度productionscheduling不同的制造任務(wù)在特定的時間分配給機器，同時盡量減少制造時間(或其他目標(biāo))。在制造資源分配過程中所涉及的物流調(diào)配。4縮略語下列縮略語適用于本文件。AGV:自動導(dǎo)引運輸車(AutomatedGuidedVehicle)3玉構(gòu)功能層戰(zhàn)擬控制盡下達重構(gòu)指令物通層物流調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度工藝流想玉構(gòu)功能層戰(zhàn)擬控制盡下達重構(gòu)指令物通層物流調(diào)度生產(chǎn)調(diào)度工藝流想BOM:物料清單(BillofMaterial)RFID:射頻識別(RadioFrequencyIdentification)5總體架構(gòu)智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)架構(gòu)包括物理層、虛擬控制層和重構(gòu)功能層，見圖1。涵蓋了產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過程，準(zhǔn)確反映生產(chǎn)制造過程中的事件，并做出實時優(yōu)化。工藝流程孟構(gòu)模塊工藝敢構(gòu)工藝流程孟構(gòu)模塊工藝敢構(gòu)流程重構(gòu)靜態(tài)在局盂構(gòu)動態(tài)布局重構(gòu)生產(chǎn)產(chǎn)品生產(chǎn)師序重構(gòu)加工步驟順序蓋構(gòu)動態(tài)路徑重構(gòu)運輸策略重構(gòu)加工步驟順序蓋構(gòu)啟動拍令參數(shù)輸入學(xué)習(xí)史新效果反饋傷真樓型生產(chǎn)異常重構(gòu)功能蓋構(gòu)結(jié)果驗證下達仿真重構(gòu)歌據(jù)模塊動態(tài)數(shù)據(jù)教據(jù)清洗靜卷數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)接收多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳新生產(chǎn)過程安數(shù)更新產(chǎn)蛇建筷效果反餅?zāi)Ｐ驼{(diào)用效果反餅?zāi)Ｐ驼{(diào)用仿真模塊應(yīng)擬生產(chǎn)線兒何模型物理模型行為模型規(guī)則模型學(xué)習(xí)更新制造單元生產(chǎn)線附態(tài)布局制造單元制造單元運輸設(shè)備物料圖1智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)總體架構(gòu)5.2物理層智能生產(chǎn)線的物理層由多種實體組成，如制造單元、物料和運輸設(shè)備。智能生產(chǎn)線應(yīng)根據(jù)工藝流注1:生產(chǎn)線承擔(dān)了主要的生產(chǎn)任務(wù)，由多個制造單元構(gòu)成；運輸設(shè)備負(fù)責(zé)給生產(chǎn)線上每一工位運送生產(chǎn)過程中所必須的物料。不同制造單元具有不同的功能，承擔(dān)不同的生產(chǎn)任務(wù)，采用數(shù)字化設(shè)備，可實時采集數(shù)據(jù)。注2:制造單元的位置相對穩(wěn)定，可更改程度低，生產(chǎn)開始后不再改變布局，構(gòu)成生產(chǎn)線靜態(tài)布局；物料和運輸設(shè)備位置可更改程度高，可根據(jù)生產(chǎn)過程需要實時調(diào)整，構(gòu)成生產(chǎn)線動態(tài)布局。5.3虛擬控制層智能生產(chǎn)線的虛擬控制層由數(shù)據(jù)模塊、仿真模塊和監(jiān)控模塊組成。數(shù)據(jù)模塊負(fù)責(zé)接收并清洗物理層采集到的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，并進行存儲。注：數(shù)據(jù)是虛擬重構(gòu)層的底層資源，是進行虛擬重構(gòu)過程的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)分為靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，靜態(tài)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性4仿真模塊包含生產(chǎn)線的多種仿真模型，分別為表觀模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型。仿真模型應(yīng)能描述生產(chǎn)線、物料和運輸設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能。仿真模型應(yīng)能實時利用數(shù)據(jù)模塊新處理的數(shù)據(jù)，更新模型的狀態(tài)。四種仿真模型的組合，形成虛擬生產(chǎn)線。仿真模型應(yīng)具備自學(xué)習(xí)功能，可根據(jù)實際仿真精度對仿真模型做出調(diào)整。監(jiān)控模塊應(yīng)對虛擬重構(gòu)過程做出管理，實時響應(yīng)生產(chǎn)過程中的異常。監(jiān)控模塊實時調(diào)用虛擬生產(chǎn)線仿真模型，判斷生產(chǎn)過程是否出現(xiàn)了異常，找到生產(chǎn)異常發(fā)生的原因，并下令啟動全部或部分重構(gòu)功能，提取功能模塊所需的參數(shù)并輸入至重構(gòu)功能層。之后接收重構(gòu)功能層給出的結(jié)果，利用仿真模塊的仿真模型對結(jié)果進行虛擬驗證，通過后對物理層下達相應(yīng)的重構(gòu)指令。物理層進行實體重構(gòu)，繼續(xù)生產(chǎn)過程。重構(gòu)完成后，監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)繼續(xù)監(jiān)測生產(chǎn)狀態(tài)，分析實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)，檢查仿真模型是否準(zhǔn)確，評估重構(gòu)效果是否達到預(yù)期，將結(jié)果反饋給仿真模塊和重構(gòu)層，供其學(xué)習(xí)更新使用。5.4重構(gòu)功能層智能生產(chǎn)線的重構(gòu)功能層是實現(xiàn)對智能生產(chǎn)線實體虛擬重構(gòu)的主體部分。重構(gòu)功能層主要包括產(chǎn)品工藝流程重構(gòu)模塊、生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊、生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊、物流調(diào)度重構(gòu)模塊，通過內(nèi)置模型和算法計算得到的結(jié)果，對生產(chǎn)過程做出實時優(yōu)化。四類功能的算法應(yīng)具備自學(xué)習(xí)功能，根據(jù)實際重構(gòu)效果調(diào)整重構(gòu)策略。6流程定義智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)流程應(yīng)與圖2相符合。流程分為以下四個階段。a)數(shù)據(jù)采集與仿真(A)階段1)A1智能生產(chǎn)線物理層將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸?shù)教摂M控制層中。2)A2虛擬控制層的數(shù)據(jù)模塊接收數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行清洗和存儲。3)A3仿真模塊實時根據(jù)數(shù)據(jù)變化修改仿真模型。b)重構(gòu)判斷與實行(R)階段1)R1監(jiān)控模塊實時監(jiān)控生產(chǎn)過程的中的異常與變化，并判斷原因。R1包含兩部分工作：——R1.1監(jiān)控模塊利用實時仿真模型，實時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常(設(shè)備損壞、在制品堆積、負(fù)載不均衡等); R1.2監(jiān)控模塊也可提前接收來自外部的生產(chǎn)線變化信息(新產(chǎn)品上線、緊急插單、設(shè)備維護、設(shè)備維修完成等),接受主動開啟重構(gòu)功能的指令。2)R2監(jiān)控模塊判斷是否啟用全部或部分功能，是否對生產(chǎn)線進行虛擬重構(gòu)優(yōu)化。3)R3重構(gòu)功能層根據(jù)指令，啟動相應(yīng)的功能模塊。若全部重構(gòu)，R3共包含四個步驟：——R3.1工藝流程重構(gòu)模塊確定生產(chǎn)過程包含的工藝種類及工藝順序，也可對工藝本身進行更新和優(yōu)化；——R3.2生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊對智能生產(chǎn)線進行重新布局，確定智能生產(chǎn)線所包含的制造單元及單元的位置，并確定物料和運輸設(shè)備的位置；——R3.3生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊使用生產(chǎn)調(diào)度算法進行排產(chǎn)，確定產(chǎn)品生產(chǎn)順序和加工步驟順序，以實現(xiàn)生產(chǎn)過程的既定目標(biāo)； R3.4物流調(diào)度模塊利用物流調(diào)度算法，確定線邊庫存、AGV運行路徑、AGV調(diào)度計劃等物流管理策略。若只啟用部分功能，則僅執(zhí)行相關(guān)步驟即可。c)結(jié)果驗證與下達(V)階段1)V1監(jiān)控模塊將根據(jù)計算結(jié)果，利用仿真模型進行虛擬測試。52)V2通過測試后，監(jiān)控模塊對智能生產(chǎn)線各部分下達新的生產(chǎn)指令，并對數(shù)據(jù)模塊中相應(yīng)的數(shù)據(jù)進行更新。如未通過則重新調(diào)整。3)V3物理層執(zhí)行指令，完成調(diào)整。d)效果監(jiān)控與反饋(S)階段1)S1執(zhí)行層采集調(diào)整后智能生產(chǎn)線的各類數(shù)據(jù)并上傳。2)S2數(shù)據(jù)模塊繼續(xù)接收并處理來自智能生產(chǎn)線的各類數(shù)據(jù)。3)S3監(jiān)控模塊監(jiān)控生產(chǎn)過程的狀態(tài)及變化。4)S4對上一輪重構(gòu)效果進行評估，對結(jié)果進行反饋。5)S5仿真模塊和重構(gòu)功能層學(xué)習(xí)反饋結(jié)果，做出相應(yīng)調(diào)整。Al/S1采集數(shù)據(jù)并上傳V3物理層執(zhí)行相應(yīng)指令繼續(xù)生產(chǎn)V2驗證通過向物理層下達重構(gòu)指令更新相關(guān)數(shù)據(jù)是通過利用仿真模型驗證重構(gòu)結(jié)果否A2/S2數(shù)據(jù)模塊接收清洗存儲多源異構(gòu)數(shù)據(jù)新布局新計劃新調(diào)度數(shù)據(jù)庫R3.1重新確定工藝流程重新布局排生產(chǎn)計劃流靜態(tài)真模塊更新R1監(jiān)控模塊實時感知生產(chǎn)異常與變化，并判斷原因真模型實時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程異常的生產(chǎn)線變化信息重構(gòu)R3重構(gòu)功能層實行乖構(gòu)功能是判斷是否啟動全部/部分重構(gòu)功能啟動圖2智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)的流程定義實體生產(chǎn)線的重構(gòu)，可僅根據(jù)重構(gòu)指令，實現(xiàn)虛擬重構(gòu)給出的工藝流程、生產(chǎn)線布局、生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度策略，完成相應(yīng)的操作。注1:智能生產(chǎn)線的虛擬部分體現(xiàn)在生產(chǎn)線虛擬仿真和重構(gòu)結(jié)果虛擬運行；智能生產(chǎn)線的重構(gòu)部分體現(xiàn)在實時、快速規(guī)劃工藝流程、生產(chǎn)線布局、生產(chǎn)調(diào)度和物流調(diào)度。智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)，集合了運籌優(yōu)化和仿真優(yōu)化的優(yōu)點，既利用運籌模型為優(yōu)化提供方向、又利用仿真模型快速驗證結(jié)果。同時克服了運籌優(yōu)化結(jié)果難驗證、仿真優(yōu)化過程盲目嘗試的缺點。注2:與傳統(tǒng)生產(chǎn)線規(guī)劃或重構(gòu)方法相比，智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)的優(yōu)勢在于：實時采集、分析數(shù)據(jù)并建模，形成虛擬生產(chǎn)線，使重構(gòu)結(jié)果與生產(chǎn)線的實時狀態(tài)更匹配；通過虛擬測試，可嘗試多種重構(gòu)方案，提高重構(gòu)的優(yōu)化水平；降低驗證方案可行性或最優(yōu)性的成本，并且降低重構(gòu)后對生產(chǎn)過程帶來不良影響的風(fēng)險；可對重構(gòu)效果進行評估，反饋給仿真模塊和功能模塊，對仿真模型和重構(gòu)算法進行訓(xùn)練，快速提升優(yōu)化水平。67物理層要求7.1數(shù)據(jù)采集能力要求對智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)的物理層而言，每一制造單元設(shè)備、物料和運輸設(shè)備均需進行數(shù)據(jù)采集，以方便虛擬控制層進行監(jiān)控、分析、指揮等操作。物理層數(shù)據(jù)采集能力應(yīng)符合以下具體要求。a)每一制造單元設(shè)備和運輸設(shè)備具備通信功能，能夠與虛擬控制層連接，能夠向數(shù)據(jù)模塊提供生信息等。同時能夠接受虛擬控制層下達的任務(wù)指令，包括為了完成生產(chǎn)過程所設(shè)置的參數(shù)數(shù)值和操作指示。b)每一設(shè)備具備和其他設(shè)備交流信息的能力，實現(xiàn)全生產(chǎn)線信息互通。c)每一設(shè)備具備一定的人機交互能力與可視化能力，方便工作人員對設(shè)備進行必要的處理，直觀且快速地了解生產(chǎn)狀態(tài)。d)除設(shè)備外，制造單元之間添加一定的數(shù)采裝置，采集生產(chǎn)過程相關(guān)信息，如生產(chǎn)節(jié)拍等。e)物料需具備一定的識別性，可通過加裝RFID設(shè)備等實現(xiàn)，并具備自動寫入或更新數(shù)據(jù)的能力。f)在進行數(shù)據(jù)采集能力設(shè)計時，需事先確定每一設(shè)備數(shù)據(jù)采集的范圍和類型。g)確定每項數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式，并按照規(guī)定的格式進行采集，或?qū)Σ杉姆菢?biāo)數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)工廠全覆蓋，使物理層與數(shù)據(jù)模塊之間、物理層與監(jiān)控模塊之間、物理層內(nèi)部全面互聯(lián)，實現(xiàn)無縫的信息傳輸，應(yīng)符合以下具體要求：a)提供但不限于專用網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、傳感網(wǎng)絡(luò)、以太網(wǎng)、智能網(wǎng)關(guān)等工業(yè)現(xiàn)場通信網(wǎng)絡(luò)集成功能，支持國標(biāo)所列的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，提供標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，支持標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的通訊傳輸協(xié)議；b)可傳達對設(shè)備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理的指令，并下達重構(gòu)指令；c)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性；7.3設(shè)備可重構(gòu)要求智能生產(chǎn)線在建造過程中，宜增加設(shè)備的柔性，宜符合以下具體要求：a)設(shè)備布局可重構(gòu)：每一制造單元設(shè)備和運輸設(shè)備能夠改變擺放位置，實現(xiàn)多種布局；b)設(shè)備功能可重構(gòu)：每一制造單元設(shè)備和運輸設(shè)備具有多種功能，可是機器本身已經(jīng)具備多種功能，也可是通過改造等方式，讓設(shè)備可改變成多種形態(tài)，實現(xiàn)不同的功能；c)模具快速可重構(gòu)：每一制造單元的設(shè)備具有快速換模的能力，以快速響應(yīng)智能生產(chǎn)線生產(chǎn)產(chǎn)品種類的變化；d)運行路線可重構(gòu)：每一運輸設(shè)備可按照多種路線運行，如AGV可按照不同的路線行駛。7.4制造單元劃分要求物理層在劃分制造單元時，可遵循多種規(guī)則?？砂凑展に噭澐?，每一制造單元能夠完成一定種類的工藝步驟；也可按照位置劃分，將布局關(guān)系相近的設(shè)備劃分在一個單元。物理層的不同單元連接時，接口設(shè)計應(yīng)符合以下具體要求：7a)不同制造單元能夠自由連接，以滿足不同種類產(chǎn)品的生產(chǎn)需要；b)明確每一制造單元的輸入與輸出，包括設(shè)備、功能和位置；c)保證物料位置與制造單元之間運輸?shù)牧鲿承?；d)保證在制品在不同制造單元間運輸?shù)牧鲿承浴?虛擬控制層要求8.1數(shù)據(jù)模塊要求8.1.1數(shù)據(jù)內(nèi)容要求8.1.1.1智能生產(chǎn)線數(shù)據(jù)是虛擬重構(gòu)層的底層資源，包括靜態(tài)數(shù)據(jù)和動態(tài)數(shù)據(jù)，所采集的數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)能夠滿足其他模塊的使用需求。8.1.1.2智能生產(chǎn)線靜態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)包括但不限于下列內(nèi)容：a)完善且詳實的設(shè)備檔案信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備編號、功能描述、2D/3D模型、參數(shù)描述等；b)全面的工藝信息數(shù)據(jù)，包括工藝內(nèi)容、實現(xiàn)設(shè)備、用時信息、成本信息等；c)全部產(chǎn)品的詳細信息數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)品所需物料、所需工藝、加工設(shè)備、生產(chǎn)用時等；d)布局信息數(shù)據(jù)，包括設(shè)備和物料可放置的位置。8.1.1.3智能生產(chǎn)線動態(tài)數(shù)據(jù)內(nèi)容應(yīng)包括但不限于下列內(nèi)容：a)用于描述設(shè)備運行狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)；b)用于描述設(shè)備正在進行的操作步驟的信息數(shù)據(jù)；c)庫存信息數(shù)據(jù)，包括剩余物料數(shù)量、線邊庫存數(shù)量、在制品堆積數(shù)量等；d)設(shè)備完成每一工藝步驟或運輸步驟的實際用時信息數(shù)據(jù)；e)其他可用于生產(chǎn)過程性質(zhì)描述的信息數(shù)據(jù)。8.1.2數(shù)據(jù)實時性要求智能生產(chǎn)線物理層部分采集產(chǎn)線數(shù)據(jù)后，應(yīng)利用網(wǎng)絡(luò)實時傳輸，與數(shù)據(jù)模塊進行對接。由于智能生產(chǎn)線虛擬重構(gòu)具有動態(tài)性、實時性，所以對于數(shù)據(jù)的實時性要求較高，應(yīng)符合以下具體要求：a)設(shè)備數(shù)據(jù)采集時延不大于10ms;b)動態(tài)數(shù)據(jù)感知時間不大于20ms;c)虛實同步交互響應(yīng)不大于25ms;d)明確傳輸數(shù)據(jù)的內(nèi)容，避免數(shù)據(jù)間發(fā)生信息重復(fù)；e)傳輸前適當(dāng)壓縮并清洗數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)數(shù)據(jù)，減少傳輸數(shù)據(jù)規(guī)模；f)數(shù)據(jù)傳輸時需使用成熟、穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議；g)設(shè)計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，可采用冗余設(shè)計，采用冗余網(wǎng)關(guān)和冗余路由器，防止傳輸時發(fā)生沖突，影響實時性；h)動態(tài)數(shù)據(jù)采用實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)存儲。實時數(shù)據(jù)庫主要存儲近期生產(chǎn)過程控制與檢測相關(guān)的數(shù)據(jù)，方便其他模塊分析使用。歷史數(shù)據(jù)庫存儲需較長時間儲存的數(shù)據(jù)。8.1.3數(shù)據(jù)質(zhì)量與數(shù)據(jù)清洗能力要求仿真模塊對數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求很高。智能生產(chǎn)線數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)雜的特點，容易出現(xiàn)重復(fù)、不完整、丟失、格式不一致和過時的問題。數(shù)據(jù)質(zhì)量管理應(yīng)符合以下具體要求：a)實時數(shù)據(jù)清洗：基于小波變換、統(tǒng)計學(xué)、預(yù)設(shè)規(guī)則等方法對實時生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行清洗，濾除丟棄低8b)降維、提取特征：基于統(tǒng)計學(xué)、傅里葉變換等方法，進行數(shù)據(jù)特征提取及特征選擇；c)多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合：能夠支持不同來源的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)換，整合成時序數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)符合虛擬重構(gòu)層其他模塊的使用標(biāo)準(zhǔn)；d)缺失數(shù)據(jù)填補：發(fā)生數(shù)據(jù)漏采、數(shù)據(jù)丟失時，使用統(tǒng)計方法、機器學(xué)習(xí)方法、組合優(yōu)化方法對缺失數(shù)據(jù)進行預(yù)測，填補數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)完整性；e)數(shù)據(jù)實時糾錯：自動監(jiān)測數(shù)據(jù)錯誤，并用統(tǒng)計方法進行定位和糾錯；f)動態(tài)評估優(yōu)化：利用聚類分析等統(tǒng)計方法及規(guī)則約束的協(xié)變量置信評估方法對處理后的數(shù)據(jù)進行一致性驗證、可靠性評估和優(yōu)化，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。8.1.4數(shù)據(jù)安全性要求造成不良影響，應(yīng)符合以下具體要求：a)采集安全性：明確數(shù)據(jù)采集設(shè)備的IP地址、端口號、采集內(nèi)容等，采集過程進行數(shù)據(jù)源驗證，避免外部數(shù)據(jù)混入；b)傳輸安全性：對傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點進行冗余處理，盡量采用單向傳輸方式，對數(shù)據(jù)端口進行加密，使用安全協(xié)議傳輸，對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行完整性檢查；c)清洗安全性：制定數(shù)據(jù)清洗原則，保留原始數(shù)據(jù)包含的重要信息，避免過度清洗；d)存儲安全性：對數(shù)據(jù)進行分級，不同級別采用不同的管理策略，可使用分布式存儲等新型存儲技術(shù)，并明確管理人員責(zé)任，數(shù)據(jù)庫具備安全防范策略，設(shè)置訪問權(quán)限，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫的更新升級，具有入侵應(yīng)對措施，具備數(shù)據(jù)容災(zāi)備份和恢復(fù)能力；e)使用安全性：明確使用權(quán)限，確保使用環(huán)境安全，記錄數(shù)據(jù)使用情況信息，對數(shù)據(jù)添加水印，不f)共享安全性：明確共享數(shù)據(jù)的內(nèi)容邊界，對數(shù)據(jù)進行脫敏處理，適當(dāng)控制數(shù)據(jù)導(dǎo)出權(quán)限。其他要求應(yīng)符合GB/T37973—2019和GB/T42447—2023第7章中的條款。8.2仿真模塊要求8.2.1仿真內(nèi)容要求仿真模塊包含表觀模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型。應(yīng)符合以下具體要求：a)表觀模型：主要給出設(shè)備物料的幾何尺寸、位置、角度、紋理、材質(zhì)等幾何空間信息，如設(shè)備2D息等；制品運輸時間，生產(chǎn)節(jié)拍等；動范圍、運輸設(shè)備運行路線等。四種模型建立完成后，聯(lián)合形成完整的虛擬生產(chǎn)線模型，實時映射實體生產(chǎn)線。8.2.2仿真模塊建模步驟要求仿真模塊應(yīng)具備整條生產(chǎn)線的虛擬仿真模型。應(yīng)按照GB/T建模。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)符合以下要求。39334.2—2020第6章中的條款進行9a)需對每一制造設(shè)備進行建模，完成每一設(shè)備的表觀模型、物理模型、行為模型。共分為以下1)明確生產(chǎn)線內(nèi)部要建模的機器和部件。所選取的機器和部件，對生產(chǎn)系統(tǒng)的功能實現(xiàn)至關(guān)重要，且需要受到持續(xù)的關(guān)注。每個模型所對應(yīng)的機器和部件都參與生產(chǎn)過程的主要步驟，這些步驟將受到機器特性、布局、排產(chǎn)等方面的影響，因此模型可用于虛擬重構(gòu)層的生產(chǎn)優(yōu)化當(dāng)中。這樣將避免對非關(guān)鍵子系統(tǒng)的建模，從而降低了生產(chǎn)線數(shù)字模型的復(fù)確定每一機器模型的復(fù)雜度。在建模層面，采用黑盒(不了解內(nèi)部操作)、灰盒(用理論數(shù)據(jù)完成模型)或白盒(完全描述組件)的方法。建模級別由模型參數(shù)化的可用數(shù)據(jù)確定。模為灰盒，而另一些組件被建模為黑盒。需要注意的是，由于白盒建模需要更多的時間，并且增加了模型參數(shù)的數(shù)量，對于非關(guān)鍵的機器，即使掌握全部數(shù)據(jù)，也可使用灰盒和黑盒的級別進行建模。對于關(guān)鍵工位的關(guān)鍵機器，則需使用白盒級別進行建模。3)明確定義和指定仿真需要收集的數(shù)據(jù)。隨著數(shù)據(jù)收集維度的增加，模型仿真的計算時間也隨之增加，因此，這一步非常重要。定義生產(chǎn)過程需要采集的數(shù)據(jù)，將其分類為“真實傳感器直接可用”類別；之后識別無法直接采集得到的所需數(shù)據(jù)，將其分類為“通過其他方法進行估計”類別，明確這類數(shù)據(jù)的定義。隨后調(diào)用或估計相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并輸入到制造單元仿真模型中。4)在數(shù)據(jù)選擇完畢后，需要定義將要更新的建模參數(shù)，以便根據(jù)實際生產(chǎn)數(shù)據(jù)的情況調(diào)整模型相應(yīng)的狀態(tài)。這些參數(shù)將是可編輯的，并將與實時仿真調(diào)整相關(guān)聯(lián)。b)描述設(shè)備間的邏輯關(guān)系，完成規(guī)則模型，并建立完整生產(chǎn)線模型。在不同模型間加入生產(chǎn)過程的條件與約束，使同一制造單元中的設(shè)備聯(lián)系起來，建立完整的數(shù)字生產(chǎn)線模型，使模型與實際生產(chǎn)線生產(chǎn)過程相匹配。生產(chǎn)線仿真模型清晰體現(xiàn)出每一單元的結(jié)構(gòu)，描述每一單元內(nèi)所包含的設(shè)備種類及數(shù)量，包含設(shè)備模型、參數(shù)描述等；能描述單元所具備的功能信息，同時也提供其他有助于做出生產(chǎn)決策的信息，如使用成本等；清晰展示單元內(nèi)設(shè)備的狀態(tài)信息，比如設(shè)備是否損壞；能展示其活動范圍，方便布局重構(gòu)。c)對物料和運輸設(shè)備進行建模。對物料的幾何、物理狀態(tài)做出建模；對運輸設(shè)備的幾何、物理、行為狀態(tài)做出建模。8.2.3仿真模型性能要求智能生產(chǎn)線虛擬仿真模型應(yīng)具備一定的性能，符合仿真建模基本原則的同時，滿足一定的參數(shù)要求，以支持其他部分的運轉(zhuǎn)。應(yīng)符合以下要求：a)模型的假設(shè)準(zhǔn)確，不違背客觀規(guī)律；b)模型分級準(zhǔn)確，不同級別的模型，建模復(fù)雜度滿足功能模塊的需求；c)模型對生產(chǎn)線設(shè)備、設(shè)備間關(guān)系的描述準(zhǔn)確，能夠正確刻畫生產(chǎn)過程中的各項活動；d)模型使用的參數(shù)準(zhǔn)確，否則將影響功能模塊的重構(gòu)效果；e)模型對物理實體和生產(chǎn)過程屬性覆蓋率盡可能地高，具體根據(jù)實際應(yīng)用需求確定，一般不低f)生產(chǎn)線孿生仿真粒子數(shù)不低于100萬個；g)顯示幀率不低于40幀/s;h)生產(chǎn)線模型仿真精度與屬性覆蓋率相匹配，一般不低于95%;i)具備TB級產(chǎn)線仿真大數(shù)據(jù)計算處理能力；j)支持智能生產(chǎn)線數(shù)據(jù)驅(qū)動的在線動態(tài)虛擬仿真功能，在接收到實體動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)以后，虛擬仿真延遲時間不大于0.5s;k)支持包含千萬圖元、百兆紋理的虛擬產(chǎn)線場景實時仿真。8.2.4仿真模型修改要求在實際生產(chǎn)過程中，如果發(fā)現(xiàn)實際情況和虛擬重構(gòu)設(shè)想的結(jié)果出入較大，應(yīng)修改仿真模型，改善重構(gòu)效果?？蓮囊韵聨讉€方面考慮修改：a)修改建立模型的假設(shè)條件，重新選擇仿真使用的數(shù)據(jù)；b)提高或降低模型復(fù)雜度級別；c)重新確定模型使用的參數(shù)及數(shù)值；d)檢查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，如生產(chǎn)操作步驟用時，運輸用時，庫存水平等。8.3監(jiān)控模塊要求8.3.1異常原因種類與重構(gòu)功能選擇要求生產(chǎn)過程發(fā)生異常時，生產(chǎn)線實時采集的數(shù)據(jù)會發(fā)生相應(yīng)的波動，導(dǎo)致仿真模型參數(shù)發(fā)生改變，監(jiān)控模塊根據(jù)參數(shù)值判斷異常的原因。主要異常原因包括以下種類。a)設(shè)備損壞：體現(xiàn)在仿真物理模型中描述設(shè)備狀態(tài)的參數(shù)發(fā)生變化，如設(shè)備電流、設(shè)備轉(zhuǎn)速等，重構(gòu)時應(yīng)將該設(shè)備剔除出生產(chǎn)線。主要使用生產(chǎn)計劃重構(gòu)功能進行重構(gòu)，在不使用該機器的情況下重新安排生產(chǎn)計劃。其他功能視情況輔助使用。b)在制品堆積：體現(xiàn)在在制品表觀模型中描述位置的參數(shù)大量重復(fù)，大量在制品集中在一點。這說明生產(chǎn)過程中存在瓶頸，應(yīng)首先對工藝流程進行重構(gòu)，避免在制品堆積的問題；調(diào)整生產(chǎn)計劃，使順序靠前加工步驟的上機時間延后，緩解堆積情況。c)負(fù)載不均衡：體現(xiàn)在不同制造單元行為模型中描述空閑時間、生產(chǎn)節(jié)拍的數(shù)據(jù)差異較大。應(yīng)首先對生產(chǎn)線布局重構(gòu)，調(diào)整靜態(tài)布局；調(diào)整生產(chǎn)調(diào)度，對負(fù)載較重的制造單元，應(yīng)調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，給予其更多的加工時間。d)線邊庫存水平高：體現(xiàn)在物料表觀模型中描述位置的信息。應(yīng)使用物流調(diào)度重構(gòu)，調(diào)整物料運輸間隔，降低單次運輸數(shù)量。e)工藝不達標(biāo)：體現(xiàn)在設(shè)備物理模型、行為模型相關(guān)信息和在制品表觀模型、物理模型中有關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量的信息。應(yīng)使用工藝重構(gòu)，改變工藝實施的過程，提升產(chǎn)品質(zhì)量。8.3.2主動重構(gòu)種類與重構(gòu)功能選擇要求生產(chǎn)過程中，外部會隨機輸入事件，此時需要智能生產(chǎn)線主動重構(gòu)，響應(yīng)隨機事件。主要主動重構(gòu)種類包括：a)新產(chǎn)品上線：主要使用工藝流程重構(gòu)功能和生產(chǎn)線布局重構(gòu)功能，保證新產(chǎn)品的正常生產(chǎn)；b)接受新訂單/緊急插單：主要使用生產(chǎn)計劃重構(gòu)功能和物流重構(gòu)功能，按時完成生產(chǎn)任務(wù)；c)設(shè)備維護/設(shè)備維修完成：主要使用生產(chǎn)線布局重構(gòu)、生產(chǎn)計劃重構(gòu)和物流調(diào)度重構(gòu)，在條件中減去或增加相應(yīng)的設(shè)備。8.3.3重構(gòu)結(jié)果驗證與下達重構(gòu)指令要求重構(gòu)功能層的各模塊進行重構(gòu)后，將結(jié)果輸入給監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊利用仿真模型，對結(jié)果可行性、優(yōu)化性進行驗證。將仿真模型參數(shù)按照工藝流程重構(gòu)和生產(chǎn)線重構(gòu)結(jié)果進行修改，將生產(chǎn)計劃、物流調(diào)度輸入到仿真模型中并運行。如能正常運行，則說明結(jié)果具有可行性。計算重構(gòu)目標(biāo)的函數(shù)值，和重構(gòu)前函數(shù)值相比較，判斷優(yōu)化性。通過后，將結(jié)果輸入到物理層中。物理層接到指令后，明確工藝流程，即包含的工藝步驟及順序；重新安排制造單元及內(nèi)部設(shè)備、物料和運輸設(shè)備的位置，構(gòu)成新布局；設(shè)備按照新生產(chǎn)計劃進行生產(chǎn)；物流按照新調(diào)度策略配合生產(chǎn)過程。8.3.4生產(chǎn)狀態(tài)監(jiān)測與重構(gòu)效果評估要求實體重構(gòu)完成，正式進入生產(chǎn)后，監(jiān)控模塊要繼續(xù)對生產(chǎn)狀態(tài)進行監(jiān)測，對重構(gòu)效果進行評估。評估內(nèi)容主要為可行性評估和準(zhǔn)確性評估，應(yīng)符合以下具體要求：a)提取產(chǎn)品質(zhì)量信息，檢查是否能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品；b)提取每一產(chǎn)品每一加工步驟的開始時間、結(jié)束時間、加工時長信息，檢查是否與生產(chǎn)計劃中預(yù)計的一致；c)提取制造單元間在制品庫存信息，檢查是否由于發(fā)生在制品堆積情況；d)提取設(shè)備負(fù)載信息，檢查負(fù)載是否均衡；e)提取線邊庫存信息，檢查物料是否短缺或過剩；f)提取物料損耗信息，檢查是否有所下降；g)提取產(chǎn)品生產(chǎn)完成時間信息，檢查是否按期交貨，并縮短總制造時間；h)提取生產(chǎn)成本信息，檢查是否有所下降。8.3.5重構(gòu)結(jié)果反饋與模型學(xué)習(xí)更新要求在進行實際重構(gòu)評估之后，監(jiān)控模塊需將結(jié)果反饋給仿真模塊和重構(gòu)功能層。仿真模塊和重構(gòu)功能層根據(jù)結(jié)果進行學(xué)習(xí)，調(diào)整模型。模型學(xué)習(xí)更新的過程應(yīng)自動化、常態(tài)化。除在實際生產(chǎn)過程中得到重構(gòu)效果反饋，也可在虛擬重構(gòu)層中對模型進行訓(xùn)練。更改模型的參數(shù)值，或使用新方法，利用之前重構(gòu)時使用的數(shù)據(jù)，計算得到新的重構(gòu)結(jié)果。監(jiān)控模塊利用仿真模型進行虛擬運行，將多種重構(gòu)結(jié)果進行比較，反饋給模型，使模型自主9重構(gòu)功能層要求9.1工藝流程重構(gòu)模塊建模要求工藝流程重構(gòu)模塊分為工藝重構(gòu)和流程重構(gòu)。工藝重構(gòu)是指針對工藝本身進行修改和更新。在制造過程中，若因工藝不達標(biāo)，影響了產(chǎn)品質(zhì)量、物料利用率、訂單完成時間等指標(biāo)，則需進行工藝重構(gòu)。流程重構(gòu)是指確定生產(chǎn)過程中需要執(zhí)行的工藝，并確定工藝間是否有先后要求，給出工藝間的排序規(guī)則。在制造過程中，若因流程不合理，出現(xiàn)了產(chǎn)品無法正常生產(chǎn)或在制品堆積等情形，則需進行流程重構(gòu)。工藝流程重構(gòu)模塊設(shè)計應(yīng)符合以下具體要求：a)數(shù)據(jù)要求：各項工藝的參數(shù)及指標(biāo)；各項工藝用時；工藝順序限制；工藝實施過程相關(guān)數(shù)據(jù)；b)目標(biāo)要求：工藝重構(gòu)方面，確定新工藝的實施過程；流程重構(gòu)方面，確定生產(chǎn)過程所包含的工藝種類及順序；新工藝流程能生產(chǎn)出功能完整，質(zhì)量過關(guān)的產(chǎn)品，裝配過程具有可操作性和穩(wěn)定性，避免在制品庫存堆積；目標(biāo)函數(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量、裝配時間、庫存水平有關(guān)；c)限制條件要求：主要和工藝順序限制有關(guān)。9.2生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊建模要求生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊分為靜態(tài)布局重構(gòu)和動態(tài)布局重構(gòu)。靜態(tài)布局重構(gòu)是重新確定生產(chǎn)線所包含的制造單元，并重新安排對制造單元的位置和相關(guān)關(guān)系，以能夠完成事先預(yù)定的工藝和流程。動態(tài)布局重構(gòu)是根據(jù)靜態(tài)布局和生產(chǎn)調(diào)度，安排每一時刻物料、運輸設(shè)備、線邊庫等高活動度生產(chǎn)資源的位置。當(dāng)出現(xiàn)制造產(chǎn)品種類更改或設(shè)備損壞等情況時，需進行生產(chǎn)線布局重構(gòu)。生產(chǎn)線布局重構(gòu)模塊設(shè)計建模應(yīng)符合以下具體要求。a)數(shù)據(jù)要求：建模時，需使用以下數(shù)據(jù)：工藝流程、各制造單元可完成的工藝等有關(guān)功能的靜態(tài)數(shù)據(jù)；各制造單元可放置的位置、線邊庫可放置的位置、運輸設(shè)備可放置的位置、物料可放置的位置等有關(guān)位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)；制造單元移動成本、運行成本等有關(guān)成本的靜態(tài)數(shù)據(jù)；生產(chǎn)調(diào)度策略等有關(guān)生產(chǎn)過程的動態(tài)數(shù)據(jù)。b)目標(biāo)要求：新布局能保證設(shè)備的正常運行，所選擇的制造單元能夠完成全部預(yù)定的工藝步驟，制造單元排布位置合理，并能夠有序鏈接，保證物流通暢，布局能夠提升生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)安全。模型中，可將生產(chǎn)效率、生產(chǎn)成本等目標(biāo)進行量化，寫出相應(yīng)的目標(biāo)c)限制條件要求：根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)，寫出相應(yīng)的限制條件。主要限制條件為：有關(guān)制造單元移動范圍的限制；有關(guān)制造單元是否選用的限制；有關(guān)物料、運輸設(shè)備、線邊庫等高度動態(tài)資源的移動范圍的限制。9.3生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊建模要求生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊分為產(chǎn)品生產(chǎn)順序重構(gòu)和加工步驟順序重構(gòu)。產(chǎn)品生產(chǎn)順序重構(gòu)是將待生產(chǎn)的產(chǎn)品按照新的順序進行生產(chǎn)，使其符合生產(chǎn)條件限制并滿足生產(chǎn)需求。在流水車間中，由于工藝之間不能調(diào)換順序，產(chǎn)品生產(chǎn)順序在很大程度上決定了生產(chǎn)調(diào)度的策略。加工步驟順序重構(gòu)是重新確定每一產(chǎn)品的工藝順序，并將每一加工步驟分配到不同的加工設(shè)備上，往往見于開放車間。生產(chǎn)調(diào)度重構(gòu)模塊建