T-SIOT 029-2022 基于數(shù)字孿生技術(shù)的離散行業(yè)數(shù)字車(chē)間參考架構(gòu)

35.240.50CCS

L67登記號(hào)：51310000501782151B T/SIOT

基于數(shù)字孿生技術(shù)的離散行業(yè)數(shù)字車(chē)間參考架構(gòu)Reference

for

technology

baseddigital

workshop

industry2022-02-25

發(fā)布 2022-03-25

實(shí)施上

海

市

物

聯(lián)

網(wǎng)

行

業(yè)

協(xié)

會(huì) 發(fā)

布T/SIOT

029-2022 前言

.................................................................................

II1

...............................................................................

32 規(guī)范性引用文件

.....................................................................

33 術(shù)語(yǔ)和定義

.........................................................................

34 縮略語(yǔ)

.............................................................................

35 數(shù)字孿生車(chē)間參考架構(gòu)

...............................................................

45.1 物理車(chē)間

.......................................................................

45.1.1 物理實(shí)體層

.................................................................

45.1.2 感知執(zhí)行層

.................................................................

55.2 虛擬車(chē)間

.......................................................................

55.2.1 孿生模型

...................................................................

55.2.2 孿生數(shù)據(jù)

...................................................................

55.3 功能層

.........................................................................

55.3.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)

...............................................................

55.3.2 工業(yè)智能應(yīng)用

...............................................................

56 數(shù)字孿生車(chē)間支撐平臺(tái)要求

...........................................................

66.1

數(shù)據(jù)傳輸管理要求

...............................................................

66.2

數(shù)據(jù)管理要求

...................................................................

66.3

模型管理要求

...................................................................

66.4

云服務(wù)管理要求

.................................................................

7附錄

A（資料性） 基于數(shù)字孿生的數(shù)字車(chē)間成熟度模型示例.................................

8參考文獻(xiàn)

.............................................................................

10T/SIOT

029-2022 本文件按照GB/T

—《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(qǐng)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(jī)構(gòu)不承擔(dān)識(shí)別專利的責(zé)任。本文件由上海市物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)協(xié)會(huì)提出并歸口。海泰峰檢測(cè)認(rèn)證有限公司、上海寶景信息技術(shù)發(fā)展有限公司。姍、王海濤、何綺青、孫晶煒、黃鈺梅、劉麗、尹琦、時(shí)美、李斌、張冬冬、許華、李鎮(zhèn)寧、王裕敏、溫忠、李磊、姚耀、歐陽(yáng)樹(shù)生。IIT/SIOT

029-20221 范圍散行業(yè)數(shù)字車(chē)間的架構(gòu)、功能要求及支撐平臺(tái)要求。統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、建設(shè)實(shí)施的參考依據(jù)。2 規(guī)范性引用文件本文件沒(méi)有規(guī)范性引用文件。3 術(shù)語(yǔ)和定義下列術(shù)語(yǔ)和定義適用于本文件。3.1數(shù)字孿生 digital

twin程，在虛擬空間中完成映射，從而反映相對(duì)應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過(guò)程。3.2數(shù)據(jù)挖掘 data

mining從大量的數(shù)據(jù)中自動(dòng)搜索隱藏于其中的有著特殊關(guān)系性的信息的過(guò)程。3.3離散制造 discrete

manufacturing產(chǎn)品往往由多個(gè)零件經(jīng)過(guò)一系列并不連續(xù)的工序的加工最終裝配而成加工此類產(chǎn)品的企業(yè)可以稱為離散制造型企業(yè)。4 縮略語(yǔ)以下縮略語(yǔ)適用于本文件。BOM：物料清單（Bill

of

Material）DTS：數(shù)字孿生車(chē)間（

Twin

Shop-floor）ERP：企業(yè)資源管理（

Resourece

）MES：制造執(zhí)行系統(tǒng)

Excuting

PLM：產(chǎn)品生命周期管理（Product

）SCM：供應(yīng)鏈管理（

Management）SPC：統(tǒng)計(jì)過(guò)程控制（

Process

Control）T/SIOT

029-20225 數(shù)字孿生車(chē)間參考架構(gòu)數(shù)字孿生車(chē)間(DTS)是物理車(chē)間（物理實(shí)體層、感知層、執(zhí)行層）、虛擬車(chē)間（孿生數(shù)據(jù)、數(shù)字模間進(jìn)行反饋控制構(gòu)成生產(chǎn)控制閉環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)交互和雙向虛實(shí)映射。數(shù)字孿生車(chē)間參考架構(gòu)如圖1所示。功

制造執(zhí)行系統(tǒng)計(jì)劃調(diào)度

設(shè)備管理

模型驅(qū)動(dòng)

工業(yè)智能（描述、診斷、預(yù)測(cè)、處置)高級(jí)排程管理

預(yù)測(cè)性維修層

層

工藝管理

質(zhì)量管理

物流管理績(jī)效管理

生產(chǎn)仿真質(zhì)量溯源追蹤

/庫(kù)存

物流優(yōu)化/綜合績(jī)效/可視化數(shù)據(jù)上行 數(shù)據(jù)下行孿生數(shù)據(jù)

模型驅(qū)動(dòng)數(shù)字模型虛擬車(chē)

工藝數(shù)據(jù)

設(shè)備數(shù)據(jù)工單數(shù)據(jù)

庫(kù)存數(shù)據(jù)

模型優(yōu)化

機(jī)理模型控制模型

機(jī)器人模型機(jī)床模型

員工模型設(shè)備模型間

質(zhì)量數(shù)據(jù)

加工數(shù)據(jù)

學(xué)習(xí)模型

AGV

模型

物流模型

可視化模型

倉(cāng)庫(kù)模型

部件模型支撐平臺(tái)

數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)傳輸管理數(shù)據(jù)采集

反饋驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)管理反饋驅(qū)動(dòng)

模型管理

虛實(shí)映射云服務(wù)管理虛實(shí)映射感知執(zhí)行 車(chē)間實(shí)體物理車(chē)間

PDA/觸摸屏工控機(jī)/PLC傳感器/攝影頭

/二維碼

實(shí)時(shí)驅(qū)動(dòng)信息感知

機(jī)器人機(jī)床AGV立體倉(cāng)庫(kù)

員工工裝設(shè)備傳送帶成品/半成品圖1 數(shù)字孿生車(chē)間參考架構(gòu)5.1 物理車(chē)間5.1.1 物理實(shí)體層T/SIOT

029-2022計(jì)劃表、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、各種操作規(guī)程等；環(huán)指產(chǎn)品制造過(guò)程中所處的環(huán)境，包括各種設(shè)備的布局，溫度、濕度、噪音等要求；測(cè)是指各類測(cè)量設(shè)備及儀表。5.1.2 感知執(zhí)行層RFID技術(shù)及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車(chē)間多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳遞與預(yù)處理；執(zhí)行層主要通過(guò)、工控機(jī)、看板等設(shè)備展示目前狀態(tài)、下傳工藝參數(shù)和設(shè)備控制指令等。5.2 虛擬車(chē)間5.2.1 孿生模型體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，構(gòu)建相應(yīng)虛擬空間孿生模型。這些模型包含靜態(tài)模型，如生產(chǎn)線、工位、設(shè)備、人員、BOM/3D據(jù)進(jìn)行加工、分析、學(xué)習(xí)后得到的知識(shí)如SPC控制圖、設(shè)備預(yù)測(cè)性維護(hù)模型，這些模型隨數(shù)據(jù)的積累不斷進(jìn)行優(yōu)化。5.2.2 孿生數(shù)據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)維及維修數(shù)據(jù)等。5.3 功能層5.3.1 制造執(zhí)行系統(tǒng)制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)倉(cāng)儲(chǔ)管理、制造資源管理等核心模塊。制造執(zhí)行系統(tǒng)還與經(jīng)營(yíng)層系統(tǒng)（如、ERP、SCM）進(jìn)行集成和數(shù)據(jù)交換。5.3.2 工業(yè)智能應(yīng)用工業(yè)智能應(yīng)用基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對(duì)制造執(zhí)行系統(tǒng)的基本功能實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)描述、診斷、預(yù)測(cè)、處置等功能。離散行業(yè)典型工業(yè)智能應(yīng)用包含以下應(yīng)用場(chǎng)景：——工藝規(guī)劃及優(yōu)化：工藝設(shè)計(jì)規(guī)劃確定從毛坯到產(chǎn)品的加工路線和工藝參數(shù)。實(shí)作模型（As-Build

Model）是在虛擬空間建立的、反映和記錄工件實(shí)時(shí)制造狀態(tài)和制造過(guò)程的數(shù)據(jù)集合。實(shí)作模型通過(guò)對(duì)工件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和加工工藝數(shù)據(jù)建模而生成，并隨工件的加工過(guò)程動(dòng)態(tài)更新和迭代。實(shí)作模型反映了產(chǎn)品的實(shí)時(shí)加工過(guò)程和加工狀態(tài)，是實(shí)時(shí)工藝決策的基礎(chǔ)和對(duì)象。數(shù)字孿生環(huán)境下三維工藝設(shè)計(jì)系統(tǒng)可以通過(guò)建立實(shí)作模型實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工藝修正與優(yōu)化、工藝過(guò)程優(yōu)化、工藝知識(shí)提煉與總結(jié)、沉浸式工藝設(shè)計(jì)等；——生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化：物理車(chē)間主動(dòng)感知生產(chǎn)狀態(tài)、實(shí)時(shí)監(jiān)控各生產(chǎn)要素,虛擬車(chē)間基于先進(jìn)排產(chǎn)調(diào)度的算法模型進(jìn)行調(diào)度狀態(tài)解析、調(diào)度方案調(diào)整、調(diào)度決策評(píng)估，實(shí)現(xiàn)對(duì)異常情況的自動(dòng)決T/SIOT

029-2022策和優(yōu)化調(diào)度，快速確定異常范圍、敏捷響應(yīng)、智能決策，自動(dòng)給出滿足多種約束條件的優(yōu)化排產(chǎn)方案；——產(chǎn)品質(zhì)量分析與追溯：產(chǎn)品質(zhì)量分析與追溯指在設(shè)計(jì)正確合理的制造工藝的同時(shí)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中加工精度、所受應(yīng)力等因素綜合考慮實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的加工質(zhì)量分析。基于數(shù)字孿生技術(shù)的在線質(zhì)量分析算法模型預(yù)測(cè)生產(chǎn)過(guò)程異常并實(shí)時(shí)預(yù)警；——生產(chǎn)物流精準(zhǔn)配送：依據(jù)實(shí)際生產(chǎn)狀態(tài)實(shí)時(shí)拉動(dòng)物料配送；建立倉(cāng)儲(chǔ)模型和配送模型，實(shí)現(xiàn)最小庫(kù)存和最優(yōu)路徑；從而滿足個(gè)性化、柔性化生產(chǎn)實(shí)時(shí)配送需求；并通過(guò)與上游供應(yīng)鏈的集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)庫(kù)存或即時(shí)供貨；——設(shè)備健康管理：采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警信息、故障信息等設(shè)備運(yùn)行的狀態(tài)數(shù)據(jù)，建立虛擬模型對(duì)物理設(shè)備全部生產(chǎn)要素的物理刻畫(huà)和行為表述，通過(guò)物理設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，直觀地展現(xiàn)物理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。利用數(shù)據(jù)分析算法與數(shù)據(jù)模型，預(yù)測(cè)設(shè)備故障及剩余使用壽命；——基于

技術(shù)的可視化：以車(chē)間三維模型動(dòng)態(tài)映射為基礎(chǔ)，在事件驅(qū)動(dòng)車(chē)間狀態(tài)變化的基礎(chǔ)上建立車(chē)間、設(shè)備和產(chǎn)品三個(gè)層次的三維映射規(guī)則。

車(chē)間層次根據(jù)產(chǎn)品工藝流程確定工件在車(chē)間工位間的物流走向，使用車(chē)間實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)工件在不同工位間的物流；設(shè)備層次通過(guò)采集物理設(shè)備實(shí)時(shí)動(dòng)作數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)虛擬設(shè)備模型動(dòng)態(tài)映射；產(chǎn)品層次根據(jù)工件在車(chē)間中的物流位置和工位上的工序，使用工序間物料標(biāo)簽信息驅(qū)動(dòng)工件模型變化。在虛擬車(chē)間三維模型動(dòng)態(tài)映射基礎(chǔ)上，針對(duì)車(chē)間、設(shè)備、產(chǎn)品三個(gè)層次建立了車(chē)間狀態(tài)實(shí)時(shí)展示看板，輔以狀態(tài)看板監(jiān)控車(chē)間要素狀態(tài)信息，逼真且透明地展示車(chē)間作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。6 數(shù)字孿生車(chē)間支撐平臺(tái)要求6.1 數(shù)據(jù)傳輸管理要求數(shù)據(jù)傳輸管理要求如下：——異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)支持：基于工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)總線等工業(yè)通信方式，以太網(wǎng)、光纖等有線通信方式，3G/4G/5G、NB-IoT、

等無(wú)線通信方式，支持將物理實(shí)體、異構(gòu)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)匯聚到信息空間，實(shí)現(xiàn)泛在、可靠、海量、實(shí)時(shí)、高效的數(shù)據(jù)傳輸；——協(xié)議轉(zhuǎn)換：運(yùn)用協(xié)議解析、中間件等技術(shù)兼容

、OPC-UA、、

等各類工業(yè)通信協(xié)議和軟件通信接口，實(shí)現(xiàn)車(chē)間各類信息數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換和統(tǒng)一。6.2 數(shù)據(jù)管理要求數(shù)據(jù)管理要求如下：

同數(shù)據(jù)管理引擎實(shí)現(xiàn)海量工業(yè)數(shù)據(jù)高速、實(shí)時(shí)的存儲(chǔ)管理；——數(shù)據(jù)處理：運(yùn)用分布式處理架構(gòu)，支撐海量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)批處理和實(shí)時(shí)流處理的計(jì)算要求。6.3 模型管理要求模型管理要求如下：——數(shù)據(jù)建模：面向結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，支持運(yùn)用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)、回歸、分類、聚類、推薦、關(guān)聯(lián)和預(yù)測(cè)分析等機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立數(shù)據(jù)模型，快速挖掘車(chē)間海量工業(yè)數(shù)據(jù)中的價(jià)值；——機(jī)理建模：根據(jù)機(jī)械、電子、物理等領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，或根據(jù)領(lǐng)域知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合三維可視化建模、三維動(dòng)畫(huà)等，將物理實(shí)體映射為鏡像虛擬模型；T/SIOT

029-2022——業(yè)務(wù)建模：支持對(duì)車(chē)間生產(chǎn)單元間業(yè)務(wù)流程、業(yè)務(wù)關(guān)系、幾何原理等進(jìn)行數(shù)字建模，充分模擬產(chǎn)線動(dòng)態(tài)使用狀況、運(yùn)行狀態(tài)，支撐面向全車(chē)間生產(chǎn)的制造測(cè)試。6.4 云服務(wù)管理要求云服務(wù)管理要求如下：——資源調(diào)度：基于虛擬化、分布式存儲(chǔ)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)、負(fù)載均衡等技術(shù)，可靠感知平臺(tái)應(yīng)用業(yè)務(wù)量的變化動(dòng)態(tài)，監(jiān)測(cè)虛擬資源和物理資源，支持利用調(diào)度算法并根據(jù)業(yè)務(wù)需求彈性分配資源；——平臺(tái)安全：保障平臺(tái)全域安全，提供數(shù)據(jù)加密、安全認(rèn)證、訪問(wèn)控制、身份鑒別、數(shù)據(jù)完整性保護(hù)、入侵檢測(cè)、行為審計(jì)等安全保障服務(wù)。

查閱和執(zhí)行。對(duì)核心裝備和業(yè)務(wù)活動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化改造和規(guī)范，實(shí)現(xiàn)單一業(yè)務(wù)活動(dòng)的數(shù)據(jù)共享，能夠?qū)崿F(xiàn)生產(chǎn)情對(duì)核心裝備和系統(tǒng)等開(kāi)展集成，實(shí)現(xiàn)跨業(yè)務(wù)活動(dòng)的數(shù)據(jù)共享，能對(duì)異常情況進(jìn)行分析和追溯。工藝：基于計(jì)算機(jī)輔助三維工藝設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)與產(chǎn)品設(shè)計(jì)間的信息交互、并行計(jì)劃與調(diào)度：實(shí)現(xiàn)多重約束條件下的優(yōu)化詳細(xì)生產(chǎn)計(jì)劃自動(dòng)編制，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)計(jì)設(shè)備管理：實(shí)現(xiàn)基于在線狀態(tài)檢測(cè)及其數(shù)據(jù)的分析處理，和維修管