虚拟工厂架构与模型标准

国家标准GB/T 40648—2021规定了虚拟工厂参考架构中不同层级的内容,以及虚拟工厂的不同业务功能。本标准适用于指导虚拟工厂的开发应用。
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                              
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本文引自:《智能制造标准》(作者:王进峰、吴自高)。由清华大学出版社「智造苑」原创首发。
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虚拟工厂架构

虚拟工厂是将实体工厂映射过来,具备仿真、管理和控制实体工厂关键要素功能的模型化平台。随着智能制造标准化的逐步推进和数字孪生技术的发展,虚拟工厂建设被投以更多的关注。为实现虚拟工厂建设的统一,对虚拟工厂相关内容进行标准化是十分重要的。统一的虚拟工厂参考架构有助于不同虚拟工厂的开发者、系统解决方案供应商、用户建立对虚拟工厂建设过程的统一认识,及开展后续集成开发和使用。
1)参考架构
虚拟工厂参考架构(图1)应是包括互联互通层、模型层、应用层的3层架构,并与物理层实时交互更新。物理层与模型层间可通过互联互通层实现实时信息交互,并建立动态更新机制。应用层中的不同功能可通过对不同模型多层级的模型关系组合的方式实现。本标准聚焦工厂运维阶段产品生命周期的内容,对应用层中的虚拟工厂功能进行规定。

图1 虚拟工厂参考架构

虚拟工厂应根据物理工厂的实际情况建设虚拟工厂信息模型。物理工厂的实际内容应为虚拟工厂参考架构的整体基础。
(1)互联互通层。互联互通层作为物理工厂和虚拟工厂的交互渠道,应包括通信协议、交互接口等内容。应实现物理世界与虚拟世界之间的实时信息交互,形成动态更新机制,以保证建立的虚拟工厂满足使用需求。
(2)模型层。模型层应为根据物理工厂实际情况建立的虚拟工厂信息模型,一般可分为模型定义及描述、模型关系两个部分。模型定义及描述中应对虚拟工厂的关键要素信息模型的分类及内容给出规定,包括虚拟工厂各组成要素的静态信息和动态信息的信息模型库。模型关系中应对不同信息模型间的关系给出通用性要求,并可通过建立多层级不同模型关系组合形成模型组合库的方式实现虚拟工厂功能。虚拟工厂信息模型的具体内容应符合GB/T 40654—2021中给出的规定。
(3)应用层。参照工厂运行和维护阶段产品生命周期的主要功能,用层可依次划分为设计仿真、工艺流程规划、生产测试、产品交付共4个阶段。模型层中的层级组合、关联组合、对等组合等多层级模型关系可以实现对信息模型的组合。通过信息模型的各种组合,应用层可提供不同的虚拟工厂业务功能。
2)虚拟工厂业务功能
(1)设计仿真。产品设计仿真阶段业务功能可包括构建产品设计、仿真方面的虚拟模型的映射和迭代关系,产品设计三维模型,以及围绕模型建立的不同产品、不同部件之间的关联模型等。
(2)工艺流程规划。产品工艺流程规划阶段业务功能可包括构建产品工艺、流程规划方面的物理资源与虚拟模型的映射和迭代关系,以及产品工艺规划模型、工艺仿真数据库、工艺调用、虚拟试生产模型等。
(3)生产测试。产品生产测试阶段业务功能可包括构建产品生产方面的与虚拟模型的映射和迭代关系,以及结合不同工艺的生产制造模型库、生产规则库、产品质量控制模型、数据服务总线、数据可视化服务、数据分析服务等。
(4)产品交付。产品交付阶段业务功能可包括构建产品交付方面的物理资源与虚拟模型的映射和迭代关系,以及客户需求建立的产品质量追溯模型、售后维护机理模型等。
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信息模型

国家标准GB/T 40654—2021规定了虚拟工厂信息模型的模型框架、对象模型库、规则模型库,以及虚拟工厂信息模型的业务功能等。本标准适用于指导虚拟工厂信息模型的开发应用。
1)信息模型框架
信息模型是一种对给定的虚拟工厂信息资源进行定义、描述和关联的组织方式和框架。虚拟工厂信息模型的建立应以实现虚拟工厂业务功能为目标,按照信息模型建立方法及模型属性信息要求进行。虚拟工厂信息模型库应包括以人员、设备设施、物料材料、场地环境等信息为主要内容的对象模型库和以生产工艺、生产管理、产品信息、生产物流、技术知识为主要内容的规则模型库。虚拟工厂信息模型框架见图2。其中,虚拟工厂信息模型的业务功能按照GB/T40648—2021中第5章规定的虚拟工厂运行阶段产品生命周期的四个阶段展开。

图2 虚拟工厂信息模型

2)对象模型库
(1)对象模型的组成。虚拟工厂对象模型库包含人员模型、设备设施模型、物料材料模型、场地环境模型及其相对应的模型关系。
(2)对象模型属性信息分类。模型元素的属性信息可划分为静态信息和动态信息两部分,其中静态信息应包括身份信息、属性信息、计划信息和静态关系信息,动态信息应包括状态信息、位置信息、过程信息及动态关系信息:①身份信息用于明确对象身份,可包括模型名称、编号、型号、职能范围、采购价格等信息;②属性信息用于对象模型分类,可包括模型的常见类别信息,具体内容根据对象模型的不同而变化;③计划信息用于反映对象在生产运行过程中的计划,可包括模型的工作计划等;④状态信息用于明确对象状态,可包括当前工作状态、性能等信息;⑤技术信息用于描述模型特性,主要包括模型元素的技术参数、工艺要求、输入输出接口等信息;⑥过程信息用于反映模型在生产运行过程中状况,主要包括模型元素的位置变动、工作参数、工艺变化、操作行为等信息;⑦其他信息用于反映模型其他状况,主要包括模型元素的辅助信息,如通信、维护等信息。
(3)对象模型属性信息。①人员模型属性信息应包括但不限于以下内容:身份信息、职能信息、技能信息、位置信息、状态信息;②设备设施模型属性信息应包括但不限于以下内容:技术规格、身份信息、位置信息、机械和结构属性、资产信息、状态信息、维护信息;③物料材料模型属性信息应包括但不限于以下内容:技术规格、身份信息、位置信息、机械和结构属性、资产信息、状态信息、维护信息;④场地模型属性信息应包括但不限于以下内容:基本参数信息、功能信息、布局信息、状态信息、维护信息;⑤公用配套模型属性信息包括但不限于以下内容:基本参数信息、安装信息、位置信息、状态信息、维护信息、接口信息。
(4)对象模型关系信息。模型关系库信息用来描述对象模型之间的静态关系和动态关系,包括但不限于以下内容:①静态模型关系信息,用于反应对象与其他对象之间的静态关系,可包括模型间的常见关系信息,具体内容根据对象模型的不同而变化;②动态模型关系信息,用于反映对象与其他对象之间的动态关系,可包括模型间常见动态关系,具体内容根据对象模型的不同而变化。
3)规则模型库
(1)生产工艺规则模型库。生产工艺规则模型库可包含工艺基础信息、工艺清单、工艺路线、工艺要求、工艺参数、生产节拍、标准作业等规则模型信息及其相关逻辑规则。
(2)生产管理规则模型库。生产管理规则模型库可包含生产计划、排产规则、生产班组、生产线产能、生产进度、生产排程约束、生产设备效率等规则模型信息及其相关逻辑规则。
(3)产品信息规则模型库。产品信息规则模型库可包含产品主数据、物料清单、产品生产规则、资源清单等规则模型信息。
(4)生产物流规则模型库。生产物流规则模型库可包含物料需求、物流路径、输送方式、配送节拍、在制品转运方式、入库、出库等与生产物流相关的规则。
(5)技术知识规则模型库。技术知识规则模型库可包含工艺原理、操作经验、仿真模型、软件算法等。
4)虚拟工厂信息模型关系
不同的信息模型组件可根据需要进行组合,以形成系统、产线等的集成。按照应用层所提供业务功能的不同要求,信息模型组件间的组合可采用层级组合、关联组合、对等组合等方式。
(1)层级组合。层级组合用以描述不同系统层级的信息模型按照层级关系依次组合的信息模型关系。在层级组合关系的描述下,可将具有从属关系的不同信息模型结合,作为整体进行功能实现。
(2)关联组合。关联组合用以描述不同信息模型之间存在的相互关联关系。在关联组合关系的描述下,可将非从属关系但相互耦合的信息模型建立关系,作为整体进行功能实现。
(3)对等组合。对等组合用以描述不同信息模型之间存在的非耦合关系。在对等关系的描述下,可将独立的非耦合信息模型之间建立关系,作为整体进行功能实现。
5)虚拟工厂信息模型业务功能
(1)设计仿真。虚拟工厂的产品设计仿真应基于产品原型库、设计机理库等设计基础信息,建立产品的虚拟模型。在设计仿真阶段,还应将产品的虚拟模型在包括设备生产能力、设备生产环境的虚拟工厂运行环境中进行模拟生产,测试产品设计的合理性、可靠性,提升产品研发效率。
(2)工艺流程规划。虚拟工厂的工艺流程规划应基于工艺知识库、设备布局信息、仓储情况等工艺流程规划基础信息,完成产品工艺流程规划。在工艺流程规划阶段,还应将包括工艺信息的产品虚拟模型在虚拟工厂的生产规划中进行流程模拟,测试产品工艺规划和流程规划的合理性、可靠性,提升工艺流程规划效率。
(3)生产测试。生产测试应基于设备布局信息、设备运行信息等基础信息及包括工艺信息和生产信息的产品虚拟模型,对产品的生产环节进行模拟测试,测试产品设计、工艺规划及生产流程的合理性和可靠性,提升产品设计成功率和测试效率。
(4)产品交付。虚拟工厂的产品交付应分为实体产品交付和产品虚拟模型交付两部分。其中产品虚拟模型应包括产品的外观信息、功能信息、工艺信息等内容,可适当提前于实体产品提供给用户,以满足用户提前进行模拟测试的需求。

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THE END