信息技術 車間數(shù)字孿生 參考架構 征求意見稿

1GB/TXXXXX—XXXX信息技術車間數(shù)字孿生參考架構本文件規(guī)定了車間數(shù)字孿生參考架構以及各部分主要內容。本文件適用于離散、流程、混合等不同類型車間數(shù)字孿生的規(guī)劃、建設、運維、仿真、優(yōu)化和集成。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內容通過文中的規(guī)范性引用而構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/T43441.1-2023信息技術數(shù)字孿生第1部分：通用要求GB/T43441.3信息技術數(shù)字孿生第3部分：信息交互3術語和定義GB/T43441.1-2023界定的以及下列術語和定義適用于本文件。3.1物理車間physicalworkshop由生產對象（產品）所需要的人員、設備、工具和物料等軟硬件組成的復雜系統(tǒng)，是執(zhí)行實際的生產任務的基本單位。3.2車間數(shù)字孿生workshopdigitaltwin物理車間的數(shù)字化表達。4縮略語下列縮略語適用于本文件。CRM：客戶關系管理（CustomerRelationshipManagement）ERP：企業(yè)資源規(guī)劃（EnterpriseResourcePlanning）KM：知識管理（KnowledgeManagement）PDM：產品數(shù)據(jù)管理（ProductDataManagement）PLC：可編程邏輯控制器（ProgrammableLogicController）PLM：產品生命周期管理（ProductLifecycleManagement）RFID：射頻識別（RadioFrequencyIdentification）SCM：供應鏈管理（SupplyChainManagement）UWB：超寬帶（UltraWideBand）5車間數(shù)字孿生參考架構2GB/TXXXXX—XXXX車間數(shù)字孿生參考架構包括物理車間、車間數(shù)字實體、車間數(shù)字孿生服務，以及各部分間的信息交互，見圖1；圖中虛線框部分不在本文件進一步描述。圖1車間數(shù)字孿生參考架構——物理車間：是車間數(shù)字孿生建模和交互的對象，由車間實體和關聯(lián)關系組成。車間實體包括人員、制造設備、物料和環(huán)境等。關聯(lián)關系包括車間布局、工藝流程、物料分配和操作流程等。——車間數(shù)字實體：是物理車間的數(shù)字化映射，包括孿生數(shù)據(jù)和數(shù)字模型。見第6條?！囬g數(shù)字孿生應用：是基于物理車間和車間數(shù)字實體實現(xiàn)的車間管控應用。見第7條?！畔⒔换ィ菏擒囬g數(shù)字孿生各部分之間交換數(shù)據(jù)以及其他信息的過程。參與信息交互的對象包括物理車間與車間數(shù)字實體、車間數(shù)字實體內部各部分、物理車間、車間數(shù)字實體、車間數(shù)字孿生應用以及企業(yè)管理系統(tǒng)。除了涉及企業(yè)管理系統(tǒng)的信息交互外，其他信息交互的詳細描述見第8條。涉及企業(yè)管理系統(tǒng)的信息交互不在本文件描述。6車間數(shù)字實體6.1孿生數(shù)據(jù)6.1.1測量感知數(shù)據(jù)3GB/TXXXXX—XXXX測量感知數(shù)據(jù)是指通適當技術手段獲取的孿生數(shù)據(jù)，包括但不限于設備運行狀態(tài)、設備運動狀態(tài)、生產環(huán)境參數(shù)（如溫度、濕度、光照等）、物料位置與狀態(tài)、人員操作等實時數(shù)據(jù)。6.1.2模型生成數(shù)據(jù)模型生成數(shù)據(jù)是指在車間數(shù)字孿生模型構建過程中生成的數(shù)據(jù)，包括但不限于歷史生產數(shù)據(jù)、專家經驗、車間數(shù)字孿生應用過程產生的數(shù)據(jù)等。6.1.3車間應用數(shù)據(jù)車間應用數(shù)據(jù)是指數(shù)字孿生系統(tǒng)運行過程中，用于車間生產和管理的數(shù)據(jù)，包括但不限于排產調度、物料管理、工藝優(yōu)化、質量控制、設備管理等數(shù)據(jù)。6.1.4企業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)企業(yè)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)是指自企業(yè)管理系統(tǒng)（如ERP、SCM、CRM、PLM、PDM、KM等）的數(shù)據(jù)，如生產計劃、市場與客戶、合作伙伴、車間設備供應商數(shù)據(jù)（如圖紙、模型、操作文件等）等。6.2數(shù)字模型6.2.1概述數(shù)字模型，從不同視角看，有不同的模型。例如，從所要為其建模的對象看，例如，有設備模型和物料模型、單元模型、產線模型、車間模型等。從描述的特征和屬性看，有幾何模型、物理模型、行為模型、規(guī)則模型。設備模型和物料模型、單元模型、產線模型、車間模型等對象類模型通常都包含相應的幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型。本文件主要描述幾何、物理、行為和規(guī)則類數(shù)字模型。6.2.2幾何模型幾何模型利用計算機圖形學、CAD、CAM等領域的數(shù)字建模技術，結合各種傳感器的數(shù)據(jù)采集和處理技術，構建的車間三維幾何信息，是對車間物理實體的外觀形狀、尺寸大小、內部結構、裝配關系等進行數(shù)字化表達。6.2.3物理模型物理模型是對車間物理實體的物理特征和功能特性等物理屬性進行數(shù)字化表達。物理模型是數(shù)字孿生車間的一個重要方面，它涉及到物理車間的物質性質和機械特性等，例如，機床刀具的力學性能、加工對象的熱力學特性以及特殊車間電磁學特性、材料的膨脹系數(shù)和伸縮變形等。6.2.4行為模型行為模型是對車間物理實體的行為特征和響應機制等行為屬性的數(shù)字化表達，從而反映外部變化與內部運行間的關系，如模擬車間的實際運行行為，包括設備的運行狀態(tài)、生產線的物流情況等。6.2.5規(guī)則模型規(guī)則模型是對車間物理實體的的約束規(guī)則、關聯(lián)規(guī)則、演繹規(guī)則及專家知識的數(shù)字化表達，這些規(guī)則可以是生產流程、設備維護規(guī)則、機床刀具疲勞、腐蝕退化規(guī)則等，實現(xiàn)虛擬環(huán)境能夠模擬真實車間的操作和管理。4GB/TXXXXX—XXXX7車間數(shù)字孿生應用7.1概述車間應用包括但不限于設備管理、工藝優(yōu)化、質量控制、排產調度、物料管理、能耗管理、產線重構、生產管控等。7.2設備管理設備管理指利用數(shù)字孿生對車間內的人員、設備、物料、環(huán)境等進行狀態(tài)監(jiān)控、性能分析、規(guī)劃配置的服務。a)狀態(tài)監(jiān)控：實時監(jiān)控車間內人員、設備、物料、環(huán)境等的狀態(tài)，包括設備運行狀態(tài)、原材料消耗狀態(tài)等。b)性能分析：對車間內設備的性能進行分析，以識別潛在的瓶頸并預測設備的潛在故障。c)規(guī)劃配置：對車間內人員、設備、物料、環(huán)境等進行規(guī)劃，以達到最佳資源配置組合。7.3工藝優(yōu)化工藝優(yōu)化指利用數(shù)字孿生對生產工藝（車間布局、工藝流程、生產節(jié)拍、物流路徑等）進行精準模擬、實時監(jiān)控和持續(xù)優(yōu)化的服務。a)精準模擬：數(shù)字孿生模型可以對實體車間的生產工藝流程精準模擬/同步，包括但不限于車間布局、工藝流程、生產節(jié)拍、物流路徑等。b)實時監(jiān)控：融合物聯(lián)網技術，實時采集生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，包括但不限于設備狀態(tài)、物料齊套、生產計劃進度、產品質量等，并將其反饋到虛擬模型中。c)持續(xù)優(yōu)化：基于實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結合處理算法模型，對生產工藝進行持續(xù)優(yōu)化。d)在具體實施過程中，企業(yè)可以根據(jù)自身需求和實際情況，選擇合適的工藝優(yōu)化策略和方法。7.4質量控制質量控制指利用數(shù)字孿生將生產質量相關數(shù)據(jù)進行集成、融合和挖掘，實現(xiàn)車間生產過程中的質量監(jiān)控、過程控制、根因分析、質量追溯，為質量控制決策提供數(shù)據(jù)支持和模型支持。a)質量監(jiān)控：實時收集生產過程中的數(shù)據(jù)，監(jiān)控產品質量。b)過程控制：實時監(jiān)控和調整工藝參數(shù)，預測不同工藝參數(shù)對產品質量的影響。c)根因分析：識別質量問題的根本原因并制定解決和預防措施。d)質量追溯：記錄生產過程中的所有關鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)產品質量的可追溯。7.5排產調度排產調度指利用數(shù)字孿生基于生產計劃對資源進行智能化管理、調度和優(yōu)化的服務。通過排產方案制定、實時調度調整、可視化監(jiān)控與分析以及決策支持與優(yōu)化等手段，對資源調度方案進行動態(tài)迭代優(yōu)化、糾偏。a)排產方案制定：按照生產計劃，基于實時和歷史生產數(shù)據(jù)，結合工裝與設備狀態(tài)、物料庫存、資源規(guī)則約束等因素，生成最優(yōu)排產方案。b)實時調度調整：實時監(jiān)控生產現(xiàn)場的數(shù)據(jù)變化，如設備故障、物料短缺、計劃變更等異常。在超過警戒閾值后，自動觸發(fā)排產調度方案的調整/優(yōu)化。5GB/TXXXXX—XXXXc)可視化監(jiān)控與分析：將生產計劃和調度的執(zhí)行情況以圖形化的方式展示出來。通過對生產過程中的各項指標進行數(shù)據(jù)挖掘和分析，找出影響生產計劃執(zhí)行的堵點和瓶頸，并提出改進建議。d)決策支持與優(yōu)化：基于排產調度的時序數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，結合決策模型進行智能決策支持。通過持續(xù)優(yōu)化算法的應用，不斷對排產調度方案進行迭代優(yōu)化。7.6物料管理物料管理指利用數(shù)字孿生實現(xiàn)物料監(jiān)控分析和虛擬仿真測試的服務。a)物料監(jiān)控分析：實時獲取物料在庫與在途、物料齊套、物料有效期、替代料、出入庫記錄等各項數(shù)據(jù)，優(yōu)化倉儲方案和物料出入庫策略，保證物料先進先出、物料減少庫存冗余等。b)虛擬仿真測試：進行虛擬仿真，模擬車間物流、物料消耗、庫存狀態(tài)等，進行優(yōu)化方案的測試和驗證，以降低實際操作中的風險。7.7能耗管理能耗管理指利用數(shù)字孿生對車間內的水、電、油、氣等能源消耗進行全面、實時監(jiān)控與優(yōu)化的服務。包括但不限于能源消耗實時監(jiān)控、能耗數(shù)據(jù)分析與預測、能耗可視化呈現(xiàn)、用能策略優(yōu)化、能耗管控展示等內容。7.8產線重構產線重構指利用數(shù)字孿生基于產線孿生模型和車間孿生數(shù)據(jù)進行產線設計重構、產線工藝流程重構、產線物流重構的服務。a)產線設計重構：實現(xiàn)對產線布局類型、產線工序位置、產線生產平衡、瓶頸工序設備數(shù)量、設備生產能力、產線物料配送路徑等方面開展仿真預演，通過分析產線生產效率（產能、生產周期、建設成本等）指標數(shù)據(jù)實現(xiàn)對產線生產工藝流程重構優(yōu)化，指導產線改造重建。b)產線工藝流程重構：實現(xiàn)對不同產線工藝流程進行配置和孿生仿真預演，通過分析產線生產效率（產能、生產周期、生產成本等）指標，指導產線生產工藝流程重構優(yōu)化。c)產線物流重構：實現(xiàn)對產線物流路徑、物流小車數(shù)量、配送任務優(yōu)先級等方面進行孿生仿真預演，通過分析產線生產效率（產能、生產周期、能耗等）指標，指導產線物流重構優(yōu)化。7.9生產管控生產管控指利用數(shù)字孿生對車間生產過程進行實時監(jiān)控與管理、生產優(yōu)化與資源調度等。a)實時監(jiān)控與管理:通過數(shù)字孿生模型，實時監(jiān)控生產線上的每一個環(huán)節(jié)，如生產進度等。管理者可以通過數(shù)字孿生實時查看車間生產過程運行情況，快速做出調整和決策。b)生產優(yōu)化與資源調度：利用數(shù)字孿生進行精確的生產模擬與優(yōu)化分析。通過分析各生產環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，識別瓶頸和低效環(huán)節(jié)，提出優(yōu)化方案。此外，車間數(shù)字孿生還能優(yōu)化資源調度，通過精準的需求預測和庫存管理，實現(xiàn)資源的高效利用。8信息交互8.1概述6GB/TXXXXX—XXXX信息交互主要包括物理車間與車間數(shù)字實體交互、車間數(shù)字孿生內部交互、車間數(shù)字實體與車間數(shù)字孿生應用交互、車間數(shù)字孿生應用與企業(yè)管理系統(tǒng)交互等類型。信息交互方式、要求應符合GB/T43441.3。8.2物理車間與車間數(shù)字實體交互物理車間運行數(shù)據(jù)流向車間數(shù)字孿生實體，感知物理車間運行狀態(tài)，車間數(shù)字實體中的指令數(shù)據(jù)下達給物理車間，控制物理車間運行。8.3車間數(shù)字實體內部交互車間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)中實時或歷史數(shù)據(jù)流向車間數(shù)字孿生模型，數(shù)據(jù)驅動模型運行與更新，車間數(shù)字孿生模型的分析計算數(shù)據(jù)流向車間數(shù)字孿生數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)匯聚與共享。8.4車間數(shù)字實體與車間數(shù)字孿生應用交互車間數(shù)字實體為車間數(shù)字孿生服務提供車間感知數(shù)據(jù)、孿生服務數(shù)據(jù)、模型增補數(shù)據(jù)及其他數(shù)據(jù)。車間數(shù)字孿生服務為數(shù)字實體提供優(yōu)化策略。8.5車間數(shù)字孿生應用