GB∕T 43209-2023 自動化系統(tǒng)與集成 智能生產線虛擬重構技術要求（正式版）

自動化系統(tǒng)與集成智能生產線虛擬重構技術要求GB/T43209—2023前言 I 2規(guī)范性引用文件 l3術語和定義 4縮略語 25總體架構 35.1概述 5.2物理層 35.3虛擬控制層 5.4重構功能層 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網絡要求 7.3設備可重構要求 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重構功能層要求 9.1工藝流程重構模塊建模要求 9.2生產線布局重構模塊建模要求 9.3生產調度重構模塊建模要求 9.4物流調度重構模塊建模要求 9.5重構算法性能要求 9.6重構模型算法修改要求 參考文獻 IGB/T43209—2023本文件按照GB/T1.1—2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構和起草規(guī)則》的規(guī)定起草。請注意本文件的某些內容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構不承擔識別專利的責任。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)與集成標準化技術委員會(SAC/TC159)歸口。本文件起草單位：清華大學、北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司、香港大學、北京航空航天大學、北京電子工程總體研究所、北京理工大學、重慶大學、聯(lián)想(北京)有限公司、東風汽車集團股份有限公司、華中科技大學、中國科學院自動化研究所、浙江大學、航天科工仿真技術有限責任公司、北京工業(yè)大數(shù)據(jù)創(chuàng)新中心有限公司、中國電子技術標準化研究院、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)與集成智能生產線虛擬重構技術要求本文件規(guī)定了智能生產線虛擬重構技術的總體架構、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)技術要求及重構功能層技術要求。本文件適用于智能生產線及其相關系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、實施和應用。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/T37973—2019信息安全技術大數(shù)據(jù)安全管理指南GB/T39334.2—2020機械產品制造過程數(shù)字化仿真第2部分：生產線規(guī)劃和布局仿真要求GB/T42447—2023信息安全技術電信領域數(shù)據(jù)安全指南3術語和定義下列術語和定義適用于本文件。專用于生產特定數(shù)量產品或產品系列的設備集合。智能生產線smartproductionline將儀表及自動化技術、信息技術、仿真技術、監(jiān)測技術、優(yōu)化技術應用在設備、產品、資源及配套虛擬生產線virtualproductionline實體生產線在虛擬空間的映射，可準確反映實體生產線的事件。生產線重構productionlinereconfiguration虛擬重構virtualreconfiguration利用智能生產線提供的數(shù)據(jù)，對生產線設備、工藝、產品、活動、狀態(tài)等進行仿真，并對生產線流程、2制造單元manufacturingunit使一種或多種原料轉換、分離或反應直到生產出中間或最終產品的設備集合。運輸設備transportationfacility配合生產過程，完成在稀缺資源分配過程中所涉及的物流調配的設備。與產品生命全周期有關的材料、毛坯、半成品、外協(xié)件和包裝物等的總稱。將傳感器植入生產線設備中，實時采集描述設備特定運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，并通過網絡傳入數(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、剔除重復值等。對生產線中各類設備的物理特征和功能特性的數(shù)字化表達，以及對設備布局、工藝流程和設備間關系等要素的數(shù)字化定義。生產對象由投入到產出，經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、設備、物料緩存、倉儲等各類設施合理、優(yōu)化地布局在特定空間內，從而有效、經濟、安全地達到預期目標。生產調度productionscheduling不同的制造任務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)。在制造資源分配過程中所涉及的物流調配。4縮略語下列縮略語適用于本文件。AGV:自動導引運輸車(AutomatedGuidedVehicle)3玉構功能層戰(zhàn)擬控制盡下達重構指令物通層物流調度生產調度工藝流想玉構功能層戰(zhàn)擬控制盡下達重構指令物通層物流調度生產調度工藝流想BOM:物料清單(BillofMaterial)RFID:射頻識別(RadioFrequencyIdentification)5總體架構智能生產線虛擬重構架構包括物理層、虛擬控制層和重構功能層，見圖1。涵蓋了產品的生產制造過程，準確反映生產制造過程中的事件，并做出實時優(yōu)化。工藝流程孟構模塊工藝敢構工藝流程孟構模塊工藝敢構流程重構靜態(tài)在局盂構動態(tài)布局重構生產產品生產師序重構加工步驟順序蓋構動態(tài)路徑重構運輸策略重構加工步驟順序蓋構啟動拍令參數(shù)輸入學習史新效果反饋傷真樓型生產異常重構功能蓋構結果驗證下達仿真重構歌據(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)接收多源異構數(shù)據(jù)傳新生產過程安數(shù)更新產蛇建筷效果反餅模型調用效果反餅模型調用仿真模塊應擬生產線兒何模型物理模型行為模型規(guī)則模型學習更新制造單元生產線附態(tài)布局制造單元制造單元運輸設備物料圖1智能生產線虛擬重構總體架構5.2物理層智能生產線的物理層由多種實體組成，如制造單元、物料和運輸設備。智能生產線應根據(jù)工藝流注1:生產線承擔了主要的生產任務，由多個制造單元構成；運輸設備負責給生產線上每一工位運送生產過程中所必須的物料。不同制造單元具有不同的功能，承擔不同的生產任務，采用數(shù)字化設備，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，生產開始后不再改變布局，構成生產線靜態(tài)布局；物料和運輸設備位置可更改程度高，可根據(jù)生產過程需要實時調整，構成生產線動態(tài)布局。5.3虛擬控制層智能生產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)模塊負責接收并清洗物理層采集到的多源異構數(shù)據(jù)，并進行存儲。注：數(shù)據(jù)是虛擬重構層的底層資源，是進行虛擬重構過程的基礎。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。仿真模型應能描述生產線、物料和運輸設備的結構和功能。仿真模型應能實時利用數(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，形成虛擬生產線。仿真模型應具備自學習功能，可根據(jù)實際仿真精度對仿真模型做出調整。監(jiān)控模塊應對虛擬重構過程做出管理，實時響應生產過程中的異常。監(jiān)控模塊實時調用虛擬生產線仿真模型，判斷生產過程是否出現(xiàn)了異常，找到生產異常發(fā)生的原因，并下令啟動全部或部分重構功能，提取功能模塊所需的參數(shù)并輸入至重構功能層。之后接收重構功能層給出的結果，利用仿真模塊的仿真模型對結果進行虛擬驗證，通過后對物理層下達相應的重構指令。物理層進行實體重構，繼續(xù)生產過程。重構完成后，監(jiān)控模塊負責繼續(xù)監(jiān)測生產狀態(tài)，分析實時生產數(shù)據(jù)，檢查仿真模型是否準確，評估重構效果是否達到預期，將結果反饋給仿真模塊和重構層，供其學習更新使用。5.4重構功能層智能生產線的重構功能層是實現(xiàn)對智能生產線實體虛擬重構的主體部分。重構功能層主要包括產品工藝流程重構模塊、生產線布局重構模塊、生產調度重構模塊、物流調度重構模塊，通過內置模型和算法計算得到的結果，對生產過程做出實時優(yōu)化。四類功能的算法應具備自學習功能，根據(jù)實際重構效果調整重構策略。6流程定義智能生產線虛擬重構流程應與圖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智能生產線物理層將多源異構數(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)重構判斷與實行(R)階段1)R1監(jiān)控模塊實時監(jiān)控生產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)生產過程中的異常(設備損壞、在制品堆積、負載不均衡等); R1.2監(jiān)控模塊也可提前接收來自外部的生產線變化信息(新產品上線、緊急插單、設備維護、設備維修完成等),接受主動開啟重構功能的指令。2)R2監(jiān)控模塊判斷是否啟用全部或部分功能，是否對生產線進行虛擬重構優(yōu)化。3)R3重構功能層根據(jù)指令，啟動相應的功能模塊。若全部重構，R3共包含四個步驟：——R3.1工藝流程重構模塊確定生產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生產線布局重構模塊對智能生產線進行重新布局，確定智能生產線所包含的制造單元及單元的位置，并確定物料和運輸設備的位置；——R3.3生產調度重構模塊使用生產調度算法進行排產，確定產品生產順序和加工步驟順序，以實現(xiàn)生產過程的既定目標； R3.4物流調度模塊利用物流調度算法，確定線邊庫存、AGV運行路徑、AGV調度計劃等物流管理策略。若只啟用部分功能，則僅執(zhí)行相關步驟即可。c)結果驗證與下達(V)階段1)V1監(jiān)控模塊將根據(jù)計算結果，利用仿真模型進行虛擬測試。52)V2通過測試后，監(jiān)控模塊對智能生產線各部分下達新的生產指令，并對數(shù)據(jù)模塊中相應的數(shù)據(jù)進行更新。如未通過則重新調整。3)V3物理層執(zhí)行指令，完成調整。d)效果監(jiān)控與反饋(S)階段1)S1執(zhí)行層采集調整后智能生產線的各類數(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線的各類數(shù)據(jù)。3)S3監(jiān)控模塊監(jiān)控生產過程的狀態(tài)及變化。4)S4對上一輪重構效果進行評估，對結果進行反饋。5)S5仿真模塊和重構功能層學習反饋結果，做出相應調整。Al/S1采集數(shù)據(jù)并上傳V3物理層執(zhí)行相應指令繼續(xù)生產V2驗證通過向物理層下達重構指令更新相關數(shù)據(jù)是通過利用仿真模型驗證重構結果否A2/S2數(shù)據(jù)模塊接收清洗存儲多源異構數(shù)據(jù)新布局新計劃新調度數(shù)據(jù)庫R3.1重新確定工藝流程重新布局排生產計劃流靜態(tài)真模塊更新R1監(jiān)控模塊實時感知生產異常與變化，并判斷原因真模型實時發(fā)現(xiàn)生產過程異常的生產線變化信息重構R3重構功能層實行乖構功能是判斷是否啟動全部/部分重構功能啟動圖2智能生產線虛擬重構的流程定義實體生產線的重構，可僅根據(jù)重構指令，實現(xiàn)虛擬重構給出的工藝流程、生產線布局、生產調度和物流調度策略，完成相應的操作。注1:智能生產線的虛擬部分體現(xiàn)在生產線虛擬仿真和重構結果虛擬運行；智能生產線的重構部分體現(xiàn)在實時、快速規(guī)劃工藝流程、生產線布局、生產調度和物流調度。智能生產線虛擬重構，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果。同時克服了運籌優(yōu)化結果難驗證、仿真優(yōu)化過程盲目嘗試的缺點。注2:與傳統(tǒng)生產線規(guī)劃或重構方法相比，智能生產線虛擬重構的優(yōu)勢在于：實時采集、分析數(shù)據(jù)并建模，形成虛擬生產線，使重構結果與生產線的實時狀態(tài)更匹配；通過虛擬測試，可嘗試多種重構方案，提高重構的優(yōu)化水平；降低驗證方案可行性或最優(yōu)性的成本，并且降低重構后對生產過程帶來不良影響的風險；可對重構效果進行評估，反饋給仿真模塊和功能模塊，對仿真模型和重構算法進行訓練，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線虛擬重構的物理層而言，每一制造單元設備、物料和運輸設備均需進行數(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)采集能力應符合以下具體要求。a)每一制造單元設備和運輸設備具備通信功能，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指令，包括為了完成生產過程所設置的參數(shù)數(shù)值和操作指示。b)每一設備具備和其他設備交流信息的能力，實現(xiàn)全生產線信息互通。c)每一設備具備一定的人機交互能力與可視化能力，方便工作人員對設備進行必要的處理，直觀且快速地了解生產狀態(tài)。d)除設備外，制造單元之間添加一定的數(shù)采裝置，采集生產過程相關信息，如生產節(jié)拍等。e)物料需具備一定的識別性，可通過加裝RFID設備等實現(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)采集能力設計時，需事先確定每一設備數(shù)據(jù)采集的范圍和類型。g)確定每項數(shù)據(jù)的標準格式，并按照規(guī)定的格式進行采集，或對采集的非標數(shù)據(jù)進行標準化轉換。網絡部署應能夠實現(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、物理層內部全面互聯(lián)，實現(xiàn)無縫的信息傳輸，應符合以下具體要求：a)提供但不限于專用網絡、物聯(lián)網、傳感網絡、以太網、智能網關等工業(yè)現(xiàn)場通信網絡集成功能，支持國標所列的網絡標準，提供標準的協(xié)議轉換模塊，支持標準統(tǒng)一的通訊傳輸協(xié)議；b)可傳達對設備進行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理的指令，并下達重構指令；c)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、準確性和穩(wěn)定性；7.3設備可重構要求智能生產線在建造過程中，宜增加設備的柔性，宜符合以下具體要求：a)設備布局可重構：每一制造單元設備和運輸設備能夠改變擺放位置，實現(xiàn)多種布局；b)設備功能可重構：每一制造單元設備和運輸設備具有多種功能，可是機器本身已經具備多種功能，也可是通過改造等方式，讓設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：每一制造單元的設備具有快速換模的能力，以快速響應智能生產線生產產品種類的變化；d)運行路線可重構：每一運輸設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，將布局關系相近的設備劃分在一個單元。物理層的不同單元連接時，接口設計應符合以下具體要求：7a)不同制造單元能夠自由連接，以滿足不同種類產品的生產需要；b)明確每一制造單元的輸入與輸出，包括設備、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)內容要求8.1.1.1智能生產線數(shù)據(jù)是虛擬重構層的底層資源，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)內容應能夠滿足其他模塊的使用需求。8.1.1.2智能生產線靜態(tài)數(shù)據(jù)內容應包括但不限于下列內容：a)完善且詳實的設備檔案信息數(shù)據(jù)，包括設備編號、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)，包括工藝內容、實現(xiàn)設備、用時信息、成本信息等；c)全部產品的詳細信息數(shù)據(jù)，包括產品所需物料、所需工藝、加工設備、生產用時等；d)布局信息數(shù)據(jù)，包括設備和物料可放置的位置。8.1.1.3智能生產線動態(tài)數(shù)據(jù)內容應包括但不限于下列內容：a)用于描述設備運行狀態(tài)的信息數(shù)據(jù)；b)用于描述設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)其他可用于生產過程性質描述的信息數(shù)據(jù)。8.1.2數(shù)據(jù)實時性要求智能生產線物理層部分采集產線數(shù)據(jù)后，應利用網絡實時傳輸，與數(shù)據(jù)模塊進行對接。由于智能生產線虛擬重構具有動態(tài)性、實時性，所以對于數(shù)據(jù)的實時性要求較高，應符合以下具體要求：a)設備數(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)虛實同步交互響應不大于25ms;d)明確傳輸數(shù)據(jù)的內容，避免數(shù)據(jù)間發(fā)生信息重復；e)傳輸前適當壓縮并清洗數(shù)據(jù)，剔除重復數(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)定的網絡協(xié)議；g)設計數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時，可采用冗余設計，采用冗余網關和冗余路由器，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過程控制與檢測相關的數(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)質量與數(shù)據(jù)清洗能力要求仿真模塊對數(shù)據(jù)質量的要求很高。智能生產線數(shù)據(jù)采集具有數(shù)據(jù)規(guī)模大、數(shù)據(jù)結構雜的特點，容易出現(xiàn)重復、不完整、丟失、格式不一致和過時的問題。數(shù)據(jù)質量管理應符合以下具體要求：a)實時數(shù)據(jù)清洗：基于小波變換、統(tǒng)計學、預設規(guī)則等方法對實時生產數(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、傅里葉變換等方法，進行數(shù)據(jù)特征提取及特征選擇；c)多源異構數(shù)據(jù)融合：能夠支持不同來源的結構數(shù)據(jù)之間的轉換，整合成時序數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)符合虛擬重構層其他模塊的使用標準；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、機器學習方法、組合優(yōu)化方法對缺失數(shù)據(jù)進行預測，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)的準確性。8.1.4數(shù)據(jù)安全性要求造成不良影響，應符合以下具體要求：a)采集安全性：明確數(shù)據(jù)采集設備的IP地址、端口號、采集內容等，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：對傳輸網絡的關鍵節(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，并明確管理人員責任，數(shù)據(jù)庫具備安全防范策略，設置訪問權限，支持數(shù)據(jù)庫的更新升級，具有入侵應對措施，具備數(shù)據(jù)容災備份和恢復能力；e)使用安全性：明確使用權限，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)的內容邊界，對數(shù)據(jù)進行脫敏處理，適當控制數(shù)據(jù)導出權限。其他要求應符合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。應符合以下具體要求：a)表觀模型：主要給出設備物料的幾何尺寸、位置、角度、紋理、材質等幾何空間信息，如設備2D息等；制品運輸時間，生產節(jié)拍等；動范圍、運輸設備運行路線等。四種模型建立完成后，聯(lián)合形成完整的虛擬生產線模型，實時映射實體生產線。8.2.2仿真模塊建模步驟要求仿真模塊應具備整條生產線的虛擬仿真模型。應按照GB/T建模。在此基礎上，還應符合以下要求。39334.2—2020第6章中的條款進行9a)需對每一制造設備進行建模，完成每一設備的表觀模型、物理模型、行為模型。共分為以下1)明確生產線內部要建模的機器和部件。所選取的機器和部件，對生產系統(tǒng)的功能實現(xiàn)至關重要，且需要受到持續(xù)的關注。每個模型所對應的機器和部件都參與生產過程的主要步驟，這些步驟將受到機器特性、布局、排產等方面的影響，因此模型可用于虛擬重構層的生產優(yōu)化當中。這樣將避免對非關鍵子系統(tǒng)的建模，從而降低了生產線數(shù)字模型的復確定每一機器模型的復雜度。在建模層面，采用黑盒(不了解內部操作)、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。對于關鍵工位的關鍵機器，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。隨后調用或估計相應的數(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)實際生產數(shù)據(jù)的情況調整模型相應的狀態(tài)。這些參數(shù)將是可編輯的，并將與實時仿真調整相關聯(lián)。b)描述設備間的邏輯關系，完成規(guī)則模型，并建立完整生產線模型。在不同模型間加入生產過程的條件與約束，使同一制造單元中的設備聯(lián)系起來，建立完整的數(shù)字生產線模型，使模型與實際生產線生產過程相匹配。生產線仿真模型清晰體現(xiàn)出每一單元的結構，描述每一單元內所包含的設備種類及數(shù)量，包含設備模型、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決策的信息，如使用成本等；清晰展示單元內設備的狀態(tài)信息，比如設備是否損壞；能展示其活動范圍，方便布局重構。c)對物料和運輸設備進行建模。對物料的幾何、物理狀態(tài)做出建模；對運輸設備的幾何、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線虛擬仿真模型應具備一定的性能，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。應符合以下要求：a)模型的假設準確，不違背客觀規(guī)律；b)模型分級準確，不同級別的模型，建模復雜度滿足功能模塊的需求；c)模型對生產線設備、設備間關系的描述準確，能夠正確刻畫生產過程中的各項活動；d)模型使用的參數(shù)準確，否則將影響功能模塊的重構效果；e)模型對物理實體和生產過程屬性覆蓋率盡可能地高，具體根據(jù)實際應用需求確定，一般不低f)生產線孿生仿真粒子數(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級產線仿真大數(shù)據(jù)計算處理能力；j)支持智能生產線數(shù)據(jù)驅動的在線動態(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、百兆紋理的虛擬產線場景實時仿真。8.2.4仿真模型修改要求在實際生產過程中，如果發(fā)現(xiàn)實際情況和虛擬重構設想的結果出入較大，應修改仿真模型，改善重構效果?？蓮囊韵聨讉€方面考慮修改：a)修改建立模型的假設條件，重新選擇仿真使用的數(shù)據(jù)；b)提高或降低模型復雜度級別；c)重新確定模型使用的參數(shù)及數(shù)值；d)檢查數(shù)據(jù)的準確性，如生產操作步驟用時，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功能選擇要求生產過程發(fā)生異常時，生產線實時采集的數(shù)據(jù)會發(fā)生相應的波動，導致仿真模型參數(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)設備損壞：體現(xiàn)在仿真物理模型中描述設備狀態(tài)的參數(shù)發(fā)生變化，如設備電流、設備轉速等，重構時應將該設備剔除出生產線。主要使用生產計劃重構功能進行重構，在不使用該機器的情況下重新安排生產計劃。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，大量在制品集中在一點。這說明生產過程中存在瓶頸，應首先對工藝流程進行重構，避免在制品堆積的問題；調整生產計劃，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、生產節(jié)拍的數(shù)據(jù)差異較大。應首先對生產線布局重構，調整靜態(tài)布局；調整生產調度，對負載較重的制造單元，應調整相應的參數(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。應使用物流調度重構，調整物料運輸間隔，降低單次運輸數(shù)量。e)工藝不達標：體現(xiàn)在設備物理模型、行為模型相關信息和在制品表觀模型、物理模型中有關產品質量的信息。應使用工藝重構，改變工藝實施的過程，提升產品質量。8.3.2主動重構種類與重構功能選擇要求生產過程中，外部會隨機輸入事件，此時需要智能生產線主動重構，響應隨機事件。主要主動重構種類包括：a)新產品上線：主要使用工藝流程重構功能和生產線布局重構功能，保證新產品的正常生產；b)接受新訂單/緊急插單：主要使用生產計劃重構功能和物流重構功能，按時完成生產任務；c)設備維護/設備維修完成：主要使用生產線布局重構、生產計劃重構和物流調度重構，在條件中減去或增加相應的設備。8.3.3重構結果驗證與下達重構指令要求重構功能層的各模塊進行重構后，將結果輸入給監(jiān)控模塊。監(jiān)控模塊利用仿真模型，對結果可行性、優(yōu)化性進行驗證。將仿真模型參數(shù)按照工藝流程重構和生產線重構結果進行修改，將生產計劃、物流調度輸入到仿真模型中并運行。如能正常運行，則說明結果具有可行性。計算重構目標的函數(shù)值，和重構前函數(shù)值相比較，判斷優(yōu)化性。通過后，將結果輸入到物理層中。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部設備、物料和運輸設備的位置，構成新布局；設備按照新生產計劃進行生產；物流按照新調度策略配合生產過程。8.3.4生產狀態(tài)監(jiān)測與重構效果評估要求實體重構完成，正式進入生產后，監(jiān)控模塊要繼續(xù)對生產狀態(tài)進行監(jiān)測，對重構效果進行評估。評估內容主要為可行性評估和準確性評估，應符合以下具體要求：a)提取產品質量信息，檢查是否能生產出合格的產品；b)提取每一產品每一加工步驟的開始時間、結束時間、加工時長信息，檢查是否與生產計劃中預計的一致；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)提取設備負載信息，檢查負載是否均衡；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)提取產品生產完成時間信息，檢查是否按期交貨，并縮短總制造時間；h)提取生產成本信息，檢查是否有所下降。8.3.5重構結果反饋與模型學習更新要求在進行實際重構評估之后，監(jiān)控模塊需將結果反饋給仿真模塊和重構功能層。仿真模塊和重構功能層根據(jù)結果進行學習，調整模型。模型學習更新的過程應自動化、常態(tài)化。除在實際生產過程中得到重構效果反饋，也可在虛擬重構層中對模型進行訓練。更改模型的參數(shù)值，或使用新方法，利用之前重構時使用的數(shù)據(jù)，計算得到新的重構結果。監(jiān)控模塊利用仿真模型進行虛擬運行，將多種重構結果進行比較，反饋給模型，使模型自主9重構功能層要求9.1工藝流程重構模塊建模要求工藝流程重構模塊分為工藝重構和流程重構。工藝重構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，影響了產品質量、物料利用率、訂單完成時間等指標，則需進行工藝重構。流程重構是指確定生產過程中需要執(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)了產品無法正常生產或在制品堆積等情形，則需進行流程重構。工藝流程重構模塊設計應符合以下具體要求：a)數(shù)據(jù)要求：各項工藝的參數(shù)及指標；各項工藝用時；工藝順序限制；工藝實施過程相關數(shù)據(jù)；b)目標要求：工藝重構方面，確定新工藝的實施過程；流程重構方面，確定生產過程所包含的工藝種類及順序；新工藝流程能生產出功能完整，質量過關的產品，裝配過程具有可操作性和穩(wěn)定性，避免在制品庫存堆積；目標函數(shù)和產品質量、裝配時間、庫存水平有關；c)限制條件要求：主要和工藝順序限制有關。9.2生產線布局重構模塊建模要求生產線布局重構模塊分為靜態(tài)布局重構和動態(tài)布局重構。靜態(tài)布局重構是重新確定生產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關系，以能夠完成事先預定的工藝和流程。動態(tài)布局重構是根據(jù)靜態(tài)布局和生產調度，安排每一時刻物料、運輸設備、線邊庫等高活動度生產資源的位置。當出現(xiàn)制造產品種類更改或設備損壞等情況時，需進行生產線布局重構。生產線布局重構模塊設計建模應符合以下具體要求。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、運輸設備可放置的位置、物料可放置的位置等有關位置的靜態(tài)數(shù)據(jù)；制造單元移動成本、運行成本等有關成本的靜態(tài)數(shù)據(jù)；生產調度策略等有關生產過程的動態(tài)數(shù)據(jù)。b)目標要求：新布局能保證設備的正常運行，所選擇的制造單元能夠完成全部預定的工藝步驟，制造單元排布位置合理，并能夠有序鏈接，保證物流通暢，布局能夠提升生產效率，降低生產成本，保證生產安全。模型中，可將生產效率、生產成本等目標進行量化，寫出相應的目標c)限制條件要求：根據(jù)所獲得的數(shù)據(jù)，寫出相應的限制條件。主要限制條件為：有關制造單元移動范圍的限制；有關制造單元是否選用的限制；有關物料、運輸設備、線邊庫等高度動態(tài)資源的移動范圍的限制。9.3生產調度重構模塊建模要求生產調度重構模塊分為產品生產順序重構和加工步驟順序重構。產品生產順序重構是將待生產的產品按照新的順序進行生產，使其符合生產條件限制并滿足生產需求。在流水車間中，由于工藝之間不能調換順序，產品生產順序在很大程度上決定了生產調度的策略。加工步驟順序重構是重新確定每一產品的工藝順序，并將每一加工步驟分配到不同的加工設備上，往往見于開放車間。生產調度重構模塊建