自动化系统与集成 面向制造的数字孪生框架 第1部分：综述和基本原理 征求意见稿

1GB/TXXXXX.1—XXXX自动化系统与集成面向制造的数字孪生系统框架第1部分：综述和基本原理本文件规定了面向制造的数字孪生系统框架的概述和一般原则，包括：——术语和定义；——面向制造的数字孪生系统框架的要求。本文件适用于面向制造的数字孪生系统的建模和分析。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。本文件无规范性引用文件。3术语、定义和缩略语章标题下列术语和定义适用于本文件。ISO和IEC维护用于标准化的术语数据库网址如下：——ISO在线浏览平台：https://www.iso.org/obp——IEC电工百科网址：https://www.electropedia.org/3.1基本术语3.1.1控制control在达到指定目标时或在达到指定目标的过程中采取的有目的的行动[来源：IEC60050:2013,定义351-42-19，有修改—已删除注释。]3.1.2要素element具有状态、行为和识别等特征的基本系统部分[来源：ISO14258:1998,定义2.2.4]3.1.3企业enterprise共享明确使命、目标和目的，提供产品或服务等输出的一个或多个组织。2GB/TXXXXX.1—XXXX[来源：IEC62264-1:2013]3.1.4实体entity明显存在的任何东西（物理或非物理）。[来源：ISO/IEC15459-3:2014,定义3.1，有修改—已删除注释。]3.1.5物联网InternetofThings互连的实体、人员、系统和信息资源的基础架构，以及对物理和虚拟世界中的信息进行处理和响应的服务。[来源：ISO/IEC20924:2021]3.1.6管理management指导、控制（3.1.1）和协调为开发产品或提供服务而执行的工作[来源：ISO/IEC/IEEE24765:2017,定义3.3064，有修改—已删除术语中的“过程”。]3.1.7物理要素physicalelement物质存在的东西。3.1.8资源resource企业（3.1.3）生产商品或服务所使用的任何设备、工具和手段，原材料和最终产品部件除外。[来源：ISO15531-1:2004,定义3.6.43，有修改——修改注1,已删除注2。]3.1.9传感器sensor观察和测量自然现象或过程的物理性质并将测量结果转换为信号的装置。[来源：ISO/IEC29182-2:2013,定义2.1.5，有修改—已删除术语“人造”，并删除注1。]3.1.10通用唯一标识符universallyuniqueidentifier计算机生成的标识，出于实际目的，UUID是唯一的。3.2面向制造的数字孪生相关术语3.2.1数字识别方法digitalidentificationmethod3GB/TXXXXX.1—XXXX为识别每个可观察制造元素（3.2.5）及其数字孪生所选择的<制造系统>方法。注1：可以使用UUID（3.1.10）、零件编号或其他机制识别数字孪生。3.2.2数字表示digitalrepresentation表示可观测制造元素（3.2.5）一组特性的<制造系统>数据元素。[来源：IIC：PUB:G8V2.1:PB:20180822，有修改—定义中，“物理要素”替换为“可观测制造元素”。]3.2.3数字孪生digitaltwin<制造系统>适用于可观测制造元素的数字表示（3.2.2），能够实现元素与其数字同步。3.2.4制造过程manufacturingprocess制造系统中的一组流程，涉及材料、信息、能源、控制或制造区内任何其他元素的流动和/或转化。[来源：ISO18435-1:2009,定义3.16，有修改—已删除词条注1。]3.2.5可观测制造元素observablemanufacturingelementOME制造系统中有可观测实际存在或操作的项目。词条注1：可观测制造元素包括人员、设备、材料、制造过程、设施、环境、产品和支持文件。3.2.6表达presentation显示信息以供人类使用的方式。[来源：ASMEY14.47-2019，有修改-修改注1。]3.2.7呈现representation机器对信息进行建模解释的方式。[来源：ASMEY14.47-2019，有修改—定义中，“存储”改为“建模”。]3.2.8视图view视点viewpoint模型投影，从给定的角度看，省略了与这个角度无关的实体。[来源：ISO/IEC19501:2005,定义000_3，有修改—在定义中，删除了“从”之前的“来看”；或“角度”之后的“有利位置和”。]4GB/TXXXXX.1—XXXX3.3缩略语CAD计算机辅助设计（ComputerAidedDesign）CAI计算机辅助检查（ComputerAidedInspection）CAM计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing）CNC计算机数字化控制（Computerized4面向制造的数字孪生概述4.1面向制造的数字孪生概念制造系统数字孪生是指一种适用于可观测制造元素的数字表示，能够实现元素与其数字同步。数字孪生存在于整个产品生命周期，利用虚拟环境的各个方面（高保真度、多重物理量、外部数据源等）、计算技术（虚拟测试、优化、预测等）和物理环境的各个方面（历史表现、客户反馈、成本等以提高制造系统的性能。ISO23247系列标准定义了制造系统中数字孪生体的物联网框架，如图2所示。图2制造系统数字孪生体物联网框架数字孪生有助于检测制造过程中的异常，实现实时控制、离线分析、健康检查、预测性维护、同步监测/报警、制造运营管理（MOM）优化、过程内适应、大数据分析和机器学习等功能目标。应用通过分析数字孪生体，监测OME的选择特性。数字孪生按应用要求的速率更新，并提供相关的操作和环境数据，如状态、条件、产品几何形状和制造资源。数字孪生可以回忆其OME以前的状态或预5GB/TXXXXX.1—XXXX测其未来状态。通过数字孪生实现过程和执行的可见性，进而增强业务合作和提高多种其他效率，如环内规划和验证、生产调度保证、动态风险管理和降低成本。4.3和4.4给出了应用和效益的示例，但应用和效益不限于提供的那些示例。4.2面向制造的数字孪生的应用4.2.1实时控制实时控制应用通过OME的数字孪生体监控OME，并对制造过程进行必要的实时更改。4.2.2离线分析离线分析应用将多个OME的数字孪生体进行比较，以确定趋势和变化，并对未来制造过程的变化提出建议。4.2.3预测性维护预测性维护应用使用数字孪生体来安排和调整OME（即生产设备）的维护活动。该应用可以实时或离线运行。4.2.4健康检查健康检查应用使用数字孪生体检查OME的状况，必要时安排维护。4.2.5工程设计工程设计应用使用数字孪生体学习以前制造的产品，以优化新的和现有的产品设计。4.2.6生产控制生产控制应用使用数字孪生体作出最佳的调度决策。4.2.7视频监控视频监控或成像应用监视OME，以验证其状态，使人和人工智能系统能够进行分析。4.3面向制造的数字孪生的效益4.3.1环内规划和验证面向制造的数字孪生系统有助于制造过程的环内规划、验证和调整。可利用环内规划对生产过程中的制造过程进行动态重新排序并做出调整，以应对车间层发生的异常情况。环内验证可用于确认制造过程已顺利完成。4.3.2生产调度保证面向制造的数字孪生系统有助于实现对生产的实时监控，使管理层能够动态调整产量，以满足生产计划。精细的制造工程能实时适应制造环境的变化，包括材料特性和设备的变化。制造过程的数字孪生可以预测制造过程的完成时间，而预测结果可用于调整整个工厂的生产计划和/或优化制造过程。4.3.3加强对制造元素的理解面向制造的数字孪生系统有助于对设备的可靠性、准确性和生产率更准确地建模。6GB/TXXXXX.1—XXXX数字孪生可以通过提前预测设备故障来降低成本，通过更快地调整生产过程来提高生产率，通过在不中断生产的情况下解决调度问题来提高生产力。4.3.4动态风险管理面向制造的数字孪生系统有助于实现实时控制、离线分析、预测性维护和健康检查。数字孪生体为制造过程中可能出现的任何异常（例如碰撞或设备故障）提供环境。持续整合能够及时进行风险管理，便于在生产过程中不断进行资源配置和过程改进。4.3.5零件/组件可追溯性面向制造的数字孪生系统有助于零件验证和调整下游过程。数字孪生可针对零件完工自动生成下游过程指令，也可用于已完成零件/组件的最终验证。4.3.6过程可追溯性面向制造的数字孪生系统有助于生产顺序的跟踪和验证。执行过程的数字孪生可以根据要求进行验证，以证明其满足相应要求。过程变更的灵活性允许调整生产计划和修改材料，而不会减缓或中断生产。4.4可观测制造元素4.4.1人员制造系统中的人员通常包括制造过程中直接或间接雇佣的雇员。注：人员数字孪生可以模仿可用性、认证水平或其他与制造相关的关键属性，不需要成为人员的完整三维模型。4.4.2设备设备属于直接或间接参与制造过程操作的物理元素。设备示例包括手动工具、计算机数控机器、输送带和机器人。4.4.3材料材料是指用于生产金属块等制成品或辅助冷却剂等制造过程的物理物质。4.4.4制造过程过程是制造过程中可观测到的物理操作顺序。过程可能包括制造过程、装配过程、检验过程、维护过程和管理过程。4.4.5设施设施是指与制造业相关或影响制造业的基础设施。设施示例包含特殊用途房间、建筑物、能源供应、供水、环境控制器等。4.4.6环境环境是指设施为正确执行制造过程提供的必要条件。环境条件的示例包含温度、湿度和亮度。4.4.7产品7GB/TXXXXX.1—XXXX产品是指制造过程的产出。根据制造过程阶段，从业务角度来看，产品可分为中间产品或最终产品。4.4.8支持文件支持文件是指协助制造的任何形式的人工制品（要求、计划、型号、规格和配置等）。5面向制造的数字孪生系统框架的一般原则5.1概述面向制造的数字孪生系统框架为如何构建制造用数字孪生提供相关指导。系统框架不要求采用任何具体的实现技术。5.2面向制造的数字孪生系统框架的局限性和边界图3面向制造的数字孪生系统框架边界图3为该框架的边界。数字孪生和物理世界被描述为可观测制造元素，通过设备通信得以连接和同数字孪生体和OME之间的同步能够确保，当数字孪生体从物理系统接收实时性能信息时，制造系统能不断优化。使用特定目的和范围的适当方法和工具实现数字孪生。通过应用ISO23247-2、ISO23247-3和ISO23247-4中描述的相关互操作性标准来实现数字孪生模型组件之间的集成。数字孪生与环境相关，可以是物理系统的部分表示。数字孪生可能只包括专未其预期目的设计的相关数据和模型。使用识别方法，将视图和表示通过产品生命周期的不同阶段连接起来，进而实现同一OME的不同视图和表示之间的同步。8GB/TXXXXX.1—XXXX5.3面向制造的数字孪生系统的要求5.3.1准确性数字孪生应从适当保真度水平描述其相应OME的状态。5.3.2通信使用能够同步的通信协议将数字孪生与OME连接。5.3.3数据采集数字孪生应从安装在OME上或其周围的传感器收集数据。传感器可以是制造设备的整体或远程传感器。5.3.4数据分析数字孪生能够分析其OME的状态。5.3.5数据完整性数字孪生应正确描述其OME的状态。5.3.6可扩展性数字孪生可以扩展到新的应用。5.3.7颗粒度数字孪生应在适当的细节水平上洞察其OME的状态。5.3.8识别数字孪生应包含唯一选择其OME的数据。5.3.9管理数字孪生能够优化资源。5.3.10产品生命周期数字孪生应支持产品整个生命周期的信息连续性，包括设计、规划、制造和维护等。产品生命周期数字孪生体的示例见附录A。5.3.11安全数字孪生只能与授权资源通信。5.3.12模拟数字孪生应能模拟运行中的可观测制造元素。5.3.13同步9GB/TXXXXX.1—XXXX数字孪生及其可观测制造元素应使用适当的方法更新到彼此的数值。该方法可以是基于事件的方法或基于时间的方法。基于事件的方法针对事件更新孪生体。而基于时间的方法通过读取带时间戳数据流的值来不断更新孪生体。5.3.14视点数字孪生应支持不同目标的不同观点。5.3.15面向制造的数字孪生系统的分层建模数字孪生应模拟IEC62264-1中定义的任何级别的功能层次和基于角色的层次。5.4框架实施的高层次纲要以下是框架如何应用于制造应用的概述。ISO23247-4:2021标准附录A至E给出了详细的示例。——针对要孪生的OME，选择采用数字识别方法。选择单一、一致的识别方法，如UUID，可以降低框架实施的复杂性。——针对从OME收集的数据选择采用相应的标准和技术。——选择相关标准和技术来控制OME。——选择相关标准和技术来对OME进行数字表示。——选择相关标准和技术来实现OME、设备通信和数字孪生水平之间的通信。——选择相关标准和技术来实现与企业用户应用之间的通信。GB/TXXXXX.1—XXXX数字孪生体和产品生命周期A.1概述数字孪生概念适用于产品生命周期的各个阶段。在早期阶段，数字孪生可能只是一个没有实体的原型。在后期阶段，可以向客户交付数字孪生，协助客户部署、维护和最终处置购买的系统。本附录主要介绍面向制造的数字孪生系统框架如何支持产品生命周期的其他阶段。A.2OME与产品生命周期的关系ISO23247系列标准主要描述了生产操作中管理数字孪生体的框架。该系列标准可以为制造车间的OME定义数字孪生体。OME是人员时，没有产品生命周期，但产品和过程存在几个阶段。例如，在大多数情况下，在生产开始之前，就已经设计了产品数字孪生的数据，并规划了过程数字孪生的数据。如果产品和流程的数字孪生体使用可以在整个产品生命周期中共享的数字表示，则它们会更有用。然后可以使用CAD、CAM、CAI和CNC系统为数字孪生建模生成数据，并查看数字孪生结果。制造过程中制造的数字孪生可用于加强设计、规划、生产、维护和支持。示例：—一种产品的数字孪生可用作另一种产品的生产输入。例如，可以确定新产品为匹配现有产品所必须满足的公差；—产品客户可以使用产品数字孪生来确认所交付的产品具备所有购买功能和特性；—如果在部署过程中，产品出现故障，则可将其孪生体与类似产品的孪生体进行比较，以确定是否应检查其是否存在类似问题；—在重新设计产品时，旧产品的数字孪生体可用于改善新产品。例如，未按时完成的功能可能会被简化，使其更易于生产。A.3与系统数字孪生体的关系国防采购大学对采购系统的数字孪生体采用了以下定义[18]。“利用最佳可用模型、传感器信息和输入数据，通过数字线程实现集成完工系统的多物理量、多尺度、多概率模拟过程，来映射和预测对应物理孪生寿命期间的活动/性能。”如果生产过程产生的OME成为交付系统的组成部分，则制造数字孪生（3.2.4）与系统数字孪生相关。制造数字孪生采用产品生命周期标准，使得可与系统数字孪生共享制造数据。例如，可能不需要飞行过程中机翼的最小和最大载荷信息来控制制造过程。然而，将该数据与机翼联系起来，可以在制造过程中对其进行参考，以增强对必须要满足的约束条件的理解。同样，当机翼用于飞机时，不需要用于部件制造的设备记录，但该记录对寻找故障原因至关重要。A.4与航空航天数字孪生体的关系许多领域和组织目前采用不同的数字孪生定义。例如，航空航天领域对数字孪生产品生命周期采用了以下定义[19]。GB/TXXXXX.1—XXXX“一组会模拟个人/独特的物理资产或一组物理资产的结构、环境和行为的虚拟信息构造，在其整个生命周期内用其物理孪生数据动态更新，并通知实现价值的决策。”制造数字孪生（3.2.4）在产品生命周期的制造阶段与航空航天数字孪生兼容。A.5主动驱动和被动驱动数字孪生体之间的关系主动驱动数字孪生描述的是生产产品所需的操作。主动驱动数字孪生有时被称为计划。主动驱动数字孪生可以在模拟（离线）过程中执行，也可以执行（在线）操作物理系统。主动驱动数字孪生是一组描述OME未来状态的数字表示。这些数字孪生体经常用于离线编程，在与OME配对之前不符合（3.2.4）定义。被动驱动数字孪生描述的是生产产品的制造操作。被动驱动数字孪生是指从OME测量的数据。被动驱动数字孪生有时被称为执行结果。被动驱动数字孪生是一组描述OME完成状态的数字表示。被动驱动数字孪生体符合（3.2.4）定义，并有可能包括主动驱动数字孪生体，作为其表示的一部分。GB/TXXXXX.1—XXXX参考文献[1]ISO23247-2,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part2:Referencearchitecture[2]ISO23247-3,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part3:Digitalrepresentationofmanufacturingelements[3]ISO23247-4,Automationsystemsandintegration—Digitaltwinframeworkformanufacturing—Part4:Informationexchange[4]ISO10303,Industrialautomationsystemsandintegration—Productdatarepresentationandexchange[5]ISO15926,Industrialautomationsystemsandintegration—Integrationoflifecycledataforprocessplantsincludingoilandgasproductionfacilities[6]ISO16739(allparts),IndustryFoundationClasses(IFC)fordatasharingintheconstructionandfacilitymanagementindustries[7]ITU-TY.2061,Requirementsforthesupportofmachine-orientedcommunicationapplicationsinthenextgenerationnetworkenvironment[8]IEC62264-1:2013,Enterprise-controlsystemintegration—Part1:Modelsandterminology[9]ISO14258:1998,Industrialautomationsystems—Conceptsandrulesforenterprisemodels[10]ISO/IEC15459-3:2014,Informationtechnology—Automaticidentificationanddatacapturetechniques—Uniqueidentification—Part3:Commonrules[11]ISO/IEC20924:2021,Informationtechnology—InternetofThings(IoT)—Vocabulary[12]ISO/IEC/IEEE24765:2017,Systemsandsoftwareengineering