自动化系统与集成 智能生产线虚拟重构技术要求目次前言III引言IV1 范围12 规范性引用文件13 术语与定义14 缩略语35 总体架构35.1 概述35.2 物理层45.3 虚拟控制层45.4 重构功能层46 流程定义47 物理层要求67.1 数字采集能力要求67.2 网络要求67.3 设备可重构要求67.4 制造单元划分要求78 数据模块要求78.1 数据内容要求78.2 数据实时性要求78.3 数据质量与数据清洗能力要求88.4 数据安全性要求89 仿真模块要求89.1 仿真内容要求89.2 仿真模块建模步骤要求99.3 仿真模型性能要求99.4 仿真模型修改要求1010 监控模块要求1010.1 异常原因种类与重构功能选择要求1010.2 主动重构种类与重构功能选择要求1010.3 重构结果验证与下达重构指令要求1110.4 生产状态监测与重构效果评估要求1110.5 重构结果反馈与模型学习更新要求1111 重构功能层要求1111.1 工艺流程重构模块建模要求1111.2 生产线布局重构模块建模要求1211.3 生产调度重构模块建模要求12I11.4 物流调度重构模块建模要求1211.5 重构算法性能要求1311.6 重构模型算法修改要求13参 考 文 献14II自动化系统与集成 智能生产线虚拟重构技术要求1 范围本文件规定了智能生产线虚拟重构技术的总体架构、流程定义、物理层要求、虚拟控制层（数据模块、仿真模块、监控模块）要求及重构功能层要求。本文件适用于智能生产线及其相关系统的规划、设计、实施和应用。2 规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是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。GB/T 39334.2-2020 机械产品制造过程数字化仿真 第2部分：生产线规划和布局仿真要求 GB/T 37973-2019 信息安全技术 大数据安全管理指南GB/T xxxxx-xxxx 信息安全技术 电信领域大数据安全防护实现指南3 术语与定义下列术语和定义适用于本文件。3.1智能生产线 smart production line将自动化技术、信息技术、仿真技术、监测技术、优化技术应用在设备、产品、资源及配套中，用数据、仿真模型和算法对生产过程进行计划、实行、管理、监控与优化的实施单元。3.2虚拟生产线 virtual production line实体生产线在虚拟空间的映射，可准确反映实体生产线的事件。3.3生产线重构 production line reconfiguration将生产线的制造资源进行重新组合，重新确定流程、布局、排产、物流，优化生产的过程。3.4虚拟重构 virtual reconfiguration利用智能生产线提供的数据，对生产线设备、工艺、产品、活动、状态进行仿真，并对生产线流程、布局、排产、物流进行实时优化。3.513制造单元 manufacturing unit承担生产过程中部分工艺环节的设备组合。设备组具有特定的功能，设备间具有一定的联系。3.6运输设备 transportation facility配合生产过程，完成在稀缺资源分配过程中所涉及的物流调配的设备。3.7物料 material产品生产制造过程中使用的原料或部件。3.8数字采集 digital acquisition将传感器植入生产线设备中，实时采集描述设备特定运行状态的数据，并通过网络传入数据库中。3.9数据清洗 data cleaning发现并纠正数据文件中可识别的错误，包括检查数据一致性、处理无效值、填补缺失值、剔除重复值等。3.10仿真模型 simulation models对生产线中各类设备的物理特征和功能特性的数字化表达，以及对设备布局、工艺流程和设备间关系等要素的数字化定义。3.11工艺流程 flow process生产对象由投入到产出，经过一定顺序排列的加工、搬运、检验、停放、储存的过程。 来源：GB/T 24742-2009，定义2.13.12生产线布局 production line layout生产线布局是指在满足给定的空间或性能约束条件下，将工位、设备、物料缓存、仓储等各类设施合理、优化地布局在特定空间内，从而有效、经济、安全地达到预期目标。来源：GB/T 39334.2-2020，定义3.23.13生产调度 production scheduling不同的制造任务在特定的时间分配给机器，同时尽量减少制造时间（或其他目标）。3.14物流调度 logistics scheduling在稀缺资源分配过程中所涉及的物流调配。来源：GB/T 37393-2019，定义3.74 缩略语下列缩略语适用于本文件。AGV：自动导引运输车（Automated Guided Vehicle） BOM：物料清单（Bill of Material）ERP：企业资源计划（Enterprise Resource Planning） HMI：人机接口（Human Machine Interface）I/O：输入/输出（Input/Output）MES：制造执行系统（Manufacturing Execution System） NC：数控加工（Numerical Control）PDA：生产数据采集（Production Data Acquisition） RFID：射频识别（Radio Frequency Identification）TCP/IP：传输控制协议/互联网协议（Transmission Control Protocol/Internet Protocol） WLAN：无线局域网络（Wireless Local Areas）5 总体架构5.1 概述智能生产线虚拟重构包括物理层、虚拟控制层和重构功能层，总体架构如图1所示。应涵盖产品的生产制造过程，准确反映生产制造过程中的事件，并做出实时优化。图1 智能生产线虚拟重构总体架构5.2 物理层智能生产线的物理层由多种实体组成，如制造单元、物料和运输设备。智能生产线应根据工艺流程、生产调度、物流调度等输入，完成生产任务。注1：生产线承担了主要的生产任务，由多个制造单元构成；运输设备负责给生产线上每一工位运送生产过程中所必须的物料。不同制造单元具有不同的功能，承担不同的生产任务，多采用数字化设备，可实时采集数据。注2：制造单元的位置相对稳定，可更改程度低，生产开始后不再改变布局，构成生产线静态布局；物料和运输设备位置可更改程度高，可根据生产过程需要实时调整，构成生产线动态布局。5.3 虚拟控制层智能生产线的虚拟控制层由数据模块、仿真模块和监控模块组成。数据模块负责接收并清洗物理层采集到的多源异构数据、并进行存储。注：数据是虚拟重构层的底层资源，是进行虚拟重构过程的基础。数据分为静态数据和动态数据，静态数据稳定性高，基本不随时间发生改变；动态数据时刻变化，具有时效性。仿真模块包含生产线的多种仿真模型，分别为几何模型、物理模型、行为模型、规则模型。仿真模型应能描述生产线、物料和运输设备的结构和功能。仿真模型应能实时利用数据模块新处理的数据，更新模型的状态。四种仿真模型的组合，形成虚拟生产线。仿真模型应具备自学习功能，可根据实际仿真精度对仿真模型做出调整。监控模块应对虚拟重构过程做出管理，实时响应生产过程中的异常。监控模块实时调用虚拟生产线仿真模型，判断生产过程是否出现了异常，找到生产异常发生的原因，并下令启动全部或部分重构功能，提取功能模块所需的参数并输入至重构功能层。之后接收重构功能层给出的结果，利用仿真模块的仿真模型对结果进行虚拟验证，通过后对物理层下达相应的重构指令。物理层进行实体重构，继续生产过程。重构完成后，监控模块负责继续监测生产状态，分析实时生产数据，检查仿真模型是否准确，评估重构效果是否达到预期，将结果反馈给仿真模块和重构层，供其学习更新使用。5.4 重构功能层智能生产线的重构功能层是实现对智能生产线实体虚拟重构的主体部分。重构功能层主要包括产品工艺流程重构模块、生产线布局重构模块、生产调度重构模块、物流调度重构模块，通过内置模型和算法计算得到的结果，对生产过程做出实时优化。四类功能的算法应具备自学习功能，根据实际重构效果调整重构策略。6 流程定义智能生产线虚拟重构的流程如图2所示。流程分为以下四个阶段：a) 数据采集与仿真（A）阶段A1 智能生产线物理层将多源异构数据传输到虚拟控制层中。 A2 虚拟控制层的数据模块接收数据，对数据进行清洗和存储。 A3 仿真模块实时根据数据变化修改仿真模型。b) 重构判断与实行（R）阶段R1.1 监控模块利用实时仿真模型，实时发现生产过程中的异常（设备损坏、在制品堆积、负载不均衡等）。R1.2 监控模块也可以提前接收来及外部的生产线变化信息（新产品上线、紧急插单、设备维护、设备维修完成等），接受主动开启重构功能的指令。R2 监控模块判断是否启用全部或部分功能，是否对生产线进行虚拟重构优化。R3 重构功能层根据指令，启动相应的功能模块。若全部重构，R3共包含四个步骤：R3.1 工艺流程重构模块确定生产过程包含的工艺种类及工艺顺序，也可对工艺本身进行更新和优化。R3.2 生产线布局重构模块对智能生产线进行重新布局，确定智能生产线所包含的制造单元及单元的位置，并确定物料和运输设备的位置。R3.3 生产调度重构模块使用生产调度算法进行排产，确定产品生产顺序和加工步骤顺序，以实现生产过程的既定目标。R3.4 物流调度模块利用物流调度算法，确定线边库存、AGV运行路径、AGV调度计划等物流管理策略。若只启用部分功能，则仅执行相关步骤即可。c) 结果验证与下达（V）阶段V1 监控模块将根据计算结果，利用仿真模型进行虚拟测试。V2 通过测试后，监控模块对智能生产线各部分下达新的生产指令，并对数据模块中相应的数据进行更新。如未通过则重新调整。V3 物理层执行指令，完成调整。d) 效果监控与反馈（S）阶段S1 执行层采集调整后智能生产线的各类数据并上传。S2 数据模块继续接收并处理来自智能生产线的各类数据。 S3 监控模块监控生产过程的状态及变化。S4 对上一轮重构效果进行评估，对结果进行反馈。S5 仿真模块和重构功能层学习反馈结果，做出相应调整。图2 智能生产线虚拟重构的流程定义实体生产线的重构，可仅根据重构指令，实现虚拟重构给出的工艺流程、生产线布局、生产调度和物流调度策略，完成相应的操作。注1：智能生产线的虚拟部分体现在生产线虚拟仿真和重构结果虚拟运行；智能生产线的重构部分体现在实时、快速规划工艺流程、生产线布局、生产调度和物流调度。智能生产线虚拟重构，集合了运筹优化和仿真优化的优点，既利用运筹模型为优化提供方