ICS 25.040.40 CCS J 07
GB
中华人民共和国国家标准
GB/T43209—2023
自动化系统与集成
智能生产线虚拟重构技术要求
Automation systems and integration-
Virtual reconstruction technical requirements for smart production lines
2024-04-01实施
2023-09-07发布
国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会
发布 GB/T43209—2023
目 次
前言 1 范围 2 规范性引用文件 3
术语和定义缩略语总体架构 5.1 概述 5.2 物理层 5.3 虚拟控制层 5.4 重构功能层流程定义物理层要求 7.1 数据采集能力要求 7.2 网络要求 7.3 设备可重构要求 7.4 制造单元划分要求虚拟控制层要求
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Y
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8.1 数据模块要求 8.2 仿真模块要求 8.3 监控模块要求重构功能层要求 9.1 工艺流程重构模块建模要求 9.2 生产线布局重构模块建模要求 9.3 生产调度重构模块建模要求 9.4 物流调度重构模块建模要求. 9.5 重构算法性能要求 9.6 重构模型算法修改要求参考文献
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12 12 13 GB/T 43209—2023
前言
本文件按照GB/T1.1一2020《标准化工作导则 第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。 本文件由中国机械工业联合会提出。 本文件由全国自动化系统与集成标准化技术委员会（SAC/TC159)归口。 本文件起草单位：清华大学、北京机械工业自动化研究所有限公司、香港大学、北京航空航天大学、
北京电子工程总体研究所、北京理工大学、重庆大学、联想（北京）有限公司、东风汽车集团股份有限公司、华中科技大学、中国科学院自动化研究所、浙江大学、航天科工仿真技术有限责任公司、北京工业大数据创新中心有限公司、中国电子技术标准化研究院、苏州海通机器人系统有限公司、北京极智嘉科技股份有限公司、浙江国自机器人技术股份有限公司。
本文件主要起草人：申作军、王海丹、邓天虎、任磊、李霏、张金会、李帅、李孝斌、于辰涛、王子涛、 李金村、尹作重、马国财、邹薇、刘胜、付根深、田凌、赖李媛君、李明、秦虎、孙洁香、王凯、吕荣生、高健、 谭文哲、刘玉明、田春华、邵磊、郑洪波、陶熠昆、胡琳、魏锡光。
I GB/T43209—2023
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)技术要求及重构功能层技术要求。
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，
规范性引用文件
2
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。
GB/T37973—2019 信息安全技术大数据安全管理指南 GB/T39334.2—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/T42447—2023 信息安全技术电信领域数据安全指南
3术语和定义
3
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
生产线 production line 专用于生产特定数量产品或产品系列的设备集合。 ［来源：GB/T20720.1—2019,3.1.33]
3.2
智能生产线 smartproductionline 将仪表及自动化技术、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线进行计划、实行、管理、监控与优化的实施单元。 3.3
虚拟生产线 virtualproductionline 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。
3.4
生产线重构 productionlinereconfiguration 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，优化生产等的过程
3.5
虚拟重构 virtualreconfiguration 利用智能生产线提供的数据，对生产线设备、工艺、产品、活动、状态等进行仿真，并对生产线流程、
布局、排产、物流等进行实时优化，
1 GB/T43209—2023
3.6
制造单元 manufacturingunit 使一种或多种原料转换、分离或反应直到生产出中间或最终产品的设备集合。
3.7
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。
3.8
物料material 与产品生命全周期有关的材料、毛坏、半成品、外协件和包装物等的总称。 L来源：GB/T39259—2020，3.1
3.9
数据采集 digital acquisition 将传感器植人生产线设备中，实时采集描述设备特定运行状态的数据，并通过网络传人数据库中。
3.10
数据清洗 datacleaning 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。 3.11
仿真模型 simulationmodels 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。 3.12
工艺流程flowprocess 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/T24742—2009,2.1]
3.13
生产线布局 production line layout 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/T39334.2—2020,3.2]
3.14
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）。
3.15
物流调度 logistics scheduling 在制造资源分配过程中所涉及的物流调配。
4缩略语
下列缩略语适用于本文件。 2D：二维（2dimension） 3D：三维（3dimension) AGV：自动导引运输车（AutomatedGuidedVehicle）
2 GB/T432092023
BOM：物料清单(BillofMaterial) RFID：射频识别（RadioFrequencyIdentification)
5 总体架构
5.1 概述
智能生产线虚拟重构架构包括物理层、虚拟控制层和重构功能层，见图1。涵盖了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
工艺流程重构模块工艺构
生产续布局玉构被块静态和月直将 财态和月五构
液窄致构
玉构功批层
物激调度或构模换动心路经通构 运筋策略亚构
生产调凉速料模决
产品生产航序益构 加工步激取序监构
结果验入
学习更新
启动相令 净版撤入
效果反馈
主动宽构
寿 反药赖 图解浓牌数据撤入 数据更新
控编染
医药特
仿真监物
效果发快
提型流用 参数调用 - 激果及馈
数搭械块数据存储
仿真棋块应报坐产编
成板控制
家裤空安烫
微态数器静态装轩
4
据洁洗
儿何机型 物型 行为模至 效则模型
下达放构指会
数据按收
学更新
多源异构数据传新
生产战静态有局
生产线动态有局运输设各
物城压
创港单元 州逸单元
创造单元
坐产诞文 电球面
志福 安
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、物流调度等输人，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，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。
3 GB/T 43209—2023
仿真模块包含生产线的多种仿真模型，分别为表观模型、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流程应与图2相符合。流程分为以下四个阶段。 a）娄 数据采集与仿真（A)阶段
1）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。 2）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。 3）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
1）R1监控模块实时监控生产过程的中的异常与变化，并判断原因。R1包含两部分工作：
一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（设备损坏环、在制品
积、负载不均衡等）； R1.2监控模块也可提前接收来自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。
2）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。 3）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；
一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
1）V1监控模块将根据计算结果，利用仿真模型进行虚拟测试。
4 GB/T43209—2023
2） 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 3） V3物理层执行指令，完成调整。
d) 效果监控与反馈(S)阶段
1）S1执行层采集调整后智能生产线的各类数据并上传。 2) S2数据模块继续接收并处理来自智能生产线的各类数据。 3) S3监控模块监控生产过程的状态及变化。 4) S4对上一轮重构效果进行评估，对结果进行反馈。 5) S5仿真模块和重构功能层学习反馈结果，做出相应调整。
S3监控模块监测生产过程评估重构效果
S4结果反馈 厂评估 S5.2革构功
能层更新重构策略
结果人
动态数据
A3/s5.1仿真模块更新仿真模型
多源异 A2/S2数据模
R1监控模块实时感知生产异常与变化，并判断原因
A1/S1物理层采集数据并上传
块按收清洗存储 数据库【 多源异构数据
构数据
静态数据
V3物理层执行相应指令继
R1.1利用实时仿
真模型实时发现生 R1.2接收米自外部
续生产
的生产线变化信息
产过程异常
重构指令
重构指令
重构指令
V2验证通过向物理层下达重构指令更新相关数据
R2蓝控模块实时判断是否启动全部 /部分重构功能
新流程 R3.1重新确
定工艺流程
否
是一通过
V1监控模块利用仿真模型验证重构结果
R3重构功能层
新布局 R3.2生产线
是
按照指令实行单构功能
重新布局
新计划 R3.3调整安
排生产计划
否
新调度 R3.4协调物
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向、又利用仿真模型快速验证结果。同时克服了运筹优化结果难验证、仿真优化过程育目尝试的缺点。
注2：与传统生产线规划或重构方法相比，智能生产线虚拟重构的优势在于：实时采集、分析数据并建模，形成虚拟
生产线，使重构结果与生产线的实时状态更匹配；通过虚拟测试，可尝试多种重构方案，提高重构的优化水平；降低验证方案可行性或最优性的成本，并且降低重构后对生产过程带来不良影响的风险；可对重构效果进行评估，反馈给仿真模块和功能模块，对仿真模型和重构算法进行训练，快速提升优化水平。
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