机床制造数字化车间信息模型

车间/工厂内普遍存在来自不同厂家且功能各异的自动化装备和系统，其在信息层面表现为分布于不同网络层次的异构数据。异构系统与设备之间的互联互通是实现制造信息化和智能化的基础，是数字化车间集成的一个核心问题。解决这一问题的关键是建立规范一致的信息模型。针对机床制造行业面向智能制造的转型升级需求，为实现机床制造数字化车间内不同网络层次和异构的设备、系统之间的互联互通，在智能制造专项的支持下，课题组针对数字化车间标准缺失的问题，建立了机床制造数字化车间信息模型，并开发机床制造加工数字化车间信息管理系统，完成标准验证，最终根据研究成果起草形成了GB/T37928-2019《数字化车间 机床制造 信息模型》推荐性国家标准。

数字化车间系统架构及信息流

按照“确定领域—分析活动和功能—确定分析对象—找信息流—信息分类—建立模型”的逐层分解法建立数字化车间信息模型。在智能制造系统架构中，数字化车间包含设计、生产、物流三个生命周期维度，涵盖设备、单元、车间三个系统层级，其智能功能特征覆盖资源要素、互联互通、融合共享和系统集成，如图1所示。根据GB/T 25485-2010《工业自动化系统与集成 制造执行系统功能体系结构》，数字化车间的核心功能范畴应包括生产运行管理、物流运行管理、质量运行管理和维护运行管理。结合机床生产制造需求，机床制造加工数字化车间各功能模块及相互之间的主要信息流如图所示。

数字化车间信息模型

在信息模型中，将数字化车间的各个组成部分定义为组件，其中功能模块定义为功能组件，生产要素定义为资源组件。对象包含的数据采用属性进行定义，各组件或对象包含的所有信息数据的集合称为它的属性集。根据信息数据的静态性和动态性，将属性分为静态属性和过程属性，静态属性形成静态属性集，过程属性形成过程属性集。各属性集包含若干个信息对象的属性数据，信息对象由属性进行描述，属性由属性元素组成。由此定义数字化车间信息模型的层次结构如图所示。数字化车间信息模型是一个可扩展的树形结构，允许属性集和组件之间的嵌套。上述定义中，属性集、组件集均是构成车间信息模型描述的抽象的结构化元素，其不是实际某个对象的映射，不包含实际的内容，只用于组织模型的框架和层次。

基于OPC UA的实现方法及其试验验证

在机床制造加工数字化车间信息模型的抽象框架基础上，面向其实际实现问题，以北一机床数字化车间为实现案例，形成具有实际意义的信息模型对象，基于具体的描述方法和通信机制，完成了信息模型的实例化，实现对实例化信息模型的组织和存储。基于OPC统一构架(OPC Unified Architecture，OPC UA)，提出了一种基于OPC UA协议的信息模型实现方案。建立了该信息模型在OPC UA地址空间中的映射规则和基于OPC UA服务器/客户端实现信息模型数据存储和交互的方法。最终，在北一机床现场完成了所提出的信息模型及其实现方法的验证，通过开发信息模型服务器、加载器和信息管理系统，成功实现了基于数字化车间信息模型的车间信息管理和监控，验证了所提出的机床制造加工数字化车间信息模型的实用性。

最终，在理论研究和试验验证的基础上，起草形成了《数字化车间 机床制造 信息模型》推荐性国家标准，该标准已于2019年8月30日发布，标准号为GB/T37928-2019，并与2020年3月1日起实施。该标准为我国子2015年实施智能制造专项以来的第一批7项智能制造国家标准之一。

Related Publications:

王立平, 张兆坤, 邵珠峰, 王民. 机床制造加工数字化车间信息模型及其应用研究[J]. 机械工程学报, 2019, 55(9): 154-165.DOI: 10.3901/JME.2019.09.154.

张兆坤, 邵珠峰, 王立平, 赵钦志, 张云峰. 数字化车间信息模型及其建模与标准化[J]. 清华大学学报（自然科学版）, 2017, 57(2): 128-133,140.DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2017.22.003.