GB/T 35117-2017 制造过程物联功能体系结构

　　ICS 35 . 240 . 50 J 07

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 351 17—2017

　　制造过程物联功能体系结构

　　Functionarchitectureforinternetofthingsinmanufacturingprocesses

　　2017-12-29 发布 2018-07-01 实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

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　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　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这些专利的责任。

　　本标准由中国机械工业联合会提出。

　　本标准由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC 159)归口 。

　　本标准起草单位：北京机械工业 自 动化研究所、清华大学、西北工业大学、中国水利水电科学研究院。

　　本标准主要起草人：尹作重、黄双喜、黎晓东、张映峰、杜峻、李江华、孙洁香、王海丹、杨秋影、郭栋。

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　　引 言

　　随着物联网(Internet of Things,IoT)在制造领域的渗透，制造企业的研制过程已由传统的“黑箱”模式向“多维度、透明化泛在感知”模式发展。 通过传感器、射频识别、全球定位系统等物联网技术，可以 实时采集需要监控、连接、互动的制造对象和过程，实现物与物、物与人的泛在链接，达到对制造对象和 过程的智能化感知、识别与管理。

　　制造过程物联系统是以物联网技术为驱动力的制造系统，有力地推动着制造系统向全球化、信息化、智能化、绿色化方向发展。

　　制造物联系统是一个复杂大系统，涉及多学科领域的技术，由不同子系统和功能模块组成，需要采用工程化、标准化方法进行系统体系结构的设计与实施。

　　作为体系结构的标准，本标准不涉及制造物联系统实现的具体细节。

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　　制造过程物联功能体系结构

　　1 范围

　　本标准给出了制造过程物联系统的体系结构、制造过程物联系统在功能和实现方面的参考模型。本标准适用于制造过程物联系统的选型、开发及实施。

　　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。

　　IEC 62264-1 : 2013 企业控制系统集成 第 1 部分：术语和模型 (Enterprise-control system inte- gration—Part 1 : Models and terminology)

　　3 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　3.1

　　制造过程物联系统 internetofthingsinmanufacturingprocesses

　　通过物联网技术实现制造企业生产过程信息感知、传递和处理的系统。

　　3.2

　　体系结构 architechture

　　系统结构、行为和属性的高级抽象。

　　注：体系结构不仅指定了系统的组织结构和拓扑结构，并且显示了系统需求和构成系统的元素之间的对应关系，提供了一些设计决策的基本原理。

　　3.3

　　多层体系结构 N-tiersarchitecture

　　用于定义(系统)的结构及系统成员间相互关系的一套规则。

　　注：多层体系结构通过将表示层、逻辑层和数据层的处理相分离，为软件开发提供更好的灵活性、扩展性和伸缩性，支持组件化设计。

　　3.4

　　软构件 softwarecomponent

　　语义完整、语法正确和有可重用价值的单元软件。

　　注：软构件是软件重用过程中可以明确辩识的系统。 结构上，它是语义描述、通讯接口和实现代码的复合体。

　　3.5

　　功能构件 functioncomponent

　　系统中从用户视角可明确区分的、业务功能独立的构成成分。

　　注：功能构件具有面向对象软件设计特性，支持这种中间件的任何其他语言都可以在运行代码的级别上使用它，而不是使用其源码。

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　　3.6

　　子系统 subsystem

　　系统的组成部分，对应于相对独立的一组业务的集合，可以独立于其他子系统单独使用。

　　示例：物物互联子系统，它处理的业务主要是通过配置不同的传感器设备于不同的制造资源，实现不同制造资源的互联和互感。

　　3.7

　　功能 function

　　系统基本集成单元，对应于一个具体的业务。

　　示例：物物互联子系统中的实时信息感知操作。

　　3.8

　　模块 module

　　功能的具体实现步骤。

　　示例：在物物互联子系统中的实时信息感知操作功能，可以分为制造资源端传感器读取模块(传感器感知事件)，服务器端处理模块等。

　　4 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　AP：接入点(Access Point)

　　ERP：企业资源规划(Enterprise Resource Planning)

　　MES：制造执行系统(Manufacturing Execution System)

　　PLM：产品生命周期管理(Product Lifecycle Management)

　　RFID：无线射频识别(Radio Frequency Identification)

　　5 制造过程物联的体系结构

　　5 . 1 制造过程物联系统的设计原则

　　制造过程物联系统是一个复杂的软、硬件系统，为了清晰地确定系统，应该将制造过程物联系统按照递阶分解的原则划分为子系统-功能-模块。

　　系统单元是可复用的，可以为其他多个子系统、功能和模块服务。

　　可复用的系统单元应采用构件方式进行软件实现。 子系统、功能、模块都可以对应着相应的软件构件 。这主要取决于制造过程物联系统在封装构件时，是在哪一级上以标准的方式开放其应用接口 。

　　制造过程物联系统的功能构件从系统的业务逻辑的角度定义了可复用的功能单元，它一般直接对应着相应的具体业务功能。 功能构件可以由一个或多个软构件来实现，此时一个功能构件可以对应着粒度为功能或模块的一个或多个软件构件。 多个功能构件也可以对应着一个软件构件，例如多个功能构件可以对应着一个粒度为子系统的软件构件。

　　在递阶分解原则基础上，制造过程物联的体系结构应体现如下特征：

　　a) 技术成熟性：基于目前成熟的、最新的软件开发技术及信息化技术。

　　b) 架构开放性：制造过程物联系统不仅可以运行在基于标准的 Web 开放模式下，同时应以符合业界标准的形式向其他相关软件(如：MES、ERP、PLM 等)开放其接 口，作为公开的形式任何接受开放接口的软件都可以在执行代码级上调用或使用制造过程物联系统开放的功能，实现和制造过程物联系统的功能及数据的交换。

　　c) 平台性兼容性：跨平台性使得制造过程物联软件有很强的可扩展性，使其可以适用于从中小型

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　　企业到大型集团化企业的广泛领域。

　　d) 标准满足性：遵循并满足国际上开放的业界标准。

　　5 . 2 制造过程物联功能体系结构

　　5 . 2 . 1 制造过程物联系统功能层次模型

　　制造过程物联系统的功能层次模型是制造过程物联系统实现过程中需要遵循的指导性框架规范。如图 1 所示，制造过程物联功能体系包括四个层次，即制造资源物物互联层、动态事件实时感知层、信息整合层和应用服务层。

　　图 1 制造过程物联功能层次模型

　　5 . 2 . 2 制造资源物物互联层

　　制造资源物物互联层基于物联网技术对制造过程涉及的多源信息进行采集，实现不同制造资源的互联。 制造资源物物互联包括制造物联网优化配置与制造资源建模两方面内容：

　　a) 制造物联网优化配置：

　　制造物联网为制造物联系统提供底层通讯网络。 制造过程物联涉及的制造信息具有多源、复杂的特征，包括操作员工、在制品、物料等的移动信息和状态信息、工件的加工信息(工件加工的几何信息)、设备的工况信息(如：机床振动)等;传统的有线网络和基于无线 AP 的网络解决方案存在场地限制、制造资源移动性强和通讯盲点等问题，不适用于复杂车间环境中动态制造信息的传输。 制造物联网需要选用具有动态自行组网和最大可能地消除盲点的特性的异构多跳网络，以实现复杂车间环境中动态制造信息的可靠传输。

　　b) 智能制造资源建模：

　　制造资源具有感知交互能力是制造过程物联系统的重要特征。 通过为不同制造资源(如人、设备、物料、工具等)配备相应的传感设备，使得制造资源具有一定的逻辑行为能力，能主动感知其周围制造环境的变化，也能基于传感网反映该制造资源的实时运行状态和环境变化数据。

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　　根据配备的传感设备功能的不同，智能制造资源分为具有感知能力的智能制造资源和被感知的智能制造资源。 以 RFID传感设备为例，配备了 RFID标签的车间工作人员、托盘以及安置了 RFID读写器和传感器于测量设备的制造设备等都可看作是智能制造资源。 其中，配备了RFID读写器等的制造资源可看作是具有感知能力的智能制造资源，因为安置了 RFID读写器的制造设备可以在一定的距离范围内感知配备了 RFID 标签的可感知智能制造资源(配备了RFID标签的员工、托盘、物料等)的活动状态。

　　5 . 2 . 3 动态事件实时感知层

　　动态事件实时感知是制造过程物联系统主动地获取制造执行过程动态信息的重要方式，也为制造执行过程的动态优化决策提供原信息。 图 2 给出了动态事件实时感知子系统的参考模型。

　　图 2 动态事件实时感知参考模型

　　采用面向制造过程的多层次事件体系(原始事件和关键事件)的层次结构，可以更好地描述多层次事件间的时序关系和逻辑关系。

　　原始事件是关键事件处理技术中的一个基本概念，是指传感器捕获的事件，通常包含三个最基本的要素：事件主体(e)、内容(c)和时间(t)。关键事件由原始事件或者复杂事件经过一定的规则运算而合成的一类新的有意义的事件，如生产任务执行监控、在制品库存监控等。

　　在关键事件和原始事件的关系描述方面，采用操作符对关键事件进行描述。 主要用到的操作符包括时序操作符(如：顺序关系)，逻辑关系操作符(如：与、或关系)，层次关系操作符(如：包含关系)和运算

　　操作符(如：数学运算)等。

　　5 . 2 . 4 信息整合层

　　信息整合是制造过程物联系统对获得分散的原始事件的实时数据进行整合，以实现数据的增值，进而为制造过程的动态优化决策提供原信息。 图 3 给出了信息整合子系统的参考模型。

　　制造过程物联系统采用基于事件驱动架构的方式对制造过程进行主动感知，每当检测到新事件的发生则通过该原始事件与关键事件的数据模型，获得相应的制造过程现况。 具体实现框架包括三个阶段：

　　a) 基于多层次事件数据模型和描述模板，面向制造过程的关键监控点(如生产任务执行监控、设备负荷监控、在制品库存监控、员工生产能力监控等)，即关键事件，建立多层次事件间的关联模型;

　　b) 采用操作符构建关键事件模式树和对应的动态存储结构，建立基于时序关系和逻辑关系的关键事件处理的操作符;

　　c) 应用关键事件处理引擎对关键事件所涉及的各级多层次事件的遍历、匹配和执行，并结合各类传感设备在制造执行层捕获的实时数据进行操作运算以获得制造执行过程关键监控点的实时执行信息。

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　　图 3 信息聚合的参考模型

　　5 . 2 . 5 应用服务层

　　应用服务层是制造过程物联系统中的面向领域应用的子系统，其核心是如何应用获得制造过程实时数据和信息为制造过程的优化提供应用服务。 图 4 给出了应用服务子系统的参考模型。

　　图 4 基于实时信息的应用服务参考模型

　　应用服务包括实时制造进度/成本监控与追溯、实时在制品状态监控与追溯、实时生产异常感知、制造任务动态调度、制造物料准时配送、实时制造性能分析、生产准备时间的标准化、实时进度与计划的比对。

　　5 . 3 制造过程物联业务架构

　　制造过程物联业务主要包括获取制造任务、生产准备、生产、过程信息监控、任务完成五个业务环节。

　　制造过程物联的业务层次模型应符合 ISO/IEC 62264-1 : 2013 所规定的企业控制系统层次结构。如图 5 所示，制造过程物联系统结构包含四个业务层次：

　　a) 企业资源计划层：创建工厂主计划，包括生产、原材料使用、配送和运输等;决定库存水平。 典型的处理时间级别是：月、周 、日 。

　　b) 工厂生产计划层：生产制造过程的控制与优化。 典型的处理时间级别是：班次、小时、分钟、秒。

　　c) 生产现场层：生产现场监测与控制，包括生产过程的跟踪、监测与控制。 典型的处理时间级别是：小时、分钟、秒、毫秒。

　　d) 过程控制层：设备及制造过程数据感知及处理。 典型的处理时间级别是：秒、毫秒。

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　　图 5 制造过程物联业务架构

　　6 制造过程物联系统参考实现模型

　　制造过程物联系统参考实现模型定义了软件实现的推荐模型。

　　制造过程物联系统应采用多层体系架构，为软件的可扩展性及可维护性提供支持。 制造过程物联系统应采用构件方式实现系统的各项功能，使系统可以支持基于工作流的、面向业务流程的重组，提高制造过程物联系统的可配置性和适应性。 制造过程物联系统推荐将构件根据其业务类型划分为基础功能构件、基础业务构件、业务逻辑构件、客户端构件四个层次：

　　a) 基础功能构件负责对操作系统、数据库、应用服务器、Web 服务器等的操作或通讯;

　　b) 基础业务构件是系统中的通用构件，它们被具体的制造过程物联业务处理构件调用;

　　c) 业务逻辑构件是实现具体的制造过程物联业务逻辑的构件，每一个构件可以完成某一方面的业务处理功能，例如过程监控业务构件、性能分析业务构件等;

　　d) 客户端构件是用来完成客户端界面的构件，包括动态页面程序，自定义标签，客户端控件等。

　　7 制造过程物联功能系统参考评价体系

　　制造过程物联系统的评价体系既要反映出制造过程物联系统的功能特征，又需要对制造物联系统的网络及实现特征进行评价。 不同类型的生产企业可根据需要从不同的层次上对制造过程物联系统进行分析和评价。 如图 6 所示，制造过程物联功能系统参考评价体系包括传感网结构指标、功能结构指标及软件结构指标三个方面。

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　　图 6 制造过程物联功能系统参考评价体系