電力設備數字化標準一體化支撐智能制造

劉育權，宋禹飛，梁錦照，于秋玲

（1.中國南方電網有限責任公司，廣州 510663；2.南方電網數字電網集團有限公司，廣州 510000）

0 引言

在全球工業4.0時代，制造業數字化轉型成為必然趨勢。在電力設備制造向數字化、網絡化、智能化轉型發展的過程中，標準數字化形成的數字化標準奠定了智能制造的基石［1-4］。

早期文本化、電子化的標準，缺乏結構化和語義化信息，停留在專家人工識讀的低效應用層面，標準的執行依賴于第三方認證機構的評價，整體環節的效率與效果有待提升。機器可識別、可執行和可決策的數字化標準與智能制造一體化融合應用，實現“標準即數據，標準即軟件，標準即服務”的標準新型應用模式，可以為電力設備智能制造提供從設計、生產到運維等全生命周期的標準支持，實現電力企業數字化轉型的創新變革。

數字化標準支撐智能制造，而智能制造又加速數字化標準建設。因此，數字化標準與智能制造一體化融合應用，可以同時促進兩者的發展，具有理論和應用研究的價值和意義。

1 標準數字化概述

標準數字化是大勢所趨，是目前國內外熱點的研究課題。數字技術和實體經濟深度融合，是國家實現“十四五”戰略發展的目標，這種融合包含了制造標準與數字技術融合的標準數字化轉型。標準數字化是將標準進行結構化和語義化處理，使之標準的應用機器可識別、可執行和可決策，這是制造業標準應用發展的一個里程碑［5-10］。

1.1 國內外標準數字化發展

標準數字化可以追溯到20年前標準本文檢索和在線預覽的機器可閱讀需求年代，經過近20年的發展，標準數字化取得了長足的發展。

2005年，美國航空航天工業協會（AIA）提出未來標準將作為一系列數據單元進行管理和控制，而不是一堆非結構化的電子圖表文件，使用者尤其是機器能夠在設備制造中方便地引用標準單元數據。

2008年，我國國家標準GB/T 22373—2008“標準文獻元數據”對標準文獻核心元數據、公共元數據等給出了定義及其表示方法，規范了標準文獻數據集合的基本元數據。

2009年，中國航空領域相關機構借鑒美國波音經驗，提出“標準即數據、使用即標準”的新型標準應用模式，將標準結構化處理為數據單元，并通過標準數據與工業軟件、操作系統等結合，讓標準的使用形式能夠基本滿足應用需求。

2011年，ISO為改進出版系統，以NISO Z39.96-JATS為基礎，與Mulberry公司合作開發出了ISOSTS（ISO標準標簽集），對標準描述所需元數據結構中的結構、文本、表格、公式、圖形、圖像、術語、參考引用等的標記類型和規則進行定義和規范，成為一種可用來發布和交換標準內容的通用格式。目前，BSI、SIS、NEN、SA以及一些經銷商均采用了ISOSTS。

2017年，IEC在其發展規劃中提出要為可直接由機器使用的新型數字標準進行根本性改變做準備；CEN和CENELEC發布《CEN-CENELEC數字化轉型戰略計劃》，將標準數字化工作作為確保工業領域數字化轉型的重要的舉措；DIN/DKE為支持企業數字化轉型，也將“未來機器可執行標準的結構和格式”作為其重點領域。

2018年，ISO通過技術管理委員會94號決議（TMB Resolution 94/2018），成立了機器可讀標準的戰略咨詢小組（SAG/MRS），提出機器可讀標準（SMART）概念，發布了實施路線圖。

2019年，英國BSI啟動在數字化環境中進行標準協作開發的敏捷流程。俄羅斯在《2019—2027年俄羅斯標準化發展措施方案》中，提出將國家標準轉換為“機器可讀格式”，提出將標準庫中80%的標準轉化為機器可讀標準的目標。

2020年，CEN和CENELEC發布《2020年歐洲標準化工作戰略重點》，提出繼續開展在線標準化項目、未來標準項目以及開源創新項目，并圖解《2020年歐洲標準化工作規劃》十大戰略重點；IEC SMB重啟SG12“數字化轉型和系統方案”戰略組，開展數字化轉型方法與IEC及其標準數字化等內容的研究。

2021年，ISO發布《ISO戰略2030》，將數字技術作為ISO變革的驅動因素，創新ISO標準創建、編排格式和交付內容的方式；CEN和CENELEC發布《CEN-CENELEC戰略2030》，推出機器可用、可讀和可譯等標準，將標準內容無縫和自動嵌入到公司的工作流程；ANSI正式發布《美國標準戰略》（USSS 2020），提出使用數字化工具有效地優化全球標準的制定，促進數字化標準在全球經濟發展中的傳播；中國發布《國家標準化發展綱要》，明確不斷提高標準數字化水平，發展機器可讀標準以及開源標準的目標；IEC CB成立“SMART標準化與合格評定”任務組。

2022年，我國籌建全國標準數字化標準化工作組，在標準數字化的基礎通用、建模技術以及其他共性應用技術等領域，開展國家標準的修訂工作。

1.2 標準數字化的等級分類

標準數字化具有階段性的發展特征，IEC和ISO按機器可讀標準的能力需求，將標準數字化發展階段分為5個等級，每一等級對應不同的機器可讀能力，圖1是標準數字化的等級分類模型。目前，這個等級分類模型得到了眾多國際、區域和國家標準化組織的認同，其中的第2—4等級是具備高階數字化能力的SMART標準等級。

圖1 IEC和ISO標準數字化等級分類模型Fig.1 Standard digitization grade clsssification model of IEC and ISO

目前，國際標準化組織、標準化機構、聯盟團體以及大型企業已達到的標準數字化機器可讀的能力水平差距較大。我國國家標準大部分仍停留在電子化可閱讀的1級標準等級水平，3—4級標準等級仍然處在探索階段；國際標準及部分先進國家標準大部分已達到2級標準等級水平，一些試點領域已達到3—4級等級水平；歐洲ECLASS協會發揮ECLASS標準的機器可讀優點，眾多標準已經實現3～4級等級水平。

1.3 標準數字化的關鍵技術

目前，標準數字化關鍵技術的研究圍繞機器可讀能力的第2至第4等級的SMART標準展開，包括機器可識別、可執行以及可決策的共性關鍵技術。

1.3.1 數字化標準機器可識別的關鍵技術

數字化標準機器可識別的關鍵技術包括拓展標準標簽集技術以及公共數據字典庫技術。

1） 標準標簽集技術，應用XML等標記語言構建通用的標準信息模型，用于分析標準結構和技術內容要素。標準信息模型定義標準的層次及內容，并以此為基礎，對特定標準化對象的類和關系，定義通用標準標簽集及其屬性，結構化表示標準框架和主要元素。

2） 公共數據字典技術，定義設備標準單元、數據結構以及標準元素等的數據類標準，包括編碼、名稱、類型、從屬關系屬性以及描述對象單元所需的信息分類和屬性等，構成描述不同技術內容的屬性集合，實現標準對象單元本體的數據字典資源，支持數字化標準的修編、評估、確認及發布；支持標準關鍵內容的實時在線查詢、管理及應用；支持不同系統、不同企業及不同行業之間的機器可識別標準數據的公共服務等。

1.3.2 數字化標準機器可執行的關鍵技術

標準數字化實現機器可執行的關鍵技術包括標準管理接口組件化技術和標準內容的語義化技術等，支持數字化標準全要素的機器自動訪問和操作，以及支持標準在不同系統間的互聯、互通及交叉引用等操作。

1.3.3 數字化標準機器可決策的關鍵技術

標準數字化實現機器可決策的關鍵技術包括知識圖譜構建技術以及知識圖譜智能搜索技術。

1） 知識圖譜構建技術。知識圖譜是結構化的語義知識庫，其基本組成單位是（實體、關系、實體）三元組，以及實體及其相關“屬性—值”對，實體之間通過關系相互聯結，構成網狀的知識結構。構建知識圖譜的方式有自頂向下和自底向上兩種，自頂向下的方式是從高質量數據資源中提取本體和模式信息，加入到知識庫中；自底向上的方式是借助數字技術手段，從公開采集的數據資源中提取出資源模式，選擇其中置信度較高的信息，加入到知識庫中。構建知識圖譜的關鍵技術包括：自然語言處理技術、大數據技術以及人工智能機器學習技術等。知識圖譜的構建是“信息抽取—知識融合—知識加工”不斷迭代的過程。

2） 知識圖譜智能搜索技術。數字化標準機器可決策能力依賴于知識圖譜及其智能搜索的技術水平。智能搜索基于數字化標準文本的語義模型，使用應用場景的語義和語境知識，應用人工智能自然語言處理技術構建智能搜索引擎，支持數字化標準機器可決策的功能。

1.4 標準數字化的研究方向

現階段我國標準數字化還處于紙質標準結構化、標準文檔電子化的數字化初級階段，鮮有3～4級標準等級水平的研究成果。

我國長期跟蹤國際標準化工作的研究方向及應用發展，在基礎原理與方法研究方面，中國標準化研究院作為SAC/TC 286（標準化原理與方法）秘書處承擔單位，制定GB/T 1《標準化工作導則》等系列國家基礎性標準，為我國標準數字化工作提供理論基礎；在標準內容語義化研究方面，國家標準館基于語義識別技術及國內外標準數據，研究開發出中外標準內容指標比對系統，為標準內容語義化研究及應用提供參考；在知識圖譜應用研究方面，中國電子技術標準化研究院提出并立項了IEEE標準P2959《面向標準的知識圖譜技術要求》，為我國標準數字化知識圖譜構建提供技術指導；在數字化標準數據集建設研究方面，中國標準化研究院牽頭起草GB/T22373—2021《標準文獻元數據》等數字化標準文獻的數據標準，推動和促進我國標準數字化轉型的發展。

在跟蹤國際標準數字化工作的過程中，我國標準化組織和管理部門已認識到標準數字化轉型對制造業設備智能制造的重要意義。雖然我國目前的標準數字化整體水平與國際先進水平差距較大，但已經在整合資源、筑牢基礎、應用試點、國際交流等方面積極行動，做了大量卓有成效的標準數字化工作，標準數字水平差距正在不斷縮小。

2 智能制造支撐電力設備概述

電力設備智能制造在信息系統和數字化標準支持下，實現物理實體與虛擬實體的深度融合。信息系統使用智能傳感技術、計算機通信、控制技術和數字孿生技術，應用電力設備機理虛擬孿生建模，在數字空間構建電力設備的虛擬孿生實體，通過智能傳感器數據的虛實交互映射，信息系統識別、執行和決策電力設備的數字化標準，實現數據驅動的電力設備智能制造的設計、生產和維護，提高電力設備研發的進程和質量，降低電力設備制造的設計、生產和維護成本［6-9］。

2.1 國內外智能制造發展[9-10]

智能制造概念源于20世紀80年代末Wright和Bourne 合著的《智能制造》一書，經過近30年的發展，智能制造的內涵和外延得到不斷的拓展和豐富。智能制造與數字化標準和信息系統深度融合，已成為全球制造業的發展趨勢。

20世紀80年代初，歐洲國家頒布《信息技術發展戰略》計劃，強調智能制造技術的研發，瑞士ABB、德國西門子和法國施耐德電氣公司等，已將人工智能技術應用到工業控制設備制造及其控制系統中；英國頒布“高價格制造”策略，從2012年開始連續4年，幫助14個制造企業等機構進行智能制造建設；英國政府科技辦公室頒布《英國工業2050戰略》，將智能制造作為英國制造業發展的一項長期執行的戰略計劃；德國2013年推出的工業4.0戰略，以信息物理系統為中心，推動如高端制造等戰略性新興產業的發展。

2011年，美國政府聯合產業界和學術界共同組建智能制造領導聯盟，發布《實施二十一世紀智能制造》，對智能制造發展的目標、路徑和建設提供可參考的標準；2012年，美國國家科技委員會發布《先進制造業國家戰略計劃》，在實現制造業智能化戰略目標過程中，強調創新在智能制造中的引領作用，鼓勵開放式及多形式的全民創新，始終把創新驅動戰略放在首位。

20世紀80年代末，日本提出通過對制造業的智能化改造方式提高要素生產率；近年來，日本通過加強知識產權保護以及促進產學研深度合作，鼓勵設備智能制造的技術創新和進步。

2014年，韓國提出“制造業革新3.0戰略”，將傳統優勢的信息及軟件技術融入制造業，實現制造產業的轉型升級；2015年末，發布“智能制造研發路線圖”，應用智能制造技術實現規?；漠a業應用；近年來，建立創新經濟中心支持中小企業的智能化工廠建設項目。

2015年，我國頒布《中國制造2025》以及《國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）》，明確以推進智能制造為制造業發展的主攻方向，提出智能制造標準體系應用標準的建設目標，推動制造業協同創新和向服務型、智能型制造的轉變。

目前，我國智能制造在數字化標準、自主核心技術以及創新體系等方面仍落后于一些西方發達國家，一些高端電力設備智能制造水平仍處在全球制造業的價值鏈下游。

2.2 智能制造關鍵技術

臧冀原等人將智能制造技術概括為智能設計、智能產品、智能裝備、個性化定制智能生產、智能管理及智能服務等6個方向，關鍵技術包括數字孿生技術、智能傳感器技術、人機共享機器人技術以及人-信息-物理系統（HCPS）等27項。

工信部等多部門印發的《“十四五”智能制造發展規劃》，將智能制造關鍵技術分為4類：一是設計仿真、混合建模、協同優化等基礎技術；二是增材制造、超精密加工等先進工藝技術；三是智能感知、人機協作、供應鏈協同等共性技術；四是人工智能、5G、大數據、邊緣計算等在工業領域的適用性技術。

本文認為，標準數字化技術也是智能制造的基礎技術。智能制造的智能除依賴于智能傳感技術的感知外，還依賴于可識別、可執行及可決策的數字化標準的支持。智能制造過程是在數字化標準支持下的設備建模及產品生產。因此，標準數字化技術、智能傳感器技術、數字孿生技術、人工智能技術、大數據技術以及智能邊緣計算技術是智能制造的核心關鍵技術。

2.3 我國智能制造研究發展現狀

目前，我國智能制造的基礎研究能力相對不足，消化吸收引進技術的能力不夠，缺乏原始創新能力；智能制造的基礎理論、技術體系和工具軟件等建設滯后，表現在數字化標準體系、技術體系、標準體系、控制系統、系統軟件以及工具軟件等均落后于發達國家的水平。

在智能制造關鍵技術和核心部件方面，高端傳感器、智能儀器儀表、高檔數控系統、工業應用軟件等市場份額不到5%；大型工程機械使用的30 Mpa以上液壓件依賴進口；大型轉載機進口部件占整機價值量比重達到50%～60%。

在高端軟件產品方面，制造業信息化和工業化融合程度較低，缺乏應用于各類復雜產品設計和管理的智能化高端軟件產品，如計算機輔助設計（CAD）軟件、資源計劃軟件（ERP）及電子商務軟件等；企業缺乏大系統的集成能力。

當前，智能制造已成為我國建設制造強國的主攻方向，加快制定智能制造解決方案是推動中國制造邁向高質量發展、形成國際競爭新優勢的必由之路。我國制造企業在《“十四五”智能制造發展規劃》指導下，發力支撐智能制造的數字化基礎設施建設，不斷補齊短板，縮小與發達國家的差距，正朝著從制造業大國向制造業強國的方向快速發展。

3 智能制造與數字化標準一體化融合應用的通用模型

智能制造與數字化標準一體化融合應用的通用模型由應用體系架構、應用功能規格、應用技術架構、應用實施策略以及應用實施流程構成［10-14］。

3.1 應用體系架構

智能制造與數字化標準緊密關聯，數字化標準支撐智能制造，智能制造促進數字化標準的發展［15-20］。智能制造與數字化標準一體化融合應用體系由物理設備層、虛實交互層、數字孿生建模層、智能制造決策層以及協同工作層組成，形成五層的體系架構，如圖2所示。

圖2 智能制造與數字化標準一體化融合應用體系架構Fig.2 Integrating application architecture for intelligent manufacturing and digital standard

3.2 應用功能規格

智能制造與數字化標準一體化融合應用功能規格模型不但適用于狹義的物理設備智能制造，而且還適用于更廣泛的外延物理設備的智能制造［21-26］。本文擴充智能制造設備概念的內涵和外延，將物理設備層的設備定義為包括并不限于：智能設備、智能裝備、智能工廠、智能車間、智能管理、智能服務、智能電網以及數字電網等，智能制造與數字化標準一體化融合應用功能規格如表1所示。

表1 智能制造與數字化標準一體化融合應用功能規格Tab.1 Integrating functional specification for intelligent manufacturing and digital standard

3.3 應用技術架構

支撐智能制造與數字化標準一體化融合應用的技術架構由基礎設施層、虛實交互層、數字孿生建模層、智能制造決策層以及協同工作層組成，形成5層的應用技術架構，如圖3所示。

3.4 應用實施策略

圖3的智能制造與數字化標準一體化融合應用體系架構包含兩個閉環控制流程，一個是仿真優化閉環（以下簡稱A閉環），另一個是虛實迭代閉環（以下簡稱B閉環）。智能制造A閉環是在數字空間中的制造仿真活動，確保智能制造在數字空間中滿足智能制造目標需求和數字化標準的條件下，達到最優智能制造的參數效果；智能制造B閉環是在物理空間驗證數字空間智能制造參數效果的實踐，通過虛實聯動，B閉環確保智能制造在物理空間中滿足智能制造目標需求和數字化標準的條件下，達到最優制造的實際應用效果。

A閉環和B閉環迭代循環終止的判斷是實施策略的關鍵，不恰當的判斷容易使閉環控制陷入難于收斂或不能收斂的困局。一種最優的實施策略是使用下述強化學習的策略迭代的三步法。

第一步策略估計，計算當前策略下每個狀態的價值；

第二步策略提升，計算每個狀態每個動作的價值，對每個狀態取每個動作中使得價值函數最大動作作為當前狀態新的動作（策略）；

第三步策略迭代終止判斷，判斷之前策略每個狀態對應的動作分布組成的整體動作策略和更新后的策略是否不同，如果不同則說明策略還可能有改進的空間，轉到第一步重新按順序循環，如果相同則說明策略已經最優，迭代循環終止。

3.5 應用實施流程

實際上，圖3的智能制造與數字化標準一體化融合應用體系架構已經標明了一體化融合應用的實施流程。需要說明的是圖3中的實線箭頭是控制流，虛線箭頭是數據流。除了模塊1.1、模塊1.4和模塊2.7可能需要離線運行實施外，其他模塊均為在線自動運行實施。

圖3 智能制造與數字化標準一體化融合應用技術架構Fig.3 Integrating technology architecture for intelligent manufacturing and digital standard

4 電力變壓器設備智能制造的概念驗證

概念驗證（proof of concept，簡稱POC）是對某些概念、理論、方法、技術、模型或方案的一個不完整的實現，以示范其原理，證明其實施的可行性。

下面選用文獻［15］的研究成果，對本文提出的智能制造與數字化標準一體化融合應用的通用模型做概念驗證。

4.1 驗證環境

受限于實驗環境及實驗條件的約束，概念驗證過程通過人機交互接口技術，模擬智能傳感器實時數據的采集以及電力變壓器制造數字化標準的參數辨識，以此簡化POC驗證環境的搭建，驗證環境由下述3個部分構成。

1） 電力變壓器高保真小尺度的數字孿生模型[10]

為進一步簡化POC驗證工作，此處不提供電力變壓器三維數字孿生可視化模型，而只提供智能制造核心的優化仿真計算的變壓器漏磁場、繞組振動及噪聲的數字孿生模型。

2） 電力變壓器數字化標準人機交互接口

由于缺乏電力變壓器3級或4級的數字化標準，無法實現機器自動辨識智能制造的標準參數，開發人機交互接口代替機器自動辨識電力變壓器制造的標準參數。

3） 虛實聯動的電力變壓器傳感數據實時采集人機交互接口

采用人機交互接口技術，模擬虛實聯動的電力變壓器傳感數據的實時采集。

4.2 驗證過程及結論

4.2.1 電力變壓器智能制造需求目標

負載電流引起的繞組振動是運行中變壓器噪聲的主要來源之一，電力變壓器智能制造的需求目標設定為對一臺50 kVA的單相變壓器的振動和聲輻射特性進行智能仿真概念驗證。

4.2.2 驗證過程及結論

在電力變壓器數字化標準人機交互接口及虛實聯動的電力變壓器傳感數據實時采集人機交互接口的支持下，對變壓器漏磁場、繞組振動及噪聲的數字孿生模型進行優化仿真實驗，可以得到文獻［15］的研究結論。

進一步地，輸入變壓器的不同的負載條件及變壓器數字化標準參數，可以得到更多變壓器繞組振動特性及噪聲分布特性，可以為變壓器的智能制造提供更多的性能優化方案。

5 結語

智能制造與數字化標準一體化融合應用是實施中國制造企業《“十四五”智能制造發展規劃》的應用創新，符合智能制造和標準數字化的發展方向和潮流。智能制造與數字化標準一體化融合應用研究，有利于同時促進智能制造和標準數字化工作，數字化標準支撐智能制造，智能制造又反哺標準數字化。本文提出了一個由體系架構、功能規格、技術體系、實施策略以及實施流程組成的智能制造與數字化標準一體化融合應用的理論與應用結合的通用模型，并通過對電力變壓器設備智能制造數字孿生建模，對這個通用模型進行了概念驗證，證明了該通用模型的可行性。本文工作對我國制造業和標準化組織的數字化轉型均具有實際指導的價值和意義。下一步的工作是在不同行業的所屬專業領域開展應用實踐，獲得更多的實施經驗，進一步完善智能制造與數字化標準一體化融合應用的理論研究和實踐研究的成果。