面向智能裝備的標準知識智能化策略研究

盧鐵林，岳 磊，汪 爍，王春喜，姚長青，韓紅旗

(1.中國科學技術信息研究所，北京 100038；2.機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所，北京 100055；3.西門子工業軟件(北京)有限公司，北京 100102)

0 引言

當前，高端的裝備產品已脫離原有的手工制造加工以及供給模式，使得產品設計-加工-檢驗-回收的全生命周期發生了顛覆性變革[1]。國際上，歐美等國家先后提出了“工業互聯網”“工業4.0”“新工業法國II”等戰略舉措，通用電氣、西門子、羅克韋爾等國外大型裝備企業均開展了數字化建設，取得了顯著成效。我國工業轉型雖起步較晚，但現已通過“智能制造試點示范專項行動”“產業基礎技術公共服務平臺”“智能制造綜合標準化與新模式應用”“網絡協同制造和智能工廠”“工業互聯網發展專項”等專項，引導產業實現智能化轉型升級[2-4]。智能裝備提出數字化、虛擬化、可視化的發展需求，尤其是與智能裝備關系密切的裝置、材料、測試方法，使用環境及場地等相關要素都發生了顛覆性變化。采用標準化的知識表示手段，可對裝備的相應要素實現跨組織交互，例如物理性質(外觀、顏色、外部結構、物理性能、內部結構等)、化學性質(組成材料、分子結構等)、各種微生物、流程/機械運動規律、傳輸數據接口等內容。當前，新型的工業互聯網云制造模式[5]通過集成底層設備的各類運行數據構建交互信息模型，以滿足裝備現場集成應用，甚至是云維護的實際需求。

首先，標準智能化的知識表示是將多源異構的裝備數據進行機器可識別的技術手段。由于標準文本及相關的技術文檔無法直接由機器使用，難以實現機器識別，導致信息無法高效、準確、實時執行。特別是大規模個性化定制及小批量柔性制造等場景，需要提供便于機器調用的標準語義管理殼，從而實現裝備制造與管理的智能化。其次，通過直觀的標準化知識管理系統，可以更好地實現高端裝備的周期化管理，如設計管理、合同訂單管理、零部件管理、元器件耗材管理、計量校準管理、智能巡檢、環境管理、安全保障、故障缺陷識別、智能問答、智能推薦等。最后，通過這些多元化的知識組織管理模塊，可以避免由于人工或紙質文檔管理導致的效率和成本增加。將這些管理信息嵌入方法工具中，可以完成智能化的輔助相關管理過程，實現自動化、云服務的功能應用，提升知識復用和共享的一致性。

隨著智能化技術的發展，我國正積極探索高端裝備數字化運營模式。一方面，通過持續提供數字化的標準內容，將標準內容顆粒化地進行語義標記，抽取標準中關鍵技術指標，將各指標的關聯模型自動集成到業務管理流程中。例如，裝備系統中廣泛采用的屬性數據字典，可自動輔助采購管理等需求，也能將屬性信息直接關聯到三維孿生裝備模型。另一方面，通過標準知識智能化表示手段，可動態管理技術文檔，輔助將各類文檔的知識形成人工智能學習模型、抽取圖表等非結構化數據，便于機器輔助人進行智能推理和決策。

基于以上認識，本文從標準智能化發展的現狀、智能裝備標準智能化交互需求進行分析，提出智能裝備知識標準智能化表示策略，以促進相關智能化技術手段的應用，為高端智能裝備發展與標準智能化提供融合方案。同時，對于標準全鏈條智能化服務新模式，本文形成標準知識跨組織共享與交互，支撐標準實現更為廣泛的應用。

1 標準知識智能化發展的現狀分析

知識組織的標準化是一個復雜的信息交互過程。標準文件作為知識內容的載體，可按文本內容分為內容創建、內容管理、內容交付和內容使用等；按對象分為起草組、評審專家、技術委員會、歸口組織、提出單位、主管部門、審校與出版、用戶單位等；按研制過程分為立項、起草、驗證、征求意見、送審、報批、審評、出版等階段。因此，可簡單地將標準劃分為按相應的導則及規定要求的起草制定階段和發布后的使用階段。基于標準的知識生成都是由技術專家及相關利益方協調產生的，之后再交由文件起草工作組完成協同化制定。該制定過程甚至還需要多次反復討論和迭代。在標準等相關技術文件制定階段，存在一些商用軟件工具，可協同化制定標準等技術文件，并通過使用機器交互的格式方法實現對標準內容的機器語義理解。下面將從國際和國內兩方面重點對標準知識智能化表示發展的現狀進行分析。

1.1 國際發展現狀分析

國際電工委員會(International Electrical Commission，IEC)是促進電氣、電子工程領域中標準化及有關問題的國際合作組織。其中，將智能制造作為主要范圍的IEC/TC 65(工業過程測量、控制與自動化)針對測控儀器及儀表等高端裝備，按照公共數據字典(common data dictionary，CDD)格式制定了一系列標準，如IEC 61987等[6]，以便相關標準能在“內容使用”步驟中被協同化使用。這種新型的標準模式可提高自動化使用和維護效率，提供規范化的裝備語義標識，更便于支撐數字化車間/智能工廠。為更好地接入在線管理平臺，IEC 61360 CDD格式系列標準已經發布[7]。但實際上，這種類型的標準只是對標準中涉及機器交互的部分進行抽取，提供定義的代碼映射關系，如配置組件、材料、尺寸等屬性信息，以便標準內容可以直接集成到裝備自動化的相關流程中。另外，歐美的標準化技術組織[8-9]先后開發了標準的標簽套件，主要基于可擴展標記語言(extensible markup language,XML)格式的標簽規則。德國電工委員會(Deutsche Kommission Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik，DKE)通過“XML 100”項目將所有德國國家標準轉換為XML格式。該項目對標準進行標簽化標記，采用標準文本中定義的檢索元數據和屬性來標簽化標準內容。針對標準研制階段，英國標準協會(British Standards Institution，BSI)啟動了在數字化環境中在線進行標準協同制定的流程(BSI Flex標準模式)。該模式利用結構化思路通過開源社區平臺實現標準文本的快速迭代，從而幫助多用戶快速形成規范的標準文件，共享各相關方的知識與方法經驗，進一步縮短標準制定周期。美國國際標準管理局(International Standards Authority，ISA)針對裝備領域提出了“ISA 88批控制”的標準化建模方法[10]，用于實現設計過程中的模型商用化、通用化。該方法定義了可實現批控制裝備的過程模型、物理模型和程序控制模型。雖然三種模型從不同角度描述了批控制生產過程，但實際上是作為統一的整體進行批生產的。批控制標準本身并不是數字化的標準，卻對裝備構建交互信息的術語及模型概念給出了標準規范。

1.2 國內發展現狀分析

我國已認識到了標準數字化、網絡化轉型的必要性。通過智能交互等信息技術手段可極大地提高標準應用效率，同時對標準制定和使用均具有較高的實用價值。實際上，我國目前還處于以紙質標準為主的階段，雖然標準使用的用戶主要使用電子化的標準文本，如PDF格式。標準制定仍處于采用紙質制定與電子化系統并行的發展階段，同時還需進行紙質蓋章完成專家申報、標準項目推進等過程，無形中增加了工作量。雖然標準制定管理具備了信息系統，但也僅作為文件傳遞的工具，并未取代傳統的紙質文本管理模式。2020年新發布的標準化工作導則僅對紙質標準文件結構和起草規則進行規范，未提供數字化標準文本的編輯制定規則。許多軟件公司開發的多種標準編寫軟件工具主要適用于文檔辦公編輯軟件。標準發布后一般也僅針對自主制定的國家、部分行業及團體標準提供全文檢索的信息服務瀏覽平臺，難以提供個性化的針對性指標比對分析與檢索等功能。目前，我國國家標準館提供的標準指標內容比對系統，主要是為標準審查和評審提供必要的系統工具，并不是完全針對標準使用的用戶。這導致我國的標準距離機器使用存在較大差距。標準文件不同于其他技術文件，對于等同采用的標準還未做到完全公開。另外，國內歸為管理的技術組織僅作為秘書處運行的掛靠機構，各掛靠機構間的發展水平參差不齊。這都是導致我國數字化標準發展緩慢的原因。現階段，隨著融合類及交叉技術層出不窮，標準范圍存在交叉重疊的現象也屢見不鮮。這也就出現了針對標準內容和使用范圍的諸多融合類標準。多歸口單位管理和組織起草標準并未實際改變標準制定、發布、出版流程，反而由于多歸口的存在需更為廣泛地征求標準意見。這也對標準智能化提出了新需求。由于高端裝備領域對于標準知識智能化表示的迫切需求，我國國家標準委于2021年率先設立了機器可讀標準國際合作組[11-12]，以尋求通過智能制造、高端裝備、智慧能源等應用領域拉動標準化業務的轉型升級，探索面向重點行業領域的試點新模式，反作用標準化的改革，進一步促進我國標準化事業同國際產業應用發展協調統一。

2 智能裝備標準知識智能化交互的需求分析

目前，智能裝備作為高端化測控裝置包含了數字化、智能化交互的組件配置，是對物理實體裝備的智能化信息建模。智能裝備形成了以虛擬化實體和物理過程組成的應用系統交互模型，因此面臨諸多問題和挑戰。智能裝備作為光機電多種結構一體化設計的綜合體，具備生產過程多品種小批量、設計運行虛擬化、管控流程可視化的特點。實際上，當前的裝備設計還存在無法實現模型的統一、制造過程中的量測難以全覆蓋、不同廠家產品難以互換、回收售后服務差等問題，使得裝備產品受低端化、“空芯化”制約，品質提升困難，無法適應市場化、智能化、個性化的實際需求。

2.1 設計研發階段仿真模擬環境多因素

智能裝備在生產試制前就需要通過計算機輔助設計不同的結構模型，以模擬裝備在實際使用狀態下的長期可靠性、穩定性、安全性，從而形成客觀實用化的成品。這對產品樣機階段提出了多樣化的模型設計要求。模型化結構設計可避免因為裝備設計缺陷而產生的召回和維護成本，一般采用多種參數仿真分析工具，如結構力學的運動分析、光學器件的相差設計、電路布局的優化設計、電磁擾動的影響分析、流體流動的狀態分析、傳熱輻射的歸因分析以及噪聲等影響量的仿真模擬模型，多維度、多因素地模擬裝備運行環境。實際上，這些模擬都是對智能裝備設計模型的分析，需要通過軟件識別數字化模型，并將數字化裝備模型進行解構，疊加邏輯運行的管理組件。現有的仿真模型一般是人工輸入設置好的參數、步驟，缺乏靈活的標準化仿真模型設計庫，所以急需通過將標準化的多因素知識組織，對現實環境建立虛擬的仿真單元模塊，形成面向復雜場景應用的智能裝備開發仿真模型平臺。

2.2 企業生產制造質量管控虛擬化

制造企業往往追求低成本、高回報。尤其在裝備領域，普遍存在產業鏈制造和測試驗證等關鍵環節缺乏全覆蓋質量管控的問題。核心敏感材料、產品質檢和制造工藝均需通過測量標準與加工精度進行約束。智能裝備提出了虛擬量測全過程的應用目標，需對量測過程進行實時數據驅動的自適應缺陷檢測，變產品生產過程以抽檢為主的事后返修為虛擬實時調試的事前監測全覆蓋，形成“量測模型多參數特征提取-自適應數據驅動模型構建-智能模型優化學習”的綜合量測調試模式。通過將生產過程的關鍵環節形成物理監測數據的實時輸入，提供“量測-調試-反饋”的實時運行模式。這對虛擬模塊化質量管控提出了新需求。該模式是將原來應在實驗室搭建的各類環境參數直接輸入生產的產品過程中，如超高溫、耐輻射、高功耗、防爆、智能交互等試驗條件。通過將運行要求與測試方法相結合的制造模式，可實現個性化用戶需求在線優化及調試，從而滿足各行業的特殊應用要求。通過標準化協同的質量模型智能管控手段，可提高裝備的加工制造過程質量，提升產品加工的一致性，降低出廠返修率。

2.3 用戶開發云化應用需求多樣化

當前，用戶越來越重視高端裝備的智能化、友好性和售后服務。這促使高端裝備在用戶交互、體驗、使用等方面提出了多樣化的需求。盡管裝備在生產制造完成后就進行了出廠檢驗，覆蓋了每個產品的性能與功能檢測項，但實際到用戶手中仍會出現各種問題。例如對產品外形及使用過程的友好性都還存在著知識壁壘等。同時，智能裝備的功能較普通裝備增加了多樣化的交互功能，導致對用戶操作提出了較高的技能要求。這需要多類型的云化應用輔助人機操作，降低用戶使用智能裝備的門檻，直觀地控制智能裝備輔助用戶，并提供高級的決策指導及技術支持。由于用戶的需求差異，生產商需要通過裝備上云，將監控管理的功能置于云端。這樣可有效降低裝備初期投資和后期運行維護成本、易于擴展，以輔助用戶實現裝備維護。通過在線實時監測搜集裝備運行狀態，能夠形成裝備后期維護服務的綜合壽命監管，使裝備用得更好、更持久。智能裝備的云應用可實現智能物聯、健康運維管理、增強/虛擬現實、智能問答推理等服務，并為多用戶協同在線使用智能裝備提供有力保障。

3 智能裝備的標準知識智能化表示策略分析

由于新基建與新業態等商業運營模式的不斷變化，工業互聯網與智能化管控手段的結合，催生了大量基于知識、數據、信息成果應用的協同解決應用方案。這些融合的應用案例支持裝備產業鏈進一步優化數據流、價值鏈、資源圈，從而實現基于標準知識智能化表示的實現方式，為按需定制的智能裝備提供了多種應用解決策略。

3.1 標準化語義字典的元件庫數據流策略

智能裝備的研發設計正變得越來越復雜，需產品經理、設計人員、制造商、采購人員、裝配經理、交付人員等多方參與。每個角色都有自己考慮的角度，并影響智能裝備的各個方面。尤其是智能裝備制造和裝配過程中，裝備會發生多次迭代變更，設計方案和配置信息也會產生數次改動，直到獲得可交付的最佳結果；同時，制造過程也用到各種結構零件以及不同廠家生產的元器件，需建立關聯的元件庫平臺。另外，智能裝備需要在更微小的尺寸上放置更多的元器件。這促使從設計到制造的容錯空間變小，產品生命周期迭代的速度也進一步加快。這就導致需要將組裝的元器件及相關的配套組件提早構建物理結構模型，并將標準化的物理特征及性能參數存儲于元器件屬性庫中，從而無需通過重新設計即可完成智能裝備的組件集成。

為便于得到令多方滿意的最佳設計，首先在標準化的零件數據庫中依據系統設計原理圖，完成元器件的零件布局，通過必要的布線完成系統設計；然后，將設計數據發送給制造商，完成裝備制造過程。因為設計文件是由制造商執行的，所以他們不會驗證與裝配有關的問題。這導致在裝備代工廠甚至還沒有看到數據時就產生了成本和時間上的浪費。代工廠收到設計后便根據其制造與裝配能力執行。所以，通過運用標準化手段設計豐富的元器件數據集，支持準確的組件分析極為必要。這些數據包括原料的唯一標識信息、供應商的代碼信息，物理外觀、尺寸等屬性元器件代碼信息，以及其他由材料庫、器件功能、規格鏈接、器件圖片、廠商等關聯的數據信息構成的綜合數據字典庫。通過建立綜合字典庫，實現標準化數據字典的元器件數據流[13]，使用戶可在設計的所有階段進行全面的數據標準化管理，從而節省由于重新設計浪費的時間和金錢。

3.2 裝備信息管理殼的標準協同價值鏈策略

由于裝備的應用場景及品種繁多，不同領域對裝備的復雜功能提出了集成化的需求。這使得智能裝備具備更為復合且強大的系統集成能力。

跨平臺的集成兼容性也對裝備適用于管理調用提出了實際要求，需借助標準化的信息管理殼實現管理信息模型化，并利用統一語義模型避免復雜模型交互過程中產生交叉重疊。通過建立統一映射的標準化信息管理殼，可將管理與參數功能項相匹配，并在實際的運行過程中疊加管理屬性，從而更好地輔助輸入的物料等相關元器件進行各類管理，實現信息模型與價值鏈建立直接的協同關聯。通過建立屬性列表添加與刪除列表的功能交互管理殼，可實現屬性關聯的動態管理。交互管理殼一方面可減少物理原型的模型調用數量，實現針對裝備制造與質量管理過程中機械工程師與控制工程師的協同與交互；另一方面可減少設計端與制造過程的價值鏈協同成本，打通兩者的交互瓶頸，進一步解決設計工具的互操作問題。由于不使用過多的管理邏輯概念，只針對工程設計模型提出統一的標準化信息管理模型，可實現實際運行數據的多維度疊加。最終，結合智能裝備的集成對象要素，使用工程設計工具輸出的具有關聯關系的一組對象信息，將裝備的具體信息資源(機理、特征)實現價值鏈的映射[14]。尤其是，對于必須滿足的相關安全技術要求，可在構建管理殼時提前預置安全模塊，建立符合標準安全功能要求的裝備管理殼應用組件。

3.3 智能裝備生命周期的標準交互資源圈策略

智能裝備面臨著復雜的協同應用場景，需依賴多個供應商完成產品的設計、研發、制造、裝配、檢測以及回收等環節，已在一定程度上推動了標準等技術文檔使用模式的創新。采用云平臺[15]、遠程維護、知識圖譜等信息技術手段，可實現標準知識的綜合管理，進一步組織和引導智能裝備廠商與用戶間建立信息交流平臺，形成協同化的組織運行機制。

面向關聯的相關利益方，通過創建協同化標準知識組織管理系統，可將需求及時交付給下一環節的決策者，并同步所有的設計、組件和接口資源。

對于及時公布標準等技術文檔的流程和時間節點等信息，可以有效跟蹤并評估各資源要素間的內容和質量，最終保證創建一個可持續不斷改進的閉環交互環境。另外，通過為各方提供標準化的技術資源庫，進而協助多用戶開展相關的技術活動。以智能裝備全生命周期為基礎，建立實時的可擴展使用技術標準的資源圈，可更靈活地輔助智能裝備的產品應用，打通各環節的應用對象。

各方應用對象可以隨時在任意終端設備上查看和批注裝備設計、管理并共享研發結果，優化加工制造模板，同時審核相關過程結果，最終實現把控產品質量運行，共同突破跨領域技術的關鍵瓶頸的目的。

通過及時知曉裝備從“生產-使用-維護-回收”的實際問題，形成智能交互決策服務能力。這將有效應對跨組織、跨區域導致的多用戶管理、多場景應用的協同化挑戰。通過智能裝備生命周期的標準交互，形成標準即軟件的資源串接過程，輔助裝備全業務鏈的過程可追溯。

4 結論

隨著裝備業智能化轉型的迫切需求，研究標準知識智能化表示在智能裝備的應用策略，分析智能裝備領域相關發展現狀與應用需求，對于提高智能裝備設計、制造、管理及服務水平具有重要意義。基于標準知識智能化表示手段建立可靠的、協同的、靈活的應用系統，對促進智能裝備全生命周期交互過程的協調統一，尤其是降低費用和提高生產效率具有明顯的作用。標準化的智能語義交互信息模型的建立可實現智能裝備互操作、機器可讀、機器翻譯、智能推理與決策等諸多服務模式。未來可通過深度學習、大數據、神經網絡等技術的有機結合，實現標準知識智能化表示的高效運用，提高機器自動反饋結果的準確率。

本文所提出的基于標準等相關技術文檔智能化知識表示是構建智能裝備典型應用的基礎，為進一步提高智能裝備跨組織運營與共享提供支撐。因此，標準知識智能化表示的相關技術手段在智能裝備領域的應用與推廣，對其他應用領域的知識組織工具設計、建設、運營具有借鑒意義，也可為智能制造領域的建設和裝備數字化轉型提供路徑。