基于MBSE 的生產設備統一信息模型構建方法研究

李君 竇克勤 周勇 劉勁松 李清 唐毅強

（1.國家工業信息安全發展研究中心，北京 100040；2.清華大學 自動化系，北京 100084；3.中國科學院大學，北京 100049）

制造業是國民經濟的物質基礎和產業主體，是國家科技水平和綜合實力的重要標志。生產設備作為制造活動的基本載體，是制造企業最核心的資產，其管理水平直接影響企業生產、經營、供應等價值創造活動。在新一代信息技術與制造業融合發展背景下，生產設備數字化、網絡化、智能化水平持續提升，與其所在運行環境和配套設備之間的交互協同愈加緊密。生產設備不再僅僅是由物理結構組成的機械產品，而是向虛實映射、交互驅動與實時互通的生產設備數字雙胞胎加速轉變，其運行方式、管理模式和管理目標均發生了根本性變化，對生產設備的互聯互通、創新優化、轉型升級等提出了較高要求[1]。

生產設備信息模型將大量工業技術原理、行業知識、感知信息、幾何特征等不同領域、不同來源、不同類型的數據信息進行綜合集成和匯聚整合，并封裝成為規則化、軟件化、模塊化的模型組件，成為支撐實現生產設備泛在連接、動態感知、高效管控與智能優化的核心關鍵[2]，也是充分發揮生產設備資產價值以及數字化管理成效的重要保障。國內外學術界和工業界對生產設備信息模型開展了大量的研究探索和應用實踐，相關國際標準化組織、工業企業從自身優勢出發研制了各類具有自主知識產權的工業通信協議規范，并基于通信協議發布了生產設備通信集成標準，從多個層次、多個維度提出生產設備信息的互聯互通要求，為生產設備虛實雙向映射、信息交互共享、業務無縫集成奠定基礎。

本文圍繞生產設備密集型制造車間多型異構生產設備智能優化管控需求，深入剖析了生產設備統一信息模型的概念內涵、研究現狀和存在的問題，基于信息物理系統理論提出了面向制造全過程的生產設備統一信息模型構建方法。從通信、知識、幾何三個維度開展生產設備運行管控業務活動分析、功能模塊分配和信息要素定義，構建形成面向制造全過程的生產設備統一信息模型，用于支撐實現生產設備信息物理系統的虛實映射、動態交互與協同優化。

一、生產設備統一信息模型研究綜述

（一）信息模型概念辨析

信息模型是為了一定目的對現實世界客觀對象的簡化描述方式，旨在實現現實世界事物對象在信息世界中的抽象化認知和表達，其概念和定義隨著科學技術發展和產業需求變化逐步演化。早期的信息模型可視為人類思維模型，主要是基于人類的思維模式和語言組織方式描述和解釋現實世界客觀對象的特征和活動。20世紀60—70 年代，隨著計算機的應用普及，為推動信息在計算機中規則化、結構化的表示和存儲，產生了“信息模型”這一概念[3]。20 世紀90 年代，為滿足多類信息系統架構設計與集成互聯需求，信息模型在原先“規則化描述”的基礎上，增加了對象屬性與關聯關系等要素。近年來，伴隨著新一代信息技術的不斷突破與發展，信息模型這一概念涵蓋內容愈加豐富、邊界范圍更加廣闊。中國工程院于潤滄院士指出，信息模型集成了多維度、多尺度、多領域的全息信息，可實現不同階段的數據、過程和資源動態變化過程的數字化表達[4]。與此同時，信息模型也在建筑、城市、工業等諸多領域得到廣泛應用，如建筑信息模型[5]（Building Information Modeling，BIM）、城市信息模型[6]（City Information Modeling，CIM）、通用信息模型[7]（Common Information Model，CIM）、 工業互聯網信息模型[8]（Industrial Internet Information Model，3IM）等。

從信息模型的發展歷程看，信息模型歷經了從客觀對象的抽象到計算機和信息系統中數據特征的抽象再到如今多維信息資源抽象的演進過程，其定位也從最初的“認知表達”向“規則化描述”“關系定義”“全息信息數字化表達”持續延伸。結合本文研究對象和研究范圍，本研究中的“信息模型”主要指一種用于描述對象、對象屬性和對象之間關系的規則化表達模型。

（二）生產設備統一信息模型研究現狀

生產設備作為一種與操作人員、配套設備設施、數字化系統、物理環境等頻繁交互的實體，需通過信息模型對其所涉及的信息進行統一、完整、準確地描述和表達。由于生產設備本身是涉及多學科領域、多生產過程、多組成要素的復雜系統，國內外各研究機構、工業企業、標準化組織均從自身行業領域及應用需求出發研究生產設備信息模型，在信息模型規范統一的具體內容方面的關注重點并不相同。

在生產設備本身屬性的規則化表達方面，為統一生產設備各類屬性要素在計算機系統中的定義規則和描述方式，各研究機構和國際標準化組織針對各類生產設備的關鍵屬性要素的統一語義描述，開展了生產設備數據字典研究。IEC 國際電工委員會制定了IEC61360-4《通用數據字典》國際標準[9]，德國eCl@ss 協會制定了工業領域統一的數據和語義體系[10]，相關生產設備廠商基于數據字典分別建立了面向通用領域或特定對象的生產設備信息模型，實現生產設備信息在計算機系統中的統一查詢、統計、交換和處理，支撐生產設備信息在企業內部乃至企業外部的統一語義表達和信息交換。

在生產設備信息的傳輸交互方面，為解決多型異構設備的通信方式各異、協議繁雜、數據傳輸困難等問題，相關國際標準化組織、工業企業、研究機構從自身利益出發研制了各類具有自主知識產權的工業通信協議標準。國際電工委員會制定的IEC 62769《現場設備集成》標準[11]，是用于描述生產設備現場通信集成的信息模型。OPC 基金會提出了OPC UA 統一架構IEC 62541[12]，為生產設備信息模型的建立提供跨平臺的通用框架，支持生產設備基于OPC UA 進行設備、系統、環境等的互聯互通與互操作。

在生產設備物理實體與數字虛體的雙向映射方面，為解決生產設備多層級、多維度、全生命周期信息的統一集成與精準表達問題，各國研究機構、標準化組織等對生產設備信息模型開展了研究探索。2015 年，工業4.0 平臺發布了工業4.0 參考架構模型（RAMI 4.0）[13]，創新提出資產管理殼概念，用于描述生產設備工業資產信息和功能應用。近年來，數字孿生[14]、信息物理系統[15]以數字化的方式建立生產設備的多維度、多學科、多物理量的數字模型，以仿真刻畫生產設備的幾何形態、屬性要素、行為規則等。

（三）研究存在問題分析

基于上文對生產設備信息模型發展現狀的深入分析，發現當前生產設備統一信息模型研究在通用框架、覆蓋范圍以及表達深度等方面仍存不足，難以滿足當前工業互聯網、數字孿生等技術飛速發展背景下多型異構生產設備的運行管控需求，具體如下：

多型異構生產設備信息缺乏統一全面描述，難以支撐生產設備運行管控活動的深度分析和精準調控。當前，生產設備運行產生的信息呈現爆發式增長，所涉及的領域和維度持續延伸拓展。但是，當前生產設備信息模型往往從單一領域或單一維度應用需求出發，不同類型生產設備信息模型之間難以交互共享和關聯分析。為此，迫切需要構建內容多樣、語義規范、格式一致的生產設備統一信息模型，以支撐生產設備在運行管控活動中的數據集成共享、信息融合等。

缺乏面向不同應用場景生產設備運行活動信息的統一關聯描述，難以支撐面向制造全過程的設備運行活動集成管控和一體化協同。當前，生產設備信息模型大部分聚焦于生產設備的運行管理、維修維護等單一環節，缺乏不同場景下生產設備運行活動信息內在邏輯、關聯關系的描述規則，無法支撐生產設備各類信息在制造全過程的統一語義表達。為此，迫切需要構建覆蓋制造全過程的生產設備統一信息模型，以支撐生產設備在制造全過程環節中的信息互聯互通與虛實雙向映射。

缺乏生產設備屬性信息、狀態參數、控制邏輯等的關聯關系和約束規則的統一定義，難以支撐設備預測性維護、故障診斷、遠程運維等高階應用。生產設備在實際應用過程中往往與配套設備、數字化系統相互關聯作用，共同形成一個具有層級結構和關聯關系的復雜生產系統，對生產設備信息模型表達信息的顆粒度以及關聯性提出了更高的要求。為此，迫切需要構建能夠統一表達生產設備運行邏輯和關聯關系的生產設備統一信息模型，以滿足面向制造全過程的生產設備智能化管控需求。

二、基于信息物理系統的生產設備統一信息模型構建需求分析

當前，生產設備已演進成為集嵌入式計算、網絡通信、高性能控制和物理環境于一體的信息物理系統（cyber-physical system，CPS）[16]。生產設備CPS 基于物理空間與信息空間之間數據交互的閉環通道，通過通信感知對物理空間中生產設備物理實體及其配套設備、物理的狀態數據進行匯聚、集成和傳輸，完成物理空間與信息空間的信息傳遞；在信息空間中通過知識獲取，基于數據提煉形成標準化、模塊化的生產設備知識單元和功能構件，拼裝形成生產設備數字虛體，并通過知識搜索，結合用戶需求和應用場景獲得生產設備運行決策知識；進而通過通信控制完成生產設備信息空間到物理空間的反饋控制，并將生產設備運行狀態、生產進度、決策依據等基于數字虛體在物理空間中完成可視化展示，從而形成基于信息自動流轉的智能感知、動態分析、科學決策和精準執行的生產制造體系。

當前，生產設備運行管控系統普遍將設備作為信息物理系統CPS 進行管理、控制和維護，生產設備CPS 對生產設備信息的采集、傳輸、處理和應用提出了更高要求，需要表達清晰、語義完整、結構一致的生產設備信息模型作為基礎支撐，如圖1 所示。對生產設備CPS 在制造全過程中的物理空間、信息空間以及虛實映射過程中統一的屬性內容進行分析，在物理空間更加關注生產設備運行工況的可視化展示，主要聚焦于各類生產設備物理實體的外觀形狀、尺寸大小、內部結構、空間位姿、裝配關系等幾何特征信息的一致性描述；在信息空間更加關注生產設備數字虛體輔助決策知識的構建、更新與推理邏輯，主要聚焦對生產設備的專家知識、經驗參數、操作準則、關聯關系等領域知識進行一致性表達；在虛實交互過程中更加關注生產設備數據能否穩定采集、控制指令能否有效反饋，主要聚焦設備實體與數字虛體之間數據交換過程的數據格式、指令編碼、控制邏輯、交互方式、傳輸配置等通信傳輸參數的一致性定義。為此，本文從通信、知識、幾何三個維度出發構建生產設備統一信息模型，以解決生產設備物理空間、信息空間、物理空間和信息空間之間的信息表達不規范、內容不完整、交互不順暢的問題。

三、面向制造全過程的生產設備統一信息模型構建方法

（一）基于MBSE 的生產設備統一信息模型構建技術路線

生產設備CPS 作為虛實融合的復雜工程系統，需要依托系統工程方法MBSE 開展生產設備統一信息模型的構建與應用。本文從生產設備知識、通信、幾何維度出發，參考MagicGrid方法論縱向構建需求分析—活動行為—功能模塊—信息模型（requirement-activity-functioninforma tion，RAFI）的研究活動流程，橫向構建問題域、解決方案域及實現域的遞進式研究方法，形成矩陣式的生產設備統一信息模型構建技術路線，如圖2 所示。

圖2 面向制造全過程的生產設備統一信息模型構建技術路線

縱向來看，通過對面向制造全過程的生產設備運行管控信息進行統一需求分析，應用MBSE 方法完成用戶需求分析、業務活動定義、功能模塊分析與信息模型構建。問題域根據需求輸入，從整體出發進行設備活動內容分解、功能模塊劃分以及實體對象識別；解決方案域基于問題域輸入的特定活動、功能及實體對象，進行業務活動的行為定義、功能模塊的屬性集構建以及實體屬性關系分析；實現域基于解決方案域輸入的行為動作、功能要求和關系約束，應用SysML 系統建模語言設計特定具體應用場景的設備活動元素、屬性參數及信息要素，最終完成從系統全局到局部細節乃至具體場景應用的生產設備統一信息模型。

橫向來看，業務活動分析階段，在問題域逐層剖析分解生產設備運行管控活動內容，在解決方案域細致分析生產設備運行管控活動行為動作，在實現域基于設備運行管控特定需求拓展SysML 系統建模語言進行活動元素設計和活動圖繪制；功能模塊分配階段，在問題域針對生產設備功能模塊進行分解，在解決方案域構建生產設備功能模塊屬性集，在實現域基于設備功能模塊特定需求拓展SysML 系統建模語言，進行功能模塊屬性參數定義和模塊圖繪制；信息模型構建階段，在問題域根據生產設備運行管控業務活動和功能應用識別相關信息實體對象，在解決方案域采用實體關系圖描述分析生產設備信息實體屬性關系網絡，在實現域針對生產設備特定業務活動的具體應用場景，結合實體、屬性，構建生產設備統一信息要素，從而完成面向制造全過程的生產設備統一信息模型構建。

（二）生產設備運行管控業務活動研究

1.問題域：活動內容分解

基于生產設備運行管控需求開展業務活動內容分析，明確生產設備運行管控的業務邏輯，分解獲取具體的業務活動內容。根據生產設備運行管控需求，本文將生產設備運行管控活動劃分為通信感知、通信控制、知識提取、知識搜索、可視化展示5項主要活動。基于此，從通信、知識、幾何三個維度出發進一步明確生產設備運行管控場景下各維度業務活動的運行邏輯。從通信維度來看，生產設備運行管控主要聚焦信息空間和物理空間的信息交互，即數據的采集與傳輸、控制指令的下達與執行；知識維度主要聚焦生產設備信息空間內部相關知識提煉與抽象總結，形成知識圖譜用于知識搜索和知識推理，輔助生產設備運行控制決策；幾何維度主要聚焦生產設備物理實體幾何特征模型實時聯動更新，可視化展示生產設備的當前運行狀態，如圖3 所示。

圖3 生產設備運行管控業務活動內容分解

2.解決方案域：行為動作分析

圍繞各維度生產設備特定業務活動，基于活動要求、運行邏輯及關聯關系進行活動動作拆分。通過分析生產設備運行管控特定業務活動子動作之間的關聯關系以及輸入輸出參數，對各個子動作進行活動邏輯關聯，從而明確業務活動的行為規則和運行邏輯。基于活動拆分的子動作、子動作之間的關聯關系，添加相關輸入輸出、關聯角色、流程順序等要素，開展活動元素組裝，形成生產設備運行管控業務活動的通用描述方案。通過分析生產設備運行管控細分活動在信息空間、物理空間以及信息空間和物理空間雙向映射的運行邏輯，為下文生產設備的業務活動元素設計提供邏輯參考，如圖4 所示。

圖4 生產設備運行管控活動行為動作分析

3.實現域：活動元素設計

基于具體業務活動需求和運行邏輯，采用拓展之后的SysML 系統建模語言對特定場景應用活動元素進行功能解構、活動分析、動作規范定義，將活動子動作、活動節點和活動分區等元素組裝生成完整的活動圖，進而提供系統功能的動態描述信息，為生產設備統一信息模型構建奠定基礎，如圖5 所示。

圖5 基于拓展之后SysML 的生產設備運行管控活動描述方法

生產設備業務活動通常由多個子動作組成，子動作之間存在復雜的交互邏輯，且部分子動作的執行依賴于封裝了特定功能實現方式的外部方法。對于方法的調用以及子動作之間交互內容的約束定義等，SysML 基礎元素難以滿足特定描述需求。因此，在深入分析SysML 語法語義的基礎上，采用標準元素功能擴展機制創建構造型（Stereotype）對SysML 符號元素進行擴展，通過定義新的構造型屬性符號形成“方法”符號元素，以支撐生產設備業務活動子動作的調用執行。同時，擴展SysML 中對象流的語義，增加對象流的約束屬性用，以約束信息空間中子動作之間的交互內容，通過“約束條件”元素，規范子動作間的輸入輸出參數（表1）。基于以上操作構建形成生產設備特定維度典型業務場景的業務活動圖，以支撐生產設備業務活動的準確、全面描述，并從中提煉相關動態信息為生產設備統一信息模型構建奠定基礎。

表1 生產設備運行管控特定領域的基于SysML 擴展元素

（三）生產設備運行管控功能模塊分配

1.問題域：功能模塊劃分

生產設備運行管控功能模塊承接生產設備業務活動分解內容，開展生產設備運行功能模塊劃分，圍繞通信、知識和幾何三個維度，深入分析生產設備運行功能模塊的邊界范圍和表達內容，以明確生產設備運行管控基本功能應用。在通信維度，聚焦生產設備運行狀態的感知獲取，以及對生產設備的反饋控制，劃分為設備數據采集模塊、設備數據傳輸模塊、設備控制指令下達模塊、設備控制指令執行模塊4類一級功能模塊；在知識維度，聚焦生產設備運行管控知識的獲取以及知識的應用，劃分為設備知識單元提取模塊、設備知識圖譜更新模塊、設備知識語義搜索/推理模塊3 類一級功能模塊；在幾何維度，聚焦生產設備運行管控過程的可視化展示需求，劃分為設備幾何特征、設備可視化展示模塊2 類一級功能模塊。基于上述分解得到的生產設備運行管控一級功能模塊，挖掘其在信息物理空間中所需表達的內容，圍繞知識、通信和幾何三個維度進一步拆解得到二級功能模塊乃至三級功能模塊，如圖6所示。

2.解決方案域：功能模塊屬性集構建

基于上述分解得到的各類生產設備運行功能模塊開展功能模塊屬性集構建，明確特定生產設備運行管控活動所包含的功能屬性要素。由于在生產設備運行管控活動中，動作行為、功能模塊、屬性要素互相影響，活動行為的變化會導致功能模塊的變化，并且功能模塊的改變將進一步導致屬性要素的改變。為此，本文針對生產設備運行管控特定活動進行相關屬性提取，獲得該活動相關的屬性要素；根據功能模塊層次關系，將活動相關的屬性要素與功能模塊進行關系映射及設計匹配，得到對應功能模塊的屬性要素；針對設計獲得的生產設備運行管控特定功能屬性要素進行組合裝配，形成特定場景應用下完整的生產設備運行功能模塊，如圖7 所示。

3.實現域：模塊屬性參數定義

基于生產設備功能模塊的內部運行邏輯和應用場景，采用拓展之后的SysML 系統建模語言針對特定功能模塊進行屬性集構建、屬性參數定義，基于關聯、依賴、泛化等關系將不同維度功能模塊進行組合，支撐形成不同維度的模塊圖。通過定義生產設備功能模塊的表達內容以及不同類型功能模塊之間的關聯關系，支持生產設備功能模塊功能信息的全面、準確描述，如圖8 所示。

圖8 基于SysML 的生產設備功能模塊屬性參數定義方法

為完整表達生產設備功能模塊的各項特性，需要擴展SysML 模塊圖中的“操作特性”元素表達功能模塊和業務活動的關聯關系。SysML 里面的＜＜operation＞＞操作通常表征某種簡單行為，但生產設備運行管控業務活動內部關系復雜且包含多個子動作，無法僅用＜＜operation＞＞表示。為此，本研究基于構造型（Stereotype）對SysML 模塊圖Block 中的＜＜operation＞＞操作特性擴展形成＜＜activity＞＞活動行為元素，以支撐生產設備功能模塊相關行為特性的完整表達（表2）。采用拓展之后的SysML 系統建模語言針對特定功能模塊進行屬性集構建、屬性參數定義，基于關聯、依賴、泛化等關系將不同維度功能模塊組合，支撐形成不同維度的模塊圖。通過定義生產設備功能模塊的表達內容以及不同類型功能模塊之間的關聯關系，支持生產設備功能模塊相關信息的全面、準確描述。

表2 面向生產設備功能領域的SysML 語義擴展

（四）生產設備統一信息模型構建

1.問題域：實體對象識別

基于上文對生產設備運行管控業務活動及功能模塊的研究分析，可知生產設備特定業務活動的實現需要對應功能模塊的支撐，而設備功能模塊的搭建離不開生產設備狀態參數、功能性能、行為規則等信息屬性及關聯關系的抽象化描述與標準化定義，亟須搭建統一的信息模型對生產設備不同來源、不同維度、不同格式的數據信息進行統一描述、表達和應用。為此，需要基于信息物理系統理論，深入分析生產設備統一信息模型的邊界范圍和表達內容，以明確生產設備統一信息模型的實體對象組成，如圖9 所示。在生產設備信息空間，將設備的知識單元、知識圖譜、知識搜索和推理功能有機結合起來，實現對設備知識的全面描述、有效管理和高效利用。在生產設備物理空間，將設備物理實體的幾何形狀、幾何拓撲關系組合，基于設備可視化展示環境進行可視化內容的展示，構建形成完整的設備可視化展示場景。在生產設備信息空間與物理空間的數據交互過程中，通過通信維度的設備通信傳輸，使不同設備、管理系統之間能夠進行數據交換和指令控制，進而支撐設備數據采集和設備控制指令的下達與執行，實現設備間的協作聯動以及設備與系統之間互聯互通。

圖9 生產設備統一信息模型實體對象識別

2.解決方案域：實體屬性關系分析

承接生產設備運行管控業務活動和功能模塊分析結果，參考ER 圖（entity relationship diagram）中的實體關系語義規范，進行生產設備統一信息模型的實體屬性關系分析。基于實體、屬性、聯系等基礎要素，繪制ER 圖分析生產設備統一信息模型結構和關系，實現信息模型內部邏輯的可視化表示，如圖10 所示。基于構建的生產設備統一信息模型，支撐生產設備在信息物理空間的一致性描述，實現生產設備各類信息的統一描述、統一認知和統一應用。

圖10 生產設備統一信息模型實體屬性關系分析

3.實現域：實體屬性要素詳細信息構建

基于實體屬性關系分析結果構建生產設備統一信息模型，針對生產設備不同維度信息進行統一構建和描述，旨在提供統一的、無歧義的、標準化的描述規則，用于描述生產設備的基本屬性、狀態、知識等信息，其語法規則結構見表3。其中，屬性數據類型應遵循GB/T 33863.3《OPC 統一架構 第3 部分:地址空間模型》及GB/T 33863.5《OPC 統一架構 第6 部分:映射》標準定義，建模規則M 表示屬性必須提供，O代表可選。基于生產設備統一信息模型構建規則，圍繞知識、通信、幾何三個維度，分別構建各維度下的生產設備統一信息模型，為生產設備信息模型屬性提供統一描述內容。

表3 生產設備統一信息模型構建規則結構

四、總結與展望

本文深入剖析了生產設備統一信息模型的概念內涵、研究現狀和存在問題，基于信息物理系統理論開展生產設備統一信息模型構建需求分析，并依托系統工程方法MBSE 提出了面向制造全過程的生產設備統一信息模型構建方法。從通信、知識、幾何三個維度出發開展生產設備運行管控業務活動分析、功能模塊分配和信息要素定義，并結合生產設備運行管控需求擴展SysML 系統建模語言，針對生產設備業務活動、功能模塊中的特定概念、規則和約束進行個性化定義，構建形成面向制造全過程的生產設備統一信息模型，實現生產設備多維信息的統一描述、統一表達和統一應用。

在未來的研究中，計劃將生產設備統一信息模型的覆蓋范圍拓展至生產設備需求規劃、研發設計、生產制造等全生命周期環節，并進一步擴展生產設備統一信息模型覆蓋維度至生產設備的運行機理、控制邏輯等方面，從而支撐信息在生產設備全生命周期的無障礙流動、全流程追溯以及高階功能應用。