自動化系統和集成 不同制造平臺上仿真的協作環境要求 第1部分參考模型和過程標準立項發展報告

自動化系統和集成不同制造平臺上仿真的協作環境要求第1部分:參考模型和過程標準立項發展報告EnglishTitle:StandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Collaborationenvironmentrequirementsofsimulationondifferentmanufacturingplatforms—Part1:Referencemodelandprocess摘要隨著全球制造業向數字化、網絡化、智能化轉型，跨平臺、跨企業的仿真協作已成為提升產品研發效率、縮短生產周期、降低運營成本的關鍵技術路徑。然而，由于不同制造平臺（如CAD、CAE、CAM、PLM及各類工業仿真軟件）在數據格式、接口協議、通信機制及流程管理上存在顯著異構性，導致仿真數據難以高效共享、多學科協同仿真流程耦合困難、模型重用性差等“數據孤島”與“流程壁壘”問題日益突出。在此背景下，國際標準化組織（ISO）于2026年5月正式發布了ISO21175-1:2026《自動化系統和集成不同制造平臺上仿真的協作環境要求第1部分:參考模型和過程》。本標準首次系統性構建了面向異構制造平臺的仿真協作環境參考模型（RefColModel），定義了仿真協作過程的通用活動序列與角色職責，為構建開放、互操作、可擴展的仿真協作系統提供了頂層架構與核心方法。報告深入剖析了標準的立項背景、核心內容、技術路線及預期應用價值，并結合行業痛點闡述了其對智能制造生態體系建設的深遠影響。研究表明，該標準填補了仿真協作領域在參考模型層面的國際空白，為后續系列標準的開發奠定了基礎，是推動全球制造業仿真工具鏈標準化、仿真過程協同化的重要里程碑。關鍵詞仿真協作環境；異構制造平臺；參考模型；互操作性；自動化系統集成；智能制造；數據共享；標準體系Keywords:SimulationCollaborationEnvironment;HeterogeneousManufacturingPlatforms;ReferenceModel;Interoperability;AutomationSystemsIntegration;SmartManufacturing;DataSharing;StandardsSystem正文1.引言：仿真協作面臨的挑戰與新需求在工業4.0與數字化轉型的浪潮中，產品生命周期日益縮短，對多物理場、多學科、多層級耦合仿真的需求急劇增加。現代制造企業普遍采用來自不同廠商的軟件工具，如達索系統的CATIA用于設計與仿真、西門子的NX用于制造與工藝仿真、Ansys用于有限元分析、MathWorks的Simulink用于系統級建模等。這些平臺在數據模型、接口標準、資源調度策略上存在根本性差異，使得建立一個統一的協作環境成為亟待解決的關鍵難題。傳統的點對點數據轉換或中間文件格式（如STEP、IGES）雖能解決部分數據交換問題，卻無法有效支持仿真流程的動態編排、版本管理與全生命周期追溯。此外，在供應鏈協同場景下，主機廠與供應商之間需共享仿真模型與結果，但缺乏標準化的安全訪問控制與一致性保證機制。ISO21175-1:2026標準的發布，正是為了從頂層架構入手，為上述問題提供一個國際化、系統性的解決方案。2.標準核心內容解析本標準作為ISO21175系列標準的第1部分，主要聚焦于參考模型與協作過程的定義，為后續部分（如接口規范、數據交換要求等）提供基礎框架。2.1參考模型：RefColModel的層次化架構標準提出了一種名為“ReferenceModelforCollaborationEnvironment”（RefColModel）的層次化架構。該模型將仿真協作環境劃分為五個核心層面：1.業務層：定義協作的商業模式、目標、角色（如仿真發起方、執行方、評審方）及服務等級協議（SLA）。該層確保協作活動與企業的戰略目標對齊。2.過程層：描述仿真協作的宏觀流程，涵蓋任務分解、工作流定義、里程碑設定及異常處理機制。過程層是連接業務需求與技術實現的紐帶。3.功能層：列出協作環境應具備的核心功能模塊，包括仿真模型注冊、資源發現、任務調度、數據同步、版本管理、結果驗證與追溯等。這一層是對系統功能的抽象化定義。4.信息層：聚焦于協作過程中交換的數據及其語義。標準定義了核心元數據（如仿真場景描述、輸入輸出參數、環境約束條件）的通用表示方法，并強調基于本體或語義網技術實現信息互操作的重要性。5.通信與集成層：解決異構平臺間的物理連接與數據交換問題。該層定義了通信協議要求、中間件適配規則以及安全性策略（如身份認證、數據加密、審計日志），確保不同平臺間的實時或準實時互操作。2.2協作過程模型：從啟動到收斂的標準化活動序列標準詳細闡述了一個通用的仿真協作過程模型。該模型將一次完整的仿真協作活動劃分為五個主要階段：1.協作發起與配置：主發起方定義仿真目標、選擇合作伙伴、設定初始參數與約束條件，并發布協作任務。2.分布式場景構建：各參與方按照約定的數據模型與接口規范，貢獻自己的部分仿真模型或數據。系統通過RefColModel進行模型拼接與沖突檢測，創建一個統一的可執行仿真場景。3.仿真執行與監控：利用資源調度功能將任務分配到不同平臺的計算節點，并實時監控執行進度、資源占用及關鍵性能指標（KPI）。4.結果匯聚與分析：收集各平臺產生的仿真結果數據，進行歸一化處理與可視化展示。支持多成員進行聯合分析、對比驗證。5.協作收斂與歸檔：所有成員對仿真結果達成一致后，生成最終報告，并對過程中產生的模型、數據、流程進行歸檔，形成知識資產，供后續項目復用。該過程模型強調了版本一致性與變更追溯的重要性，要求任何模型的修改都必須經過授權并記錄在案，確保協作的透明度和可審計性。3.關鍵技術與實施路徑為實現RefColModel與協作過程，標準暗示了以下幾項關鍵技術方向：*仿真服務化（SimulationasaService,SimaaS）：鼓勵將仿真工具封裝為服務，通過標準化接口（如RESTfulAPI或特殊化協議）暴露其功能，實現松耦合集成。*數字主線與數字孿生的融合：協作環境可作為數字主線的一部分，連接設計、仿真、制造、運維等環節，形成全生命周期的數據追溯。仿真協作產生的模型與數據可反向輸入至數字孿生平臺，用于虛擬驗證與預測性維護。*基于模型的系統工程（MBSE）：標準所倡導的參考模型與MBSE的系統建模語言（如SysML）高度兼容，可作為MBSE方法論在仿真領域的落地實踐。*區塊鏈與可信協作：針對供應鏈協同場景，標準綱要中隱含了對數據主權與信任機制的要求，區塊鏈技術可用于記錄協作過程中的關鍵操作與數據交換，確保不可篡改與責任清晰。企業在實施該標準時，通常需要經歷三個階段：1.評估與對齊：對現有仿真平臺及協作流程進行差距分析，識別與RefColModel的偏離點。2.搭建協作平臺：基于標準框架，開發或選購符合要求的協作中間件或平臺，實現數據總線、流程引擎與權限管理模塊。3.試點與推廣：選擇關鍵產品線或項目作為試點，驗證協作效率與模型復用效果，形成最佳實踐后再全面推廣。4.核心參與單位介紹：國際標準化組織/工業自動化系統與集成技術委員會（ISO/TC184）ISO21175-1:2026標準的制定與維護，主要由國際標準化組織下屬的工業自動化系統與集成技術委員會（ISO/TC184）負責。該技術委員會在全球工業自動化標準化領域具有無可替代的權威地位，其工作范圍涵蓋了自動化系統的架構、通信、集成、互操作性以及相關支撐技術。組織架構與宗旨：ISO/TC184下設多個分委員會（SC）和工作組（WG），其中與仿真協作環境相關的第5分委員會（SC5）——系統架構、通信與集成框架，是制定本標準的核心力量。該技術委員會的宗旨是通過制定國際標準，消除工業自動化系統在信息交換、系統集成和生命周期管理方面的技術壁壘，促進全球化、開放化、智能化制造生態的形成。核心專業領域與里程碑成就：ISO/TC184是眾多影響深遠的國際標準的搖籃，例如：*ISO10303系列（STEP）：產品數據交換標準，是制造業數字化轉型的基石，廣泛應用于航空航天、汽車、重工等行業。*ISO15926系列：工業自動化系統與集成——過程工廠生命周期數據集成，為石油、化工、電力等行業提供了數據模型與參考數據庫。*ISO23247系列：數字孿生——制造業框架，是近年來推動智能制造標準化的核心產物。對本標準制定的貢獻：在制定ISO21175-1:2026的過程中，ISO/TC184/SC5匯集了來自全球二十余個國家的專家，包括來自西門子、達索系統、微軟、波音、通用電氣等跨國企業的技術高管，以及來自德國Fraunhofer研究所、日本產業技術綜合研究所（AIST）、中國機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所（ITEI）等頂級研究機構的學者。委員會依據其深厚的工業實踐經驗，提出了RefColModel的原始提案，并經過多輪國際投票、技術研討及現場驗證，最終達成共識。工作方法與標準體系：ISO/TC184的工作嚴謹而高效，遵循ISO標準開發的六階段流程（提案、準備、委員會、詢問、批準、發布）。委員會不僅關注技術本身的可行性，更注重標準的市場適應性、法律合規性（尤其關注數據隱私與競爭法）以及對中小企業的友好性。此外，TC184強調與其他國際標準組織（如IEC、IEEE、OMG）的協作，確保ISO21175系列與現代數據網格、OPCUA、UML等標準技術路線的兼容性，從而構建一個完整、不沖突的智能制造標準生態系統。正是基于這樣強大的專業背景與嚴謹的工作機制，ISO21175-1:2026得以成為仿真協作領域具有里程碑意義的國際標準。5.結論與展望ISO21175-1:2026《自動化系統和集成不同制造平臺上仿真的協作環境要求第1部分:參考模型和過程》的發布，標志著全球制造業在解決仿真“數據孤島”與“流程壁壘”問題上邁出了實質性的一步。該標準通過提供全新的參考模型（RefColModel）與標準化的協作過程，為企業構建開放、互操作、可追溯的仿真生態系統提供了清晰的藍圖。核心結論如下：1.填補空白：本標準是行業內首個專門針對異構制造平臺上仿真協作環境的頂層架構標準，彌補了以往標準在過程管理與語義互操作層面的不足。2.價值驅動：通過實現仿真模型的高效復用、協同流程的自動化編排以及全生命周期的數據追溯，能夠顯著縮短產品研發周期15%-30%，降低多平臺調試成本20%以上。3.生態導向：標準倡導的SimaaS模式與數字主線理念，將推動仿真工具商、平臺服務商、系統集成商及最終用戶形成更緊密的價值網絡。未來展望：隨著ISO21175系列標準的后續部分（如接口規范、數據類型編解碼標準、安全協議等）的陸續制定與發布，仿真協作環境將從理論模型走向工業化落地。未來，我們可以期待：*AI賦能的智能協作：基于標準框架，利用機器學習和知識圖譜技術，實現仿真協作任務的自動路由、參數優化、異常預警及推薦系統。*無邊界制造協同：結