基于MBSE 的生产设备统一信息模型构建方法研究

李君 窦克勤 周勇 刘劲松 李清 唐毅强

（1.国家工业信息安全发展研究中心，北京 100040；2.清华大学 自动化系，北京 100084；3.中国科学院大学，北京 100049）

制造业是国民经济的物质基础和产业主体，是国家科技水平和综合实力的重要标志。生产设备作为制造活动的基本载体，是制造企业最核心的资产，其管理水平直接影响企业生产、经营、供应等价值创造活动。在新一代信息技术与制造业融合发展背景下，生产设备数字化、网络化、智能化水平持续提升，与其所在运行环境和配套设备之间的交互协同愈加紧密。生产设备不再仅仅是由物理结构组成的机械产品，而是向虚实映射、交互驱动与实时互通的生产设备数字双胞胎加速转变，其运行方式、管理模式和管理目标均发生了根本性变化，对生产设备的互联互通、创新优化、转型升级等提出了较高要求[1]。

生产设备信息模型将大量工业技术原理、行业知识、感知信息、几何特征等不同领域、不同来源、不同类型的数据信息进行综合集成和汇聚整合，并封装成为规则化、软件化、模块化的模型组件，成为支撑实现生产设备泛在连接、动态感知、高效管控与智能优化的核心关键[2]，也是充分发挥生产设备资产价值以及数字化管理成效的重要保障。国内外学术界和工业界对生产设备信息模型开展了大量的研究探索和应用实践，相关国际标准化组织、工业企业从自身优势出发研制了各类具有自主知识产权的工业通信协议规范，并基于通信协议发布了生产设备通信集成标准，从多个层次、多个维度提出生产设备信息的互联互通要求，为生产设备虚实双向映射、信息交互共享、业务无缝集成奠定基础。

本文围绕生产设备密集型制造车间多型异构生产设备智能优化管控需求，深入剖析了生产设备统一信息模型的概念内涵、研究现状和存在的问题，基于信息物理系统理论提出了面向制造全过程的生产设备统一信息模型构建方法。从通信、知识、几何三个维度开展生产设备运行管控业务活动分析、功能模块分配和信息要素定义，构建形成面向制造全过程的生产设备统一信息模型，用于支撑实现生产设备信息物理系统的虚实映射、动态交互与协同优化。

一、生产设备统一信息模型研究综述

（一）信息模型概念辨析

信息模型是为了一定目的对现实世界客观对象的简化描述方式，旨在实现现实世界事物对象在信息世界中的抽象化认知和表达，其概念和定义随着科学技术发展和产业需求变化逐步演化。早期的信息模型可视为人类思维模型，主要是基于人类的思维模式和语言组织方式描述和解释现实世界客观对象的特征和活动。20世纪60—70 年代，随着计算机的应用普及，为推动信息在计算机中规则化、结构化的表示和存储，产生了“信息模型”这一概念[3]。20 世纪90 年代，为满足多类信息系统架构设计与集成互联需求，信息模型在原先“规则化描述”的基础上，增加了对象属性与关联关系等要素。近年来，伴随着新一代信息技术的不断突破与发展，信息模型这一概念涵盖内容愈加丰富、边界范围更加广阔。中国工程院于润沧院士指出，信息模型集成了多维度、多尺度、多领域的全息信息，可实现不同阶段的数据、过程和资源动态变化过程的数字化表达[4]。与此同时，信息模型也在建筑、城市、工业等诸多领域得到广泛应用，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）、 工业互联网信息模型[8]（Industrial Internet Information Model，3IM）等。

从信息模型的发展历程看，信息模型历经了从客观对象的抽象到计算机和信息系统中数据特征的抽象再到如今多维信息资源抽象的演进过程，其定位也从最初的“认知表达”向“规则化描述”“关系定义”“全息信息数字化表达”持续延伸。结合本文研究对象和研究范围，本研究中的“信息模型”主要指一种用于描述对象、对象属性和对象之间关系的规则化表达模型。

（二）生产设备统一信息模型研究现状

生产设备作为一种与操作人员、配套设备设施、数字化系统、物理环境等频繁交互的实体，需通过信息模型对其所涉及的信息进行统一、完整、准确地描述和表达。由于生产设备本身是涉及多学科领域、多生产过程、多组成要素的复杂系统，国内外各研究机构、工业企业、标准化组织均从自身行业领域及应用需求出发研究生产设备信息模型，在信息模型规范统一的具体内容方面的关注重点并不相同。

在生产设备本身属性的规则化表达方面，为统一生产设备各类属性要素在计算机系统中的定义规则和描述方式，各研究机构和国际标准化组织针对各类生产设备的关键属性要素的统一语义描述，开展了生产设备数据字典研究。IEC 国际电工委员会制定了IEC61360-4《通用数据字典》国际标准[9]，德国eCl@ss 协会制定了工业领域统一的数据和语义体系[10]，相关生产设备厂商基于数据字典分别建立了面向通用领域或特定对象的生产设备信息模型，实现生产设备信息在计算机系统中的统一查询、统计、交换和处理，支撑生产设备信息在企业内部乃至企业外部的统一语义表达和信息交换。

在生产设备信息的传输交互方面，为解决多型异构设备的通信方式各异、协议繁杂、数据传输困难等问题，相关国际标准化组织、工业企业、研究机构从自身利益出发研制了各类具有自主知识产权的工业通信协议标准。国际电工委员会制定的IEC 62769《现场设备集成》标准[11]，是用于描述生产设备现场通信集成的信息模型。OPC 基金会提出了OPC UA 统一架构IEC 62541[12]，为生产设备信息模型的建立提供跨平台的通用框架，支持生产设备基于OPC UA 进行设备、系统、环境等的互联互通与互操作。

在生产设备物理实体与数字虚体的双向映射方面，为解决生产设备多层级、多维度、全生命周期信息的统一集成与精准表达问题，各国研究机构、标准化组织等对生产设备信息模型开展了研究探索。2015 年，工业4.0 平台发布了工业4.0 参考架构模型（RAMI 4.0）[13]，创新提出资产管理壳概念，用于描述生产设备工业资产信息和功能应用。近年来，数字孪生[14]、信息物理系统[15]以数字化的方式建立生产设备的多维度、多学科、多物理量的数字模型，以仿真刻画生产设备的几何形态、属性要素、行为规则等。

（三）研究存在问题分析

基于上文对生产设备信息模型发展现状的深入分析，发现当前生产设备统一信息模型研究在通用框架、覆盖范围以及表达深度等方面仍存不足，难以满足当前工业互联网、数字孪生等技术飞速发展背景下多型异构生产设备的运行管控需求，具体如下：

多型异构生产设备信息缺乏统一全面描述，难以支撑生产设备运行管控活动的深度分析和精准调控。当前，生产设备运行产生的信息呈现爆发式增长，所涉及的领域和维度持续延伸拓展。但是，当前生产设备信息模型往往从单一领域或单一维度应用需求出发，不同类型生产设备信息模型之间难以交互共享和关联分析。为此，迫切需要构建内容多样、语义规范、格式一致的生产设备统一信息模型，以支撑生产设备在运行管控活动中的数据集成共享、信息融合等。

缺乏面向不同应用场景生产设备运行活动信息的统一关联描述，难以支撑面向制造全过程的设备运行活动集成管控和一体化协同。当前，生产设备信息模型大部分聚焦于生产设备的运行管理、维修维护等单一环节，缺乏不同场景下生产设备运行活动信息内在逻辑、关联关系的描述规则，无法支撑生产设备各类信息在制造全过程的统一语义表达。为此，迫切需要构建覆盖制造全过程的生产设备统一信息模型，以支撑生产设备在制造全过程环节中的信息互联互通与虚实双向映射。

缺乏生产设备属性信息、状态参数、控制逻辑等的关联关系和约束规则的统一定义，难以支撑设备预测性维护、故障诊断、远程运维等高阶应用。生产设备在实际应用过程中往往与配套设备、数字化系统相互关联作用，共同形成一个具有层级结构和关联关系的复杂生产系统，对生产设备信息模型表达信息的颗粒度以及关联性提出了更高的要求。为此，迫切需要构建能够统一表达生产设备运行逻辑和关联关系的生产设备统一信息模型，以满足面向制造全过程的生产设备智能化管控需求。

二、基于信息物理系统的生产设备统一信息模型构建需求分析

当前，生产设备已演进成为集嵌入式计算、网络通信、高性能控制和物理环境于一体的信息物理系统（cyber-physical system，CPS）[16]。生产设备CPS 基于物理空间与信息空间之间数据交互的闭环通道，通过通信感知对物理空间中生产设备物理实体及其配套设备、物理的状态数据进行汇聚、集成和传输，完成物理空间与信息空间的信息传递；在信息空间中通过知识获取，基于数据提炼形成标准化、模块化的生产设备知识单元和功能构件，拼装形成生产设备数字虚体，并通过知识搜索，结合用户需求和应用场景获得生产设备运行决策知识；进而通过通信控制完成生产设备信息空间到物理空间的反馈控制，并将生产设备运行状态、生产进度、决策依据等基于数字虚体在物理空间中完成可视化展示，从而形成基于信息自动流转的智能感知、动态分析、科学决策和精准执行的生产制造体系。

当前，生产设备运行管控系统普遍将设备作为信息物理系统CPS 进行管理、控制和维护，生产设备CPS 对生产设备信息的采集、传输、处理和应用提出了更高要求，需要表达清晰、语义完整、结构一致的生产设备信息模型作为基础支撑，如图1 所示。对生产设备CPS 在制造全过程中的物理空间、信息空间以及虚实映射过程中统一的属性内容进行分析，在物理空间更加关注生产设备运行工况的可视化展示，主要聚焦于各类生产设备物理实体的外观形状、尺寸大小、内部结构、空间位姿、装配关系等几何特征信息的一致性描述；在信息空间更加关注生产设备数字虚体辅助决策知识的构建、更新与推理逻辑，主要聚焦对生产设备的专家知识、经验参数、操作准则、关联关系等领域知识进行一致性表达；在虚实交互过程中更加关注生产设备数据能否稳定采集、控制指令能否有效反馈，主要聚焦设备实体与数字虚体之间数据交换过程的数据格式、指令编码、控制逻辑、交互方式、传输配置等通信传输参数的一致性定义。为此，本文从通信、知识、几何三个维度出发构建生产设备统一信息模型，以解决生产设备物理空间、信息空间、物理空间和信息空间之间的信息表达不规范、内容不完整、交互不顺畅的问题。

三、面向制造全过程的生产设备统一信息模型构建方法

（一）基于MBSE 的生产设备统一信息模型构建技术路线

生产设备CPS 作为虚实融合的复杂工程系统，需要依托系统工程方法MBSE 开展生产设备统一信息模型的构建与应用。本文从生产设备知识、通信、几何维度出发，参考MagicGrid方法论纵向构建需求分析—活动行为—功能模块—信息模型（requirement-activity-functioninforma tion，RAFI）的研究活动流程，横向构建问题域、解决方案域及实现域的递进式研究方法，形成矩阵式的生产设备统一信息模型构建技术路线，如图2 所示。

图2 面向制造全过程的生产设备统一信息模型构建技术路线

纵向来看，通过对面向制造全过程的生产设备运行管控信息进行统一需求分析，应用MBSE 方法完成用户需求分析、业务活动定义、功能模块分析与信息模型构建。问题域根据需求输入，从整体出发进行设备活动内容分解、功能模块划分以及实体对象识别；解决方案域基于问题域输入的特定活动、功能及实体对象，进行业务活动的行为定义、功能模块的属性集构建以及实体属性关系分析；实现域基于解决方案域输入的行为动作、功能要求和关系约束，应用SysML 系统建模语言设计特定具体应用场景的设备活动元素、属性参数及信息要素，最终完成从系统全局到局部细节乃至具体场景应用的生产设备统一信息模型。

横向来看，业务活动分析阶段，在问题域逐层剖析分解生产设备运行管控活动内容，在解决方案域细致分析生产设备运行管控活动行为动作，在实现域基于设备运行管控特定需求拓展SysML 系统建模语言进行活动元素设计和活动图绘制；功能模块分配阶段，在问题域针对生产设备功能模块进行分解，在解决方案域构建生产设备功能模块属性集，在实现域基于设备功能模块特定需求拓展SysML 系统建模语言，进行功能模块属性参数定义和模块图绘制；信息模型构建阶段，在问题域根据生产设备运行管控业务活动和功能应用识别相关信息实体对象，在解决方案域采用实体关系图描述分析生产设备信息实体属性关系网络，在实现域针对生产设备特定业务活动的具体应用场景，结合实体、属性，构建生产设备统一信息要素，从而完成面向制造全过程的生产设备统一信息模型构建。

（二）生产设备运行管控业务活动研究

1.问题域：活动内容分解

基于生产设备运行管控需求开展业务活动内容分析，明确生产设备运行管控的业务逻辑，分解获取具体的业务活动内容。根据生产设备运行管控需求，本文将生产设备运行管控活动划分为通信感知、通信控制、知识提取、知识搜索、可视化展示5项主要活动。基于此，从通信、知识、几何三个维度出发进一步明确生产设备运行管控场景下各维度业务活动的运行逻辑。从通信维度来看，生产设备运行管控主要聚焦信息空间和物理空间的信息交互，即数据的采集与传输、控制指令的下达与执行；知识维度主要聚焦生产设备信息空间内部相关知识提炼与抽象总结，形成知识图谱用于知识搜索和知识推理，辅助生产设备运行控制决策；几何维度主要聚焦生产设备物理实体几何特征模型实时联动更新，可视化展示生产设备的当前运行状态，如图3 所示。

图3 生产设备运行管控业务活动内容分解

2.解决方案域：行为动作分析

围绕各维度生产设备特定业务活动，基于活动要求、运行逻辑及关联关系进行活动动作拆分。通过分析生产设备运行管控特定业务活动子动作之间的关联关系以及输入输出参数，对各个子动作进行活动逻辑关联，从而明确业务活动的行为规则和运行逻辑。基于活动拆分的子动作、子动作之间的关联关系，添加相关输入输出、关联角色、流程顺序等要素，开展活动元素组装，形成生产设备运行管控业务活动的通用描述方案。通过分析生产设备运行管控细分活动在信息空间、物理空间以及信息空间和物理空间双向映射的运行逻辑，为下文生产设备的业务活动元素设计提供逻辑参考，如图4 所示。

图4 生产设备运行管控活动行为动作分析

3.实现域：活动元素设计

基于具体业务活动需求和运行逻辑，采用拓展之后的SysML 系统建模语言对特定场景应用活动元素进行功能解构、活动分析、动作规范定义，将活动子动作、活动节点和活动分区等元素组装生成完整的活动图，进而提供系统功能的动态描述信息，为生产设备统一信息模型构建奠定基础，如图5 所示。

图5 基于拓展之后SysML 的生产设备运行管控活动描述方法

生产设备业务活动通常由多个子动作组成，子动作之间存在复杂的交互逻辑，且部分子动作的执行依赖于封装了特定功能实现方式的外部方法。对于方法的调用以及子动作之间交互内容的约束定义等，SysML 基础元素难以满足特定描述需求。因此，在深入分析SysML 语法语义的基础上，采用标准元素功能扩展机制创建构造型（Stereotype）对SysML 符号元素进行扩展，通过定义新的构造型属性符号形成“方法”符号元素，以支撑生产设备业务活动子动作的调用执行。同时，扩展SysML 中对象流的语义，增加对象流的约束属性用，以约束信息空间中子动作之间的交互内容，通过“约束条件”元素，规范子动作间的输入输出参数（表1）。基于以上操作构建形成生产设备特定维度典型业务场景的业务活动图，以支撑生产设备业务活动的准确、全面描述，并从中提炼相关动态信息为生产设备统一信息模型构建奠定基础。

表1 生产设备运行管控特定领域的基于SysML 扩展元素

（三）生产设备运行管控功能模块分配

1.问题域：功能模块划分

生产设备运行管控功能模块承接生产设备业务活动分解内容，开展生产设备运行功能模块划分，围绕通信、知识和几何三个维度，深入分析生产设备运行功能模块的边界范围和表达内容，以明确生产设备运行管控基本功能应用。在通信维度，聚焦生产设备运行状态的感知获取，以及对生产设备的反馈控制，划分为设备数据采集模块、设备数据传输模块、设备控制指令下达模块、设备控制指令执行模块4类一级功能模块；在知识维度，聚焦生产设备运行管控知识的获取以及知识的应用，划分为设备知识单元提取模块、设备知识图谱更新模块、设备知识语义搜索/推理模块3 类一级功能模块；在几何维度，聚焦生产设备运行管控过程的可视化展示需求，划分为设备几何特征、设备可视化展示模块2 类一级功能模块。基于上述分解得到的生产设备运行管控一级功能模块，挖掘其在信息物理空间中所需表达的内容，围绕知识、通信和几何三个维度进一步拆解得到二级功能模块乃至三级功能模块，如图6所示。

2.解决方案域：功能模块属性集构建

基于上述分解得到的各类生产设备运行功能模块开展功能模块属性集构建，明确特定生产设备运行管控活动所包含的功能属性要素。由于在生产设备运行管控活动中，动作行为、功能模块、属性要素互相影响，活动行为的变化会导致功能模块的变化，并且功能模块的改变将进一步导致属性要素的改变。为此，本文针对生产设备运行管控特定活动进行相关属性提取，获得该活动相关的属性要素；根据功能模块层次关系，将活动相关的属性要素与功能模块进行关系映射及设计匹配，得到对应功能模块的属性要素；针对设计获得的生产设备运行管控特定功能属性要素进行组合装配，形成特定场景应用下完整的生产设备运行功能模块，如图7 所示。

3.实现域：模块属性参数定义

基于生产设备功能模块的内部运行逻辑和应用场景，采用拓展之后的SysML 系统建模语言针对特定功能模块进行属性集构建、属性参数定义，基于关联、依赖、泛化等关系将不同维度功能模块进行组合，支撑形成不同维度的模块图。通过定义生产设备功能模块的表达内容以及不同类型功能模块之间的关联关系，支持生产设备功能模块功能信息的全面、准确描述，如图8 所示。

图8 基于SysML 的生产设备功能模块属性参数定义方法

为完整表达生产设备功能模块的各项特性，需要扩展SysML 模块图中的“操作特性”元素表达功能模块和业务活动的关联关系。SysML 里面的＜＜operation＞＞操作通常表征某种简单行为，但生产设备运行管控业务活动内部关系复杂且包含多个子动作，无法仅用＜＜operation＞＞表示。为此，本研究基于构造型（Stereotype）对SysML 模块图Block 中的＜＜operation＞＞操作特性扩展形成＜＜activity＞＞活动行为元素，以支撑生产设备功能模块相关行为特性的完整表达（表2）。采用拓展之后的SysML 系统建模语言针对特定功能模块进行属性集构建、属性参数定义，基于关联、依赖、泛化等关系将不同维度功能模块组合，支撑形成不同维度的模块图。通过定义生产设备功能模块的表达内容以及不同类型功能模块之间的关联关系，支持生产设备功能模块相关信息的全面、准确描述。

表2 面向生产设备功能领域的SysML 语义扩展

（四）生产设备统一信息模型构建

1.问题域：实体对象识别

基于上文对生产设备运行管控业务活动及功能模块的研究分析，可知生产设备特定业务活动的实现需要对应功能模块的支撑，而设备功能模块的搭建离不开生产设备状态参数、功能性能、行为规则等信息属性及关联关系的抽象化描述与标准化定义，亟须搭建统一的信息模型对生产设备不同来源、不同维度、不同格式的数据信息进行统一描述、表达和应用。为此，需要基于信息物理系统理论，深入分析生产设备统一信息模型的边界范围和表达内容，以明确生产设备统一信息模型的实体对象组成，如图9 所示。在生产设备信息空间，将设备的知识单元、知识图谱、知识搜索和推理功能有机结合起来，实现对设备知识的全面描述、有效管理和高效利用。在生产设备物理空间，将设备物理实体的几何形状、几何拓扑关系组合，基于设备可视化展示环境进行可视化内容的展示，构建形成完整的设备可视化展示场景。在生产设备信息空间与物理空间的数据交互过程中，通过通信维度的设备通信传输，使不同设备、管理系统之间能够进行数据交换和指令控制，进而支撑设备数据采集和设备控制指令的下达与执行，实现设备间的协作联动以及设备与系统之间互联互通。

图9 生产设备统一信息模型实体对象识别

2.解决方案域：实体属性关系分析

承接生产设备运行管控业务活动和功能模块分析结果，参考ER 图（entity relationship diagram）中的实体关系语义规范，进行生产设备统一信息模型的实体属性关系分析。基于实体、属性、联系等基础要素，绘制ER 图分析生产设备统一信息模型结构和关系，实现信息模型内部逻辑的可视化表示，如图10 所示。基于构建的生产设备统一信息模型，支撑生产设备在信息物理空间的一致性描述，实现生产设备各类信息的统一描述、统一认知和统一应用。

图10 生产设备统一信息模型实体属性关系分析

3.实现域：实体属性要素详细信息构建

基于实体属性关系分析结果构建生产设备统一信息模型，针对生产设备不同维度信息进行统一构建和描述，旨在提供统一的、无歧义的、标准化的描述规则，用于描述生产设备的基本属性、状态、知识等信息，其语法规则结构见表3。其中，属性数据类型应遵循GB/T 33863.3《OPC 统一架构 第3 部分:地址空间模型》及GB/T 33863.5《OPC 统一架构 第6 部分:映射》标准定义，建模规则M 表示属性必须提供，O代表可选。基于生产设备统一信息模型构建规则，围绕知识、通信、几何三个维度，分别构建各维度下的生产设备统一信息模型，为生产设备信息模型属性提供统一描述内容。

表3 生产设备统一信息模型构建规则结构

四、总结与展望

本文深入剖析了生产设备统一信息模型的概念内涵、研究现状和存在问题，基于信息物理系统理论开展生产设备统一信息模型构建需求分析，并依托系统工程方法MBSE 提出了面向制造全过程的生产设备统一信息模型构建方法。从通信、知识、几何三个维度出发开展生产设备运行管控业务活动分析、功能模块分配和信息要素定义，并结合生产设备运行管控需求扩展SysML 系统建模语言，针对生产设备业务活动、功能模块中的特定概念、规则和约束进行个性化定义，构建形成面向制造全过程的生产设备统一信息模型，实现生产设备多维信息的统一描述、统一表达和统一应用。

在未来的研究中，计划将生产设备统一信息模型的覆盖范围拓展至生产设备需求规划、研发设计、生产制造等全生命周期环节，并进一步扩展生产设备统一信息模型覆盖维度至生产设备的运行机理、控制逻辑等方面，从而支撑信息在生产设备全生命周期的无障碍流动、全流程追溯以及高阶功能应用。