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1、 ICS 35.240 CCS L 65 制造业数字化仿真 仿真环境要求 Digital simulation in manufacturing industryRequirement for simulation environment 中关中关村信息技术和实体经济融合发展联盟村信息技术和实体经济融合发展联盟 发布发布 团团 体体 标标 准准 T/AIITRE 21005-2022 2022-04-18 发布 2022-04-18 实施 T/AIITRE 21005-2022 I 目 次 前 言.II 引 言.III 1 范围.4 2 规范性引用文件.4 3 术语和定义.4 4 仿真环境的基
2、本组成.4 4.1 概述.4 4.2 硬件环境.5 4.3 软件环境.5 4.4 仿真模型库.5 4.5 仿真数据库.5 5 仿真环境构建流程.6 6 仿真环境构建与应用.6 6.1 仿真环境建设总体规划.6 6.2 仿真环境搭建.7 6.3 仿真环境评测确认.7 6.4 仿真环境运维及升级改进.7 7 面向特定需求的仿真环境构建.7 7.1 概述.8 7.2 复杂计算需求的仿真环境构建.8 7.3 多用户高通量需求的仿真环境构建.8 7.4 高置信度需求的仿真环境要求.8 7.5 沉浸交互式需求的仿真环境构建.8 7.6 异地协同需求的仿真环境构建.8 7.7 物理过程精细化模拟需求的仿真环
3、境构建.8 参 考 文 献.9 T/AIITRE 21005-2022 II 前 言 本文件按照 GB/T 1.1-2020标准化工作导则 第 1 部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由中关村信息技术和实体经济融合发展联盟提出并归口。本文件起草单位：北京临近空间飞行器系统工程研究所、国家工业信息安全发展研究中心、北京航空航天大学、清华大学、重庆川仪调节阀有限公司、安世亚太科技股份有限公司、上海汇众汽车有限公司。本文件主要起草人：铁鸣、李君、文莎、张霖、范文慧、胡建、田锋、张健、郝娇山、唐毅强、盛云。T/AI
4、ITRE 21005-2022 I 引 言 数字时代背景下，推进数字化转型成为企业生存发展、打造可持续竞争力的必然选择。制造业数字化仿真在助力企业降低成本、提升效益、加速模式创新方面效用明显，在制造企业产品全生命周期及创新实践中得到越来越广泛的应用，并不断推进全行业数字化转型升级。仿真环境是支撑仿真活动进行的基础，形成仿真环境通用要求可以规范仿真环境的构建、运行与维护等系列活动，为制造企业、科研机构等依据不同的业务需求、不同的仿真目的、不同的对象范围等，建立适宜的、满足需求的仿真环境提供参考依据。然而，由于构建数字化仿真环境过程复杂、要求较高，企业管理者对数字化仿真环境的构建及应用存在两大难点
5、。一是不同企业存在不同的仿真需求，管理者对于构建何种与仿真需求相匹配的仿真环境尚不清晰；二是企业在明确拟构建的仿真环境要求后，对于如何实现仿真环境的构建与有效应用尚不明确。针对以上问题，亟需研制一套系统的制造业数字化仿真环境要求，从仿真应用的视角，为企业科学构建与业务需求相匹配的仿真环境指明方向，为高效开展仿真活动提供条件支撑。本文件明确了制造业数字化仿真环境的基本组成，针对不同的需求给出了拟构建的仿真环境要求，并针对仿真环境的构建与应用提出了通用要求，是从管理与应用的角度，引导规范数字化仿真在制造企业落地实施的基础性、综合性标准。可为制造企业、研究机构、高校统一概念认识，构建维护合适的仿真环
6、境提供参考和依据，并可为开展仿真环境及平台研究和咨询服务的科研院所、第三方咨询机构提供参考。制造业数字化仿真系列标准拟组成如下：制造业数字化仿真 分类。目的在于对制造业正在使用和最新涌现的数字化仿真进行分类、梳理和描述，引导制造企业系统认识从而深入开展数字化仿真实践。制造业数字化仿真 分级。目的在于确定制造业数字化仿真等级划分要素，确立制造业数字化仿真分级模型，规定各等级的具体要求，引导制造企业逐级提高数字化仿真应用水平与能力。制造业数字化仿真 通用管理要求。目的在于给出制造业数字化仿真的通用管理要求，为制造企业科学开展数字化仿真全过程有效管控提供依据。制造业数字化仿真 建模过程规范。目的在于
7、对制造业数字化仿真中建模的各个阶段活动给出统一规范，为制造企业科学规范地开展满足业务需求的仿真建模活动提供依据与指引。制造业数字化仿真 仿真环境要求。目的在于对制造业数字化仿真环境的构建与应用提出要求，引导制造企业根据差异化的仿真需求构建适宜的仿真环境。T/AIITRE 21005-2022 4 制造业数字化仿真 仿真环境要求 1 范围 本文件明确了制造业数字化仿真环境的基本组成，针对不同的需求给出了拟构建的仿真环境要求，并针对仿真环境的构建与应用提出了通用要求。本文件适用于制造企业、研究机构、高校及第三方咨询机构，可为制造企业、研究机构、高校统一概念认识，构建维护合适的仿真环境提供参考和依据
8、，并可为开展仿真环境及平台研究及咨询服务的科研院所、第三方咨询机构提供参考。2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。T/AIITRE 21001-2022 制造业数字化仿真 分类 T/AIITRE 21002-2022 制造业数字化仿真 分级 T/AIITRE 21003-2022 制造业数字化仿真 通用管理要求 T/AIITRE 21004-2022 制造业数字化仿真 建模过程规范 3 术语和定义 T/AIITRE 21001-2
9、022、T/AIITRE 21002-2022、T/AIITRE 21003-2022 和 T/AIITRE 21004-2022 界定的以及下列术语和定义适用于本文件。3.1 仿真环境 simulation environment 支撑开展制造业数字化仿真活动的软、硬件条件及平台。3.2 高通量仿真 high-throughput simulation 需要处理大量高并发和独立的数据密集型负载及数据分析应用。3.3 高置信度仿真 high fidelity simulation 仿真作为原型系统、实际系统的相似替代，总体结构和行为水平能够复现原型的可信性程度很高，并体现于仿真活动全过程。4
10、仿真环境的基本组成 4.1 概述 制造业数字化仿真环境，从企业应用仿真环境支撑仿真活动的视角，主要分为硬件环境要素、软件工具要素、仿真模型库、仿真数据库，图1给出仿真环境基本结构框架。其中，软件工具要素分为系统工具和应用工具，硬件环境要素分为硬件设施和仿真专用设备。T/AIITRE 21005-2022 5 图1 仿真环境基本结构框架 4.2 硬件环境 4.2.1 硬件设施 企业在设计制造活动中，为满足仿真任务对计算速度、存储空间、信息传输速度、运行稳定性等的应用要求，应具备相应的计算、存储、网络硬件基础支撑条件。4.2.2 仿真专用设备 企业应根据特定仿真活动需求配备相应的专用设备，如面向高
11、置信度仿真需求的信息物理融合设备、面向沉浸交互式仿真需求的虚拟/增强现实设备等。4.3 软件环境 4.3.1 系统工具 基于仿真活动硬件环境，企业应具备支持硬件环境的操作系统、资源管理系统、设备管理工具、仿真资源调度软件等软件条件。4.3.2 应用工具 基于仿真活动应用需求，企业应具备支撑其开展数字化仿真的仿真模型与软件的开发环境工具、仿真模型与仿真软件运行环境工具、数据库系统、仿真引擎、可视化工具等软件支撑条件。4.4 仿真模型库 企业应具备支撑其开展仿真实验和计算分析的模型、算法等数字化仿真模型条件。4.5 仿真数据库 企业应具备获取开展仿真活动所需的输入数据、输入文件、模型参数、环境参数
12、的条件。T/AIITRE 21005-2022 6 5 仿真环境构建流程 企业应按照一定的流程开展仿真环境构建，包括制定仿真环境构建计划、仿真环境搭建、仿真环节评测确认、仿真环境运维及升级改进等流程，实现仿真环境构建流程闭环管理。具体流程见图 2。制定仿真环境构建计划可行性分析（人员，软、硬件，模型，数据等因素）面向需求的仿真环境构建计划需求分析（功能与性能要求，设计约束）仿真环境搭建仿真开发环境搭建仿真运行环境搭建模型校验环境搭建体系结构设计仿真环境评测确认仿真环境评测方案与指标制定仿真环境评测基准系统设计、实现功能及性能评测评测结果分析、确认仿真环境应用运行满足功能与性能需求未能完全满足功
13、能、性能需求仿真环境完善（体系结构或软、硬件及设备、模型等更改、完善）经验总结与知识积累为后续仿真环境构建活动提供参考依据仿真环境维护（软件工具、硬件环境运行维护、更新升级等）仿真环境建设总体规划仿真环境运维及升级改进仿真环境构建及应用经验知识重用 图2 仿真环境构建与应用基本流程 6 仿真环境构建与应用 6.1 仿真环境建设总体规划 企业应对制造过程中仿真环境的需求进行可行性分析，提出仿真环境建设总体规划方案，具体如下：T/AIITRE 21005-2022 7 a）在对仿真活动的需求分析基础上，结合自身当前和未来各阶段可具备的条件，制定仿真环境的远景规划方案，规划不同时期、阶段的仿真环境体
14、系结构，形成软件工具、硬件环境、模型与数据资源等逐步累积、完善、更新的建设路线；b）基于对仿真环境的需求分析和建设总体规划，分析可具备的软件工具、硬件设施、技术条件、经费条件、人力资源、模型与数据资源等是否满足当前仿真环境构建任务，针对可能存在的技术、经费等方面的风险提出对策；c）根据需求分析及资源条件等，制定仿真环境构建计划，包括明确对仿真环境的功能与性能要求、设计约束、仿真环境搭建人员选择、任务周期与进度安排、可具备的软件工具和硬件设施、研制分工等，形成仿真环境构建的策划报告。6.2 仿真环境搭建 企业应依据仿真环境建设总体规划，搭建仿真开发环境、运行环境、模型校验环境等，具体如下：a）搭
15、建仿真系统开发环境，为仿真模型与算法开发提供软件工具、数据，为运行仿真模型、管理仿真活动的软件服务提供开发工具和硬件，并设置环境参数；b）搭建支撑仿真模型和软件运行的仿真环境，主要包括支撑仿真模型运行的软件工具、支撑仿真系统运行的硬件设施、仿真模型及软硬件协同的中间件、时序逻辑和仿真数据的管理工具、仿真资源管理和调用的软件工具等；c）针对产品设计、优化等方案的仿真验证，对仿真模型的可信性进行校核、验证，搭建模型校验环境，主要包括校验数据采集与存储工具、校核与验证过程管理及数据分析工具、校核与验证的评估模型或算法等。6.3 仿真环境评测确认 企业应对所搭建的仿真环境进行仿真环境评测确认，包括评测
16、方案与指标制定、仿真环境评测基准系统设计实现、功能及性能评测等，具体如下：a）依据仿真活动目的和需求确定评测指标体系，制定仿真环境评测方案，明确评测软硬件环境要求、评测范围和评测目标，进一步明确评测指标；b）针对仿真对象特点，依据仿真环境评测方案和评测指标，设计、实现仿真环境评测基准系统，用于实现仿真环境功能和性能评测；c）依据仿真环境评测方案和评测指标，制定评测大纲，构建并运行测试系统，进行仿真环境功能及性能评测，确认其符合仿真活动功能需求，并满足稳定性、可扩展性、开放性、易用性等要求，并给出评测报告，包含评测过程、结果及评价等；e）对于评测结果未能满足仿真活动功能、性能需求的仿真环境，企业
17、应分析其影响因素，并按需进行体系结构设计的修改完善，更改软件工具、硬件环境、设备、模型等，修改仿真开发、运行或模型校验环境中的要素，重新开展体系结构设计，直至满足功能、性能需求为止。6.4 仿真环境运维及升级改进 企业应将经过评测确认的仿真环境投入应用，并进行运行维护、升级改进，具体如下：a）仿真环境评测结果完全满足功能、性能需求后，企业基于仿真环境开展各类仿真活动，并对应用效果和运行中的问题记录、总结；b）根据仿真活动的软件工具、硬件设施与仿真专用设备运行状况，对其进行维护、维修、更新、升级；c）对仿真环境构建、应用全过程产生的经验知识进行总结、积累，对仿真环境构建过程进行总结，形成文字信息
18、，为后续的仿真环境构建积累经验，提供参考依据和经验知识，并反馈、完善仿真环境建设总体规划，形成仿真环境构建及应用的知识重用和改进。7 面向特定需求的仿真环境构建 T/AIITRE 21005-2022 8 7.1 概述 企业应根据不同的业务需求，构建面向不同需求的差异化仿真环境。7.2 复杂计算需求的仿真环境构建 具有制造物理过程、化学过程仿真模拟等复杂计算需求的企业，应构建高效并行的仿真环境：a）具备高性能计算机或并行计算集群等计算资源、高速缓存、大容量存储资源等硬件设施；b）具备计算与存储资源调度工具、并行计算作业管理工具、并行仿真模型开发或仿真任务解耦工具等软件工具。7.3 多用户高通量
19、需求的仿真环境构建 具有多用户海量数据密集 I/O、高并发、高吞吐等需求的企业，应构建高通量的仿真环境：a）具备多计算结点、高网络配速、高读写及存储能力的内存系统等硬件设施；b）具备为用户屏蔽计算结点众多、处理器异构、存储层次深、通信方式多样、系统组件故障等硬件结构复杂性的虚拟化中间件等软件工具。7.4 高置信度需求的仿真环境要求 对制造过程仿真结果有高可靠性、高置信度需求的企业，应构建虚实融合的仿真环境：a）具备包含真实工业控制系统、调压系统、机器人/机械臂在回路等或基于相似原理的物理模型在内的专用设备等硬件设施；b）具备驱动上述设备或硬件运行、信息交互及数据在线处理的专用软件等软件工具。7
20、.5 沉浸交互式需求的仿真环境构建 对生产、装配、物流、测试等制造过程有较强沉浸感与互动感需求或较全信息直观指导需求的企业，应构建虚拟现实或增强现实的仿真环境：a）具备为用户提供视觉、听觉、触觉沉浸的仿真专用设备等硬件设施，包括图形生成计算机、投影系统和 3D 显示器或头盔显示器及其他视觉输出设备、位置和触觉跟踪采集输入设备、力热信息反馈设备、体感设备、听觉输入设备等；b）具备三维模型开发及仿真运行软件、虚拟现实设备或物理模型驱动及信息交互软件、现实工业环境数据采集系统、生成三维场景的软件引擎系统等软件工具。7.6 异地协同需求的仿真环境构建 对有异地仿真资源按需共享与重用，拟开展跨地域、跨企
21、业或跨组织协同仿真活动需求的企业，应构建分布式协同的仿真环境或云仿真环境：a）具备分布式仿真节点或高性能计算集群、高速网络环境、共享存储系统等硬件设施；b）具备将模型、数据、软件、计算、存储等资源虚拟化并按需共享和管理调度的资源管理软件，实现异构软件实现异构软件数据交互与调用功能的中间件，实现异地仿真时间协同或离散事件协同功能的中间件等软件工具。7.7 物理过程精细化模拟需求的仿真环境构建 主要用于产品设计阶段，对生产制造过程或产品使用过程中的流场、温度场、结构刚度与强度、噪声、电磁场、多体运动、疲劳损伤等进行精细化仿真分析，应构建 CAE 仿真环境：a）具备满足复杂计算需求的高性能计算机或工
22、作站、服务器；b）具备基于有限元法、有限差分法、有限体积或无网格法的 CAE 计算软件和 CAE 建模与前、后处理软件等软件工具。T/AIITRE 21005-2022 9 参 考 文 献 1 GB/T 38554-2020 云制造仿真服务通用要求 2 GB/T 39334.1-202 机械产品制造过程数字化仿真 第1部分：通用要求 3 张霖,周龙飞.制造中的建模仿真技术J.系统仿真学报,2018,30(6):1997-2012 4 肖田元,范文慧.系统仿真导论(第2版)M.北京:清华大学出版社,2010.5 Mourtzis D,Papakostas N,Mavrikios D.The role of simulation in digital manufacturing-applications and outlookJ.International Journal of Computer Integrated Manufacturing,2015,28(1):3-24.