電力設(shè)備數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化支撐智能制造

劉育權(quán)，宋禹飛，梁錦照，于秋玲

（1.中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司，廣州 510663；2.南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)集團(tuán)有限公司，廣州 510000）

0 引言

在全球工業(yè)4.0時(shí)代，制造業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型成為必然趨勢。在電力設(shè)備制造向數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化轉(zhuǎn)型發(fā)展的過程中，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化形成的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)奠定了智能制造的基石［1-4］。

早期文本化、電子化的標(biāo)準(zhǔn)，缺乏結(jié)構(gòu)化和語義化信息，停留在專家人工識(shí)讀的低效應(yīng)用層面，標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行依賴于第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的評價(jià)，整體環(huán)節(jié)的效率與效果有待提升。機(jī)器可識(shí)別、可執(zhí)行和可決策的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)與智能制造一體化融合應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)“標(biāo)準(zhǔn)即數(shù)據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)即軟件，標(biāo)準(zhǔn)即服務(wù)”的標(biāo)準(zhǔn)新型應(yīng)用模式，可以為電力設(shè)備智能制造提供從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)到運(yùn)維等全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)支持，實(shí)現(xiàn)電力企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的創(chuàng)新變革。

數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)支撐智能制造，而智能制造又加速數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。因此，數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)與智能制造一體化融合應(yīng)用，可以同時(shí)促進(jìn)兩者的發(fā)展，具有理論和應(yīng)用研究的價(jià)值和意義。

1 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化概述

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化是大勢所趨，是目前國內(nèi)外熱點(diǎn)的研究課題。數(shù)字技術(shù)和實(shí)體經(jīng)濟(jì)深度融合，是國家實(shí)現(xiàn)“十四五”戰(zhàn)略發(fā)展的目標(biāo)，這種融合包含了制造標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)字技術(shù)融合的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化是將標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化和語義化處理，使之標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用機(jī)器可識(shí)別、可執(zhí)行和可決策，這是制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用發(fā)展的一個(gè)里程碑［5-10］。

1.1 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化發(fā)展

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化可以追溯到20年前標(biāo)準(zhǔn)本文檢索和在線預(yù)覽的機(jī)器可閱讀需求年代，經(jīng)過近20年的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化取得了長足的發(fā)展。

2005年，美國航空航天工業(yè)協(xié)會(huì)（AIA）提出未來標(biāo)準(zhǔn)將作為一系列數(shù)據(jù)單元進(jìn)行管理和控制，而不是一堆非結(jié)構(gòu)化的電子圖表文件，使用者尤其是機(jī)器能夠在設(shè)備制造中方便地引用標(biāo)準(zhǔn)單元數(shù)據(jù)。

2008年，我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 22373—2008“標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)元數(shù)據(jù)”對標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)核心元數(shù)據(jù)、公共元數(shù)據(jù)等給出了定義及其表示方法，規(guī)范了標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)集合的基本元數(shù)據(jù)。

2009年，中國航空領(lǐng)域相關(guān)機(jī)構(gòu)借鑒美國波音經(jīng)驗(yàn)，提出“標(biāo)準(zhǔn)即數(shù)據(jù)、使用即標(biāo)準(zhǔn)”的新型標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用模式，將標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化處理為數(shù)據(jù)單元，并通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)與工業(yè)軟件、操作系統(tǒng)等結(jié)合，讓標(biāo)準(zhǔn)的使用形式能夠基本滿足應(yīng)用需求。

2011年，ISO為改進(jìn)出版系統(tǒng)，以NISO Z39.96-JATS為基礎(chǔ)，與Mulberry公司合作開發(fā)出了ISOSTS（ISO標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽集），對標(biāo)準(zhǔn)描述所需元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的結(jié)構(gòu)、文本、表格、公式、圖形、圖像、術(shù)語、參考引用等的標(biāo)記類型和規(guī)則進(jìn)行定義和規(guī)范，成為一種可用來發(fā)布和交換標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的通用格式。目前，BSI、SIS、NEN、SA以及一些經(jīng)銷商均采用了ISOSTS。

2017年，IEC在其發(fā)展規(guī)劃中提出要為可直接由機(jī)器使用的新型數(shù)字標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行根本性改變做準(zhǔn)備；CEN和CENELEC發(fā)布《CEN-CENELEC數(shù)字化轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略計(jì)劃》，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作作為確保工業(yè)領(lǐng)域數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要的舉措；DIN/DKE為支持企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，也將“未來機(jī)器可執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和格式”作為其重點(diǎn)領(lǐng)域。

2018年，ISO通過技術(shù)管理委員會(huì)94號(hào)決議（TMB Resolution 94/2018），成立了機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的戰(zhàn)略咨詢小組（SAG/MRS），提出機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)（SMART）概念，發(fā)布了實(shí)施路線圖。

2019年，英國BSI啟動(dòng)在數(shù)字化環(huán)境中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)協(xié)作開發(fā)的敏捷流程。俄羅斯在《2019—2027年俄羅斯標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展措施方案》中，提出將國家標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為“機(jī)器可讀格式”，提出將標(biāo)準(zhǔn)庫中80%的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)。

2020年，CEN和CENELEC發(fā)布《2020年歐洲標(biāo)準(zhǔn)化工作戰(zhàn)略重點(diǎn)》，提出繼續(xù)開展在線標(biāo)準(zhǔn)化項(xiàng)目、未來標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目以及開源創(chuàng)新項(xiàng)目，并圖解《2020年歐洲標(biāo)準(zhǔn)化工作規(guī)劃》十大戰(zhàn)略重點(diǎn)；IEC SMB重啟SG12“數(shù)字化轉(zhuǎn)型和系統(tǒng)方案”戰(zhàn)略組，開展數(shù)字化轉(zhuǎn)型方法與IEC及其標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化等內(nèi)容的研究。

2021年，ISO發(fā)布《ISO戰(zhàn)略2030》，將數(shù)字技術(shù)作為ISO變革的驅(qū)動(dòng)因素，創(chuàng)新ISO標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建、編排格式和交付內(nèi)容的方式；CEN和CENELEC發(fā)布《CEN-CENELEC戰(zhàn)略2030》，推出機(jī)器可用、可讀和可譯等標(biāo)準(zhǔn)，將標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容無縫和自動(dòng)嵌入到公司的工作流程；ANSI正式發(fā)布《美國標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略》（USSS 2020），提出使用數(shù)字化工具有效地優(yōu)化全球標(biāo)準(zhǔn)的制定，促進(jìn)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)在全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的傳播；中國發(fā)布《國家標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展綱要》，明確不斷提高標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化水平，發(fā)展機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)以及開源標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)；IEC CB成立“SMART標(biāo)準(zhǔn)化與合格評定”任務(wù)組。

2022年，我國籌建全國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)化工作組，在標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的基礎(chǔ)通用、建模技術(shù)以及其他共性應(yīng)用技術(shù)等領(lǐng)域，開展國家標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的等級分類

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化具有階段性的發(fā)展特征，IEC和ISO按機(jī)器可讀標(biāo)準(zhǔn)的能力需求，將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化發(fā)展階段分為5個(gè)等級，每一等級對應(yīng)不同的機(jī)器可讀能力，圖1是標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的等級分類模型。目前，這個(gè)等級分類模型得到了眾多國際、區(qū)域和國家標(biāo)準(zhǔn)化組織的認(rèn)同，其中的第2—4等級是具備高階數(shù)字化能力的SMART標(biāo)準(zhǔn)等級。

圖1 IEC和ISO標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化等級分類模型Fig.1 Standard digitization grade clsssification model of IEC and ISO

目前，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)、聯(lián)盟團(tuán)體以及大型企業(yè)已達(dá)到的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化機(jī)器可讀的能力水平差距較大。我國國家標(biāo)準(zhǔn)大部分仍停留在電子化可閱讀的1級標(biāo)準(zhǔn)等級水平，3—4級標(biāo)準(zhǔn)等級仍然處在探索階段；國際標(biāo)準(zhǔn)及部分先進(jìn)國家標(biāo)準(zhǔn)大部分已達(dá)到2級標(biāo)準(zhǔn)等級水平，一些試點(diǎn)領(lǐng)域已達(dá)到3—4級等級水平；歐洲ECLASS協(xié)會(huì)發(fā)揮ECLASS標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器可讀優(yōu)點(diǎn)，眾多標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)3～4級等級水平。

1.3 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的關(guān)鍵技術(shù)

目前，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)的研究圍繞機(jī)器可讀能力的第2至第4等級的SMART標(biāo)準(zhǔn)展開，包括機(jī)器可識(shí)別、可執(zhí)行以及可決策的共性關(guān)鍵技術(shù)。

1.3.1 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)

數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)包括拓展標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽集技術(shù)以及公共數(shù)據(jù)字典庫技術(shù)。

1） 標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽集技術(shù)，應(yīng)用XML等標(biāo)記語言構(gòu)建通用的標(biāo)準(zhǔn)信息模型，用于分析標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和技術(shù)內(nèi)容要素。標(biāo)準(zhǔn)信息模型定義標(biāo)準(zhǔn)的層次及內(nèi)容，并以此為基礎(chǔ)，對特定標(biāo)準(zhǔn)化對象的類和關(guān)系，定義通用標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)簽集及其屬性，結(jié)構(gòu)化表示標(biāo)準(zhǔn)框架和主要元素。

2） 公共數(shù)據(jù)字典技術(shù)，定義設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)單元、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及標(biāo)準(zhǔn)元素等的數(shù)據(jù)類標(biāo)準(zhǔn)，包括編碼、名稱、類型、從屬關(guān)系屬性以及描述對象單元所需的信息分類和屬性等，構(gòu)成描述不同技術(shù)內(nèi)容的屬性集合，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)對象單元本體的數(shù)據(jù)字典資源，支持?jǐn)?shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的修編、評估、確認(rèn)及發(fā)布；支持標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵內(nèi)容的實(shí)時(shí)在線查詢、管理及應(yīng)用；支持不同系統(tǒng)、不同企業(yè)及不同行業(yè)之間的機(jī)器可識(shí)別標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)的公共服務(wù)等。

1.3.2 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)機(jī)器可執(zhí)行的關(guān)鍵技術(shù)包括標(biāo)準(zhǔn)管理接口組件化技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的語義化技術(shù)等，支持?jǐn)?shù)字化標(biāo)準(zhǔn)全要素的機(jī)器自動(dòng)訪問和操作，以及支持標(biāo)準(zhǔn)在不同系統(tǒng)間的互聯(lián)、互通及交叉引用等操作。

1.3.3 數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可決策的關(guān)鍵技術(shù)

標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化實(shí)現(xiàn)機(jī)器可決策的關(guān)鍵技術(shù)包括知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)以及知識(shí)圖譜智能搜索技術(shù)。

1） 知識(shí)圖譜構(gòu)建技術(shù)。知識(shí)圖譜是結(jié)構(gòu)化的語義知識(shí)庫，其基本組成單位是（實(shí)體、關(guān)系、實(shí)體）三元組，以及實(shí)體及其相關(guān)“屬性—值”對，實(shí)體之間通過關(guān)系相互聯(lián)結(jié)，構(gòu)成網(wǎng)狀的知識(shí)結(jié)構(gòu)。構(gòu)建知識(shí)圖譜的方式有自頂向下和自底向上兩種，自頂向下的方式是從高質(zhì)量數(shù)據(jù)資源中提取本體和模式信息，加入到知識(shí)庫中；自底向上的方式是借助數(shù)字技術(shù)手段，從公開采集的數(shù)據(jù)資源中提取出資源模式，選擇其中置信度較高的信息，加入到知識(shí)庫中。構(gòu)建知識(shí)圖譜的關(guān)鍵技術(shù)包括：自然語言處理技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等。知識(shí)圖譜的構(gòu)建是“信息抽取—知識(shí)融合—知識(shí)加工”不斷迭代的過程。

2） 知識(shí)圖譜智能搜索技術(shù)。數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可決策能力依賴于知識(shí)圖譜及其智能搜索的技術(shù)水平。智能搜索基于數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)文本的語義模型，使用應(yīng)用場景的語義和語境知識(shí)，應(yīng)用人工智能自然語言處理技術(shù)構(gòu)建智能搜索引擎，支持?jǐn)?shù)字化標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器可決策的功能。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的研究方向

現(xiàn)階段我國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化還處于紙質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)文檔電子化的數(shù)字化初級階段，鮮有3～4級標(biāo)準(zhǔn)等級水平的研究成果。

我國長期跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)化工作的研究方向及應(yīng)用發(fā)展，在基礎(chǔ)原理與方法研究方面，中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院作為SAC/TC 286（標(biāo)準(zhǔn)化原理與方法）秘書處承擔(dān)單位，制定GB/T 1《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則》等系列國家基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)，為我國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作提供理論基礎(chǔ)；在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容語義化研究方面，國家標(biāo)準(zhǔn)館基于語義識(shí)別技術(shù)及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，研究開發(fā)出中外標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容指標(biāo)比對系統(tǒng)，為標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容語義化研究及應(yīng)用提供參考；在知識(shí)圖譜應(yīng)用研究方面，中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院提出并立項(xiàng)了IEEE標(biāo)準(zhǔn)P2959《面向標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)圖譜技術(shù)要求》，為我國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化知識(shí)圖譜構(gòu)建提供技術(shù)指導(dǎo)；在數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集建設(shè)研究方面，中國標(biāo)準(zhǔn)化研究院牽頭起草GB/T22373—2021《標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)元數(shù)據(jù)》等數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)和促進(jìn)我國標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的發(fā)展。

在跟蹤國際標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作的過程中，我國標(biāo)準(zhǔn)化組織和管理部門已認(rèn)識(shí)到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型對制造業(yè)設(shè)備智能制造的重要意義。雖然我國目前的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化整體水平與國際先進(jìn)水平差距較大，但已經(jīng)在整合資源、筑牢基礎(chǔ)、應(yīng)用試點(diǎn)、國際交流等方面積極行動(dòng)，做了大量卓有成效的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字水平差距正在不斷縮小。

2 智能制造支撐電力設(shè)備概述

電力設(shè)備智能制造在信息系統(tǒng)和數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)支持下，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體與虛擬實(shí)體的深度融合。信息系統(tǒng)使用智能傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)通信、控制技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)，應(yīng)用電力設(shè)備機(jī)理虛擬孿生建模，在數(shù)字空間構(gòu)建電力設(shè)備的虛擬孿生實(shí)體，通過智能傳感器數(shù)據(jù)的虛實(shí)交互映射，信息系統(tǒng)識(shí)別、執(zhí)行和決策電力設(shè)備的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的電力設(shè)備智能制造的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)，提高電力設(shè)備研發(fā)的進(jìn)程和質(zhì)量，降低電力設(shè)備制造的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和維護(hù)成本［6-9］。

2.1 國內(nèi)外智能制造發(fā)展[9-10]

智能制造概念源于20世紀(jì)80年代末Wright和Bourne 合著的《智能制造》一書，經(jīng)過近30年的發(fā)展，智能制造的內(nèi)涵和外延得到不斷的拓展和豐富。智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)和信息系統(tǒng)深度融合，已成為全球制造業(yè)的發(fā)展趨勢。

20世紀(jì)80年代初，歐洲國家頒布《信息技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略》計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)智能制造技術(shù)的研發(fā)，瑞士ABB、德國西門子和法國施耐德電氣公司等，已將人工智能技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)控制設(shè)備制造及其控制系統(tǒng)中；英國頒布“高價(jià)格制造”策略，從2012年開始連續(xù)4年，幫助14個(gè)制造企業(yè)等機(jī)構(gòu)進(jìn)行智能制造建設(shè)；英國政府科技辦公室頒布《英國工業(yè)2050戰(zhàn)略》，將智能制造作為英國制造業(yè)發(fā)展的一項(xiàng)長期執(zhí)行的戰(zhàn)略計(jì)劃；德國2013年推出的工業(yè)4.0戰(zhàn)略，以信息物理系統(tǒng)為中心，推動(dòng)如高端制造等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2011年，美國政府聯(lián)合產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同組建智能制造領(lǐng)導(dǎo)聯(lián)盟，發(fā)布《實(shí)施二十一世紀(jì)智能制造》，對智能制造發(fā)展的目標(biāo)、路徑和建設(shè)提供可參考的標(biāo)準(zhǔn)；2012年，美國國家科技委員會(huì)發(fā)布《先進(jìn)制造業(yè)國家戰(zhàn)略計(jì)劃》，在實(shí)現(xiàn)制造業(yè)智能化戰(zhàn)略目標(biāo)過程中，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新在智能制造中的引領(lǐng)作用，鼓勵(lì)開放式及多形式的全民創(chuàng)新，始終把創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)略放在首位。

20世紀(jì)80年代末，日本提出通過對制造業(yè)的智能化改造方式提高要素生產(chǎn)率；近年來，日本通過加強(qiáng)知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)以及促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研深度合作，鼓勵(lì)設(shè)備智能制造的技術(shù)創(chuàng)新和進(jìn)步。

2014年，韓國提出“制造業(yè)革新3.0戰(zhàn)略”，將傳統(tǒng)優(yōu)勢的信息及軟件技術(shù)融入制造業(yè)，實(shí)現(xiàn)制造產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)型升級；2015年末，發(fā)布“智能制造研發(fā)路線圖”，應(yīng)用智能制造技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用；近年來，建立創(chuàng)新經(jīng)濟(jì)中心支持中小企業(yè)的智能化工廠建設(shè)項(xiàng)目。

2015年，我國頒布《中國制造2025》以及《國家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南（2015年版）》，明確以推進(jìn)智能制造為制造業(yè)發(fā)展的主攻方向，提出智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)目標(biāo)，推動(dòng)制造業(yè)協(xié)同創(chuàng)新和向服務(wù)型、智能型制造的轉(zhuǎn)變。

目前，我國智能制造在數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)、自主核心技術(shù)以及創(chuàng)新體系等方面仍落后于一些西方發(fā)達(dá)國家，一些高端電力設(shè)備智能制造水平仍處在全球制造業(yè)的價(jià)值鏈下游。

2.2 智能制造關(guān)鍵技術(shù)

臧冀原等人將智能制造技術(shù)概括為智能設(shè)計(jì)、智能產(chǎn)品、智能裝備、個(gè)性化定制智能生產(chǎn)、智能管理及智能服務(wù)等6個(gè)方向，關(guān)鍵技術(shù)包括數(shù)字孿生技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、人機(jī)共享機(jī)器人技術(shù)以及人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）等27項(xiàng)。

工信部等多部門印發(fā)的《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》，將智能制造關(guān)鍵技術(shù)分為4類：一是設(shè)計(jì)仿真、混合建模、協(xié)同優(yōu)化等基礎(chǔ)技術(shù)；二是增材制造、超精密加工等先進(jìn)工藝技術(shù)；三是智能感知、人機(jī)協(xié)作、供應(yīng)鏈協(xié)同等共性技術(shù)；四是人工智能、5G、大數(shù)據(jù)、邊緣計(jì)算等在工業(yè)領(lǐng)域的適用性技術(shù)。

本文認(rèn)為，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化技術(shù)也是智能制造的基礎(chǔ)技術(shù)。智能制造的智能除依賴于智能傳感技術(shù)的感知外，還依賴于可識(shí)別、可執(zhí)行及可決策的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的支持。智能制造過程是在數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)支持下的設(shè)備建模及產(chǎn)品生產(chǎn)。因此，標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化技術(shù)、智能傳感器技術(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)、人工智能技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)以及智能邊緣計(jì)算技術(shù)是智能制造的核心關(guān)鍵技術(shù)。

2.3 我國智能制造研究發(fā)展現(xiàn)狀

目前，我國智能制造的基礎(chǔ)研究能力相對不足，消化吸收引進(jìn)技術(shù)的能力不夠，缺乏原始創(chuàng)新能力；智能制造的基礎(chǔ)理論、技術(shù)體系和工具軟件等建設(shè)滯后，表現(xiàn)在數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)體系、技術(shù)體系、標(biāo)準(zhǔn)體系、控制系統(tǒng)、系統(tǒng)軟件以及工具軟件等均落后于發(fā)達(dá)國家的水平。

在智能制造關(guān)鍵技術(shù)和核心部件方面，高端傳感器、智能儀器儀表、高檔數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)應(yīng)用軟件等市場份額不到5%；大型工程機(jī)械使用的30 Mpa以上液壓件依賴進(jìn)口；大型轉(zhuǎn)載機(jī)進(jìn)口部件占整機(jī)價(jià)值量比重達(dá)到50%～60%。

在高端軟件產(chǎn)品方面，制造業(yè)信息化和工業(yè)化融合程度較低，缺乏應(yīng)用于各類復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)和管理的智能化高端軟件產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）軟件、資源計(jì)劃軟件（ERP）及電子商務(wù)軟件等；企業(yè)缺乏大系統(tǒng)的集成能力。

當(dāng)前，智能制造已成為我國建設(shè)制造強(qiáng)國的主攻方向，加快制定智能制造解決方案是推動(dòng)中國制造邁向高質(zhì)量發(fā)展、形成國際競爭新優(yōu)勢的必由之路。我國制造企業(yè)在《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》指導(dǎo)下，發(fā)力支撐智能制造的數(shù)字化基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，不斷補(bǔ)齊短板，縮小與發(fā)達(dá)國家的差距，正朝著從制造業(yè)大國向制造業(yè)強(qiáng)國的方向快速發(fā)展。

3 智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的通用模型

智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的通用模型由應(yīng)用體系架構(gòu)、應(yīng)用功能規(guī)格、應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)、應(yīng)用實(shí)施策略以及應(yīng)用實(shí)施流程構(gòu)成［10-14］。

3.1 應(yīng)用體系架構(gòu)

智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)緊密關(guān)聯(lián)，數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)支撐智能制造，智能制造促進(jìn)數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展［15-20］。智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用體系由物理設(shè)備層、虛實(shí)交互層、數(shù)字孿生建模層、智能制造決策層以及協(xié)同工作層組成，形成五層的體系架構(gòu)，如圖2所示。

圖2 智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用體系架構(gòu)Fig.2 Integrating application architecture for intelligent manufacturing and digital standard

3.2 應(yīng)用功能規(guī)格

智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用功能規(guī)格模型不但適用于狹義的物理設(shè)備智能制造，而且還適用于更廣泛的外延物理設(shè)備的智能制造［21-26］。本文擴(kuò)充智能制造設(shè)備概念的內(nèi)涵和外延，將物理設(shè)備層的設(shè)備定義為包括并不限于：智能設(shè)備、智能裝備、智能工廠、智能車間、智能管理、智能服務(wù)、智能電網(wǎng)以及數(shù)字電網(wǎng)等，智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用功能規(guī)格如表1所示。

表1 智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用功能規(guī)格Tab.1 Integrating functional specification for intelligent manufacturing and digital standard

3.3 應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)

支撐智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的技術(shù)架構(gòu)由基礎(chǔ)設(shè)施層、虛實(shí)交互層、數(shù)字孿生建模層、智能制造決策層以及協(xié)同工作層組成，形成5層的應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)，如圖3所示。

3.4 應(yīng)用實(shí)施策略

圖3的智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用體系架構(gòu)包含兩個(gè)閉環(huán)控制流程，一個(gè)是仿真優(yōu)化閉環(huán)（以下簡稱A閉環(huán)），另一個(gè)是虛實(shí)迭代閉環(huán)（以下簡稱B閉環(huán)）。智能制造A閉環(huán)是在數(shù)字空間中的制造仿真活動(dòng)，確保智能制造在數(shù)字空間中滿足智能制造目標(biāo)需求和數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的條件下，達(dá)到最優(yōu)智能制造的參數(shù)效果；智能制造B閉環(huán)是在物理空間驗(yàn)證數(shù)字空間智能制造參數(shù)效果的實(shí)踐，通過虛實(shí)聯(lián)動(dòng)，B閉環(huán)確保智能制造在物理空間中滿足智能制造目標(biāo)需求和數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的條件下，達(dá)到最優(yōu)制造的實(shí)際應(yīng)用效果。

A閉環(huán)和B閉環(huán)迭代循環(huán)終止的判斷是實(shí)施策略的關(guān)鍵，不恰當(dāng)?shù)呐袛嗳菀资归]環(huán)控制陷入難于收斂或不能收斂的困局。一種最優(yōu)的實(shí)施策略是使用下述強(qiáng)化學(xué)習(xí)的策略迭代的三步法。

第一步策略估計(jì)，計(jì)算當(dāng)前策略下每個(gè)狀態(tài)的價(jià)值；

第二步策略提升，計(jì)算每個(gè)狀態(tài)每個(gè)動(dòng)作的價(jià)值，對每個(gè)狀態(tài)取每個(gè)動(dòng)作中使得價(jià)值函數(shù)最大動(dòng)作作為當(dāng)前狀態(tài)新的動(dòng)作（策略）；

第三步策略迭代終止判斷，判斷之前策略每個(gè)狀態(tài)對應(yīng)的動(dòng)作分布組成的整體動(dòng)作策略和更新后的策略是否不同，如果不同則說明策略還可能有改進(jìn)的空間，轉(zhuǎn)到第一步重新按順序循環(huán)，如果相同則說明策略已經(jīng)最優(yōu)，迭代循環(huán)終止。

3.5 應(yīng)用實(shí)施流程

實(shí)際上，圖3的智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用體系架構(gòu)已經(jīng)標(biāo)明了一體化融合應(yīng)用的實(shí)施流程。需要說明的是圖3中的實(shí)線箭頭是控制流，虛線箭頭是數(shù)據(jù)流。除了模塊1.1、模塊1.4和模塊2.7可能需要離線運(yùn)行實(shí)施外，其他模塊均為在線自動(dòng)運(yùn)行實(shí)施。

圖3 智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用技術(shù)架構(gòu)Fig.3 Integrating technology architecture for intelligent manufacturing and digital standard

4 電力變壓器設(shè)備智能制造的概念驗(yàn)證

概念驗(yàn)證（proof of concept，簡稱POC）是對某些概念、理論、方法、技術(shù)、模型或方案的一個(gè)不完整的實(shí)現(xiàn)，以示范其原理，證明其實(shí)施的可行性。

下面選用文獻(xiàn)［15］的研究成果，對本文提出的智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的通用模型做概念驗(yàn)證。

4.1 驗(yàn)證環(huán)境

受限于實(shí)驗(yàn)環(huán)境及實(shí)驗(yàn)條件的約束，概念驗(yàn)證過程通過人機(jī)交互接口技術(shù)，模擬智能傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集以及電力變壓器制造數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)辨識(shí)，以此簡化POC驗(yàn)證環(huán)境的搭建，驗(yàn)證環(huán)境由下述3個(gè)部分構(gòu)成。

1） 電力變壓器高保真小尺度的數(shù)字孿生模型[10]

為進(jìn)一步簡化POC驗(yàn)證工作，此處不提供電力變壓器三維數(shù)字孿生可視化模型，而只提供智能制造核心的優(yōu)化仿真計(jì)算的變壓器漏磁場、繞組振動(dòng)及噪聲的數(shù)字孿生模型。

2） 電力變壓器數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)交互接口

由于缺乏電力變壓器3級或4級的數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)辨識(shí)智能制造的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，開發(fā)人機(jī)交互接口代替機(jī)器自動(dòng)辨識(shí)電力變壓器制造的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

3） 虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的電力變壓器傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集人機(jī)交互接口

采用人機(jī)交互接口技術(shù)，模擬虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的電力變壓器傳感數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

4.2 驗(yàn)證過程及結(jié)論

4.2.1 電力變壓器智能制造需求目標(biāo)

負(fù)載電流引起的繞組振動(dòng)是運(yùn)行中變壓器噪聲的主要來源之一，電力變壓器智能制造的需求目標(biāo)設(shè)定為對一臺(tái)50 kVA的單相變壓器的振動(dòng)和聲輻射特性進(jìn)行智能仿真概念驗(yàn)證。

4.2.2 驗(yàn)證過程及結(jié)論

在電力變壓器數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)人機(jī)交互接口及虛實(shí)聯(lián)動(dòng)的電力變壓器傳感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集人機(jī)交互接口的支持下，對變壓器漏磁場、繞組振動(dòng)及噪聲的數(shù)字孿生模型進(jìn)行優(yōu)化仿真實(shí)驗(yàn)，可以得到文獻(xiàn)［15］的研究結(jié)論。

進(jìn)一步地，輸入變壓器的不同的負(fù)載條件及變壓器數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，可以得到更多變壓器繞組振動(dòng)特性及噪聲分布特性，可以為變壓器的智能制造提供更多的性能優(yōu)化方案。

5 結(jié)語

智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用是實(shí)施中國制造企業(yè)《“十四五”智能制造發(fā)展規(guī)劃》的應(yīng)用創(chuàng)新，符合智能制造和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化的發(fā)展方向和潮流。智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用研究，有利于同時(shí)促進(jìn)智能制造和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化工作，數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)支撐智能制造，智能制造又反哺標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字化。本文提出了一個(gè)由體系架構(gòu)、功能規(guī)格、技術(shù)體系、實(shí)施策略以及實(shí)施流程組成的智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的理論與應(yīng)用結(jié)合的通用模型，并通過對電力變壓器設(shè)備智能制造數(shù)字孿生建模，對這個(gè)通用模型進(jìn)行了概念驗(yàn)證，證明了該通用模型的可行性。本文工作對我國制造業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化組織的數(shù)字化轉(zhuǎn)型均具有實(shí)際指導(dǎo)的價(jià)值和意義。下一步的工作是在不同行業(yè)的所屬專業(yè)領(lǐng)域開展應(yīng)用實(shí)踐，獲得更多的實(shí)施經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)一步完善智能制造與數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)一體化融合應(yīng)用的理論研究和實(shí)踐研究的成果。