制造业数字化仿真 仿真环境管理要求 征求意见稿

GB/TXXXX—XXXX制造业数字化仿真仿真环境管理要求本文件明确了面向制造业的数字化仿真环境基本组成，给出了面向制造业的数字化仿真闭环管理流程和通用管理要求，并针对特定制造场景提出了仿真环境管理与应用的具体要求。本文件适用于制造企业构建、管理、维护适宜的数字化仿真环境，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，也为企业开展数字化仿真保障条件建设提供参考依据。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是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。GB/T23024-2024制造业数字化仿真分类3术语和定义GBT23024-2024界定的以及下列术语和定义适用于本文件。仿真环境simulationenvironment支撑开展制造业数字化仿真活动的软、硬件条件及平台的总称。3.2仿真模型simulationmodel以建模目标为研究对象，利用数字化工具软件建立的、可用于开展研究对象功能、性能或其他属性仿真模拟的数字模型。4仿真环境的基本组成制造业数字化仿真环境，从企业管理仿真环境支撑仿真活动的视角，主要分为硬件环境、软件工具、仿真模型库、仿真数据库，图1给出制造业数字化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。2GB/TXXXX—XXXX4.2硬件环境4.2.1硬件设施企业在制造业设计制造活动中，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产品设计、装配、测试等阶段的特定制造业仿真活动需求配备相应的专用设备，如面向高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4.3软件工具4.3.1系统工具基于制造业仿真活动硬件环境，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应用工具基于制造业仿真活动应用需求，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开展仿真实验和计算分析的模型、算法等数字化仿真模型库，支持仿真模型的添加、检索、修改和删除，模型库集成的模型种类应符合GB/T23024的规定，包括但不限于：a）面向需求的仿真模型，如产品应用需求模型、运用场景模型、指标模型、通用性要求模型b）面向设计的仿真模型，如设计要求模型、功能模型、性能模型、几何设计模型等；c）面向工艺的仿真模型，如工艺流程仿真模型、加工工艺仿真模型、工艺方案与规划等；d）面向生产制造的仿真模型，如制造过程模型、供应链模型、装配过程仿真模型、过程控制仿真模型、质量分析模型、生产执行制造管理全流程仿真模型等；e）面向试验验证的仿真模型，如虚拟测试与评估模型、虚拟试验模型、虚实设备交互模型等；f）面向维护回收的仿真模型，如产品运用仿真模型、维修保障模型、产品回收过程模型等。4.5仿真数据库企业应具备获取开展仿真活动所需的仿真数据库，支持工业仿真数据的添加、检索、修改和删除，集成的仿真数据包括但不限于：a）产品图纸文件、履历信息、物料清单；b）产品功能、性能及质量特性数据；c）制造过程、设备与生产环境参数。5仿真环境构建流程企业应按照一定的流程管理仿真环境，如图2所示，包括制定仿真环境构建计划、仿真环境搭建、仿真环境评测确认、仿真环境运维及升级改进等流程，实现仿真环境闭环流程管理。GB/TXXXX—XXXX6仿真环境构建与应用6.1制定仿真环境构建计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：a）根据企业仿真活动业务需求及仿真目的，开展仿真环境构建的需求分析，明确仿真环境功能与性能需求，仿真环境设计构建的约束；4GB/TXXXX—XXXXb）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、更新的仿真环境建设路线；c）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；d）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，明确评测制造业软硬件环境要求、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；d）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制造业活动流程中，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制造业仿真活动，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；5GB/TXXXX—XXXXc）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，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.面向特定制造场景的仿真环境管理要求7.1面向研发设计的仿真环境管理要求面向研发设计阶段的典型仿真环境包括但不限于面向产品异地协同研发的仿真环境管理要求和面向复杂产品多物理场性能分析的仿真环境管理要求等。7.1.2面向产品异地协同研发的仿真环境管理要求7.1.2.1适用场景适用于产品设计阶段的异地协同设计或基于多专业异构软件工具的协同设计。7.1.2.2仿真环境软硬件需求企业针对面向产品异地协同研发的软硬件，应采用分布式等可实现共享存储，并配备相应的资源调度、数据调用及协同仿真工具，在仿真环境软硬件需求包括但不限于：a）部署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）配备模型、数据、软件、计算、存储等虚拟化资源调度与管理软件和异构软件数据交互与调用功能的中间件等软件工具；c）对于制造产品的总体性能或多系统综合性能的仿真，涉及多系统、多学科、多粒度、多尺度等特性，还应配备异构仿真模型、CAE工具等交互和调度运行的协同仿真中间件作为软件工具。7.1.2.3环境管理流程要求企业针对产品异地协同研发时，应协作参与各方统一策划、统一管控模式、技术架构和软件工具，形成在并行协同条件下制造业产品的数字化设计、仿真、制造和管理的统一流程，包括但不限于：a）仿真环境构建计划：确定仿真需求、团队规模、地理位置和协作模式，分析仿真数据的大小、复杂性和处理需求，选择适合异地协同的仿真软件和协作工具；b）仿真环境搭建：选择适合异地协同的仿真软件和协作工具，在异地部署必要的硬件设施，如服务器、工作站、网络设备，建立稳定的网络连接，确保数据传输的实时性和安全性；c）仿真环境评测确认：验证仿真环境是否支持异地协同的所有必要功能，检查协作工具的集成度和易用性，测试异构软件的协同调用运行功能、异构模型集成效果，检查是否存在读写冲突和容错能力，评估仿真环境在处理大规模数据时的响应时间和计算效率；d）仿真环境运维及升级改进：定期进行系统维护，如软件更新、硬件检查。7.1.3面向复杂产品多物理场性能分析的仿真环境管理要求7.1.3.1适用场景适用于复杂产品系统详细设计阶段基于性能模型的数值仿真。7.1.3.2仿真环境软硬件需求企业在开展制造物理过程、化学过程仿真模拟等复杂产品多物理化学场耦合性能分析仿真活动时，在仿真环境软硬件需求方面的要求包括但不限于：a）部署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；6GB/TXXXX—XXXXb）配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；c）针对复杂产品详细设计阶段，其物理、化学性能通常会涉及大规模有限元、有限体积、离散元等计算，需配备基于有限元法、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，并以资源调度工具作为中间件集成构建仿真环境；d)针对复杂产品的测试、试验等活动，涉及物理性能及使用环境的精细化模拟，需部署高性能计算机或工作站、服务器。7.1.3.3环境管理流程要求企业针对复杂产品多物理场耦合性能分析时，考虑两种或多种物理场（如结构、热、流体、电场、磁场等）之间相互作用的分析过程，包括但不限于：a）仿真环境构建计划：确定仿真目标、物理场类型及其耦合关系；b）仿真环境搭建：配置CAE相关软件以支持多物理场耦合仿真，设置高性能计算或分布式计算环境，利用多个计算节点同时进行仿真计算；c）仿真环境评测确认：评估仿真环境在处理大规模、复杂模型时的计算效率，检测高性能并行仿真计算结点间通信能力、结点内读写可靠性、结点计算效率，并使用软件自带的可视化工具查看仿真结果（如温度分布、应力场、电场等），生成3D图像帮助分析物理场的分布情况是否符合物理规律。7.2面向工艺设计的仿真环境管理要求7.2.1概述面向工艺设计阶段的典型仿真环境包括但不限于面向产品性能与工艺流程精细化模拟的仿真环境管理要求等。7.2.2面向产品性能与工艺流程精细化模拟的仿真环境管理要求7.2.2.1适用场景适用于产品工艺设计阶段的性能分析，以及工艺验证的锻造、冶金轧制等加工工艺精细化数值模拟。7.2.2.2仿真环境软硬件需求企业对生产制造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活动时，在仿真环境软硬件需求包括但不限于：a）部署满足复杂计算需求的高性能计算机或工作站、服务器；b）配备基于有限元法、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；c）针对加工、钣金、焊接等工艺仿真，应利用CAD，三维数字模型开发、驱动和显示的软件工具等构建软件环境，对有较强沉浸感与互动感的需求，还应构建虚拟现实或增强现实的仿真环境等；d）针对铸造、锻压、增材制造、流程工业化学物理特性和加工设备反应等工艺仿真，还应构建满足复杂计算需求的高性能计算机或服务器和CAE软件环境。7.2.2.3环境管理流程要求企业针对工艺流程精细化仿真时，对制造工艺流程的模拟，分析生产过程中的各个环节，优化生产工艺流程，包括但不限于：a）仿真环境构建计划：分析工艺流程的特点，包括物料特性、设备性能、操作条件等，根据制造过程的实际情况，将各个环节、设备和人员进行虚拟建模，并确定模型中各个元素的工艺参数和性能指标；7GB/TXXXX—XXXXb）仿真环境搭建：购置和配置高性能计算服务器、工作站、网络设备等硬件设施，确保硬件设施满足仿真软件的运行要求，根据实际工艺流程建立仿真模型；确保模型的准确性和可靠性；c）仿真环境评测确认：通过实验数据验证仿真模型的准确性，确认模型能够在不同的操作条件下重现实际工艺过程。7.3面向生产制造的仿真环境管理要求7.3.1概述面向生产制造阶段的典型仿真环境包括但不限于面向生产制造的仿真环境管理要求等。7.3.2面向沉浸交互式工业流程复现的仿真环境管理要求7.3.2.1适用场景适用于面向生产制造过程的装配仿真、物流仿真，面向维护保障的仿真，面向试验验证的虚拟测试仿真等。7.3.2.2仿真环境软硬件需求企业对有较强沉浸感与互动感或较全信息直观指导需求的制造过程进行生产、装配、物流、测试仿真活动时，在仿真环境软硬件需求包括但不限于：a）部署为用户提供视觉、听觉、触觉沉浸的仿真专用设备等硬件设施，包括但不限于图形生成计算机、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、力信息反馈设备、体感设备、听觉输入设备等；b）配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；c）面向产品、装备的维护保障与回收，还需根据实际需求部署故障案例/运维工具等的模型库和场景搭建/模型编辑软件。7.3.2.3环境管理流程要求企业针对沉浸交互式工业流程复现仿真时，通过高度真实的模拟环境，身临其境地进行产品交互和体验，包括但不限于：a）仿真环境构建计划：确定仿真环境的目的、仿真内容和预期效果，分析用户的具体需求，如交互方式、视觉呈现、物理反馈等，选择合适的沉浸式技术，如VR、AR、混合现实（MR）b）仿真环境搭建：安装和配置头戴式显示器、追踪系统、交互设备等硬件，确保所有设备之间的兼容性和稳定性，集成所需的交互逻辑和视觉效果，实现用户界面和交互设计；c）仿真环境评测确认：测试仿真环境的基本功能、交互设备与软件的协同性，确保所有交互元素按预期工作；d）仿真环境运维及升级改进：收集和分析用户使用数据，监控仿真环境的使用情况，不断优化仿真环境，适时进行技术升级。7.4面向生产管理的仿真环境管理要求7.4.1概述面向生产管理阶段的典型仿真环境包括但不限于面向智能车间布局优化的仿真环境管理要求7.4.2面向智能车间布局优化的仿真环境管理要求8GB/TXXXX—XXXX7.4.2.1仿真环境软硬件需求企业在开展智能车间生产布局、人员调度、物流配送等仿真活动时，在仿真环境软硬件需求包括但不限于：a）部署多计算结点、高网络配速、高读写及存储能力的内存系统等硬件设施；b）配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；c）部署复杂的物流仿真、车间级仿真、企业级或跨企业仿真环境，应支持涉及大批量数据交d）部署产线布局仿真、装配仿真、物流/仓储仿真环境，应利用三维数字模型的仿真软件以及虚拟现实/增强现实技术。7.4.2.2环境管理流程要求企业针对智能车间布局优化仿真时，对工业生产过程进行数字化的模拟与分析，以最小化生产成本和最大化生产效率为目标，对生产流程进行优化和改进，包括但不限于：a）仿真环境构建计划：分析车间的现有布局、流程、设备能力和生产瓶颈，明确仿真环境需要实现的功能，如生产线布局、物流路径优化等；b）仿真环境搭建：利用仿真软件构建车间布局的三维模型，包括生产线、设备、工作站等，定义生产流程、物流规则、作业时间等参数，根据实际生产数据配置仿真模型的参数，确保仿真结果的准确性；c）仿真环境评测确认：通过仿真运行，评估车间布局的效率、生产线平衡性、物料流等关键性能指标，明确仿真模型的适用性和准确性；d）仿真环境运维及升级改进：定期更新仿真模型，以反映车间实际情况的变化，持续优化车间布局和流程。7.5面向运维保障的仿真环境管理要求7.5.1概述面向运维保障阶段的典型仿真环境包括但不限于高置信度需求的仿真环境管理要求等。7.5.2高置信度需求的仿真环境管理要求7.5.2.1适用范围面向具有高置信度需求的产品或工业流程控制系统设计方案验证和产品测试鉴定的虚拟试验验证等。7.5.2.2仿真环境软硬件需求对制造过程仿真结果有高可靠性、高置信度需求的企业，在仿真环境软硬件需求包括但不限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，以及工控机、实时仿真计算机、数据传输高可靠实时网络等硬件设施；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、嵌入式开发工具等软件工具。7.5.2.3环境管理流程要求