ISO 21175-12026 自动化系统和集成 不同制造平台上仿真的协作环境要求 第1部分参考模型和过程标准立项发展报告

自动化系统和集成不同制造平台上仿真的协作环境要求第1部分:参考模型和过程标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Automationsystemsandintegration—Collaborationenvironmentrequirementsofsimulationondifferentmanufacturingplatforms—Part1:Referencemodelandprocess摘要随着全球制造业数字化转型的深入推进，仿真技术在产品研发、工艺规划和生产运营等全生命周期环节中的应用日益广泛。然而，不同制造平台之间的仿真协作仍面临数据格式不统一、流程接口不兼容、语义理解不一致等突出问题，严重制约了跨企业、跨平台的协同制造效率。为应对上述挑战，国际标准化组织（ISO）制定并发布了ISO21175-1:2026《自动化系统和集成不同制造平台上仿真的协作环境要求第1部分：参考模型和过程》。该标准首次从系统化、体系化视角构建了多制造平台仿真协作的参考模型，明确了仿真协作环境的核心功能域、协作过程框架及关键能力要求。本报告系统梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容及其产业应用价值，重点分析了其参考模型的分层架构和协作过程的形式化描述方法，并对标准的推广应用前景和后续系列标准的研制方向进行了展望。报告指出，ISO21175-1:2026的发布填补了制造仿真跨平台协作领域国际标准的空白，为全球制造业构建互联互通、高效协同的仿真生态环境提供了统一的技术框架和行动指南。关键词：自动化系统；系统集成；制造平台；仿真协作；参考模型；标准体系；智能制造Keywords:Automationsystems;Systemsintegration;Manufacturingplatforms;Simulationcollaboration;Referencemodel;Standardsystem;Intelligentmanufacturing一、引言1.1研究背景当前，全球制造业正经历从数字化向智能化跃升的关键阶段。仿真技术作为连接物理世界与数字世界的核心纽带，已在产品概念设计、详细设计、工艺验证、生产调度、运维保障等制造全生命周期中得到深度应用。据统计，领先制造企业的仿真技术应用已覆盖其产品研发流程的80%以上，显著缩短了产品上市周期并降低了试错成本。然而，制造环境的复杂性不断提升——一个现代复杂产品的研制往往涉及多个企业、多个专业领域、多个物理位置的协同。不同制造平台（如CAD/CAE/CAM平台、数字孪生系统、制造执行系统等）采用的仿真工具、数据模型和业务流程各自独立，形成了大量"仿真孤岛"。跨平台协作时，模型转换失真、数据语义丢失、流程衔接断裂等问题频发，成为制约制造业整体效能提升的重要瓶颈。据相关行业调查，制造企业在跨平台仿真协作中因互操作性问题导致的额外成本占仿真总成本的20%-40%。1.2标准研制必要性尽管ISO、IEC等国际标准化组织已发布多项与仿真相关的标准，如ISO10303（STEP标准系列）用于产品数据交换、IEC62264（ISA-95）用于企业系统集成等，但针对多制造平台仿真协作的顶层参考模型和过程框架尚属空白。现有标准侧重于特定数据类型或特定系统层面的互操作，缺乏统一的高层架构来描述"多平台仿真如何协同工作"这一系统性问题。在此背景下，国际标准化组织ISO/TC184（自动化系统与集成技术委员会）启动了ISO21175系列标准的研制工作，旨在建立一套面向不同制造平台仿真协作环境的系统化标准体系。二、标准研制历程2.1立项阶段ISO21175-1:2026的研制工作可追溯至2022年。在当年ISO/TC184全体会议上，多国代表提出了关于"跨制造平台仿真协作标准化需求"的提案。经充分讨论和论证，ISO/TC184决定设立专项工作组——SC5（互操作与集成架构分技术委员会）下属的WG11工作组，负责该标准的研制。立项论证阶段，工作组对全球主要制造企业和仿真软件供应商进行了广泛的需求调研。调研结果显示，超过80%的受访企业认为跨平台仿真协作是当前数字化转型中亟待解决的关键问题，而对统一的参考模型和过程框架的需求尤为迫切。2023年初，该提案正式通过ISO立项投票，标准编号确定为ISO21175，系列规划包含多个部分，第1部分聚焦参考模型和过程框架。2.2研制阶段WG11工作组汇聚了来自德国、美国、中国、日本、法国、韩国等主要工业国的标准化专家，以及西门子、达索系统、PTC、Autodesk等国际知名工业软件企业的技术专家。工作组先后召开了9次面对面会议和20余次网络会议，围绕标准的技术框架进行了深入的讨论和论证。在研制过程中，工作组广泛吸纳了工业互联网联盟（IIC）、工业4.0平台、中国智能制造联盟等产业组织的研究成果，同时参考了美国国家标准与技术研究院（NIST）在制造互操作领域的相关研究成果。标准草案经过多轮修改和完善，于2025年底形成最终国际标准草案（FDIS），并于2026年初通过各成员国投票，于2026年5月29日正式发布。三、标准主要内容ISO21175-1:2026确立了不同制造平台上仿真协作环境的参考模型和过程要求，其核心内容涵盖以下四个层面：3.1关键术语与概念框架标准首先界定了基础性的术语体系，包括"制造平台"（指支撑制造活动的硬件系统、软件系统及其组合环境）、"仿真协作"（指多个制造平台上的仿真活动围绕共同目标进行的有序配合与交互）、"协作环境"（指支撑多平台仿真协作的技术条件、组织保障和过程规范的总和）等核心概念。通过明确的术语定义，统一了不同领域和不同国家对制造仿真协作的理解，为后续技术内容的表述奠定了语义基础。3.2仿真协作参考模型参考模型是ISO21175-1:2026的核心成果。标准构建了一个五层结构的仿真协作参考模型，从底向上依次为：资源层：描述制造平台中支撑仿真运行的基础资源，包括计算资源、存储资源、仿真软件、模型库、知识库等，规定了资源的描述方法、分类体系和接口要求。数据层：定义跨平台仿真协作中数据交换和共享的要求，涵盖仿真模型数据、仿真结果数据、过程数据的格式规范、语义描述和质量要求。该层引用了ISO10303（STEP）和ISO14306等已有数据标准，保证与既有体系的兼容性。服务层：规定仿真协作中各类服务（如模型转换服务、仿真计算服务、结果分析服务等）的封装、发现、调用和编排要求，采用面向服务的架构（SOA）模式，支持灵活的协作组合。过程层：描述跨平台仿真协作的业务过程框架，包括协作流程的定义、任务分解与分配、执行监控、冲突消解和变更管理等，确保协作活动有序高效开展。协同层：作为最高层次，定义了跨组织、跨平台的全局协作治理框架，包括协作策略、权责体系、安全性要求和绩效评估机制等。上述五层结构形成了从"物理资源"到"战略协同"的完整视图，各层之间通过明确接口进行交互，既保证了层次的清晰分离，又实现了整体的协同一致。3.3仿真协作过程模型标准定义了仿真协作的通用过程框架，将协作过程划分为四个主要阶段：协作准备阶段：包括协作目标定义、参与平台识别、约束条件分析、协作计划制定等活动，形成正式的协作协议和任务分工。模型准备阶段：涉及仿真模型的创建、校验、转换和适配，确保各平台上的模型具有一致性和可比性。仿真执行阶段：涵盖仿真任务的调度、执行、监控和结果采集，支持并行仿真、分布式仿真和协同仿真等多种模式。结果融合阶段：包括仿真结果的汇总、比对、分析和可视化，支持多方案权衡和综合决策。每个阶段均规定了输入条件、活动内容、输出结果和质量控制要求，形成了完整的过程闭环。标准还定义了各阶段之间的信息反馈和迭代机制，支持基于仿真结果的持续优化。3.4协作能力要求标准对支撑仿真协作的环境提出了明确的框架性能力要求，涵盖功能性、互操作性、可靠性、安全性等方面。这些要求的核心在于建立"开放、中立、可扩展"的协作环境，同时保留对具体技术方案的选择空间，鼓励各类技术提供商在该框架下进行差异化的方案创新。四、标准关键技术内涵分析4.1分层解耦与接口标准化参考模型采用分层架构的根本目的在于实现"松耦合"的协作模式。各层之间仅通过标准化的接口进行交互，平台内部的技术实现细节被封装和隐藏。这种设计使得不同技术禀赋的平台可以在保持自身优势的同时实现高效协作，避免了为协作而被迫重构系统的困境。4.2基于语义的互操作机制数据层的设计充分考虑了一致性和可比性问题。除满足语法层面的数据交换需求外，重点规定了语义层的互操作要求，包括仿真模型语义标注方法、结果数据语义映射规则等要素，为跨平台数据的准确理解和可靠使用提供了机制保障。4.3全生命周期覆盖标准不仅关注仿真执行的单一环节，更强调从协作准备到结果融合的全过程管理。参考模型覆盖了完整的协作生命周期，集成了过程追溯、版本管理、质量评估等多种支撑机制，使协同过程中的每一步活动都处于受控、透明、可追溯的状态。五、主要参与单位介绍5.1德国弗劳恩霍夫制造技术与自动化研究所（FraunhoferIPA）弗劳恩霍夫制造技术与自动化研究所（FraunhoferInstituteforManufacturingEngineeringandAutomationIPA）是ISO21175-1:2026研制工作的主导单位之一，为该标准的制定做出了核心贡献。FraunhoferIPA成立于1959年，是欧洲最大的应用研究机构——弗劳恩霍夫应用研究促进协会下属的76个研究所之一，总部位于德国斯图加特。该所在制造自动化、数字工厂、工业4.0和仿真技术等领域拥有超过60年的深厚积累，是欧洲工业数字化转型研究的重要力量。作为WG11工作组的联合牵头单位，FraunhoferIPA承担了参考模型总体架构设计的核心任务。该所的数字工程与数字孪生团队基于其在工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）和资产管理壳（AAS）等研究成果中的丰富经验，为参考模型的层次划分和接口定义提供了关键的技术方案。特别是在过程层和协同层的设计中，FraunhoferIPA提出的"协作过程模板化"思想被标准采纳，显著增强了标准对不同协作场景的适应能力。此外，FraunhoferIPA还牵头组织了标准验证工作，联合德国宝马、博世等领先制造企业在真实生产环境中对标准草案进行了应用验证。这些验证工作不仅验证了技术框架的可行性，也为标准的持续改进提供了宝贵的实践反馈。六、标准的应用价值与前景展望6.1产业应用价值ISO21175-1:2026的发布对制造业数字化转型具有重要而深远的意义：降低协作成本：通过统一的参考模型和过程框架，可显著减少跨平台仿真协作中的接口开发成本和数据转换成本，提高协作效率。促进产业生态形成：标准为仿真工具提供商、平台运营商、系统集成商和制造企业提供了共同的"语言"和"契约"，有利于形成良性的产业协作生态。支撑智能制造落地：作为连接产品设计、工艺规划和生产运营的重要桥梁，标准为智能工厂中多系统协同仿真提供了顶层指导。推动中小企业参与：标准的应用降低了跨平台协作的技术门槛，使中小企业能够更加便捷地融入大型制造企业的协同网络。6.2后续标准研制方向ISO21175系列标准采用分部分制定的策略。展望未来，该系列后续部分还将涵盖如下方向：-Part2：仿真协作环境的数据交换与接口要求，将进一步细化数据层的技术规范；-Part3：仿真协作服务描述与发现机制，着重规定服务层中各类仿真服务的注册、发现、组合与动态编排技术方案；-Part4：多平台仿真协作的评价指标体系与能力成熟度模型，涵盖效率、质量、成本、安全等多维度评估。系列标准的陆续发布将逐步构成一套完整的跨制造平台仿真协作标准生态，为制造业数字化转型提供体系化的标准支撑。七、结论ISO21175-1:2026的正式发布，是国际标准化组织在自动化系统与集成领域取得的一项重要里程碑成果。该标准首次构建了面向不同制造平台仿真协作的系统化参考模型和过程框架，填补了该领域国际标准的空白。标准在研制过程中秉持开放性、中立性和可扩展性原则，广泛吸纳了全球产业界和学术界的智慧，充分反映了智能制造时代对跨平台高效协作的迫切需求。标准所确立的五层参考模型和四阶段协作过程框架，为制造企业、软件开发商和系统集成商提供了清晰的行动指南。其分层解耦的设计理念既保证了技术方案的灵活性，又确保了