编辑推荐：
过程–设备–中间状态（PEI）架构为利用过程结构（P）、设备实体（E）和中间状态（I）组织流程制造系统提供了概念框架。然而，PEI架构的实际应用要求将源工程信息系统地转换为一致的PEI表示，而这一转换的显式对象边界、映射、归属和结构规则尚未建立。为解决此问题，
过程–设备–中间状态（PEI）架构为利用过程结构（P）、设备实体（E）和中间状态（I）组织流程制造系统提供了概念框架。然而，PEI架构的实际应用要求将源工程信息系统地转换为一致的PEI表示，而这一转换的显式对象边界、映射、归属和结构规则尚未建立。为解决此问题，本文提出了一种面向PEI的流程制造信息建模方法。所提方法包括三个阶段：工程信息组织、PEI结构编码和PEI结构构建。研究为过程结构、设备实体、中间状态和工业变量引入了形式化定义、对象边界准则、基数约束以及工程到PEI的映射规则。随后，通过互补关系和面向对象的机器可读表示，将编码信息组装为机器可读的PEI结构。以田纳西伊斯曼过程（TEP）作为代表性基准，演示了所提出的构建流程，并从结构上验证了所得PEI表示。所有12个已识别的制造操作、5个明确定义的设备对象和53个工业变量均成功映射到有效的PEI表示中。此外，所有53个变量均满足定义的归属规则，所有188项结构一致性检查均通过，且所有15个源拓扑关系均得到保留。对于所研究的TEP案例，这些结果表明所构建的PEI表示实现了对已组织参考信息的完整覆盖，符合预定义的PEI结构规则，并保留了所组织的过程拓扑。所提方法为后续基于PEI的模型构建、软件实现以及未来自动化PEI结构生成提供了结构化的信息建模基础。
**面向PEI的流程制造信息建模方法：从工程信息到机器可读PEI结构**
**1. 研究背景与意义**
在现代工业体系中，流程制造扮演着关键角色，其生产系统通常由紧密耦合的工艺单元、复杂的物料流和众多过程变量构成。随着智能制造和数字化转型的推进，数据驱动建模、过程仿真和数字孪生等技术在流程工业的设计、运行与优化中日益重要。这些技术高度依赖对制造过程、物理设备、物料状态、工艺连接及工业变量的全面工程信息描述。然而，工程信息往往分散于流程图、设备说明、变量列表等多种异构资源中，缺乏统一组织。为此，学术界和工业界发展了一系列信息建模方法，如AutomationML、OPC UA、ISA-88/ISA-95等，它们从不同角度支持工业信息的表示和交换，但均未针对过程–设备–中间状态（PEI）架构提供从传统工程信息构建其表示的显式转换规则。
PEI架构为流程制造系统提供了统一的概念框架，但本身不包含识别过程、设备与中间状态边界的操作准则，也未给出从源工程信息构建PEI关系的具体流程。因此，本研究旨在提出一种面向PEI的信息建模方法，将已组织的工程信息系统转换为机器可读的PEI结构，为后续基于PEI的模型构建与软件应用提供结构化信息基础。该研究发表在《Processes》期刊上。
**2. 关键技术方法**
本研究提出的PEI构建流程分为三个阶段。第一阶段为工程信息组织，从源资料中手动提炼过程信息、设备信息、连接关系和变量记录。第二阶段为PEI结构编码，依据显式定义的对象边界、映射和归属规则，为过程结构（P）、设备实体（E）、中间状态（I）及工业变量（V）分配唯一标识符。第三阶段为PEI结构构建，利用互补关系和面向对象的机器可读表示（JSON）将编码信息组装成可验证的结构。研究采用田纳西伊斯曼过程（TEP）作为基准案例，其源工程信息源自过程流程图，包含12个制造操作、5个显式设备对象及53个工业变量。
**3. 研究结果**
**3.1 工程信息组织**
研究人员将TEP源信息按过程、设备、连接和变量四类进行组织，保留了原始流程连接和变量定义。在约定的建模粒度下，明确保留了反应器、冷凝器、产物分离器、循环压缩机和汽提塔这5个物理设备对象。根据输入输出关系，共识别出15条参考拓扑关系，构成拓扑验证基准。
**3.2 PEI结构编码**
依据对象边界和基数约束，12个制造操作全部编码为过程结构，5个设备对象编码为设备实体，物料流和过程接口编码为中间状态。研究设计了层次化变量标识符（V-ID），格式为V-[P-ID]-[父对象ID]-[信号类型]-[属性]。以XMEAS(7)为例，其编码为V-PREA-EREA-MEAS-PRES，表示反应器压力测量变量由反应器设备实体拥有；而XMEAS(6)编码为V-PMIX-IS06-MEAS-FLOW，表示该变量属于中间状态I-S06。所有53个变量均完成映射并满足唯一父对象规则。
**3.3 机器可读表示**
构建的PEI结构被实现为三个JSON组件：对象组件存储P/E/I对象清单及引用；变量组件记录变量归属和工程属性；拓扑组件以P–I–P边形式规范化过程连接，并标记循环关系。这些组件共同构成了机器可读的PEI结构，支持程序化存储和检查。
**3.4 结构验证**
通过独立编写的验证代码对构建的PEI表示进行规则验证。结果显示：12个制造操作和5个设备对象全部被覆盖；53个变量的父归属全部满足恰好一个父对象规则；基于PEI约束派生的188项原子检查（包括设备父级、变量父级、接口生产者/消费者、标识符唯一性和引用完整性）全部通过；从输入的输入输出关系中重建的15条拓扑关系全部在生成的PEI拓扑中复现，包括回收连接。因此，结构一致性达到188/188，拓扑一致性达到15/15。
**4. 讨论与结论**
讨论部分指出，所提方法并非替代现有工业信息标准，而是在其之上增加了一个面向仿真的组织层，通过PEI特定的转换规则将常规工程信息映射到过程、设备和中间状态对象。该方法明确了过程语义与设备存在性的分离，允许多个设备实体属于同一过程结构，也允许无显式设备的过程结构存在。机器可读表示使结构规则和拓扑保持可程序化验证，为后续仿真应用提供了可检查的中间信息层。研究也承认当前实现依赖人工工程判断，且仅基于单一基准案例，应用普遍性仍需多案例验证。
结论部分重申了本研究的核心贡献：提出了一个三阶段PEI信息建模方法，建立了形式化定义、边界准则、基数约束、映射规则和变量归属规则；在TEP案例中，构建的PEI表示覆盖了全部12个制造操作、5个设备对象和53个变量，所有变量归属规则、188项结构检查和15条拓扑关系均完全满足。这些结果验证了所构建表示符合预定义规则并保留了源参考信息，但不应视为工程解释唯一性或正确性的独立证据。未来工作将关注多建模者评估、更大规模工业应用、工程信息自动化提取与PEI映射，以及PEI结构与可执行仿真模型的集成。
