真的有工業(yè)4.0的落地的具體路徑嗎？我們看到了大量的解決方案，卻很少能夠看到從底層構(gòu)建的案例。智能制造的圈內(nèi)人士對于德國工業(yè)4.0的架構(gòu)RAMI4.0應(yīng)該是耳熟能詳?shù)模珜I(yè)4.0的基本組成單元“工業(yè)4.0基本單元”（I4.0 compennet），卻是相對陌生。然而德國產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界，正是在這個可以落地的抓手上，進(jìn)行了深入的開發(fā)實踐。本文從工業(yè)4.0基本單元的內(nèi)涵出發(fā)，看看德國如何實際運用，以及怎么進(jìn)行開發(fā)。

　　實體資產(chǎn)的“虛擬化”

　　為便于參考架構(gòu)模型表達(dá)工業(yè)4.0的空間，RAMI采用三維模型（見圖1）?？v軸分成6個層級，從不同的視角表達(dá)諸如數(shù)據(jù)映射、功能描述、通信行為、硬件/資產(chǎn)或業(yè)務(wù)流程。這里借用了IT行業(yè)將復(fù)雜項目劃分為若干個可以管理的部分的思維。左面的橫軸表達(dá)產(chǎn)品生命周期及其所包含的價值鏈，可在參考架構(gòu)模型中表示整個生命周期內(nèi)的相關(guān)性（例如持續(xù)的數(shù)據(jù)采集之間的相關(guān)性）。右面的橫軸表達(dá)工廠的功能性和響應(yīng)性，即工廠功能的分層結(jié)構(gòu)。

 

圖1:德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)RAMI4.0

 

　　最為引人矚目的是，RAMI將物理系統(tǒng)按照其功能特性，分層進(jìn)行了虛擬映射。

　　按照IT和通信技術(shù)常用的方法，將縱軸自上而下劃分為6個層級：經(jīng)營業(yè)務(wù)、功能性、信息、通信、集成、資產(chǎn)。

　　資產(chǎn)層處于最底層，連同其上層集成層一起被用來對各種資產(chǎn)進(jìn)行數(shù)字化的虛擬表達(dá)。用資產(chǎn)層來表達(dá)物理部件/硬件/軟件/文件等實體，物理部件如直線運動的軸、金屬部件、電路圖、技術(shù)文件、歷史記錄等。

　　人也作為資產(chǎn)層的一部份，通過集成層與虛擬世界相鏈接。

　　資產(chǎn)與集成層的鏈接是無源（passive）連接。

 

圖2:RAMI4.0和物理-數(shù)字化架構(gòu)及遞階關(guān)系

 

　　圖2清晰表達(dá)RAMI4.0和物理－數(shù)字化架構(gòu)及遞階關(guān)系。把物理實體（包括硬件、軟件、工程文件等）通過數(shù)字化演化為能在虛擬世界完整表達(dá)、通信、推理、判斷、決策加工等，讓控制信息和業(yè)務(wù)信息都能實時傳遞交換和處理，從而使企業(yè)中的各類資產(chǎn)都能互聯(lián)、互操作。根據(jù)不同資產(chǎn)的作用，當(dāng)它們數(shù)字化后相互之間的關(guān)聯(lián)，應(yīng)該按控制要求和業(yè)務(wù)要求構(gòu)建它們之間的扁平化的通信遞階關(guān)系。

　　四大類資產(chǎn)變形記

　　工業(yè)4.0基本單元是一個描述信息物理系統(tǒng)CPS詳細(xì)特性的模型。CPS是一種在生產(chǎn)環(huán)境中的真實物理對象，通過與其虛擬對象和過程進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)通信的系統(tǒng)。在生產(chǎn)環(huán)境中，從生產(chǎn)系統(tǒng)和機械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了上述這些特性，不管是硬件基本單元還是軟件基本單元都具備和符合了工業(yè)4.0要求的能力。

　　成為工業(yè)4.0基本單元的一個先決條件是：它必須在整個生命周期內(nèi)采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，存放在有該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內(nèi)，并由它把這些數(shù)據(jù)提供給企業(yè)參與價值鏈的過程。

　　在工業(yè)4.0基本單元的模型中，這個電子容器稱之為“管理殼”。

　　還有一個先決條件是：基本單元的真實對象必須具有通信能力，以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)和功能。這樣，生產(chǎn)環(huán)境中的硬件單元和軟件單元之間都能進(jìn)行符合工業(yè)4.0要求的通信。

　　這里有四個工業(yè)4.0基本單元的例子。

　　一個是一整套機械裝備作為工業(yè)4.0基本單元，這類工業(yè)4.0的基本單元是由機械制造廠商來實現(xiàn)的。它可能是一臺機床、包裝機或3D打印機等。

 

圖3:工業(yè)4.0基本單元模型

 

　　一類是專門供應(yīng)廠商提供的關(guān)鍵部件，也可看成是一類工業(yè)4.0基本單元，這是由部件制造廠商實現(xiàn)。它們往往可以分開登錄，譬如可分別在資產(chǎn)管理系統(tǒng)和維護(hù)管理系統(tǒng)中登錄。

　　第三類還可以把一些構(gòu)成零部件看成是工業(yè)4.0基本單元，例如一個端子排：它不但是連通信號的接線，而且在整個機械裝備的生命周期中還起著傳輸數(shù)據(jù)的作用。這種工業(yè)4.0基本單元的實現(xiàn)者往往是電氣工程師或技術(shù)員。

　　第四類，也是非常有趣的是，軟件也是生產(chǎn)系統(tǒng)中的重要資產(chǎn)，它們也是工業(yè)4.0基本單元。例如一個獨立的規(guī)劃或者工具性工程軟件，甚至一個功能塊庫。其實現(xiàn)者可以是軟件供應(yīng)商，也可以是控制器應(yīng)用程序的編程工程師等。

　　表1：實體資產(chǎn)向工業(yè)4.0單元轉(zhuǎn)化

　　由圖4可知，資產(chǎn)構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元（物理／非物理）的實體部分，管理殼構(gòu)成工業(yè)4.0基本單元的虛擬部分，工業(yè)4.0的通信將各種基本單元加以連接。

 

 

圖4:工業(yè)4.0基本單元的特性

圖5:機械裝置由各類IC4.0組成

 

　　任何一種機械裝備其重要的部分原則上都是各類工業(yè)4.0基本單元組成。譬如圖5中由端子排、伺服軸、機械裝置和由這臺機械裝置加工出來的產(chǎn)品，如最常見的運動鞋。這些資產(chǎn)通過工業(yè)4.0的通信連接起來。機械裝置則由在生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)中的PLC進(jìn)行控制。由此可以得出以下結(jié)論：工業(yè)4.0基本單元是網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)元件，生產(chǎn)制造出來的產(chǎn)品的服務(wù)策略也因此建立了相互連接，因而即使沒有實際的電子接口的元件也具有同等的權(quán)利，為建立業(yè)務(wù)價值的深度表達(dá)提供了可行的技術(shù)路徑。

　　德國人如何構(gòu)建基本單元

　　在以上頂層設(shè)計概念的基礎(chǔ)上，就有可能為所有現(xiàn)有的工業(yè)資產(chǎn)提供數(shù)字化的實現(xiàn)。人們常說智能制造的基礎(chǔ)是數(shù)字化，數(shù)字化的核心是建模。那么我們就來觀察一下德國工業(yè)界是怎樣進(jìn)行這一過程的。

　　就像為地球上所有的大米粒都要編號一樣，需要設(shè)計出全世界億萬數(shù)量級的工業(yè)資產(chǎn)的唯一標(biāo)識及其鏈接方式，以便為今后對這些資產(chǎn)進(jìn)行虛擬描述打好基礎(chǔ)。

　　圖6表述的就是這種統(tǒng)一的格式。標(biāo)識符是URI，為每一種資產(chǎn)提供唯一的識別符，并與該資產(chǎn)對應(yīng)的管理殼對應(yīng)，該標(biāo)識符既參照該資產(chǎn)的物理分類，又可鏈接該資產(chǎn)的管理殼，而管理殼的虛擬描述完全建立在其物理特性和相關(guān)數(shù)據(jù)之上。

 

圖6 :資產(chǎn)進(jìn)入數(shù)字化世界

 

　　用標(biāo)準(zhǔn)化的唯一標(biāo)識符識別分類項和相關(guān)知識,已經(jīng)有了國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行指導(dǎo)。

 

圖7 :按ISO29002-5分類資產(chǎn)和相關(guān)知識

 

　　而要真正實現(xiàn)工業(yè)4.0，需要在全世界范圍內(nèi)（注意：不僅僅在德國范圍內(nèi)）組織開發(fā)數(shù)量極大、類型眾多的、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)字化的基本單元庫。

　　進(jìn)行這項涉及面極廣的組織工程，首先要保護(hù)工程領(lǐng)域的核心功能性（例如氣動工程、焊接等）；其次要造就具有最大化的靈活性，同時又能保護(hù)每個公司的信息網(wǎng)絡(luò)；再次是為了采購、系統(tǒng)集成工程、維護(hù)等需要，必須持續(xù)地提高可互操作性和客戶的利益。不過面對的現(xiàn)實卻是如何使各個公司的標(biāo)準(zhǔn)、不同的數(shù)據(jù)格式和產(chǎn)品性能數(shù)據(jù)的集合實施合理的開放；為建立工業(yè)4.0基本單元的知識庫，在各個公司的利益和公眾利益之間取得平衡，‘兩廂情愿’地淡化公司標(biāo)準(zhǔn)和查找性質(zhì)集合。好在國際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織已經(jīng)建立了這方面的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61360/ISO13584，只要嚴(yán)格遵循這個標(biāo)準(zhǔn)，就能夠有組織有規(guī)則地進(jìn)行。

　　圖8示出許多標(biāo)準(zhǔn)作為管理殼的領(lǐng)域／子模型的樣板。例如管理殼可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 數(shù)字工廠；標(biāo)識可參照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工業(yè)通信規(guī)約第二章以太網(wǎng)；能效依據(jù)ISO/IEC 20140-5；信息安全參照IEC 62443 網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)的信息安全等。

 

圖8 :管理殼的領(lǐng)域／子模型的樣板標(biāo)準(zhǔn)

 

　　圖9是管理殼、子模型、性質(zhì)、復(fù)雜數(shù)據(jù)和功能的示范內(nèi)容。從可視的角度看，一個經(jīng)標(biāo)識的資產(chǎn)其管理殼也是經(jīng)標(biāo)識的，都是顯性化的知識，即表征這個資產(chǎn)的性質(zhì)。而其數(shù)據(jù)和功能都是可通過APIs被語義化存取的。資產(chǎn)的運行時數(shù)據(jù)都遵照嚴(yán)格而統(tǒng)一的格式表達(dá)性質(zhì)的集合（圖示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是鉆孔）。而有關(guān)數(shù)據(jù)和功能的運行時的數(shù)據(jù)則按照不同的互補的數(shù)據(jù)格式。

 

圖9:資產(chǎn)對應(yīng)的管理殼的內(nèi)容

 

　　真實場景的示范

　　下面給出一個簡單的場景描述以市場為導(dǎo)向的資產(chǎn)數(shù)字化的交互過程（見圖10）。圖中示出3個工業(yè)4.0基本單元（生產(chǎn)工作站），它們之間通過符合工業(yè)4.0的通信連接，并且還與假定的MES生產(chǎn)調(diào)度執(zhí)行系統(tǒng)項連接。這3個工作站都有相同的子模型，但有不同的標(biāo)識符和不同的性質(zhì)數(shù)據(jù)。

 

圖10:簡單場景的舉例

 

　　這導(dǎo)致每個工作站有不同的行為，并在數(shù)字化資產(chǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行討論、意見交換，以獲得共識來完成原型設(shè)計。

　　圖11給出這個示范實驗的識別。報頭由兩部分構(gòu)成：管理殼標(biāo)識部分和資產(chǎn)標(biāo)識部分；而報文則包括MES連接子模型的識別符，能效子模型、鉆孔子模型和文檔子模型的識別符。

 

圖11:簡單場景實驗的識別表

 

　　還可以進(jìn)一步給出這個示范實驗的性質(zhì)數(shù)據(jù)表。由子模型描述簡單數(shù)據(jù)。接下去各行描述仿真鉆孔時間，鉆頭直徑，鉆頭進(jìn)給速度，鉆孔深度和工件材質(zhì)。而要得出這些性質(zhì)定義和性質(zhì)特性的具體辦法是由領(lǐng)域?qū)＜议_會議定的規(guī)范，導(dǎo)入標(biāo)準(zhǔn)化的子模型，這些子模型需要是領(lǐng)域公認(rèn)的參照。

　　“工業(yè)4.0語言”橫空出世

　　對于復(fù)雜的工業(yè)4.0基本單元，可以是由簡單基本單元的疊加，并且允許進(jìn)行分布式的工程設(shè)計。例如圖12所描述的裝配體資產(chǎn)（其管理殼標(biāo)識為裝配體123）是由軸X、軸Y、軸Z和裝卡夾具4個簡單工業(yè)4.0基本單元組成，通過符合工業(yè)4.0的通信連接。虛線框所標(biāo)即是這個裝配體資產(chǎn)的邊界。

　　該裝配體的管理殼包括裝配體資產(chǎn)的標(biāo)識、管理殼，P&ID圖子模型，線路圖子模型，機械CAD子模型和IEC的互連圖子模型。

 

圖12:復(fù)雜工業(yè)4.0基本單元由簡單基本單元構(gòu)成

 

　　復(fù)雜的工業(yè)4.0基本單元可能涉及到不同的工程專業(yè)，這是建立復(fù)雜基本單元首先要考慮的。由德國電氣行業(yè)協(xié)會ZVEI組織支持開發(fā)的OpenAAS是第一個管理殼的參考實現(xiàn)（詳見圖13）。它是專為開發(fā)團(tuán)組設(shè)立的開放型智能體項目，不僅僅開源，而且可以經(jīng)由GitHub進(jìn)行深度學(xué)習(xí)（DL）。第一個管理殼的參考實現(xiàn)是按照ICT規(guī)范（通用建模語言）、基于免費的OPC UA而發(fā)展出來。

 

圖13:openAAS是管理殼的第一個參考實現(xiàn)

 

　　德國亞琛RWTH大學(xué)在此基礎(chǔ)上，已經(jīng)實現(xiàn)了在管理殼中形成不同模型的完整知識連接。

　　另外，德國工業(yè)4.0平臺的本體工作組UAG正在創(chuàng)建“工業(yè)4.0的語言”。

　　這是用來實現(xiàn)工業(yè)4.0基本單元之間的互連互通，見圖14。從圖中可以看出，每個工業(yè)4.0基本單元的管理殼由互動管理程序、基本本體、基本單元管理程序和若干子模型構(gòu)成。各個基本單元的互動管理程序之間執(zhí)行通用的互動模式，進(jìn)行基本單元所含子模型等的自描述、合同管理、對話、機器人控制、基本單元控制等。

 

圖14：本體工作組創(chuàng)建“工業(yè)4.0的語言”

 

　　小結(jié)

　　當(dāng)我們在概念自身的含義上還在糾纏的時候，德國工業(yè)4.0已經(jīng)在工廠資產(chǎn)的數(shù)字化進(jìn)行了深入的探索。工業(yè)4.0的框架體系RAMI4.0發(fā)表之后，兩年不到的時間，德國工業(yè)界已經(jīng)完成工業(yè)4.0基本單元的示范開發(fā)，為各類實體資產(chǎn)的數(shù)字化從而映射至虛擬環(huán)境，并實現(xiàn)完整表達(dá)、通信、推理、決策加工等，打下了堅實的基礎(chǔ)。這是德國工業(yè)4.0的明修棧道，功夫很細(xì)，動靜很小，研究者也難免清苦，遠(yuǎn)比不上轟轟烈烈的示范工程，但這才是一個國家未來工業(yè)的地基，這才是企業(yè)互聯(lián)制造的根本，這才我們當(dāng)下最需要仔細(xì)打磨的地方。