日前，機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所歐陽(yáng)勁松所長(zhǎng)、劉丹博士、杜曉輝博士等撰寫(xiě)文章，闡述了對(duì)于制造的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化的思考與建議，提出我國(guó)在智能制造道路上既要補(bǔ)好自動(dòng)化和信息化的短板，也要“用現(xiàn)代技術(shù)手段，持續(xù)建好公共數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，使我國(guó)在CPS落地實(shí)踐階段掌握主動(dòng)權(quán)，避免在智能制造進(jìn)程中受制于人。
2015年-2017年，機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所(以下簡(jiǎn)稱"儀綜所")承擔(dān)了工業(yè)和信息化部多項(xiàng)智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化與新模式應(yīng)用項(xiàng)目，制定基礎(chǔ)共性標(biāo)準(zhǔn)草案27項(xiàng)。在項(xiàng)目執(zhí)行期間，儀綜所技術(shù)團(tuán)隊(duì)走訪調(diào)研了國(guó)內(nèi)外近百家制造企業(yè)，同時(shí)與國(guó)內(nèi)外技術(shù)團(tuán)體、標(biāo)準(zhǔn)化組織、著名公司的技術(shù)專家交流探討。特別是2017年，儀綜所技術(shù)團(tuán)隊(duì)分別與德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)主管Thomas Hahn博士、德國(guó)工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)主管RinholdPichler先生、日本工業(yè)價(jià)值鏈促進(jìn)會(huì)IVI發(fā)起人日本法政大學(xué)西岡靖之教授等資深專家進(jìn)行深入交流，這些交流引起了儀綜所技術(shù)團(tuán)隊(duì)的一些深度思考。
一方面，在實(shí)踐應(yīng)用上，我國(guó)制造業(yè)水平與歐美等工業(yè)強(qiáng)國(guó)相比還具有相當(dāng)差距。“工業(yè)2.0補(bǔ)課、3.0普及、4.0示范”指出了我國(guó)企業(yè)自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化水平參差不齊的現(xiàn)狀。因此，在智能制造實(shí)施道路上，切忌盲目跟風(fēng)，企業(yè)必須明確經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)，以打好2.0和3.0基礎(chǔ)為首要任務(wù)，找到適合自身的實(shí)施路徑。
另一方面，在以信息物理系統(tǒng)(CPS)為引領(lǐng)的頂層設(shè)計(jì)上，智能制造/工業(yè)4.0參考模型在世界各國(guó)如火如荼地建立。我國(guó)智能制造系統(tǒng)架構(gòu)(IMSA)已列為國(guó)際上十一種智能制造參考模型架構(gòu)之一，得到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)可。更進(jìn)一步，德國(guó)和日本兩國(guó)在推出參考模型之后，正在積極延伸建立基于模型的信息空間數(shù)據(jù)平臺(tái)。因此，我國(guó)的參考模型在指導(dǎo)智能制造實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中還應(yīng)繼續(xù)做實(shí)做深，以掌握信息物理空間時(shí)代的主動(dòng)權(quán)。
我國(guó)工業(yè)2.0，工業(yè)3.0，工業(yè)4.0實(shí)施路線的思考
1、避免誤區(qū)
我國(guó)制造業(yè)發(fā)展不平衡、不充分特點(diǎn)明顯，企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)勢(shì)在必行，高質(zhì)量發(fā)展是目前我國(guó)制造業(yè)由大轉(zhuǎn)強(qiáng)的主旋律。"中國(guó)制造2025"是實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)，"智能制造"是主攻方向。《智能制造工程實(shí)施指南》、《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》等重要文件發(fā)布后，基于自身轉(zhuǎn)型升級(jí)需求，在相關(guān)部委及地方政府支持下，我國(guó)企業(yè)已紛紛對(duì)原有工廠/車間進(jìn)行自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化升級(jí)改造，或者建立新型數(shù)字化車間、智能工廠，取得巨大成效。
《智能制造發(fā)展規(guī)劃(2016-2020年)》對(duì)“智能制造”進(jìn)行了描述：“智能制造是基于新一代信息通信技術(shù)與先進(jìn)制造技術(shù)深度融合，貫穿于設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)，具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式”。但是實(shí)踐來(lái)看，“自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)”的制造高級(jí)階段對(duì)制造企業(yè)而言仍難以企及，德國(guó)專家預(yù)測(cè)德國(guó)的工業(yè)4.0尚需要15-20年時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，鑒于我國(guó)智能制造水平參差不齊的現(xiàn)狀，如何規(guī)劃好適用于我國(guó)智能制造現(xiàn)狀的發(fā)展路徑成為重點(diǎn)。
近日，中國(guó)工程院院刊《Engineering》刊發(fā)了最新觀點(diǎn)性文章"走向新一代智能制造"，為我國(guó)制造業(yè)智能轉(zhuǎn)型指明"并行推進(jìn)、融合發(fā)展"的技術(shù)路線。可見(jiàn)我國(guó)智能制造的頂層設(shè)計(jì)上已深刻認(rèn)識(shí)到智能制造/工業(yè)4.0的實(shí)現(xiàn)不可能一蹴而就，需要循序漸進(jìn)，補(bǔ)齊短板，并行發(fā)力。因此，中國(guó)制造企業(yè)在實(shí)施智能制造過(guò)程中應(yīng)“因企而異”，避免盲目跟風(fēng)和片面認(rèn)識(shí)。
誤區(qū)一：為了智能制造而智能制造
由于智能制造"大熱"，一些企業(yè)盲目跟風(fēng)，存在為了"智能制造"而智能制造的現(xiàn)象。企業(yè)應(yīng)首先明確要達(dá)到的經(jīng)濟(jì)目標(biāo)-提升質(zhì)量、提高效率、降低成本、縮短周期、降低能耗。根據(jù)自身的基礎(chǔ)，針對(duì)于不同的目標(biāo)，智能制造首要解決的問(wèn)題和采用的技術(shù)手段是不同的。
誤區(qū)二：智能制造=無(wú)人化
許多制造企業(yè)提出"機(jī)器換人"、"無(wú)人工廠"的口號(hào)。機(jī)器可代替人類的大量體力勞動(dòng)，實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量精準(zhǔn)制造，但不能盲目采用“機(jī)器換人”，除了要考慮機(jī)器與人員置換成本之間的平衡，還需綜合考慮操作場(chǎng)地、信息化接口、維護(hù)成本等。而且在工業(yè)2.0、工業(yè)3.0、工業(yè)4.0升級(jí)的長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，機(jī)器或"機(jī)器人"僅僅是一種自動(dòng)化或智能化設(shè)備，其很難獨(dú)立滿足日益復(fù)雜的生產(chǎn)要求。
"人"作為智能制造的重要資源，在應(yīng)對(duì)定制化生產(chǎn)和復(fù)雜多變生產(chǎn)環(huán)境方面仍處于中心地位。特別對(duì)于現(xiàn)階段"2.0補(bǔ)課、3.0普及、4.0示范"，人、信息系統(tǒng)、物理系統(tǒng)的協(xié)同顯得尤為重要，智能制造仍需要人工智力參與政策解讀、法規(guī)約束、知識(shí)積累、工匠傳承、文化發(fā)揚(yáng)和統(tǒng)籌組織等，以實(shí)現(xiàn)有序生產(chǎn)并產(chǎn)生效益，這些都是現(xiàn)階段的機(jī)器無(wú)法替代的。
誤區(qū)三：自動(dòng)化+軟件=智能制造
自動(dòng)化和軟件是實(shí)現(xiàn)智能制造的必要條件但不是充分條件。智能制造強(qiáng)調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)和工業(yè)軟件的集成與縱橫協(xié)同，并體現(xiàn)先進(jìn)的工藝技術(shù)和管理理念。除此之外，更需要植入先進(jìn)的感知系統(tǒng)、控制手段、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云計(jì)算等，進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)收集積累，開(kāi)展數(shù)據(jù)分析和建模，并不斷迭代優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程快速有效的運(yùn)行，才能支撐先進(jìn)的制造方式實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，進(jìn)而應(yīng)對(duì)復(fù)雜的生產(chǎn)環(huán)境。
誤區(qū)四：互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)=智能制造
互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)只是提升智能化的手段之一。智能制造的本體是“制造”，制造裝備和生產(chǎn)過(guò)程的數(shù)字化是基礎(chǔ)。沒(méi)有制造裝備與系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與互聯(lián)互通，互聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)都將是無(wú)源之水。
2、梳理問(wèn)題
以離散制造業(yè)為例，我們通過(guò)調(diào)研總結(jié)，目前我國(guó)企業(yè)智能化升級(jí)過(guò)程中常見(jiàn)問(wèn)題如下：
①產(chǎn)品品種規(guī)格多樣，物料清單(BOM)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，生產(chǎn)工藝隨之動(dòng)態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度困難；
②生產(chǎn)對(duì)象不一樣，生產(chǎn)車間可能包括鑄造、鍛造、表面處理、機(jī)加、裝配等車間，不同形態(tài)的車間管理需求不同；
③許多企業(yè)未實(shí)施或未應(yīng)用好MES，生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度和管理主要依靠人工，導(dǎo)致任務(wù)執(zhí)行進(jìn)度、設(shè)備狀態(tài)、物料狀態(tài)等難以跟蹤；
④系統(tǒng)集成困難，ERP和MES接口不開(kāi)放，底層設(shè)備的通信協(xié)議和接口不統(tǒng)一，有的設(shè)備甚至不具備網(wǎng)絡(luò)接口；
⑤制造裝備類型繁多，服役周期不同，數(shù)控機(jī)床及各種加工裝備、工業(yè)機(jī)器人、表面貼裝設(shè)備(SMT)、檢測(cè)儀器和物流系統(tǒng)等底層設(shè)備自動(dòng)化和數(shù)字化程度差別大；
⑥產(chǎn)品質(zhì)量管理，許多企業(yè)通常還是以離線檢驗(yàn)為主，特別針對(duì)多品種、小批量的產(chǎn)品生產(chǎn)，產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率很大程度上依賴于工人技術(shù)水平，廢品率得不到有效控制。
企業(yè)在實(shí)施智能制造過(guò)程中，應(yīng)認(rèn)清基礎(chǔ)，梳理存在問(wèn)題，明確經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)規(guī)劃，才能有計(jì)劃有選擇地打好自動(dòng)化、數(shù)字化基礎(chǔ)。
3、實(shí)施要點(diǎn)
工業(yè)2.0并非必須先實(shí)現(xiàn)3.0才能追求4.0。在進(jìn)行升級(jí)改造過(guò)程中，企業(yè)應(yīng)總體規(guī)劃自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化升級(jí)方案，并行推進(jìn)。但這并不意味著工業(yè)2.0和3.0的技術(shù)基礎(chǔ)是可以省略和跨越的。根據(jù)工業(yè)2.0、工業(yè)3.0、工業(yè)4.0的主要特征，建議從制造本體出發(fā)實(shí)現(xiàn)智能制造的一個(gè)基本路線如圖1所示。
圖1 工業(yè)2.0到3.0到準(zhǔn)4.0實(shí)現(xiàn)路線建議
圖1中工業(yè)2.0到3.0的最重要內(nèi)容是采用ERP和MES(兩者融合趨勢(shì)明顯)等生產(chǎn)管理系統(tǒng)(或稱IT信息系統(tǒng))進(jìn)行運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)管理，并實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)化系統(tǒng)(或稱OT運(yùn)行系統(tǒng))的縱向集成，推薦采用OPC UA解決方案，建立設(shè)備信息模型并提供統(tǒng)一接口。圖中工業(yè)4.0階段尚未實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的自適應(yīng)、自組織、自決策并跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地域調(diào)動(dòng)生產(chǎn)資源等智能制造愿景，因此將其稱為準(zhǔn)智能化。3.0到4.0的最重要內(nèi)容是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)信息流與價(jià)值流(含物流、資金流)的協(xié)調(diào)整合。
進(jìn)一步聚焦工廠或車間內(nèi)部，針對(duì)2.2中的常見(jiàn)問(wèn)題，首要任務(wù)是補(bǔ)齊自動(dòng)化與信息化短板，應(yīng)實(shí)現(xiàn)的基本功能要素如圖2所示。同時(shí)，還應(yīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、物流、生產(chǎn)運(yùn)行、調(diào)度、檢測(cè)等各子系統(tǒng)之間的協(xié)同，以及持之以恒地建立企業(yè)各種生產(chǎn)資源數(shù)據(jù)庫(kù)(技術(shù)、零件、產(chǎn)品、工藝、可靠性、供貨商等)。
圖2 數(shù)字化車間基本功能要素
此外，安全(功能安全與信息安全)對(duì)于信息化網(wǎng)絡(luò)化和智能化的保障作用需要高度重視，必需注重研究智能化時(shí)代安全風(fēng)險(xiǎn)防范手段，建立基于風(fēng)險(xiǎn)分析的與國(guó)內(nèi)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)的分級(jí)管理制度，系統(tǒng)的協(xié)調(diào)政策保障體系，發(fā)揮各方面的主動(dòng)性，共建安全生態(tài)。
4、新一代信息技術(shù)引領(lǐng)
智能制造的網(wǎng)絡(luò)化特征包括兩方面內(nèi)容，如圖3所示。一方面，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化車間/工廠內(nèi)部的縱向集成與橫向集成，如各種信息系統(tǒng)、智能裝備、物料、在制品、完成品甚至操作人員等制造資源通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接并實(shí)現(xiàn)相互間的互聯(lián)互通互操作，這部分網(wǎng)絡(luò)包括以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線、工業(yè)以太網(wǎng)、工業(yè)無(wú)線網(wǎng)等。
圖3 智能制造的網(wǎng)絡(luò)化概念
另一方面，借助互聯(lián)網(wǎng)、云、大數(shù)據(jù)能等新一代信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地區(qū)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造，以及利用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能產(chǎn)品的版本升級(jí)、遠(yuǎn)程診斷和預(yù)測(cè)性維護(hù)等智能服務(wù)，更進(jìn)一步將分析結(jié)果反饋到規(guī)劃設(shè)計(jì)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全生命周期的閉環(huán)控制。
歷經(jīng)CAD、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)、制造業(yè)信息化、兩化融合、物聯(lián)網(wǎng)、兩化深度融合、智能制造、互聯(lián)網(wǎng)+等概念的"嵌入"，我國(guó)制造業(yè)數(shù)字化已有30多年的歷史，但仍有很多企業(yè)欠缺數(shù)字化的基礎(chǔ)-自動(dòng)化和信息化，及由此產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)庫(kù)，另外許多企業(yè)對(duì)這些概念的理解和實(shí)施存在偏差。所以北京航空航天大學(xué)劉強(qiáng)教授疾呼："不要在落后的工藝基礎(chǔ)上搞自動(dòng)化，不要在落后的管理基礎(chǔ)上搞信息化，不要在不具備數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)上搞智能化"。因此，實(shí)現(xiàn)智能制造，首先要打好工業(yè)自動(dòng)化和信息化的基礎(chǔ)，再以大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)和云等數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化手段加快4.0進(jìn)程。
智能制造參考模型的實(shí)現(xiàn)
1、參考模型概述
智能制造/工業(yè)4.0面向新的生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地域的信息集成、應(yīng)用集成和價(jià)值集成。它是一個(gè)覆蓋信息通信(ICT)、自動(dòng)化、裝備、軟件等寬泛領(lǐng)域和技術(shù)的“超級(jí)”系統(tǒng)工程，目前沒(méi)有一個(gè)學(xué)科能夠完全覆蓋所涉及的方方面面，因此，需要用標(biāo)準(zhǔn)化手段來(lái)統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和引領(lǐng)發(fā)展，普遍的實(shí)施方法是通過(guò)制定智能制造/工業(yè)4.0的參考模型來(lái)梳理所涉及的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而建立智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系。IEC是制定智能制造/工業(yè)4.0國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的重要陣地，在IEC標(biāo)準(zhǔn)化管理局(SMB)系統(tǒng)評(píng)估組SEG7關(guān)于智能制造架構(gòu)和模型的報(bào)告中列出了眾多標(biāo)準(zhǔn)化組織已制定的11種參考模型和參考架構(gòu)，具體名稱如表1所示。
表1 智能制造相關(guān)的現(xiàn)有模型
制定參考模型本身不是目的，參考模型需要隨著生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)模式和技術(shù)的發(fā)展應(yīng)不斷的優(yōu)化修正，再指導(dǎo)智能制造/工業(yè)4.0的落地實(shí)施才具有真正意義。在此選擇德國(guó)和日本兩種后續(xù)指導(dǎo)和應(yīng)用工作做得比較好的參考模型進(jìn)行分析。
2、德國(guó)工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI4.0)
德國(guó)電工電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(DKE)于2015年4月發(fā)布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)，如圖4所示，并將其提交到IEC/TC65工業(yè)過(guò)程測(cè)量、控制和自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)。現(xiàn)在，RAMI4.0已成為公共可用規(guī)范IEC/PAS 63088發(fā)布。RAMI 4.0以一個(gè)三維模型展示了工業(yè)4.0涉及的所有關(guān)鍵要素，借此模型可識(shí)別現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在工業(yè)4.0中的作用以及缺口和不足。為方便起見(jiàn)，本文使用X、Y、Z來(lái)區(qū)分三個(gè)軸向。
圖4 工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI4.0)
工業(yè)4.0的概念旨在以RAMI4.0模型為形式，制定數(shù)字化描述規(guī)則，用來(lái)描述貫徹整個(gè)全生命周期的技術(shù)對(duì)象和價(jià)值鏈變化。RAMI4.0的提出并非從零開(kāi)始，其中X軸和Y軸都是基于已有標(biāo)準(zhǔn)，但為適應(yīng)工業(yè)4.0需求而進(jìn)行擴(kuò)展。X軸為生命周期&價(jià)值鏈維度，在IEC 62890《工業(yè)過(guò)程測(cè)量控制和自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品生命周期管理》基礎(chǔ)上，根據(jù)資產(chǎn)在增值鏈中的使用方式，將產(chǎn)品生命周期進(jìn)一步劃分為樣機(jī)(type)和產(chǎn)品(instance)兩個(gè)階段。Type階段與Instance階段各自都有資產(chǎn)的使用、維護(hù)、優(yōu)化，并且相互間有反饋形成閉環(huán)。
Y軸為企業(yè)的層次結(jié)構(gòu)維度，在IEC 62264《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展。由于工業(yè)4.0不僅關(guān)注生產(chǎn)產(chǎn)品的工廠、車間和機(jī)器，還關(guān)注產(chǎn)品本身以及工廠外部的跨企業(yè)協(xié)同(包括質(zhì)量鏈、價(jià)值鏈等的協(xié)同)制造關(guān)系，因此，在底層增加了“產(chǎn)品”層，在工廠頂層增加了“互聯(lián)世界”層。
RAMI4.0模型的最大創(chuàng)新在于Z軸即功能級(jí)維度，可將其理解為一種信息建模方法，用于對(duì)另外兩個(gè)維度建模——即對(duì)生命周期維度進(jìn)行價(jià)值鏈建模，對(duì)層次結(jié)構(gòu)維度進(jìn)行技術(shù)對(duì)象建模。RAMI4.0模型在此維度定義了工業(yè)4.0組件來(lái)作為建模的載體。工業(yè)4.0組件由資產(chǎn)和管理殼組成，如圖5所示。資產(chǎn)為各種人、機(jī)、料、法、環(huán)等技術(shù)對(duì)象，工業(yè)4.0組件使用“對(duì)象”來(lái)數(shù)字化(虛擬)表示資產(chǎn)。多個(gè)“小”資產(chǎn)可通過(guò)數(shù)字連接組合成“大”資產(chǎn)。將管理殼附加到資產(chǎn)上，一方面可作為對(duì)外展示信息及提供訪問(wèn)的接口，另一方面可對(duì)內(nèi)進(jìn)行資源管理。如此，使用工業(yè)4.0組件就可對(duì)工廠層次結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)字化(虛擬)表示，建立企業(yè)各種資源庫(kù)(產(chǎn)品庫(kù)、設(shè)備庫(kù)、工藝庫(kù)等)，并在全生命周期及生產(chǎn)管理工具中實(shí)現(xiàn)資源互聯(lián)互通和互操作。
圖5 工業(yè)4.0組件及基于工業(yè)4.0組件的工廠資產(chǎn)建模
RAIM4.0在Z軸通信層實(shí)施方面，推薦使用IEC 62541《OPC 統(tǒng)一架構(gòu)(OPC UA)》標(biāo)準(zhǔn)[7,8]。這是因?yàn)镺PC UA既具有信息建模功能，又支持面向服務(wù)(SoA)的架構(gòu)并提供統(tǒng)一的通信接口(TCP和HTTPS)。因此，OPC UA可用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0組件，包括利用OPC UA強(qiáng)大的信息建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)工廠中各種資產(chǎn)的數(shù)字化描述與建模，以UA服務(wù)器的形式可視化展示工業(yè)4.0組件的對(duì)象結(jié)構(gòu)并提供統(tǒng)一的訪問(wèn)接口，如圖6所示。
圖6 工業(yè)4.0組件管理殼及OPC UA實(shí)現(xiàn)
為了更好地協(xié)調(diào)智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作，IEC與ISO負(fù)責(zé)智能制造頂層戰(zhàn)略的技術(shù)協(xié)調(diào)組織IEC/SEG7(智能制造系統(tǒng)評(píng)估組)和ISO/SMCC(智能制造協(xié)調(diào)委員會(huì))成立WG1“智能制造標(biāo)準(zhǔn)圖聯(lián)合工作組”，首次會(huì)議于2018年3月7日-8日在德國(guó)柏林召開(kāi)。來(lái)自德國(guó)、法國(guó)、美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)、日本、瑞典、挪威、西班牙等國(guó)16位專家到會(huì)或通過(guò)網(wǎng)絡(luò)會(huì)議方式參與討論。機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所(簡(jiǎn)稱儀綜所)標(biāo)準(zhǔn)與檢測(cè)中心副主任丁露博士參加了此次會(huì)議。
3、日本工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)(IVRA)
日本工業(yè)價(jià)值鏈促進(jìn)會(huì)(IVI)于2015年12月發(fā)布了工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)(IVRA)，旨在自下而上地從制造業(yè)需求出發(fā)，將制造技術(shù)和信息技術(shù)“串接”起來(lái)。面向工業(yè)需求多樣性和個(gè)性化的復(fù)雜系統(tǒng)(系統(tǒng)的"系統(tǒng)")，IVRA首先定義智能制造單元(SMU)，來(lái)表示智能制造的一個(gè)自主單元。同RAMI4.0模型一樣，SMU也由三個(gè)維度組成，但分別對(duì)應(yīng)資產(chǎn)、活動(dòng)和管理三個(gè)視角，如圖7所示。不同SMU之間可進(jìn)行互聯(lián)互通，并實(shí)現(xiàn)物、信息、數(shù)據(jù)、價(jià)值等傳遞，最終實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)力和效率的極大提高。
圖7 工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)(IVRA)的智能制造單元(SMU)
資產(chǎn)視角向生產(chǎn)組織展示該SMU的資產(chǎn)或財(cái)產(chǎn)，包括人員、過(guò)程、產(chǎn)品和設(shè)備四種類型，這與RAMI4.0模型中的資產(chǎn)基本一致。有些資產(chǎn)還可以在不同SMU之間傳輸。活動(dòng)視角涉及該SMU的人員和設(shè)備所執(zhí)行的各種活動(dòng)，包括“計(jì)劃、執(zhí)行、檢驗(yàn)、改善、活動(dòng)”的不斷循環(huán)。管理視角說(shuō)明實(shí)施的目的，并指出管理要素“質(zhì)量、成本、交付、環(huán)境”之間的關(guān)系。IVRA SMU是基于日本管理學(xué)的持續(xù)改善(Kaizen)概念提出的，SMU的資產(chǎn)和活動(dòng)都應(yīng)以控制質(zhì)量、成本、交期準(zhǔn)確率、環(huán)境為目標(biāo)。因此，在每個(gè)SMU 中通過(guò)操作“人員、過(guò)程、產(chǎn)品、設(shè)備”資產(chǎn)，重復(fù)進(jìn)行“計(jì)劃->執(zhí)行->檢驗(yàn)->改善”的生產(chǎn)活動(dòng)循環(huán)，以實(shí)現(xiàn)提高“質(zhì)量、成本、交付、環(huán)境”評(píng)估指標(biāo)。
此外，從制造業(yè)整體出發(fā)，企業(yè)實(shí)施智能制造具有通用的功能和活動(dòng)。因此，IVRA還定義了通用功能塊(GFB)，通過(guò)知識(shí)/工程流、需求/供應(yīng)流和企業(yè)組織層級(jí)三個(gè)軸向進(jìn)行描述，如圖8所示。從工程角度出發(fā)，知識(shí)/工程流包含的設(shè)計(jì)信息和工程信息，可劃分為市場(chǎng)和設(shè)計(jì)、構(gòu)造和實(shí)現(xiàn)、制造執(zhí)行、維護(hù)和修復(fù)、研究和開(kāi)發(fā)五個(gè)通用功能。需求/供應(yīng)流是指由多家企業(yè)組成的價(jià)值鏈，涉及將原料轉(zhuǎn)變?yōu)樽罱K產(chǎn)品并運(yùn)送至終端用戶的所有活動(dòng)，包括總體規(guī)劃、原料采購(gòu)、制造執(zhí)行、銷售與物流、售后服務(wù)。知識(shí)/工程流與需求/供應(yīng)流在制造執(zhí)行階段交匯因而具有共同的GFB。更進(jìn)一步，智能制造通用功能分解到企業(yè)的各個(gè)垂直層級(jí)也形成不同的功能塊，自底向上包括設(shè)備層、車間層、部門(mén)層和企業(yè)層。
圖8 工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)(IVRA)
SMU的作用是對(duì)智能制造的總體(目標(biāo)、資產(chǎn)和改善活動(dòng))進(jìn)行建模，GFB則是用于描述企業(yè)實(shí)現(xiàn)智能制造的具體活動(dòng)及場(chǎng)所。根據(jù)企業(yè)規(guī)模及部門(mén)自主性，一個(gè)企業(yè)可由一個(gè)或多個(gè)SMU組成。并且，企業(yè)不一定實(shí)現(xiàn)全部的GFB。一個(gè)SMU對(duì)應(yīng)于一個(gè)、多個(gè)或所有GFB。
IVI提出IVRA的一個(gè)主要目的在于分析制造過(guò)程中哪里存在問(wèn)題，并理清提供解決方案的系統(tǒng)范圍。因此，IVI在定義IVRA模型的同時(shí)，配套實(shí)施了一系列步驟，來(lái)推動(dòng)IVRA在智能制造中得以真正應(yīng)用，如圖9所示。首先基于概念化的IVRA統(tǒng)一參考架構(gòu)模型，定義用戶(工廠)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中存在的實(shí)際問(wèn)題，經(jīng)過(guò)AS-IS/TO-BE分析，使用“IVI用例器”工具來(lái)形式化描述業(yè)務(wù)場(chǎng)景，最終指導(dǎo)在工廠中構(gòu)建實(shí)際的制造系統(tǒng)。這種標(biāo)準(zhǔn)化描述的業(yè)務(wù)場(chǎng)景更容易取得解決方案供應(yīng)商和制造用戶的一致理解。
圖9 IVRA在智能制造中的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用
IVI已經(jīng)按照八大類成立了22個(gè)專業(yè)的工作組來(lái)收集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各類業(yè)務(wù)場(chǎng)景，并建立共享經(jīng)濟(jì)循環(huán)平臺(tái)Ecosystem，以實(shí)現(xiàn)用戶實(shí)際問(wèn)題與供應(yīng)商解決方案的匹配，如圖10所示。
圖10 IVI共享經(jīng)濟(jì)循環(huán)平臺(tái)Ecosystem架構(gòu)
智能制造/工業(yè)4.0參考模型的初衷是為了統(tǒng)一認(rèn)識(shí)和梳理標(biāo)準(zhǔn)，但更應(yīng)該對(duì)智能制造的實(shí)施提供基本方法與指導(dǎo)。德國(guó)RAMI4.0模型可應(yīng)用于建立數(shù)字化工廠各種資源庫(kù)，并與OPC UA結(jié)合實(shí)現(xiàn)制造裝備/設(shè)備與信息系統(tǒng)之間的互聯(lián)互通和互操作。日本以工業(yè)價(jià)值鏈參考架構(gòu)IVRA為基礎(chǔ)構(gòu)建用于匹配供應(yīng)商解決方案與用戶需求的共享服務(wù)平臺(tái)，及時(shí)高效地服務(wù)于智能制造。這兩個(gè)國(guó)家將參考模型以數(shù)據(jù)平臺(tái)等形式服務(wù)于智能制造的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)值得我們進(jìn)行深刻地思考與借鑒。
我國(guó)在智能制造道路上既要“低頭看路，腳踏實(shí)地”，補(bǔ)好自動(dòng)化和信息化的短板，也要“抬頭看天，搭好梯子”，用現(xiàn)代技術(shù)手段，持續(xù)建好公共數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。在CPS時(shí)代，基于我國(guó)的制造業(yè)現(xiàn)狀和發(fā)展目標(biāo)，政策引導(dǎo)方面需要統(tǒng)一認(rèn)識(shí)，發(fā)揮制度優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)國(guó)家資源的有效配置和精準(zhǔn)發(fā)力；具體實(shí)施方面特別需要加強(qiáng)信息建模方法研究，建立制造資源數(shù)據(jù)平臺(tái)，積累解決方案及應(yīng)用案例，優(yōu)化我國(guó)智能制造模型實(shí)施技術(shù)路線，使我國(guó)在CPS落地實(shí)踐階段掌握主動(dòng)權(quán)，避免在智能制造進(jìn)程中受制于人。
作者：歐陽(yáng)勁松、劉丹、杜曉輝
