第4章
智能制造的關(guān)鍵技術(shù)

4.1　智能制造的基本架構(gòu)和模型

4.1.1　美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)模型（IIRA 4.0）

美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（IIC）由GE聯(lián)合AT&T、思科、IBM和英特爾于2014年3月發(fā)起，由對象管理組織（OMG）管理。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新、互聯(lián)互通、系統(tǒng)安全和產(chǎn)業(yè)提升均離不開標準化的引領(lǐng)。2015年6月，IIC發(fā)布工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA 4.0（Industrial Internet Reference Architecture 4.0）。在工業(yè)領(lǐng)域建立新物聯(lián)網(wǎng)能力的過程中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（IIRA）是重要的第一步，將幫助開發(fā)者更快反應(yīng)。借助IIRA 4.0可以創(chuàng)造新方法來組織工業(yè)應(yīng)用，從設(shè)計主導(dǎo)向?qū)嵱弥鲗?dǎo)轉(zhuǎn)變。IIRA 4.0為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的各要素及相互關(guān)系提供了通用語言，在通用語言的幫助下，開發(fā)者可為系統(tǒng)選取所需要素，從而更快地交付系統(tǒng)實現(xiàn)。

IIC發(fā)布的參考架構(gòu)（IIRA 4.0）包括商業(yè)視角、使用視角、功能視角和實現(xiàn)視角4個層級（源自ISO/IEC/IEEE 42010：2011）。

（1）商業(yè)視角

從商業(yè)視角來看，在企業(yè)中建立工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)之后，利益相關(guān)者的企業(yè)愿景、價值觀和企業(yè)目標被更多聚焦。它進一步明確了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)如何通過映射基本的系統(tǒng)功能達到既定目標。這些問題都是以企業(yè)為主體，特定的企業(yè)決策者、產(chǎn)品經(jīng)理和系統(tǒng)工程師會對此產(chǎn)生興趣，比如如何將商業(yè)實現(xiàn)與復(fù)雜系統(tǒng)流程對接。

（2）使用視角

使用視角指出系統(tǒng)預(yù)期使用的一些問題，它通常表示為涉及在最終實現(xiàn)其基本系統(tǒng)功能的人或邏輯用戶活動序列。這些問題通常牽涉系統(tǒng)工程師、產(chǎn)品經(jīng)理和其他利益相關(guān)者，包括參與到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)范制定和代表最終使用的用戶。

（3）功能視角

功能視角聚焦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的功能元件，包括它們的相互關(guān)系、結(jié)構(gòu)、相互之間的接口與交互，以及與環(huán)境外部的相互作用，來支撐整個系統(tǒng)的使用活動。該視角確定了商業(yè)、運營、信息、應(yīng)用和控制五大功能領(lǐng)域，對系統(tǒng)組件建筑師、開發(fā)商和集成商有強大的吸引力。

（4）實現(xiàn)視角

實現(xiàn)視角主要關(guān)注功能部件之間通信方案與生命周期所需要的技術(shù)問題。這些功能部件通過活動來實現(xiàn)協(xié)調(diào)并支持系統(tǒng)能力。此視角所關(guān)注的問題與系統(tǒng)組件工程師、開發(fā)商、集成商和系統(tǒng)運營商有密切聯(lián)系。

IIRA 4.0論述了系統(tǒng)安全、信息安全、彈性、互操作性、連接性、數(shù)據(jù)管理、高級數(shù)據(jù)分析、智能控制、動態(tài)組合九大系統(tǒng)特性。

（1）系統(tǒng)安全

系統(tǒng)安全是系統(tǒng)運轉(zhuǎn)的主要核心問題，單個組件的安全不能保證整個系統(tǒng)的安全，缺乏系統(tǒng)行為預(yù)測前提下很難預(yù)警系統(tǒng)安全問題。

（2）信息安全

為了解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的安全、信任與隱私問題，必須保障系統(tǒng)端到端信息安全。

（3）彈性

彈性系統(tǒng)需要有容錯、自我配置、自我修復(fù)、自我組織與計算的自主計算概念。

（4）互操作性

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)由不同廠商和組織的不同組件裝配而成，這些組件需確?；诩嫒萃ㄐ艆f(xié)議的相互通信功能，基于共同概念模型互相交換與解釋信息，基于交互方期望在重組方式下相互作用。

（5）連接性

無處不在的連接是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)運行的關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù)之一，針對系統(tǒng)內(nèi)的分布式工業(yè)傳感器、控制器、設(shè)備、網(wǎng)關(guān)和其他子系統(tǒng)，有必要定義新的連接性功能層模型。

（6）數(shù)據(jù)管理

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理包含涉及從使用角度考慮的任務(wù)角色和從功能角度考慮的功能組件的具體協(xié)調(diào)活動，如數(shù)據(jù)分析、發(fā)布與訂閱、查詢、存儲與檢索、集成、描述和呈現(xiàn)、數(shù)據(jù)框架和權(quán)限管理。

（7）高級數(shù)據(jù)分析

分析先進的數(shù)據(jù)處理過程將來自傳感器的數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從而提取具有特定功能的有效信息，給運營商提供有見地的建議，支持實時業(yè)務(wù)與運營決策。

（8）智能控制

提出智能控制相關(guān)的概念模型，并就如何建立智能彈性控制提出關(guān)鍵的概念。

（9）動態(tài)組合

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)需要對各種來源的分散組件進行安全、穩(wěn)定和可擴展組合。這些組合通?；诓煌瑓f(xié)議，提供可靠的端到端服務(wù)。總體來說，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)（IIRA）將現(xiàn)存的和新興的標準統(tǒng)一在相同的結(jié)構(gòu)中，與此同時，IIC正建立垂直領(lǐng)域應(yīng)用案例分類表，在參考架構(gòu)下體系化推進應(yīng)用。

4.1.2　德國工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）

德國提出的RAMI 4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）即工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型，它代表了德國對工業(yè)4.0所進行的全局式的思考。有了這個模型，各個企業(yè)尤其是中小企業(yè)，就可以在整個體系中尋找到自己的位置。也就是說，在對工業(yè)4.0的討論中需要考慮不同的對象和主體。其對象既包括工業(yè)領(lǐng)域不同標準下的工藝、流程和自動化；也包括信息領(lǐng)域方面，如信息、通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等。為了達到對標準、實例、規(guī)范等工業(yè)4.0內(nèi)容的共同理解，需要制定統(tǒng)一的框架模型作為參考，對其中的關(guān)系和細節(jié)進行具體分析。

在德國工業(yè)4.0工作組的努力之下，2015年3月，德國正式提出了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0），從產(chǎn)品生命周期/價值鏈、層級和架構(gòu)等級3個維度，分別對工業(yè)4.0進行多角度描述的一個框架模型。

第一個維度是在IEC 62264企業(yè)系統(tǒng)層級架構(gòu)的標準基礎(chǔ)之上（該標準是基于普度大學(xué)的ISA-95模型，界定了企業(yè)控制系統(tǒng)、管理系統(tǒng)等各層級的集成化標準），補充了產(chǎn)品或工件的內(nèi)容，并由個體工廠拓展至“連接世界”，從而體現(xiàn)工業(yè)4.0針對產(chǎn)品服務(wù)和企業(yè)協(xié)同的要求。

第二個維度是信息物理系統(tǒng)的核心功能，以各層級的功能來進行體現(xiàn)。具體來看，資產(chǎn)層是指機器、設(shè)備、零部件及人等生產(chǎn)環(huán)節(jié)的每個單元；集成層是指一些傳感器和控制實體等；通信層是指專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)等；信息層是指對數(shù)據(jù)的處理與分析過程；功能層是企業(yè)運營管理的集成化平臺；商業(yè)業(yè)務(wù)層是指各類商業(yè)模式、業(yè)務(wù)流程、任務(wù)下發(fā)等，體現(xiàn)的是制造企業(yè)的各類業(yè)務(wù)活動。

第三個維度是價值鏈，即從產(chǎn)品全生命周期視角出發(fā)，描述了以零部件、機器和工廠為典型代表的工業(yè)要素從虛擬原型到實物的全過程。具體體現(xiàn)為3個方面：一是基于IEC 62890標準，將其劃分為模擬原型和實物制造兩個階段；二是突出零部件、機器和工廠等各類工業(yè)生產(chǎn)部分都要有虛擬和現(xiàn)實兩個過程，體現(xiàn)了全要素“數(shù)字孿生”特征；三是在價值鏈構(gòu)建過程中，工業(yè)生產(chǎn)要素之間依托數(shù)字系統(tǒng)緊密聯(lián)系，實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的末端鏈接。此處以機器設(shè)備為例，虛擬階段就是一個數(shù)字模型的建立，包括建模與仿真。在實物階段主要是實現(xiàn)最終的末端制造。

目前公布的RAMI 4.0已經(jīng)覆蓋有關(guān)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信、信息數(shù)據(jù)、價值鏈、企業(yè)分層等領(lǐng)域。對現(xiàn)有標準的采用將有助于提升參考架構(gòu)的通用性，從而能夠更廣泛地指導(dǎo)不同行業(yè)企業(yè)開展工業(yè)4.0實踐。

RAMI 4.0對于德國產(chǎn)業(yè)界來說，是繼“工業(yè)發(fā)展的四個階段劃分”觀點之后，又一個新的成果，是對工業(yè)4.0理念進一步的明確和闡述。其意義主要體現(xiàn)在以下兩個方面。

① 有助于凝聚產(chǎn)業(yè)界共識，加快推動大企業(yè)實施工業(yè)4.0戰(zhàn)略。工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型RAMI 4.0實際上是為德國國內(nèi)企業(yè)明確了一個通用的工業(yè)4.0概念，能夠?qū)ζ髽I(yè)部署新的基礎(chǔ)設(shè)施、應(yīng)用新的技術(shù)、形成新的標準指明方向。作為工業(yè)4.0的主要推動機構(gòu)，德國“工業(yè)4.0平臺”以RAMI 4.0架構(gòu)所界定的各項功能為目標，正在積極推進信息技術(shù)、制造技術(shù)、激光感應(yīng)技術(shù)等跨界技術(shù)的集成試驗。目前已搭建測試床32個，形成應(yīng)用案例237個，部分研究成果在德國的大企業(yè)中進行了實施。

② 有助于聚合中小企業(yè)，提升中小企業(yè)參與積極性。德國有330多萬個中小企業(yè)，它們是德國經(jīng)濟的支柱和推動力量，這些中小企業(yè)雖然規(guī)模不大，但都是在某一個制造領(lǐng)域的領(lǐng)先者。對于工業(yè)4.0，大部分中小型企業(yè)仍持觀望態(tài)度，都在等待合適的市場框架形成。根據(jù)德國聯(lián)邦貿(mào)易與投資署專家此前的研究，2011年德國工業(yè)4.0概念提出之后，參與的企業(yè)主要是特定產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中的大企業(yè)和大機構(gòu)（如博世、西門子等），但中小型企業(yè)的參與度卻始終很低。RAMI4.0明確了新的標準和技術(shù)框架，使得中小企業(yè)有機會參與未來工業(yè)體系建設(shè)過程，從而提升中小企業(yè)的參與度，加快推進工業(yè)4.0戰(zhàn)略在德國整個產(chǎn)業(yè)界中的落實。

2016年4月的漢諾威工業(yè)博覽會，德國工業(yè)4.0和美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟兩大組織的核心成員共同發(fā)表了主題演講，希望發(fā)揮兩大平臺的綜合優(yōu)勢，簡化技術(shù)選擇，提升互操作性，加速全球標準化。而德國總理默克爾也欣然表態(tài)，“我很高興看到工業(yè)4.0平臺正在與美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟基于參考架構(gòu)開展標準化方面的合作，這將加速工業(yè)4.0的實現(xiàn)，而當(dāng)我們開始了標準化的工作，我們就站在了非常有利的位置上?！?/p>

而在2016年6月的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟會議上，博世公司作為工業(yè)4.0和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟連接的主要主體，宣布了兩大聯(lián)盟正在以博世力士樂在洪堡（Homburg）的工廠為依托，共建首個“智能制造設(shè)備維護”（smart manufacturing facility operation）測試床。該測試床的主要目的是實現(xiàn)生產(chǎn)計劃排產(chǎn)的優(yōu)化，降低峰值能源消耗，其架構(gòu)也基于IIRA的三層架構(gòu)來實現(xiàn)。目前，這一測試床已成為美德兩大陣營深化合作的試驗田。

4.1.3　中國智能制造參考架構(gòu)模型

加快推進智能制造，是落實工業(yè)化和信息化深度融合、打造制造強國的戰(zhàn)略舉措，更是我國制造業(yè)緊跟世界發(fā)展趨勢、實現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級的關(guān)鍵所在?！爸悄苤圃?、標準先行”。為解決標準缺失、滯后及交叉重復(fù)等問題，充分發(fā)揮標準在推進智能制造發(fā)展中的基礎(chǔ)性和引導(dǎo)性作用，指導(dǎo)當(dāng)前和未來一段時間內(nèi)智能制造標準化工作，2015年，工業(yè)和信息化部、國家標準化管理委員會聯(lián)合發(fā)布了《國家智能制造標準體系建設(shè)指南（2015年版）》（以下簡稱“建設(shè)指南”）。

“建設(shè)指南”明確了建設(shè)智能制造標準體系的總體要求、建設(shè)思路、建設(shè)內(nèi)容和組織實施方式，從生命周期、系統(tǒng)層級、智能功能3個維度建立了智能制造標準體系參考模型，并由此提出了智能制造標準體系框架，框架包括“基礎(chǔ)”“安全”“管理”“檢測評價”“可靠性”5類基礎(chǔ)共性標準和“智能裝備”“智能工廠”“智能服務(wù)”“工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)”“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”5類關(guān)鍵技術(shù)標準及在不同行業(yè)的應(yīng)用標準。計劃到2020年，建立起較為完善的智能制造標準體系，制定500項以上智能制造標準，基本實現(xiàn)基礎(chǔ)共性標準和關(guān)鍵技術(shù)標準全覆蓋，智能制造標準在企業(yè)得到廣泛的應(yīng)用驗證，在制造業(yè)全領(lǐng)域推廣應(yīng)用，促進我國智能制造水平大幅提升，我國智能制造標準國際競爭力顯著提升。

國家智能制造標準體系按照“三步法”原則建設(shè)完成。

第一步，通過研究各類智能制造應(yīng)用系統(tǒng)，提取其共性抽象特征，構(gòu)建由生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能組成的三維智能制造系統(tǒng)架構(gòu)，從而界定智能制造標準化的內(nèi)涵和外延，識別智能制造現(xiàn)有的和缺失的標準，認知現(xiàn)有標準間的交叉重疊關(guān)系。

第二步，在深入分析標準化需求的基礎(chǔ)上，綜合智能制造系統(tǒng)架構(gòu)各維度的邏輯關(guān)系，將智能制造系統(tǒng)架構(gòu)的生命周期維度和系統(tǒng)層級維度組成的平面自上而下依次映射到智能功能維度的5個層級，形成智能裝備、智能工廠、智能服務(wù)、工業(yè)軟件和大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)五類關(guān)鍵技術(shù)標準，與基礎(chǔ)共性標準和重點行業(yè)標準共同構(gòu)成智能制造標準體系結(jié)構(gòu)。

第三步，對智能制造標準體系結(jié)構(gòu)分解細化，進而建立智能制造標準體系框架，指導(dǎo)智能制造標準體系建設(shè)及相關(guān)標準立項工作。

智能制造系統(tǒng)架構(gòu)通過生命周期、系統(tǒng)層級和智能功能3個維度構(gòu)建完成，主要解決智能制造標準體系結(jié)構(gòu)和框架的建模研究。

1. 生命周期

生命周期是由設(shè)計、生產(chǎn)、物流、銷售、服務(wù)等一系列相互聯(lián)系的價值創(chuàng)造活動組成的鏈式集合。生命周期中各項活動相互關(guān)聯(lián)、相互影響。不同行業(yè)的生命周期構(gòu)成不盡相同。

2. 系統(tǒng)層級

系統(tǒng)層級自下而上共五層，分別為設(shè)備層、控制層、車間層、企業(yè)層和協(xié)同層。智能制造的系統(tǒng)層級體現(xiàn)了裝備的智能化和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（IP）化，以及網(wǎng)絡(luò)的扁平化趨勢。具體如下。

① 設(shè)備層級包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置等，是企業(yè)進行生產(chǎn)活動的物質(zhì)技術(shù)基礎(chǔ)。

② 控制層級包括可編程邏輯控制器（PLC）、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)（SCADA）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）和現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）等。

③ 車間層級實現(xiàn)面向工廠/車間的生產(chǎn)管理，包括制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）等。

④ 企業(yè)層級實現(xiàn)面向企業(yè)的經(jīng)營管理，包括企業(yè)資源計劃系統(tǒng)（ERP）、產(chǎn)品生命周期管理（PLM）、供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)（SCM）和客戶關(guān)系管理系統(tǒng)（CRM）等。

⑤ 協(xié)同層級由產(chǎn)業(yè)鏈上不同企業(yè)通過互聯(lián)網(wǎng)共享信息實現(xiàn)協(xié)同研發(fā)、智能生產(chǎn)、精準物流和智能服務(wù)等。

3. 智能功能

智能功能包括資源要素、系統(tǒng)集成、互聯(lián)互通、融合共享和新興業(yè)態(tài)五層。

① 資源要素包括設(shè)計施工圖紙、產(chǎn)品工藝文件、原材料、制造設(shè)備、生產(chǎn)車間和工廠等物理實體，也包括電力、燃氣等能源。此外，人員也可視為資源的一個組成部分。

② 系統(tǒng)集成是指通過二維碼、射頻識別、軟件等信息技術(shù)集成原材料、零部件、能源、設(shè)備等各種制造資源。由小到大實現(xiàn)從智能裝備到智能生產(chǎn)單元、智能生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、智能工廠，乃至智能制造系統(tǒng)的集成。

③ 互聯(lián)互通是指通過有線、無線等通信技術(shù)，實現(xiàn)機器之間、機器與控制系統(tǒng)之間、企業(yè)之間的互聯(lián)互通。

④ 融合共享是指在系統(tǒng)集成和通信的基礎(chǔ)上，利用云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)，在保障信息安全的前提下，實現(xiàn)信息協(xié)同共享。

⑤ 新興業(yè)態(tài)包括個性化定制、遠程運維和工業(yè)云等服務(wù)型制造模式。