第4章
智能制造的關鍵技術

4.1　智能制造的基本架構和模型

4.1.1　美國工業互聯網參考架構模型（IIRA 4.0）

美國工業互聯網聯盟（IIC）由GE聯合AT&T、思科、IBM和英特爾于2014年3月發起，由對象管理組織（OMG）管理。工業互聯網要實現技術創新、互聯互通、系統安全和產業提升均離不開標準化的引領。2015年6月，IIC發布工業互聯網參考架構IIRA 4.0（Industrial Internet Reference Architecture 4.0）。在工業領域建立新物聯網能力的過程中，工業互聯網參考架構（IIRA）是重要的第一步，將幫助開發者更快反應。借助IIRA 4.0可以創造新方法來組織工業應用，從設計主導向實用主導轉變。IIRA 4.0為工業互聯網系統的各要素及相互關系提供了通用語言，在通用語言的幫助下，開發者可為系統選取所需要素，從而更快地交付系統實現。

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

（1）商業視角

從商業視角來看，在企業中建立工業互聯網系統之后，利益相關者的企業愿景、價值觀和企業目標被更多聚焦。它進一步明確了工業互聯網系統如何通過映射基本的系統功能達到既定目標。這些問題都是以企業為主體，特定的企業決策者、產品經理和系統工程師會對此產生興趣，比如如何將商業實現與復雜系統流程對接。

（2）使用視角

使用視角指出系統預期使用的一些問題，它通常表示為涉及在最終實現其基本系統功能的人或邏輯用戶活動序列。這些問題通常牽涉系統工程師、產品經理和其他利益相關者，包括參與到工業互聯網系統規范制定和代表最終使用的用戶。

（3）功能視角

功能視角聚焦工業互聯網系統中的功能元件，包括它們的相互關系、結構、相互之間的接口與交互，以及與環境外部的相互作用，來支撐整個系統的使用活動。該視角確定了商業、運營、信息、應用和控制五大功能領域，對系統組件建筑師、開發商和集成商有強大的吸引力。

（4）實現視角

實現視角主要關注功能部件之間通信方案與生命周期所需要的技術問題。這些功能部件通過活動來實現協調并支持系統能力。此視角所關注的問題與系統組件工程師、開發商、集成商和系統運營商有密切聯系。

IIRA 4.0論述了系統安全、信息安全、彈性、互操作性、連接性、數據管理、高級數據分析、智能控制、動態組合九大系統特性。

（1）系統安全

系統安全是系統運轉的主要核心問題，單個組件的安全不能保證整個系統的安全，缺乏系統行為預測前提下很難預警系統安全問題。

（2）信息安全

為了解決工業互聯網中的安全、信任與隱私問題，必須保障系統端到端信息安全。

（3）彈性

彈性系統需要有容錯、自我配置、自我修復、自我組織與計算的自主計算概念。

（4）互操作性

工業互聯網系統由不同廠商和組織的不同組件裝配而成，這些組件需確保基于兼容通信協議的相互通信功能，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互聯網系統運行的關鍵基礎技術之一，針對系統內的分布式工業傳感器、控制器、設備、網關和其他子系統，有必要定義新的連接性功能層模型。

（6）數據管理

工業互聯網系統數據管理包含涉及從使用角度考慮的任務角色和從功能角度考慮的功能組件的具體協調活動，如數據分析、發布與訂閱、查詢、存儲與檢索、集成、描述和呈現、數據框架和權限管理。

（7）高級數據分析

分析先進的數據處理過程將來自傳感器的數據進行轉換，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，支持實時業務與運營決策。

（8）智能控制

提出智能控制相關的概念模型，并就如何建立智能彈性控制提出關鍵的概念。

（9）動態組合

工業互聯網系統需要對各種來源的分散組件進行安全、穩定和可擴展組合。這些組合通常基于不同協議，提供可靠的端到端服務。總體來說，工業互聯網參考架構（IIRA）將現存的和新興的標準統一在相同的結構中，與此同時，IIC正建立垂直領域應用案例分類表，在參考架構下體系化推進應用。

4.1.2　德國工業4.0參考架構模型（RAMI 4.0）

德國提出的RAMI 4.0（Reference Architecture Model Industrie 4.0）即工業4.0參考架構模型，它代表了德國對工業4.0所進行的全局式的思考。有了這個模型，各個企業尤其是中小企業，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。其對象既包括工業領域不同標準下的工藝、流程和自動化；也包括信息領域方面，如信息、通信和互聯網技術等。為了達到對標準、實例、規范等工業4.0內容的共同理解，需要制定統一的框架模型作為參考，對其中的關系和細節進行具體分析。

在德國工業4.0工作組的努力之下，2015年3月，德國正式提出了工業4.0的參考架構模型（RAMI 4.0），從產品生命周期/價值鏈、層級和架構等級3個維度，分別對工業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企業系統層級架構的標準基礎之上（該標準是基于普度大學的ISA-95模型，界定了企業控制系統、管理系統等各層級的集成化標準），補充了產品或工件的內容，并由個體工廠拓展至“連接世界”，從而體現工業4.0針對產品服務和企業協同的要求。

第二個維度是信息物理系統的核心功能，以各層級的功能來進行體現。具體來看，資產層是指機器、設備、零部件及人等生產環節的每個單元；集成層是指一些傳感器和控制實體等；通信層是指專業的網絡架構等；信息層是指對數據的處理與分析過程；功能層是企業運營管理的集成化平臺；商業業務層是指各類商業模式、業務流程、任務下發等，體現的是制造企業的各類業務活動。

第三個維度是價值鏈，即從產品全生命周期視角出發，描述了以零部件、機器和工廠為典型代表的工業要素從虛擬原型到實物的全過程。具體體現為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生產部分都要有虛擬和現實兩個過程，體現了全要素“數字孿生”特征；三是在價值鏈構建過程中，工業生產要素之間依托數字系統緊密聯系，實現工業生產環節的末端鏈接。此處以機器設備為例，虛擬階段就是一個數字模型的建立，包括建模與仿真。在實物階段主要是實現最終的末端制造。

目前公布的RAMI 4.0已經覆蓋有關工業網絡通信、信息數據、價值鏈、企業分層等領域。對現有標準的采用將有助于提升參考架構的通用性，從而能夠更廣泛地指導不同行業企業開展工業4.0實踐。

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

① 有助于凝聚產業界共識，加快推動大企業實施工業4.0戰略。工業4.0參考架構模型RAMI 4.0實際上是為德國國內企業明確了一個通用的工業4.0概念，能夠對企業部署新的基礎設施、應用新的技術、形成新的標準指明方向。作為工業4.0的主要推動機構，德國“工業4.0平臺”以RAMI 4.0架構所界定的各項功能為目標，正在積極推進信息技術、制造技術、激光感應技術等跨界技術的集成試驗。目前已搭建測試床32個，形成應用案例237個，部分研究成果在德國的大企業中進行了實施。

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

2016年4月的漢諾威工業博覽會，德國工業4.0和美國工業互聯網聯盟兩大組織的核心成員共同發表了主題演講，希望發揮兩大平臺的綜合優勢，簡化技術選擇，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，“我很高興看到工業4.0平臺正在與美國工業互聯網聯盟基于參考架構開展標準化方面的合作，這將加速工業4.0的實現，而當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。”

而在2016年6月的工業互聯網聯盟會議上，博世公司作為工業4.0和工業互聯網聯盟連接的主要主體，宣布了兩大聯盟正在以博世力士樂在洪堡（Homburg）的工廠為依托，共建首個“智能制造設備維護”（smart manufacturing facility operation）測試床。該測試床的主要目的是實現生產計劃排產的優化，降低峰值能源消耗，其架構也基于IIRA的三層架構來實現。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模型

加快推進智能制造，是落實工業化和信息化深度融合、打造制造強國的戰略舉措，更是我國制造業緊跟世界發展趨勢、實現轉型升級的關鍵所在。“智能制造、標準先行”。為解決標準缺失、滯后及交叉重復等問題，充分發揮標準在推進智能制造發展中的基礎性和引導性作用，指導當前和未來一段時間內智能制造標準化工作，2015年，工業和信息化部、國家標準化管理委員會聯合發布了《國家智能制造標準體系建設指南（2015年版）》（以下簡稱“建設指南”）。

“建設指南”明確了建設智能制造標準體系的總體要求、建設思路、建設內容和組織實施方式，從生命周期、系統層級、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”“安全”“管理”“檢測評價”“可靠性”5類基礎共性標準和“智能裝備”“智能工廠”“智能服務”“工業軟件和大數據”“工業互聯網”5類關鍵技術標準及在不同行業的應用標準。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，基本實現基礎共性標準和關鍵技術標準全覆蓋，智能制造標準在企業得到廣泛的應用驗證，在制造業全領域推廣應用，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”原則建設完成。

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

第二步，在深入分析標準化需求的基礎上，綜合智能制造系統架構各維度的邏輯關系，將智能制造系統架構的生命周期維度和系統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、工業軟件和大數據、工業互聯網五類關鍵技術標準，與基礎共性標準和重點行業標準共同構成智能制造標準體系結構。

第三步，對智能制造標準體系結構分解細化，進而建立智能制造標準體系框架，指導智能制造標準體系建設及相關標準立項工作。

智能制造系統架構通過生命周期、系統層級和智能功能3個維度構建完成，主要解決智能制造標準體系結構和框架的建模研究。

1. 生命周期

生命周期是由設計、生產、物流、銷售、服務等一系列相互聯系的價值創造活動組成的鏈式集合。生命周期中各項活動相互關聯、相互影響。不同行業的生命周期構成不盡相同。

2. 系統層級

系統層級自下而上共五層，分別為設備層、控制層、車間層、企業層和協同層。智能制造的系統層級體現了裝備的智能化和互聯網協議（IP）化，以及網絡的扁平化趨勢。具體如下。

① 設備層級包括傳感器、儀器儀表、條碼、射頻識別、機器、機械和裝置等，是企業進行生產活動的物質技術基礎。

② 控制層級包括可編程邏輯控制器（PLC）、數據采集與監視控制系統（SCADA）、分布式控制系統（DCS）和現場總線控制系統（FCS）等。

③ 車間層級實現面向工廠/車間的生產管理，包括制造執行系統（MES）等。

④ 企業層級實現面向企業的經營管理，包括企業資源計劃系統（ERP）、產品生命周期管理（PLM）、供應鏈管理系統（SCM）和客戶關系管理系統（CRM）等。

⑤ 協同層級由產業鏈上不同企業通過互聯網共享信息實現協同研發、智能生產、精準物流和智能服務等。

3. 智能功能

智能功能包括資源要素、系統集成、互聯互通、融合共享和新興業態五層。

① 資源要素包括設計施工圖紙、產品工藝文件、原材料、制造設備、生產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 系統集成是指通過二維碼、射頻識別、軟件等信息技術集成原材料、零部件、能源、設備等各種制造資源。由小到大實現從智能裝備到智能生產單元、智能生產線、數字化車間、智能工廠，乃至智能制造系統的集成。

③ 互聯互通是指通過有線、無線等通信技術，實現機器之間、機器與控制系統之間、企業之間的互聯互通。

④ 融合共享是指在系統集成和通信的基礎上，利用云計算、大數據等新一代信息技術，在保障信息安全的前提下，實現信息協同共享。

⑤ 新興業態包括個性化定制、遠程運維和工業云等服務型制造模式。