緒論

在過去的十幾年里，我們站在工業(yè)4.0的邊緣，目睹了新技術的加速發(fā)展。電子商務、在線教育、遠程辦公等領域數(shù)字化程度不斷擴大，以及我們還不知道存在的變化和潛力。這些都將從根本上改變我們的生活、工作及環(huán)境。回顧2015年9月世界經濟論壇發(fā)布的Deep Shift：Technology Tipping Points and Societal Impact（《深度轉變：技術轉折點和社會影響》）報告，就可證明這一點。

1.轉折點技術回顧

《深度轉變：技術轉折點和社會影響》這篇報告中的未來轉變時間表見表0-1。

表中列舉了21種在某個年份的轉折點的技術，如2021年轉折點技術“機器人技術與服務”，2022年轉折點技術“物聯(lián)網、可穿戴互聯(lián)網、3D打印及制造”等。今天看來，表中列舉的21種技術已經全部或部分實現(xiàn)。以下僅舉幾例。

（1）機器人技術與服務

機器人技術與服務預計時間是2021年，到2025年，86%的受訪者預計這個轉折點會出現(xiàn)。機器人正開始影響許多工作，從制造業(yè)到農業(yè)，從零售業(yè)到服務業(yè)。盡管許多行業(yè)一直使用機器人來處理復雜的任務，但機器人正在進化，以實現(xiàn)更大的用途。它們變得更加自主、靈活和合作。它們會彼此互動，安全地與人類并肩工作，并向人類學習。這些機器人是相互連接的，因此，它們可以一起工作，并自動調整它們的動作，以適應下一個未完成的產品。如ABB公司的YuMi雙臂機器人可以與工人和諧共處，共同完成同一個任務。

（2）物聯(lián)網

物聯(lián)網預計時間是2022年，到2025年，89%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生，1萬億個傳感器連接到互聯(lián)網上。產品的設計是數(shù)字連接的，在產品之上增加數(shù)字服務。數(shù)字孿生為監(jiān)測、控制和預測提供了精確的數(shù)據(jù)，成為業(yè)務、信息和社會過程的積極參與者，事物能夠全面地感知環(huán)境，并自主地做出反應和行動，基于互聯(lián)的智能事物產生額外的知識和價值。隨著計算能力的不斷增強和硬件價格的不斷下降（仍然符合摩爾定律），從經濟上講，任何東西都可以連接到互聯(lián)網上。智能傳感器的價格已經非常具有競爭力。所有的東西都將變得智能，并連接到互聯(lián)網上，從而實現(xiàn)更強的通信和基于更強的分析能力的新的數(shù)據(jù)驅動服務。在未來，每一種（物理）產品都可以連接到無處不在的通信基礎設施，遍布在環(huán)境中的傳感器將使人們充分感知他們的環(huán)境。

工業(yè)物聯(lián)網具有泛在感知、監(jiān)控能力的各類采集、控制傳感器或控制器，以及移動通信、智能分析等技術，它們不斷融入到工業(yè)生產過程各個環(huán)節(jié)，從應用形式上，工業(yè)物聯(lián)網的應用具有實時性、自動化、嵌入式、安全性和互聯(lián)互通等特點。企業(yè)利用物聯(lián)網技術，實現(xiàn)供應鏈管理、生產過程工藝優(yōu)化、生產設備監(jiān)控管理、環(huán)保監(jiān)測及能源管理和工業(yè)安全生產管理等。通過對數(shù)據(jù)的分析處理可實現(xiàn)智能監(jiān)測、智能控制、智能診斷、智能決策、智能維護，提高生產力，降低能源消耗。

（3）3D打印與制造

3D打印（增材制造）與制造預計時間是2022年，到2025年，84%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生。3D打印是通過一層一層地打印數(shù)字3D繪圖或模型來創(chuàng)建物理對象的過程。許多不同種類的材料被用于3D打印機，如塑料、鋁、不銹鋼、陶瓷甚至高級合金，打印機能夠完成整個工廠曾經需要完成的工作。增材制造已廣泛應用在各行各業(yè)，從制造風力機到玩具，不僅可以打印出物體，還可以打印出人體器官（這個過程被稱為生物打印）。3D打印機最終將成為辦公電器甚至是家用電器。

云制造是將系統(tǒng)工程技術和相關產品技術集成到產品開發(fā)的整個系統(tǒng)和生命周期中，實現(xiàn)人、機、料的自主感知、互聯(lián)、協(xié)作、學習、分析、認知、決策、控制和執(zhí)行的智能制造系統(tǒng)。制造生命周期中的環(huán)境和信息，使制造企業(yè)的人員/組織、運營管理、設備和技術及信息流、物流、資金流、知識流和服務流得到整合和優(yōu)化。可以統(tǒng)一管理構成制造資源和能力的服務云；通過云制造服務平臺按需獲取制造資源和能力。云制造服務平臺是云制造的載體，也是工業(yè)云平臺，具有數(shù)字化、儀表化、虛擬化、面向服務、協(xié)同定制、靈活和智能等特點。

數(shù)字化是將制造資源和能力的屬性以及靜態(tài)/動態(tài)行為轉化為數(shù)字、數(shù)據(jù)和模型，進行統(tǒng)一的分析、規(guī)劃和重組。儀表化是實現(xiàn)信息技術與制造技術的集成，如CPS是軟硬制造資源和能力的綜合集成和感知。虛擬化提供制造資源和能力的邏輯和抽象表示與管理，沒有物理約束。通過服務計算技術對虛擬智能制造資源和能力進行封裝組裝，形成制造服務。為快速動態(tài)協(xié)同虛擬企業(yè)管理提供全面支持，實現(xiàn)多主體按需動態(tài)構建虛擬企業(yè)組織和虛擬企業(yè)業(yè)務運營的無縫集成；隨時隨地按需獲取智能制造資源和能力，支持個性化定制制造；支持人、機器、物的靈活、互聯(lián)的制造活動；將人、智能科技、大數(shù)據(jù)、CPS、仿真技術、制造技術等集成到整個制造系統(tǒng)和生命周期中，對系統(tǒng)中的人、機、料、環(huán)境、信息進行自我感知、學習、分析、識別、決策、控制和執(zhí)行。整個產業(yè)鏈包括云制造服務、云協(xié)同研發(fā)、云協(xié)同采購、云計算協(xié)同生產、云協(xié)同營銷、云協(xié)同售后服務等。

工業(yè)云使用云計算模式為工業(yè)企業(yè)提供軟件服務，按工業(yè)軟件的劃分，分工業(yè)管理云、工業(yè)設計云、工業(yè)控制云等幾種類型。機器數(shù)據(jù)和功能越來越多地部署到云上，為生產系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)驅動服務。甚至監(jiān)視和控制流程的系統(tǒng)也變成基于云的制造執(zhí)行系統(tǒng)。大型工業(yè)企業(yè)運用工業(yè)云將企業(yè)分散的信息資源統(tǒng)一整合，表現(xiàn)出更為集約、協(xié)同的管理特征，從而大幅提高IT設施的利用率。中小型工業(yè)企業(yè)運用工業(yè)云，可不購買IT設備，只需選擇工業(yè)云服務商提供的在線系統(tǒng)或應用服務，按需使用、按使用付費即可。

云計算通常用于基于邊緣計算方法的系統(tǒng)中，包括將設備和邊緣計算節(jié)點連接到集中式云服務。邊緣計算涉及將處理和存儲放置在這些系統(tǒng)與物理世界交互的附近或位置，也就是“邊緣”存在的地方。云服務在更接近邊緣的位置實現(xiàn)。邊緣計算是分布式計算的一種形式，在這種計算中，處理和存儲發(fā)生在一組靠近邊緣的網絡機器上，接近程度由系統(tǒng)的要求來定義。邊緣由相關數(shù)字實體和物理實體（即數(shù)字系統(tǒng)和物理世界）之間的邊界標記，通常由物聯(lián)網設備和最終用戶設備描述。傳感器、執(zhí)行器和用戶界面設備處于物理世界和數(shù)字系統(tǒng)之間的邊界（邊緣）。邊緣計算系統(tǒng)通常將這些設備與分布式計算資源結合起來，以提供系統(tǒng)的能力。邊緣計算的特點是網絡系統(tǒng)（“連接”），其中重要的數(shù)據(jù)處理（“計算”）和信息存儲（“存儲”）發(fā)生在邊緣附近的設備和實體上，而不是在某些集中的位置。

IEC PAS 63178:2018定義了相關制造資源集成到云制造服務平臺的要求，包括硬制造資源、軟制造資源和制造能力的集成。

（4）用于決策的大數(shù)據(jù)

用于決策的大數(shù)據(jù)預計時間是2023年，到2025年，83%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生。利用大數(shù)據(jù)可以在廣泛的行業(yè)和應用中實現(xiàn)更好、更快的決策。利用大數(shù)據(jù)來取代目前手工完成的流程可能會導致某些工作過時，但也可能會創(chuàng)造出目前市場上不存在的新工作和機會類別。

根據(jù)ISO/IEC TR 20546:2019，大數(shù)據(jù)是指主要以體積、多樣性、速度和/或可變性等特征處理大量數(shù)據(jù)集，這些特征需要可伸縮的體系結構來進行有效的存儲、操作和分析；當數(shù)據(jù)集的特征需要新的架構來高效存儲、操作和分析時，利用獨立資源的高級技術來構建可伸縮的數(shù)據(jù)系統(tǒng)；采用一種模式，將數(shù)據(jù)系統(tǒng)分布在橫向耦合和獨立的資源上，以實現(xiàn)高效處理數(shù)據(jù)集所需的可伸縮性。數(shù)據(jù)分析包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)驗證；數(shù)據(jù)處理包括數(shù)據(jù)量化、數(shù)據(jù)可視化和數(shù)據(jù)解釋。云計算是支持網絡訪問可伸縮和彈性的可共享物理或虛擬資源池的實例，并提供按需自助供應和管理。資源實例包括服務器、操作系統(tǒng)、網絡、軟件、應用程序和存儲設備。

工業(yè)大數(shù)據(jù)主要來源于智能設備和制造鏈中，從采購、生產、物流與銷售市場的內部流程到外部互聯(lián)網信息等。生產線智能設備安裝有數(shù)以千計的傳感器，利用傳感器數(shù)據(jù)可以實現(xiàn)包括設備診斷、能耗分析、質量事故分析等。在生產過程中使用這些大數(shù)據(jù)分析整個生產流程；對產品的生產過程建立虛擬模型，仿真并優(yōu)化生產流程；利用傳感器集中監(jiān)控所有的生產流程，能夠發(fā)現(xiàn)能耗的異常或峰值情形，由此可在生產過程中優(yōu)化能源的消耗等。

（5）人工智能、決策與白領工作

人工智能與決策預計時間是2026年，到2025年，45%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生。除了自動駕駛汽車，人工智能還從以前的情況中學習，提供輸入信息，并將復雜的未來決策過程自動化，從而更容易、更快地根據(jù)數(shù)據(jù)和過去的經驗得出具體結論。使用自然語言處理、本體和推理的人工智能系統(tǒng)可有效地從大數(shù)據(jù)源中收集和提取信息，并具有識別數(shù)據(jù)中因果關系的能力。這些知識處理系統(tǒng)，通過學習的過程，確定數(shù)據(jù)庫之間的關系和聯(lián)系，通過有效地幫助市場細分和業(yè)績衡量，同時降低成本和提高準確性，幫助履行營銷的角色。

人工智能與白領工作預計時間是2025年，到2025年，75%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生。AI擅長匹配模式和自動化流程，這使得該技術能夠適應大型組織中的許多功能。在未來的環(huán)境中，人工智能將取代目前由人類執(zhí)行的一系列功能，并替代崗位，降低成本，提高效率，為小企業(yè)、初創(chuàng)企業(yè)釋放創(chuàng)新機會（準入門檻更低，“軟件即服務”）。

（6）普適計算

普適計算（Ubiquitous Computing）預計時間是2024年，到2025年，79%的受訪者預計這個轉折點將會發(fā)生。90%的人定期訪問互聯(lián)網。普適計算也稱泛在計算，是一個強調與環(huán)境融為一體的計算概念，在普適計算的模式下，人們能夠在任何時間、任何地點、以任何方式進行信息的獲取與處理。個人的計算能力從未像現(xiàn)在這樣——通過一臺連接互聯(lián)網的計算機、一部帶有4G/5G或云服務的智能手機。世界上43%的人口接入了互聯(lián)網。來自任何國家的任何人都可以獲得來自世界另一個角落的信息，并與之互動。

三維仿真與虛擬現(xiàn)實技術相結合，在產品、材料和生產過程中，利用實時數(shù)據(jù)在虛擬模型中反映物理世界，虛擬模型可以包括機器、產品、物料、工具、記錄、人及環(huán)境等要素。這使得操作人員可以在物理轉換之前，在虛擬世界中測試和優(yōu)化下一個產品的機器設置，從而減少機器設置時間，提高質量。三維仿真裝置可將生產過程涉及的要素進行有機融合，并通過三維圖像引擎對生產過程進行全程仿真和三維重現(xiàn)，將虛擬現(xiàn)實技術應用于生產過程的仿真。

2.正在改變工業(yè)生產的新興技術

新興技術是以前三次工業(yè)革命的知識和體系為基礎，特別是以第三次工業(yè)革命的數(shù)字能力為基礎，包括人工智能（AI）、自主機器人、大數(shù)據(jù)與分析、虛擬和增強現(xiàn)實、增材制造、云、神經網絡技術、生物技術、新材料、網絡安全、工業(yè)物聯(lián)網、橫向和縱向系統(tǒng)集成、仿真、能源技術等，基礎技術進步正在推動工業(yè)4.0的新數(shù)字工業(yè)技術的興起，傳感器、機器、工件和IT系統(tǒng)將沿著價值鏈連接起來，這些連接的系統(tǒng)，也稱為CPS，可以使用標準的基于互聯(lián)網的協(xié)議相互交互，如機器對機器和機器對人的交互，并分析數(shù)據(jù)以預測故障、配置自身并適應變化，跨機器收集和分析數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)更快、更靈活、更高效的流程，以更低的成本生產更高質量的產品。所有的創(chuàng)新都是通過數(shù)字技術實現(xiàn)和增強的，集中在物理、數(shù)字和生物三種技術集群的相互關聯(lián)。例如，如果沒有計算能力和數(shù)據(jù)分析的進步，基因測序就不可能發(fā)生，新冠病毒疫苗不可能這么快就問世；如果沒有人工智能，進化機器人也不會存在，而人工智能本身很大程度上依賴于計算能力。這些已經應用于制造業(yè)，在工業(yè)4.0下，它們正在逐漸改變傳統(tǒng)的生產系統(tǒng)體系，原來的信息孤島、分層單元將以完全集成的、自動化的方式扁平地聚集在一起，優(yōu)化生產流程，提高生產效率，改變傳統(tǒng)的供應商、生產商和客戶之間，以及人與機器之間的生產關系。

這些導致了工業(yè)自動化所采用的傳統(tǒng)模式越來越不能適應新興技術和智能制造技術的發(fā)展需要。傳統(tǒng)模式對制造系統(tǒng)的有效修改也是非常困難的，為了進行有效的信息交換，所有涉及的系統(tǒng)都必須在異構環(huán)境中無縫地交互，即互操作性。在不久的將來，所有的技術將被整合并合作，創(chuàng)造一個更智能、更高效的整體。對于制造業(yè)來說，設施將成為智能工廠。當工廠的所有方面，從數(shù)字車間到銷售，以數(shù)字方式互聯(lián)時，生產過程將從一個復雜的孤立筒倉轉變?yōu)闊o縫的扁平生產環(huán)境。智能工廠的基礎設施就是CPS、數(shù)據(jù)孿生、邊緣計算和云計算。

以往我們以物理硬件來定義和描述工業(yè)自動化技術，現(xiàn)在軟件技術已徹底改變了我們以往的認知范圍。軟件定義了數(shù)據(jù)、模型、硬件、網絡，以及智能制造。從軟件定義的產品到軟件定義的制造，產品已經從單一的程序轉向了交互式網絡。軟件的進步對人類腦力的作用，就像機器代替體力勞動一樣，影響著人類適應環(huán)境的能力。在任何地方、任何時間，將每個人與任何事物進行數(shù)字連接，以及只用一套與以往幾乎所有方面相關的數(shù)據(jù)的機制或工具。人們所能做的事情正越來越多地受到軟件的驅動和支持，人們能夠訪問和分析的東西也在同時變得更小、更易于聚合。這為個人和各種類型的組織提供無數(shù)的服務創(chuàng)造了機會。

3.工業(yè)4.0與智能制造

智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）是一種完全集成的協(xié)同制造系統(tǒng)，能夠實時響應生產系統(tǒng)、供應鏈和客戶不斷變化的需求和條件，它通過互操作的基礎設施解決現(xiàn)有和未來問題，同時創(chuàng)造價值鏈。這與技術連接、前所未有的大數(shù)據(jù)和背景化有關，被預測為第四次工業(yè)革命。

工業(yè)4.0的目標是智能制造，在很多情況下工業(yè)4.0與智能制造是同義詞，數(shù)字工廠是其中的一個制造單元。IEC PAS 63088:2017定義了工業(yè)4.0（智能制造）參考架構模型（RAMI 4.0）。RAMI 4.0將工業(yè)4.0（智能制造）所涉及的關鍵要素用一個三維層級模型來描述，包括企業(yè)縱向集成維度、產品生命周期管理（PLM）與價值流維度，第三個維度把制造系統(tǒng)的活動劃分為業(yè)務、功能、信息、通信、集成和資產6個層次，形成橫向（活動）維度。這個架構模型劃定了工業(yè)4.0（智能制造）所涉及的范圍，所有業(yè)務都必須在IEC 62264（ISA95）標準的基礎上進行。數(shù)據(jù)服務是模型的一部分。智能工廠均以企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）、制造運行管理（MOM）或制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、過程控制系統(tǒng)（PCS）層級架構為原型，通過三個維度的集成將生產運行管理功能與實際生產場景緊密連接起來。

橫向集成是將不同制造階段的智能系統(tǒng)集成在一起，既包括一個工廠內部的材料、生產過程、能源和信息，也包括不同工廠之間的價值網絡的配置。通過CPS、工業(yè)互聯(lián)網、物聯(lián)網、云計算、大數(shù)據(jù)、移動通信等技術手段，對分布式生產資源進行高度的整合，從而構建起在網絡基礎上的數(shù)字工廠間的集成。通過縱向集成，把傳感器、各層次智能機器、工業(yè)機器人、數(shù)字車間與產品有機地整合在一起，同時將這些信息傳輸?shù)紼RP系統(tǒng)中，對橫向集成，以及端到端的價值鏈集成提供支持。縱向集成構成了工廠內部的模塊化制造體系，在不同的產品生產過程中，模塊化制造體系可以根據(jù)需要對模塊的拓撲結構進行重組，從而實現(xiàn)個性化產品生產模式。這個集成后的網絡化制造體系是一個智能機器系統(tǒng)，模塊是它的應用程序單元，改變拓撲結構的過程就是重新配置的過程，所有活動全部是自動完成的。一個工廠的縱向系統(tǒng)由過程控制系統(tǒng)、制造執(zhí)行系統(tǒng)（MOS、MES）、ERP系統(tǒng)三層結構組成。智能工廠就是這三層的上下貫通，每一層模塊化，共同組成一個扁平化智能平臺，同時，建構生產數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)據(jù)自動傳輸、數(shù)據(jù)自動決策、自動操作運行、自主故障處理等。橫向集成與縱向集成、價值鏈集成整合起來構成了智能制造網絡。

CPS是智能制造、智能電網、智能建筑、智能交通、智能醫(yī)療等大型復雜系統(tǒng)的實現(xiàn)及相應的自動化的技術基礎。這是一個科學、技術、工業(yè)和社會，包括多學科的工程方法，以及異構通信、信息和控制/自動化技術的融合和人機物的融合。工業(yè)CPS（ICPS）與工業(yè)自動化相關的工程和實現(xiàn)的關鍵方法和技術包括多代理系統(tǒng)（MAS）、面向服務的體系結構（SOA）和云系統(tǒng)，以及群體智能、自組織和混沌理論、無線傳感器網絡、增強現(xiàn)實和云計算，這些技術被認為可以支持ICPS在無處不在的環(huán)境下的運行，重新配置會像拖放應用一樣自然出現(xiàn)，而復雜性則由后臺服務來處理。具體實現(xiàn)有CPS、CPS SoS（System of Systems）、CPS管理、CPS工程、CPS生態(tài)系統(tǒng)和CPS基礎設施等領域。

（1）數(shù)字工廠

數(shù)字工廠（DF）是生產系統(tǒng)的數(shù)字表示，用來表示一個生產系統(tǒng)。數(shù)字工廠的主體是DF資產主體。在工廠自動化領域，數(shù)字工廠是數(shù)字模型、方法和工具的綜合網絡的總稱。其目標是對真實工廠的所有主要結構、流程和資源進行整體規(guī)劃、評估和持續(xù)改進。生產系統(tǒng)的所有信息和表示它的模型，主要是機電一體化（機電組件）方面的集合，包括機械、電氣和自動化相關信息。在數(shù)字工廠中，基于機電組件的生產系統(tǒng)是通過使用ERP、PLM和供應鏈管理（Supply Chain Management，SCM）等的虛擬方式進行的。一個機電組件可代表一個功能意圖，是生產系統(tǒng)生命周期中的一種數(shù)字表示，包含了生產系統(tǒng)生命周期中所需要的所有信息。只有在生產系統(tǒng)的生命周期中，各個要素之間實現(xiàn)無縫連接，才能實現(xiàn)數(shù)字化柔性生產及數(shù)字工廠的理念。

數(shù)字工廠的愿景是通過“即插即用”的方式將工廠與生產過程簡單地聯(lián)系起來。這需要生產監(jiān)視和控制系統(tǒng)工程的所有信息有能自我描述的、一致的、標準化的、中立的數(shù)據(jù)交換格式、通信和處理機制。生產監(jiān)視和控制系統(tǒng)實時收集、聚合和處理過程信號，通過自動化的方式對制造和裝配過程進行控制。為此，通過標準化數(shù)據(jù)格式（CAEX）和標準化通信（OPC UA）實現(xiàn)自動化生產監(jiān)控系統(tǒng)工程。

（2）CAEX與OPC UA

自動化生產監(jiān)控系統(tǒng)工程位于RAMI 4.0的底層。通過CAEX與OPC UA的應用可實現(xiàn)一致的標準接口、與所有相關系統(tǒng)的標準化通信、面向服務的處理、針對特定于供應商的數(shù)據(jù)格式轉換，以及最終通過自動化流程提高數(shù)據(jù)質量。對于生產監(jiān)控系統(tǒng)來說，OPC信號是來自真實生產過程還是來自與仿真相關聯(lián)的PLC并不重要，重要的是可以利用生產監(jiān)控技術中處理和/或產生的數(shù)據(jù)來改進仿真輸入數(shù)據(jù)。這使得控制技術能夠在早期階段進行測試。將IEC 62424和IEC 62541這兩個標準結合起來形成一個數(shù)據(jù)接口框架，以實現(xiàn)各層間扁平化集成。

IEC 62424標準定義了CAEX系統(tǒng)描述語言，是一種基于可擴展標記語言（XML）數(shù)據(jù)格式的半形式化中性描述語言。適用于生產或制造技術，無論是復雜的生產線還是單個機器。支持通過XML文件交換計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）數(shù)據(jù)。CAEX格式能夠通過標準的語法進行建模和交換任意對象模型數(shù)據(jù)，對語義進行建模。

CAEX是一種標準化的、與工具無關的、面向對象的數(shù)據(jù)格式，用于存儲分層的工廠信息；支持封裝、類、實例、繼承、層次結構和屬性等概念。工廠數(shù)據(jù)可以以庫結構的形式進行管理和傳輸，可將規(guī)范和標準建模為CAEX庫。CAEX數(shù)據(jù)可以通過使用通用規(guī)則的基于知識的系統(tǒng)或通過分析性的、基于計算機的任務來進一步處理。CAEX定義了自己的模型結構，并在庫中管理，元建模技術簡化了標準數(shù)據(jù)交換的創(chuàng)建。CAEX數(shù)據(jù)模型包括界面庫、角色庫、系統(tǒng)單元庫，以及特定的工廠結構-系統(tǒng)層次四個方面。在數(shù)據(jù)交換過程中，CAEX庫可以與數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)狡渌到y(tǒng)。所有支持CAEX數(shù)據(jù)模型的系統(tǒng)都能夠從庫中導出結構和語義信息，并解釋接收到的數(shù)據(jù)。該格式具有極強的可伸縮性。因此，可以重新利用原有系統(tǒng)的全部或部分有價值的數(shù)據(jù)。標準化的數(shù)據(jù)格式使生產系統(tǒng)更加透明，從而更容易地進行比較。然而，為了獲得控制技術所需要的所有信息，需要來自多個來源的數(shù)據(jù)，包括現(xiàn)場設備的過程信號，以及來自工廠規(guī)劃或布局規(guī)劃的工廠可視化數(shù)據(jù)和拓撲信息。這就需要選擇一種通用的方法，以收集和檢索來自各種來源的所有信息。

OPC UA（IEC 62541）允許在原型系統(tǒng)框架中進行通信、同步和處理，使不同系統(tǒng)之間的CAE數(shù)據(jù)的交換是結構化和有組織的，用于生產監(jiān)控系統(tǒng)自動化的標準化數(shù)據(jù)格式。OPC UA是一個獨立于平臺的、面向服務的工業(yè)OPC通信標準，定義了一個公共基礎設施模型來促進這種信息交換，規(guī)定了表示結構、行為和語義的信息模型，應用程序間交互的消息模型，在端點之間傳輸數(shù)據(jù)的通信模型，保證系統(tǒng)之間互操作性的一致性模型。OPC UA可以映射到各種通信協(xié)議，數(shù)據(jù)可以以各種方式編碼，以權衡可移植性和效率。OPC UA不僅僅針對SCADA、PLC和DCS接口，還作為一種在更高級別功能之間提供更大互操作性的方法。OPC UA目標應用如圖0-1所示。

進入2021年，中國已進入萬物互聯(lián)時代。未來的工業(yè)自動化系統(tǒng)將是云、網、端疊加到原有技術之上，可視化、數(shù)據(jù)化、智能化和云端控制深度融合，由數(shù)字化控制向數(shù)據(jù)化控制轉變，其中，多接入邊緣計算、霧計算、云計算、泛在網絡、嵌入式系統(tǒng)、區(qū)塊鏈、邊緣控制器等將廣泛應用。正在發(fā)展的現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)將是以CPS為核心的智能系統(tǒng)，云+AI+5G為主導，核心控制器將是鑲嵌了CPS、基于IEC 61131、IEC 61499和IEC 61804系列標準的邊緣控制器，這將發(fā)生包括電氣工程領域在內的新技術巨變，推動智能制造的快速發(fā)展。

顯而易見，多學科交叉日趨緊密，單一學科思維方式難以適應智能時代的發(fā)展。本書第2版的內容已跟不上時代的發(fā)展，因此，第3版與第2版相比，全書內容有較大變動，以創(chuàng)新思路為主導，較全面地介紹相關的國際標準和國家標準，書中關于標準的列表是最低限度，并不完整，由于篇幅所限，純技術內容以提示方式敘述，有需要，請沿提示線索自行尋找參考書籍和資料，期望能向廣大讀者，尤其是制造業(yè)現(xiàn)場的工程技術人員提供一本順應“智能制造”快速發(fā)展的電氣工程領域技術的參考書。本書所稱的常用低壓電器是指在工業(yè)自動化領域中，常用于電氣控制和各種成套設備的基礎配套元件，泛指低壓開關電器及智能化電器。更詳細的電氣工程基礎知識，若有需要可參考《常用低壓電器原理及其控制技術》第2版。