關(guān)于工業(yè)4.0，越來越多的人在說，也有不少的人在寫。但是對(duì)于大部分聽眾和讀者來說，它依然是一個(gè)模糊的概念，對(duì)具體的方法論了解更是少之又少。德國(guó)電工電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(DKE)對(duì)德國(guó)的工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，并公布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型，為工業(yè)4.0的進(jìn)一步發(fā)展設(shè)立了標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字工廠工業(yè)4.0從數(shù)字工廠演變提升而來。國(guó)際上十幾年前就開始了數(shù)字工廠的研究。最初思想是使用電子描述替代紙質(zhì)文件，并在軟件工具中使用它進(jìn)行電子布線和安裝，以便于集成并減少工程成本。隨著信息技術(shù)和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字工廠的概念和功能有了很大擴(kuò)展。IEC(國(guó)際電工委員會(huì))詞匯庫給出的定義是：數(shù)字工廠是數(shù)字模型、方法和工具的綜合網(wǎng)絡(luò)(包括仿真和3D虛擬現(xiàn)實(shí)可視化)，通過連續(xù)的沒有中斷的數(shù)據(jù)管理集成在一起。它是以產(chǎn)品全生命周期的相關(guān)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境中，對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行仿真、評(píng)估和優(yōu)化，并進(jìn)一步擴(kuò)展到整個(gè)產(chǎn)品生命周期的新型生產(chǎn)組織方式。

數(shù)字工廠的概念模型分為三個(gè)層次，底層是包含產(chǎn)品構(gòu)件(如汽車車燈、發(fā)動(dòng)機(jī)、輪胎等)和工廠生產(chǎn)資源(如傳感器、控制器和執(zhí)行器等)的實(shí)物層。第二層是虛擬層，對(duì)實(shí)物層的物理實(shí)體進(jìn)行語義化描述，轉(zhuǎn)化為可被計(jì)算機(jī)解析的“鏡像”數(shù)據(jù)，同時(shí)建立數(shù)字產(chǎn)品資源庫和數(shù)字工廠資源庫的聯(lián)系。第三層是涉及產(chǎn)品全生命周期過程的工具/應(yīng)用層，包括設(shè)計(jì)、仿真、工程應(yīng)用、資產(chǎn)管理、物流等各個(gè)環(huán)節(jié)。數(shù)字工廠概念的最大貢獻(xiàn)是實(shí)現(xiàn)虛擬(設(shè)計(jì)與仿真)到現(xiàn)實(shí)(資源分配與生產(chǎn))。通過連通產(chǎn)品組件與生產(chǎn)系統(tǒng)，將用戶需求和產(chǎn)品設(shè)計(jì)通過語義描述輸入資源庫，再傳遞給生產(chǎn)要素資源庫，制造信息也可以反饋給產(chǎn)品資源庫，從而打通了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和產(chǎn)品制造之間的“鴻溝”。更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)籌優(yōu)化生產(chǎn)過程的各項(xiàng)資源，在改進(jìn)質(zhì)量的同時(shí)減少設(shè)計(jì)時(shí)間，加速產(chǎn)品開發(fā)周期。

數(shù)字工廠概念的示意圖數(shù)字工廠作為支撐工業(yè)4.0現(xiàn)有的最重要國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一，是IEC/TC65(工業(yè)過程測(cè)量、控制和自動(dòng)化)的重要議題。2011年6月，IEC/TC65成立WG16“數(shù)字工廠”工作組，西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動(dòng)化、橫河等國(guó)際自動(dòng)化企業(yè)，以及我國(guó)機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所等研究機(jī)構(gòu)，都參與了IEC/TR 62794：2012數(shù)字工廠標(biāo)準(zhǔn)的制定。為更好地指導(dǎo)國(guó)內(nèi)企業(yè)開展數(shù)字工廠建設(shè)，全國(guó)工業(yè)過程測(cè)量控制和自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(SAC/TC124)組織國(guó)內(nèi)相關(guān)單位，將該標(biāo)準(zhǔn)等同轉(zhuǎn)化為我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/Z 32235-2015《工業(yè)過程測(cè)量、控制和自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)施表示用參考模型(數(shù)字工廠)》(2015年12月發(fā)布)。3工業(yè)4.03.1工業(yè)4.0核心特征工業(yè)4.0的核心在于工業(yè)、產(chǎn)品和服務(wù)的全面交叉滲透，這種滲透借助于軟件，通過在互聯(lián)網(wǎng)和其他網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品及服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化而實(shí)現(xiàn)。工業(yè)4.0重點(diǎn)關(guān)注兩方面內(nèi)容：產(chǎn)品開發(fā)與生產(chǎn)過程。德國(guó)工業(yè)4.0戰(zhàn)略計(jì)劃實(shí)施建議中，進(jìn)一步提出工業(yè)4.0的三個(gè)核心特征：

●企業(yè)內(nèi)部靈活可重組的網(wǎng)絡(luò)化制造系統(tǒng)的縱向集成，將各種不同層面的自動(dòng)化與IT系統(tǒng)集成在一起(如傳感器和執(zhí)行器、控制、生產(chǎn)管理、制造執(zhí)行、企業(yè)計(jì)劃等各種不同層面)，強(qiáng)調(diào)生產(chǎn)信息流的集成，包括訂單、生產(chǎn)調(diào)度、程序代碼、工作指令、工藝和控制參數(shù)等信息的下行傳遞，以及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的工況、設(shè)備狀態(tài)、測(cè)量參數(shù)等信息的上行傳遞；

●通過價(jià)值鏈及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)企業(yè)間的橫向集成，將各種不同制造階段和商業(yè)計(jì)劃的IT系統(tǒng)集成在一起，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品的價(jià)值流(增值過程)集成，既包括一個(gè)公司內(nèi)部的材料、能源和信息的配置(如原材料物流、生產(chǎn)過程、產(chǎn)品外出物流、市場(chǎng)營(yíng)銷等)，也包括不同公司間的配置(形成價(jià)值網(wǎng)絡(luò))；

●全生命周期管理及端到端系統(tǒng)工程，通過集成CAD/CAM/CAPP、PLM、ERP、SCM、CRM、MES等軟件/系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶參與設(shè)計(jì)(個(gè)性化)，并通過虛擬設(shè)計(jì)、虛擬評(píng)估和虛擬制造，更好地把用戶需求同生產(chǎn)制造完美地結(jié)合起來。并涉及產(chǎn)品直到維護(hù)服務(wù)的全生命周期，隨時(shí)將用戶意見反饋給前端的設(shè)計(jì)階段，動(dòng)態(tài)提升產(chǎn)品質(zhì)量。

這三個(gè)集成實(shí)際上為我們指明了實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的技術(shù)方向。3.2RAMI 4.0模型技術(shù)當(dāng)?shù)?，?biāo)準(zhǔn)化先行。德國(guó)電工電子與信息技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)(DKE)于2014年發(fā)布了第一版工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化路線圖，對(duì)德國(guó)的工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化工作進(jìn)行頂層設(shè)計(jì)，并于2015年公布了工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型。

工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型(RAMI 4.0)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中的作用以及現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)的缺口和不足。工業(yè)4.0集中于產(chǎn)品開發(fā)和生產(chǎn)全過程。RAMI 4.0模型的第一個(gè)維度(垂直軸)借用了信息和通信技術(shù)常用的分層概念。類似于著名的ISO OSI七層模型，各層實(shí)現(xiàn)相對(duì)獨(dú)立的功能，同時(shí)下層為上層提供接口，上層使用下層的服務(wù)。從下到上各層代表的主要功能為：

●資產(chǎn)層+集成層：數(shù)字化(虛擬)表示現(xiàn)實(shí)世界的各種資產(chǎn)(物理部件/硬件/軟件/文件等)；

●通信層：實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，以及數(shù)據(jù)和文件的傳輸；

●信息層：包含相關(guān)的數(shù)據(jù)；

●功能層：形式化定義必要的功能；

●業(yè)務(wù)層：映射相關(guān)的業(yè)務(wù)流程。

因而，可以各層次為不同視角來實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的建模和實(shí)施。RAMI 4.0模型的第二個(gè)維度(左側(cè)水平軸)描述全生命周期及其相關(guān)價(jià)值鏈。這一維度的參考標(biāo)準(zhǔn)是IEC 62890《工業(yè)過程測(cè)量控制和自動(dòng)化系統(tǒng)和產(chǎn)品生命周期管理》。此處的過程是指生產(chǎn)過程，完整的生命周期從規(guī)劃開始，到設(shè)計(jì)、仿真、制造，直至銷售和服務(wù)。

RAMI 4.0模型進(jìn)一步將生命周期劃分為樣機(jī)開發(fā)(type)和產(chǎn)品生產(chǎn)(instance)兩個(gè)階段，以強(qiáng)調(diào)不同階段考慮的重點(diǎn)不同。Type階段從初始設(shè)計(jì)至定型，還包括各種測(cè)試和驗(yàn)證。Instance階段進(jìn)行產(chǎn)品的規(guī)?；?、工業(yè)化生產(chǎn)，每個(gè)產(chǎn)品是原型(type)的一個(gè)實(shí)例(instance)。工業(yè)4.0中，Type階段與Instance階段形成閉環(huán)，例如：在銷售階段將產(chǎn)品的改進(jìn)信息反饋給制造商以改正原型樣機(jī)，然后發(fā)布新的型號(hào)和生產(chǎn)新的產(chǎn)品。這為產(chǎn)品的升級(jí)改進(jìn)帶來巨大的好處。

另一方面，將采購(gòu)、訂單、裝配、物流、維護(hù)、供應(yīng)商以及客戶等緊密關(guān)聯(lián)，例如：在裝配工序使用物流數(shù)據(jù)，根據(jù)未完成訂單組織內(nèi)部物流，采購(gòu)部實(shí)時(shí)查看庫存并在任意時(shí)刻了解零部件供貨情況，客戶知曉所訂購(gòu)產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)過程。這也將為改進(jìn)提供巨大的潛能。因此，必須將生命周期與其所包含的增值過程一起考慮，不僅限于單個(gè)工廠內(nèi)部而是擴(kuò)展到涉及的所有工廠與合作伙伴，從工程設(shè)計(jì)，到零部件供應(yīng)商直至最終客戶。

RAMI 4.0模型的第三個(gè)維度(右側(cè)水平軸)描述工業(yè)4.0不同生產(chǎn)環(huán)境下的功能分類，與IEC 62264《企業(yè)控制系統(tǒng)集成》(即ISA S95)和IEC 61512《批控制》(即ISA S88)規(guī)定的層次一致。更進(jìn)一步，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。

RAMI 4.0模型將全生命周期及價(jià)值鏈與工業(yè)4.0分層結(jié)構(gòu)相結(jié)合，為描述和實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0提供了最大的靈活性。3.3RAMI 4.0模型的標(biāo)準(zhǔn)映射RAMI 4.0模型的目的在于識(shí)別作用于工業(yè)4.0的現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)缺口，并選擇適宜的解決方案。圖3給出了RAMI 4.0模型的現(xiàn)有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)映射。圖3 RAMI 4.0標(biāo)準(zhǔn)映射圖工業(yè)4.0現(xiàn)有的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)可包括數(shù)字工廠、安全與保障、能效、系統(tǒng)集成、現(xiàn)場(chǎng)總線等幾個(gè)技術(shù)領(lǐng)域，主要來自于IEC/TC65，也包括來自IEC/TC3、ISO/TC184、IEC /TC17B、ISO/IEC JTC1、IEC/TC44等技術(shù)委員會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)。此外，還涉及ecl@ss等技術(shù)組織的標(biāo)準(zhǔn)。為此，德國(guó)梳理了工業(yè)4.0現(xiàn)有重要標(biāo)準(zhǔn)。

IEC和ISO關(guān)于工業(yè)4.0的工作組，除IEC/TC65/WG16數(shù)字工廠工作組以外，2014年8月IEC/SMB(標(biāo)準(zhǔn)管理局)成立了SG8“工業(yè)4.0/智能制造”戰(zhàn)略工作組，開展智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系研究；2014年10月，IEC/MSB(市場(chǎng)戰(zhàn)略局)啟動(dòng)“未來工廠”白皮書項(xiàng)目，開展智能制造市場(chǎng)需求、技術(shù)發(fā)展、長(zhǎng)期規(guī)劃研究，該白皮書已完成制定并正式發(fā)布；2015年ISO/TMB(技術(shù)管理局)成立“工業(yè)4.0/智能制造”戰(zhàn)略顧問組，開展工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)戰(zhàn)略研究。此外，作為工業(yè)4.0/智能制造國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作的主要陣地，2016年2月，IEC/TC65成立了“智能制造信息模型”和“智能制造框架和系統(tǒng)架構(gòu)”2個(gè)特別工作組，全面支撐智能制造相關(guān)工作。我國(guó)相關(guān)專家都參加了以上工作。4我國(guó)智能制造技術(shù)體系的思考面對(duì)歐美發(fā)達(dá)國(guó)家推行“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，以及我國(guó)制造業(yè)面臨諸多嚴(yán)峻問題的形勢(shì)下，國(guó)務(wù)院于2015年3月19日發(fā)布了我國(guó)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的第一個(gè)十年行動(dòng)綱要《中國(guó)制造2025》，旨在搶占技術(shù)發(fā)展的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。2015年12月，工信部和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)共同發(fā)布《國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南(2015版)》，其中的智能制造系統(tǒng)架構(gòu)與RAMI 4.0模型基本一致。

為了理解實(shí)現(xiàn)智能制造的技術(shù)層次與內(nèi)容，本文從我國(guó)現(xiàn)有制造業(yè)水平出發(fā)，提出了一個(gè)智能制造技術(shù)體系。

第二個(gè)層次是智能制造關(guān)鍵技術(shù)裝備。這一層的重點(diǎn)不在于裝備本體，而更應(yīng)強(qiáng)調(diào)裝備的統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式與接口。

第三個(gè)層次是智能工廠/車間。按照自動(dòng)化與IT技術(shù)作用范圍CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，劃分為工業(yè)控制和生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理兩部分。工業(yè)控制包括DCS、PLC、FCS和SCADA等工控系統(tǒng)，在各種工業(yè)通信協(xié)議、設(shè)備行規(guī)和應(yīng)用行規(guī)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)設(shè)備及系統(tǒng)的兼容與集成。生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)管理在MES和ERP基礎(chǔ)上，將各種數(shù)據(jù)和資源融入全生命周期管理，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能與工藝優(yōu)化。

第四個(gè)層次實(shí)現(xiàn)制造新模式，通過云計(jì)算、大數(shù)據(jù)和電子商務(wù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)離散型智能制造、流程型智能制造、個(gè)性化定制、網(wǎng)絡(luò)化協(xié)調(diào)制造與遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)等制造新模式。

第五個(gè)層次是上述層次技術(shù)內(nèi)容在典型離散制造業(yè)和流程工業(yè)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用。5關(guān)于技術(shù)研發(fā)方向的建議由于各國(guó)的制造業(yè)基礎(chǔ)和戰(zhàn)略目標(biāo)各不相同，通往工業(yè)4.0的路徑很多：美國(guó)倡導(dǎo)“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”以整合全球工業(yè)資源，德國(guó)希望將傳統(tǒng)工業(yè)向信息技術(shù)發(fā)展以繼續(xù)保持其裝備制造業(yè)全球領(lǐng)導(dǎo)地位，日本利用人工智能以解決勞動(dòng)力斷層并支持未來的工業(yè)智能化，我國(guó)則為實(shí)現(xiàn)制造業(yè)大國(guó)向制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變。然而，在智能制造方面，目前我國(guó)無論是理論構(gòu)架還是現(xiàn)實(shí)技術(shù)條件都處于較初級(jí)階段，要想緊跟甚至占領(lǐng)技術(shù)制高點(diǎn)，下一步應(yīng)從幾個(gè)方面入手。

首先，必須明確跟蹤學(xué)習(xí)工業(yè)4.0、實(shí)施智能制造的目的在于實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制，建立協(xié)同制造、綠色制造和安全保障能力，提升產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，切忌將過去的制造信息化再重新做一遍。

第二，積極參與相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，及時(shí)將國(guó)際上最新技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)引入國(guó)內(nèi)，同時(shí)將我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)推廣到國(guó)際。

第三，開展通用數(shù)據(jù)字典(CDD)、數(shù)字工廠、參考模型、屬性定義等標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)研究工作，建立與國(guó)際接軌的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)。

第四，重視核心技術(shù)突破，研究需要科技攻關(guān)的瓶頸和制約技術(shù)，并建立標(biāo)準(zhǔn)和統(tǒng)一的測(cè)試平臺(tái)。其中的兩個(gè)重點(diǎn)內(nèi)容為：

●由于制造過程、設(shè)備故障、人員錯(cuò)誤、外部攻擊等都是智能制造系統(tǒng)的危險(xiǎn)因素之一，應(yīng)并行考慮系統(tǒng)的功能安全與信息安全，形成智能制造安全保障體系與能力；

●針對(duì)智能制造系統(tǒng)及產(chǎn)品，開展可靠性綜合應(yīng)用技術(shù)研究：加強(qiáng)對(duì)各智能單元的智能處理過程和集成的可靠性研究，加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過程的可靠性研究，加強(qiáng)知識(shí)庫及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)集成的可靠性技術(shù)研究。

第五，充分開展不同行業(yè)不同企業(yè)的已有數(shù)據(jù)平臺(tái)調(diào)研，加緊研究典型行業(yè)、典型工藝的數(shù)字工廠模型，并建立數(shù)據(jù)庫，為智能制造的全國(guó)推廣和行業(yè)服務(wù)建立基礎(chǔ)。
北京沙盤模型