真的有工業4.0的落地的具體路徑嗎？我們看到了大量的解決方案，卻很少能夠看到從底層構建的案例。智能制造的圈內人士對于德國工業4.0的架構RAMI4.0應該是耳熟能詳的，但對工業4.0的基本組成單元“工業4.0基本單元”（I4.0 compennet），卻是相對陌生。然而德國產業界和學術界，正是在這個可以落地的抓手上，進行了深入的開發實踐。本文從工業4.0基本單元的內涵出發，看看德國如何實際運用，以及怎么進行開發。

　　實體資產的“虛擬化”

　　為便于參考架構模型表達工業4.0的空間，RAMI采用三維模型（見圖1）。縱軸分成6個層級，從不同的視角表達諸如數據映射、功能描述、通信行為、硬件/資產或業務流程。這里借用了IT行業將復雜項目劃分為若干個可以管理的部分的思維。左面的橫軸表達產品生命周期及其所包含的價值鏈，可在參考架構模型中表示整個生命周期內的相關性（例如持續的數據采集之間的相關性）。右面的橫軸表達工廠的功能性和響應性，即工廠功能的分層結構。

 

圖1:德國工業4.0參考架構RAMI4.0

 

　　最為引人矚目的是，RAMI將物理系統按照其功能特性，分層進行了虛擬映射。

　　按照IT和通信技術常用的方法，將縱軸自上而下劃分為6個層級：經營業務、功能性、信息、通信、集成、資產。

　　資產層處于最底層，連同其上層集成層一起被用來對各種資產進行數字化的虛擬表達。用資產層來表達物理部件/硬件/軟件/文件等實體，物理部件如直線運動的軸、金屬部件、電路圖、技術文件、歷史記錄等。

　　人也作為資產層的一部份，通過集成層與虛擬世界相鏈接。

　　資產與集成層的鏈接是無源（passive）連接。

 

圖2:RAMI4.0和物理-數字化架構及遞階關系

 

　　圖2清晰表達RAMI4.0和物理－數字化架構及遞階關系。把物理實體（包括硬件、軟件、工程文件等）通過數字化演化為能在虛擬世界完整表達、通信、推理、判斷、決策加工等，讓控制信息和業務信息都能實時傳遞交換和處理，從而使企業中的各類資產都能互聯、互操作。根據不同資產的作用，當它們數字化后相互之間的關聯，應該按控制要求和業務要求構建它們之間的扁平化的通信遞階關系。

　　四大類資產變形記

　　工業4.0基本單元是一個描述信息物理系統CPS詳細特性的模型。CPS是一種在生產環境中的真實物理對象，通過與其虛擬對象和過程進行聯網通信的系統。在生產環境中，從生產系統和機械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了上述這些特性，不管是硬件基本單元還是軟件基本單元都具備和符合了工業4.0要求的能力。

　　成為工業4.0基本單元的一個先決條件是：它必須在整個生命周期內采集所有相關數據，存放在有該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內，并由它把這些數據提供給企業參與價值鏈的過程。

　　在工業4.0基本單元的模型中，這個電子容器稱之為“管理殼”。

　　還有一個先決條件是：基本單元的真實對象必須具有通信能力，以及相應的數據和功能。這樣，生產環境中的硬件單元和軟件單元之間都能進行符合工業4.0要求的通信。

　　這里有四個工業4.0基本單元的例子。

　　一個是一整套機械裝備作為工業4.0基本單元，這類工業4.0的基本單元是由機械制造廠商來實現的。它可能是一臺機床、包裝機或3D打印機等。

 

圖3:工業4.0基本單元模型

 

　　一類是專門供應廠商提供的關鍵部件，也可看成是一類工業4.0基本單元，這是由部件制造廠商實現。它們往往可以分開登錄，譬如可分別在資產管理系統和維護管理系統中登錄。

　　第三類還可以把一些構成零部件看成是工業4.0基本單元，例如一個端子排：它不但是連通信號的接線，而且在整個機械裝備的生命周期中還起著傳輸數據的作用。這種工業4.0基本單元的實現者往往是電氣工程師或技術員。

　　第四類，也是非常有趣的是，軟件也是生產系統中的重要資產，它們也是工業4.0基本單元。例如一個獨立的規劃或者工具性工程軟件，甚至一個功能塊庫。其實現者可以是軟件供應商，也可以是控制器應用程序的編程工程師等。

　　表1：實體資產向工業4.0單元轉化

　　由圖4可知，資產構成工業4.0基本單元（物理／非物理）的實體部分，管理殼構成工業4.0基本單元的虛擬部分，工業4.0的通信將各種基本單元加以連接。

 

 

圖4:工業4.0基本單元的特性

圖5:機械裝置由各類IC4.0組成

 

　　任何一種機械裝備其重要的部分原則上都是各類工業4.0基本單元組成。譬如圖5中由端子排、伺服軸、機械裝置和由這臺機械裝置加工出來的產品，如最常見的運動鞋。這些資產通過工業4.0的通信連接起來。機械裝置則由在生產網絡中的PLC進行控制。由此可以得出以下結論：工業4.0基本單元是網絡化的基礎元件，生產制造出來的產品的服務策略也因此建立了相互連接，因而即使沒有實際的電子接口的元件也具有同等的權利，為建立業務價值的深度表達提供了可行的技術路徑。

　　德國人如何構建基本單元

　　在以上頂層設計概念的基礎上，就有可能為所有現有的工業資產提供數字化的實現。人們常說智能制造的基礎是數字化，數字化的核心是建模。那么我們就來觀察一下德國工業界是怎樣進行這一過程的。

　　就像為地球上所有的大米粒都要編號一樣，需要設計出全世界億萬數量級的工業資產的唯一標識及其鏈接方式，以便為今后對這些資產進行虛擬描述打好基礎。

　　圖6表述的就是這種統一的格式。標識符是URI，為每一種資產提供唯一的識別符，并與該資產對應的管理殼對應，該標識符既參照該資產的物理分類，又可鏈接該資產的管理殼，而管理殼的虛擬描述完全建立在其物理特性和相關數據之上。

 

圖6 :資產進入數字化世界

 

　　用標準化的唯一標識符識別分類項和相關知識,已經有了國際標準進行指導。

 

圖7 :按ISO29002-5分類資產和相關知識

 

　　而要真正實現工業4.0，需要在全世界范圍內（注意：不僅僅在德國范圍內）組織開發數量極大、類型眾多的、標準化數字化的基本單元庫。

　　進行這項涉及面極廣的組織工程，首先要保護工程領域的核心功能性（例如氣動工程、焊接等）；其次要造就具有最大化的靈活性，同時又能保護每個公司的信息網絡；再次是為了采購、系統集成工程、維護等需要，必須持續地提高可互操作性和客戶的利益。不過面對的現實卻是如何使各個公司的標準、不同的數據格式和產品性能數據的集合實施合理的開放；為建立工業4.0基本單元的知識庫，在各個公司的利益和公眾利益之間取得平衡，‘兩廂情愿’地淡化公司標準和查找性質集合。好在國際工業標準化組織已經建立了這方面的國際標準IEC61360/ISO13584，只要嚴格遵循這個標準，就能夠有組織有規則地進行。

　　圖8示出許多標準作為管理殼的領域／子模型的樣板。例如管理殼可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 數字工廠；標識可參照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工業通信規約第二章以太網；能效依據ISO/IEC 20140-5；信息安全參照IEC 62443 網絡和系統的信息安全等。

 

圖8 :管理殼的領域／子模型的樣板標準

 

　　圖9是管理殼、子模型、性質、復雜數據和功能的示范內容。從可視的角度看，一個經標識的資產其管理殼也是經標識的，都是顯性化的知識，即表征這個資產的性質。而其數據和功能都是可通過APIs被語義化存取的。資產的運行時數據都遵照嚴格而統一的格式表達性質的集合（圖示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是鉆孔）。而有關數據和功能的運行時的數據則按照不同的互補的數據格式。

 

圖9:資產對應的管理殼的內容

 

　　真實場景的示范

　　下面給出一個簡單的場景描述以市場為導向的資產數字化的交互過程（見圖10）。圖中示出3個工業4.0基本單元（生產工作站），它們之間通過符合工業4.0的通信連接，并且還與假定的MES生產調度執行系統項連接。這3個工作站都有相同的子模型，但有不同的標識符和不同的性質數據。

 

圖10:簡單場景的舉例

 

　　這導致每個工作站有不同的行為，并在數字化資產的基礎上進行討論、意見交換，以獲得共識來完成原型設計。

　　圖11給出這個示范實驗的識別。報頭由兩部分構成：管理殼標識部分和資產標識部分；而報文則包括MES連接子模型的識別符，能效子模型、鉆孔子模型和文檔子模型的識別符。

 

圖11:簡單場景實驗的識別表

 

　　還可以進一步給出這個示范實驗的性質數據表。由子模型描述簡單數據。接下去各行描述仿真鉆孔時間，鉆頭直徑，鉆頭進給速度，鉆孔深度和工件材質。而要得出這些性質定義和性質特性的具體辦法是由領域專家開會議定的規范，導入標準化的子模型，這些子模型需要是領域公認的參照。

　　“工業4.0語言”橫空出世

　　對于復雜的工業4.0基本單元，可以是由簡單基本單元的疊加，并且允許進行分布式的工程設計。例如圖12所描述的裝配體資產（其管理殼標識為裝配體123）是由軸X、軸Y、軸Z和裝卡夾具4個簡單工業4.0基本單元組成，通過符合工業4.0的通信連接。虛線框所標即是這個裝配體資產的邊界。

　　該裝配體的管理殼包括裝配體資產的標識、管理殼，P&ID圖子模型，線路圖子模型，機械CAD子模型和IEC的互連圖子模型。

 

圖12:復雜工業4.0基本單元由簡單基本單元構成

 

　　復雜的工業4.0基本單元可能涉及到不同的工程專業，這是建立復雜基本單元首先要考慮的。由德國電氣行業協會ZVEI組織支持開發的OpenAAS是第一個管理殼的參考實現（詳見圖13）。它是專為開發團組設立的開放型智能體項目，不僅僅開源，而且可以經由GitHub進行深度學習（DL）。第一個管理殼的參考實現是按照ICT規范（通用建模語言）、基于免費的OPC UA而發展出來。

 

圖13:openAAS是管理殼的第一個參考實現

 

　　德國亞琛RWTH大學在此基礎上，已經實現了在管理殼中形成不同模型的完整知識連接。

　　另外，德國工業4.0平臺的本體工作組UAG正在創建“工業4.0的語言”。

　　這是用來實現工業4.0基本單元之間的互連互通，見圖14。從圖中可以看出，每個工業4.0基本單元的管理殼由互動管理程序、基本本體、基本單元管理程序和若干子模型構成。各個基本單元的互動管理程序之間執行通用的互動模式，進行基本單元所含子模型等的自描述、合同管理、對話、機器人控制、基本單元控制等。

 

圖14：本體工作組創建“工業4.0的語言”

 

　　小結

　　當我們在概念自身的含義上還在糾纏的時候，德國工業4.0已經在工廠資產的數字化進行了深入的探索。工業4.0的框架體系RAMI4.0發表之后，兩年不到的時間，德國工業界已經完成工業4.0基本單元的示范開發，為各類實體資產的數字化從而映射至虛擬環境，并實現完整表達、通信、推理、決策加工等，打下了堅實的基礎。這是德國工業4.0的明修棧道，功夫很細，動靜很小，研究者也難免清苦，遠比不上轟轟烈烈的示范工程，但這才是一個國家未來工業的地基，這才是企業互聯制造的根本，這才我們當下最需要仔細打磨的地方。