1.概述
從技術(shù)基礎(chǔ)上講，工業(yè)4.0和智能制造是機(jī)械工程學(xué)科、工業(yè)工程學(xué)科、電子電氣工程、自動化工程學(xué)科、信息工程學(xué)科相互融合的必然結(jié)果。圖1表示了由工業(yè)2.0、工業(yè)3.0發(fā)展到工業(yè)4.0這些學(xué)科的融合。
圖1 機(jī)械、電子和信息等多學(xué)科的融合是工業(yè)4.0 的基礎(chǔ)
由此可見，在實現(xiàn)工業(yè)4.0 和智能制造中，機(jī)械工程、工業(yè)工程和自動化工程在新需求下必須升級和發(fā)展是其必要條件，信息工程技術(shù)則是其充分條件。信息技術(shù)為智能制造提供了充分的手段和實現(xiàn)的途徑，但智能的內(nèi)涵（包括智能賴以實現(xiàn)的架構(gòu)、智能功能、智能算法等）還是要從制造過程去提煉和開發(fā)。因此，在構(gòu)建智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系框架時，應(yīng)充分考慮上述工程學(xué)科的相互關(guān)系，防止頭重腳輕、以偏概全或重點倒置。
值得注意的是智能制造、智慧工廠對以下集成的要求達(dá)到空前的程度：對跨不同領(lǐng)域的集成，跨多級分層結(jié)構(gòu)邊界的集成，生命周期不同階段的集成。因此，智能制造綜合標(biāo)準(zhǔn)化體系的重點之一應(yīng)該是建立上述方面無縫集成的標(biāo)準(zhǔn)。無縫集成涉及到的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)有：通信接口標(biāo)準(zhǔn)、制定不同領(lǐng)域和不同行業(yè)語義標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)規(guī)范、實現(xiàn)橫向集成和垂直集成的指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)是否有可資借鑒的國際標(biāo)準(zhǔn)和國外標(biāo)準(zhǔn)，目前尚不得而知，需要搜索和調(diào)研。
2.德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的路線圖
德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)VDE、DKE等，在2014年4月發(fā)布了德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的路線圖1.0版，規(guī)劃了工業(yè)4.0所需要的工業(yè)自動化技術(shù)和IT技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。
已有資料表明，該路線圖目前還在深化和細(xì)化，有可能在2015年下半年發(fā)布德國工業(yè)4.0標(biāo)準(zhǔn)化的路線圖2.0版。
該路線圖認(rèn)為，工業(yè)4.0所涉及的標(biāo)準(zhǔn)化目標(biāo)有12個領(lǐng)域，主要有：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用案例（use case）、基礎(chǔ)、非功能性特性、技術(shù)系統(tǒng)和過程的參考模型、儀表和控制功能的參考模型、在工業(yè)4.0中人的功能和作用的參考模型、開發(fā)、工程化、標(biāo)準(zhǔn)庫、技術(shù)和解決方案。
3.系統(tǒng)架構(gòu)
鑒于系統(tǒng)架構(gòu)是標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)，必須首先開發(fā)整個架構(gòu)的參考模型。
迄今為止的有關(guān)工業(yè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，如企業(yè)信息集成的標(biāo)準(zhǔn)IEC62264（ISAS95）和批量控制標(biāo)準(zhǔn)IEC61512（ISA S88）基本上只是系統(tǒng)功能分層的架構(gòu)，可以說僅僅是由技術(shù)驅(qū)動的。按照工業(yè)4.0 和智能制造所著重要求的面向服務(wù)、自主自治、靈活的適應(yīng)以及協(xié)同，其系統(tǒng)架構(gòu)尚需要在概念上加以擴(kuò)展。
2015年4月VDE發(fā)布了工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型RAMI4.0（見圖2）和工業(yè)4.0的基本單元（見圖3）。
圖2 工業(yè)4.0 的參考架構(gòu)模型RAMI4.0
圖3 工業(yè)4.0的基本單元模型
為了讓工業(yè)4.0的參考架構(gòu)模型既能充分體現(xiàn)工業(yè)4.0高度靈活的概念，又能恰當(dāng)表達(dá)工業(yè)4.0的各個關(guān)鍵方面，既適合于描述流程行業(yè)，又適合于描述離散制造業(yè)等各種類型的工業(yè)產(chǎn)業(yè)，采用了以下三個維度：
(1)右面的水平軸按照IEC62264（即ISA95）企業(yè)信息集成國際標(biāo)準(zhǔn)的功能層級。不過，根據(jù)工業(yè)4.0的概念在最底層增加了“產(chǎn)品”層，在最頂層增加了“跨企業(yè)連接”層。
(2)左面的水平軸按照IEC62890（即ISA105）生命周期管理國際標(biāo)準(zhǔn)。不過將它劃分為兩個階段：虛擬設(shè)計開發(fā)和樣機(jī)研發(fā)階段（type）和實際實現(xiàn)階段（instance）。
(3)垂直軸則按照IT和通信技術(shù)常用的方法劃分為6個層級：經(jīng)營業(yè)務(wù)、功能性、信息、通信、集成和資產(chǎn)，便于將物理系統(tǒng)按其特性分層進(jìn)行虛擬映射。
工業(yè)4.0基本單元（component of Industry4.0）是一個描述信息物理系統(tǒng)CPS詳細(xì)特性的模型。CPS是一種在生產(chǎn)環(huán)境中的真實物理對象，通過與其虛擬對象和過程聯(lián)網(wǎng)通信的系統(tǒng)。在生產(chǎn)環(huán)境中，從生產(chǎn)系統(tǒng)和機(jī)械裝備到裝備中的各類模塊，只要滿足了這些特性，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(yè)4.0要求的能力。
工業(yè)4.0的基本單元可以是硬件單元，也可以是軟件單元。成為工業(yè)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(nèi)采集所有相關(guān)數(shù)據(jù)，存放在由該基本單元所承載的具有信息安全的電子容器內(nèi)，并由它把這些數(shù)據(jù)提供給企業(yè)參與價值鏈的過程。在工業(yè)4.0基本單元的模型中，這個電子容器就稱之為“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(yīng)的數(shù)據(jù)和功能。這樣，在生產(chǎn)環(huán)境中的硬件單元和軟件單元之間都能進(jìn)行符合工業(yè)4.0 要求的通信。
在生產(chǎn)環(huán)境中的硬件單元（如一臺機(jī)械裝備）或軟件單元，其所有的相關(guān)數(shù)據(jù)都包括該單元的虛擬映射。這種虛擬映射存放在管理殼內(nèi)。這使得網(wǎng)絡(luò)化制造完全有了實施的可能性。
I4.0基本單元的管理殼存放了大量數(shù)據(jù)和信息，包括由制造商提供的CAD數(shù)據(jù)、電路接線圖、手冊等等。系統(tǒng)集成商、工廠和裝備的操作人員又增加了與其它硬/軟件連接的信息和維護(hù)信息。I4.0的平臺規(guī)定了數(shù)據(jù)信息安全的措施，確保數(shù)據(jù)的可用性、可信性和完整性。
管理殼還提供一定的功能，包括項目的規(guī)劃、組態(tài)、運(yùn)行、維護(hù)和復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯功能等等。服務(wù)數(shù)據(jù)和功能不但在基本單元內(nèi)可用，而且也可在企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)、甚至云端使用。這樣做優(yōu)點是信息只要存儲一次，就可以通過IT 服務(wù)向任意用戶或任意應(yīng)用實例透明提供。
采用符合I4.0的通信協(xié)議和管理殼的概念實現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境中各個基本單元的橫向集成和縱向集成。
總的來說，所有信息都能在工程技術(shù)、工業(yè)工程以及操作運(yùn)行和維護(hù)這三個層面被無縫地應(yīng)用。
為了使工業(yè)4.0 獲得成功，關(guān)鍵的問題是管理殼中不但要存儲機(jī)械裝備的信息，還要存儲其特定的零部件的信息。舉例來說，某些機(jī)械的質(zhì)量往往取決于伺服軸的性能，因而伺服軸的特性必須集中地被維護(hù)系統(tǒng)所記錄。同樣在自動化系統(tǒng)中，有些部件（如端子排）本身是沒有數(shù)據(jù)接口的，但是它存放在管理殼中的信息應(yīng)該是端子連接到哪里，為什么這樣連接，什么時候連接的等等。這樣每個零部件就成為網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)中的智能零部件。
4.關(guān)于應(yīng)用案例
為了說明特定領(lǐng)域或特定行業(yè)開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)化的需要，可在現(xiàn)有系統(tǒng)范圍的基礎(chǔ)上通過“應(yīng)用案例”來辨認(rèn)其中具有在工業(yè)4.0 發(fā)展階段或智能制造對該行業(yè)或領(lǐng)域的特征要求。對所辨認(rèn)的應(yīng)用案例的實質(zhì)性和代表性取得一致意見，具有決定性的重要意義。
基于這個理由，在達(dá)到協(xié)商一致的標(biāo)準(zhǔn)化過程中應(yīng)該開發(fā)、發(fā)掘和公布“應(yīng)用案例”。use case 這個專用名詞最早出現(xiàn)于軟件工程學(xué)科，在通用建模語言UML 中將其譯為“用例”或“用況”。在軟件工程中，用例是一種在開發(fā)新系統(tǒng)或者軟件改造時捕獲潛在需求的技術(shù)。每個用例提供了一個或多個場景，該場景揭示了系統(tǒng)是如何同最終用戶或其它系統(tǒng)交互的，從而獲得一個明確的業(yè)務(wù)目標(biāo)。在制定智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系時，借鑒這一概念是十分有益的。
工業(yè)自動化一個重要的特征就是，通過努力使自動化的部件達(dá)到商業(yè)意義上的質(zhì)量，以致盡可能多的覆蓋和滿足各類工業(yè)的要求。
要達(dá)到這一點，一方面要求平衡不同工業(yè)門類對自動化部件要求的差異性，另一方面又必須通過調(diào)整或改變參數(shù)等措施滿足客戶的差異性要求。在硬件上，客戶既希望這些自動化部件盡量具備軍工產(chǎn)品質(zhì)量的魯棒性，又希望價格盡量便宜到消費(fèi)品的水平。
顯然，在開發(fā)階段要使這二者統(tǒng)一起來，通常是困難的。在智能制造、智慧工廠、工業(yè)4.0 中，集成是一大關(guān)鍵。在其發(fā)展探索的過程中，先在實踐中采用合理綜合集成應(yīng)用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)等方法，事實證明是可行可信的途徑。在制定標(biāo)準(zhǔn)時，重視應(yīng)用案例的目的就是要從應(yīng)用案例的個案中發(fā)掘出共性的核心標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容，同時又不失于可滿足個性需求的適應(yīng)性方法。借鑒自動化工業(yè)在長期實踐中運(yùn)用的開發(fā)硬件的思路和路徑，在選擇應(yīng)用案例的時候，應(yīng)該盡可能考慮選擇具有典型的通用意義，同時又能作為實現(xiàn)特定技術(shù)和和特定產(chǎn)品的基礎(chǔ)的案例。
5.關(guān)于基礎(chǔ)
智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系語境下的基礎(chǔ)包括三個方面：
(1)名詞術(shù)語：術(shù)語可以在IEC60050 系列標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上擴(kuò)展和補(bǔ)充。
(2)核心模型：核心模型描述重要的基本概念，這些基本概念具有被普遍認(rèn)同和接受，而且被看做是穩(wěn)定、不可改變，以及從技術(shù)的角度來看，是長期處于各方面都可以認(rèn)同的中性狀態(tài)。在過去一個相當(dāng)長的時間內(nèi)由于制定標(biāo)準(zhǔn)的方向不同而被忽略或不重視。
(3)建模和描述方法：一個更為重要的基礎(chǔ)是通用的建模和描述方法。盡管有許多來自應(yīng)用范疇和信息科學(xué)的建模方法和語言規(guī)則，但他們在不少情形下滿足不了要求。特別是針對已經(jīng)涌現(xiàn)出來的無處不在的接口問題、產(chǎn)品特性的形式化描述的解決方案和掌控版本變化的解決方案。
6.關(guān)于非功能特性
一般來說，功能特性的要求是在系統(tǒng)設(shè)計的計劃中詳細(xì)描述的，而非功能特性的實現(xiàn)是在系統(tǒng)架構(gòu)中加以描述。在系統(tǒng)工程、需求工程和軟件工程中，非功能性是指功能需求之外的特性，包括：可互操作性，可靠性，可重用性，可變性，可測試性，效率等。
以可互操作性為例，處于同一層級的設(shè)備或軟件之間的可互操作屬于信號互操作；而處于上下層級的互操作，在工業(yè)4.0 或智能制造的框架中則是語義互操作，即信息以無歧義的顯性方式進(jìn)行互操作。
非功能特性已經(jīng)成為標(biāo)準(zhǔn)化的一個重要方面，這涉及非功能特性的定義、確定其邊界、為一致的分類而約定定量的限制，以及為保證這些限制能得到實際維持而規(guī)定的方法等內(nèi)容。這不僅是必要的，而且也是將非功能特性應(yīng)用于智能制造和工業(yè)4.0時需要系統(tǒng)的、成體系的予以全盤考慮的目標(biāo)。
——選自《智慧工廠：中國制造業(yè)探索實踐》
