德国工业4.0基本单元

真的有工业4.0的落地的具体路径吗？我们看到了大量的解决方案，却很少能够看到从底层构建的案例。智能制造的圈内人士对于德国工业4.0的架构RAMI4.0应该是耳熟能详的，但对工业4.0的基本组成单元“工业4.0基本单元”（I4.0 compennet），却是相对陌生。然而德国产业界和学术界，正是在这个可以落地的抓手上，进行了深入的开发实践。本文从工业4.0基本单元的内涵出发，看看德国如何实际运用，以及怎么进行开发。

实体资产的“虚拟化”

为便于参考架构模型表达工业4.0的空间，RAMI采用三维模型（见图1）。纵轴分成6个层级，从不同的视角表达诸如数据映射、功能描述、通信行为、硬件/资产或业务流程。这里借用了IT行业将复杂项目划分为若干个可以管理的部分的思维。左面的横轴表达产品生命周期及其所包含的价值链，可在参考架构模型中表示整个生命周期内的相关性（例如持续的数据采集之间的相关性）。右面的横轴表达工厂的功能性和响应性，即工厂功能的分层结构。

最为引人瞩目的是，RAMI将物理系统按照其功能特性，分层进行了虚拟映射。

按照IT和通信技术常用的方法，将纵轴自上而下划分为6个层级：经营业务、功能性、信息、通信、集成、资产。

资产层处于最底层，连同其上层集成层一起被用来对各种资产进行数字化的虚拟表达。用资产层来表达物理部件/硬件/软件/文件等实体，物理部件如直线运动的轴、金属部件、电路图、技术文件、历史记录等。

人也作为资产层的一部份，通过集成层与虚拟世界相链接。

资产与集成层的链接是无源（passive）连接。

图2清晰表达RAMI4.0和物理－数字化架构及递阶关系。把物理实体（包括硬件、软件、工程文件等）通过数字化演化为能在虚拟世界完整表达、通信、推理、判断、决策加工等，让控制信息和业务信息都能实时传递交换和处理，从而使企业中的各类资产都能互联、互操作。根据不同资产的作用，当它们数字化后相互之间的关联，应该按控制要求和业务要求构建它们之间的扁平化的通信递阶关系。

四大类资产变形记

工业4.0基本单元是一个描述信息物理系统CPS详细特性的模型。CPS是一种在生产环境中的真实物理对象，通过与其虚拟对象和过程进行联网通信的系统。在生产环境中，从生产系统和机械装备到装备中的各类模块，只要满足了上述这些特性，不管是硬件基本单元还是软件基本单元都具备和符合了工业4.0要求的能力。

成为工业4.0基本单元的一个先决条件是：它必须在整个生命周期内采集所有相关数据，存放在有该基本单元所承载的具有信息安全的电子容器内，并由它把这些数据提供给企业参与价值链的过程。

在工业4.0基本单元的模型中，这个电子容器称之为“管理壳”。

还有一个先决条件是：基本单元的真实对象必须具有通信能力，以及相应的数据和功能。这样，生产环境中的硬件单元和软件单元之间都能进行符合工业4.0要求的通信。

这里有四个工业4.0基本单元的例子。

一个是一整套机械装备作为工业4.0基本单元，这类工业4.0的基本单元是由机械制造厂商来实现的。它可能是一台机床、包装机或3D打印机等。

一类是专门供应厂商提供的关键部件，也可看成是一类工业4.0基本单元，这是由部件制造厂商实现。它们往往可以分开登录，譬如可分别在资产管理系统和维护管理系统中登录。

第三类还可以把一些构成零部件看成是工业4.0基本单元，例如一个端子排：它不但是连通信号的接线，而且在整个机械装备的生命周期中还起着传输数据的作用。这种工业4.0基本单元的实现者往往是电气工程师或技术员。

第四类，也是非常有趣的是，软件也是生产系统中的重要资产，它们也是工业4.0基本单元。例如一个独立的规划或者工具性工程软件，甚至一个功能块库。其实现者可以是软件供应商，也可以是控制器应用程序的编程工程师等。

由图4可知，资产构成工业4.0基本单元（物理／非物理）的实体部分，管理壳构成工业4.0基本单元的虚拟部分，工业4.0的通信将各种基本单元加以连接。

任何一种机械装备其重要的部分原则上都是各类工业4.0基本单元组成。譬如图5中由端子排、伺服轴、机械装置和由这台机械装置加工出来的产品，如最常见的运动鞋。这些资产通过工业4.0的通信连接起来。机械装置则由在生产网络中的PLC进行控制。由此可以得出以下结论：工业4.0基本单元是网络化的基础元件，生产制造出来的产品的服务策略也因此建立了相互连接，因而即使没有实际的电子接口的元件也具有同等的权利，为建立业务价值的深度表达提供了可行的技术路径。

德国人如何构建基本单元

在以上顶层设计概念的基础上，就有可能为所有现有的工业资产提供数字化的实现。人们常说智能制造的基础是数字化，数字化的核心是建模。那么我们就来观察一下德国工业界是怎样进行这一过程的。

就像为地球上所有的大米粒都要编号一样，需要设计出全世界亿万数量级的工业资产的唯一标识及其链接方式，以便为今后对这些资产进行虚拟描述打好基础。

图6表述的就是这种统一的格式。标识符是URI，为每一种资产提供唯一的识别符，并与该资产对应的管理壳对应，该标识符既参照该资产的物理分类，又可链接该资产的管理壳，而管理壳的虚拟描述完全建立在其物理特性和相关数据之上。

用标准化的唯一标识符识别分类项和相关知识,已经有了国际标准进行指导。

而要真正实现工业4.0，需要在全世界范围内（注意：不仅仅在德国范围内）组织开发数量极大、类型众多的、标准化数字化的基本单元库。

进行这项涉及面极广的组织工程，首先要保护工程领域的核心功能性（例如气动工程、焊接等）；其次要造就具有最大化的灵活性，同时又能保护每个公司的信息网络；再次是为了采购、系统集成工程、维护等需要，必须持续地提高可互操作性和客户的利益。不过面对的现实却是如何使各个公司的标准、不同的数据格式和产品性能数据的集合实施合理的开放；为建立工业4.0基本单元的知识库，在各个公司的利益和公众利益之间取得平衡，‘两厢情愿’地淡化公司标准和查找性质集合。好在国际工业标准化组织已经建立了这方面的国际标准IEC61360/ISO13584，只要严格遵循这个标准，就能够有组织有规则地进行。

图8示出许多标准作为管理壳的领域／子模型的样板。例如管理壳可遵照IEC TR 62794和IEC 62832 数字工厂；标识可参照ISO 29005 或 URI唯一ID；通信可遵照IEC61784工业通信规约第二章以太网；能效依据ISO/IEC 20140-5；信息安全参照IEC 62443 网络和系统的信息安全等。

图9是管理壳、子模型、性质、复杂数据和功能的示范内容。从可视的角度看，一个经标识的资产其管理壳也是经标识的，都是显性化的知识，即表征这个资产的性质。而其数据和功能都是可通过APIs被语义化存取的。资产的运行时数据都遵照严格而统一的格式表达性质的集合（图示中子模型1是能效，子模型2是安全，子模型3是钻孔）。而有关数据和功能的运行时的数据则按照不同的互补的数据格式。

真实场景的示范

下面给出一个简单的场景描述以市场为导向的资产数字化的交互过程（见图10）。图中示出3个工业4.0基本单元（生产工作站），它们之间通过符合工业4.0的通信连接，并且还与假定的MES生产调度执行系统项连接。这3个工作站都有相同的子模型，但有不同的标识符和不同的性质数据。

这导致每个工作站有不同的行为，并在数字化资产的基础上进行讨论、意见交换，以获得共识来完成原型设计。

图11给出这个示范实验的识别。报头由两部分构成：管理壳标识部分和资产标识部分；而报文则包括MES连接子模型的识别符，能效子模型、钻孔子模型和文档子模型的识别符。

还可以进一步给出这个示范实验的性质数据表。由子模型描述简单数据。接下去各行描述仿真钻孔时间，钻头直径，钻头进给速度，钻孔深度和工件材质。而要得出这些性质定义和性质特性的具体办法是由领域专家开会议定的规范，导入标准化的子模型，这些子模型需要是领域公认的参照。

“工业4.0语言”横空出世

对于复杂的工业4.0基本单元，可以是由简单基本单元的叠加，并且允许进行分布式的工程设计。例如图12所描述的装配体资产（其管理壳标识为装配体123）是由轴X、轴Y、轴Z和装卡夹具4个简单工业4.0基本单元组成，通过符合工业4.0的通信连接。虚线框所标即是这个装配体资产的边界。

该装配体的管理壳包括装配体资产的标识、管理壳，P&ID图子模型，线路图子模型，机械CAD子模型和IEC的互连图子模型。

复杂的工业4.0基本单元可能涉及到不同的工程专业，这是建立复杂基本单元首先要考虑的。由德国电气行业协会ZVEI组织支持开发的OpenAAS是第一个管理壳的参考实现（详见图13）。它是专为开发团组设立的开放型智能体项目，不仅仅开源，而且可以经由GitHub进行深度学习（DL）。第一个管理壳的参考实现是按照ICT规范（通用建模语言）、基于免费的OPC UA而发展出来。

德国亚琛RWTH大学在此基础上，已经实现了在管理壳中形成不同模型的完整知识连接。

另外，德国工业4.0平台的本体工作组UAG正在创建“工业4.0的语言”。

这是用来实现工业4.0基本单元之间的互连互通，见图14。从图中可以看出，每个工业4.0基本单元的管理壳由互动管理程序、基本本体、基本单元管理程序和若干子模型构成。各个基本单元的互动管理程序之间执行通用的互动模式，进行基本单元所含子模型等的自描述、合同管理、对话、机器人控制、基本单元控制等。

小结

当我们在概念自身的含义上还在纠缠的时候，德国工业4.0已经在工厂资产的数字化进行了深入的探索。工业4.0的框架体系RAMI4.0发表之后，两年不到的时间，德国工业界已经完成工业4.0基本单元的示范开发，为各类实体资产的数字化从而映射至虚拟环境，并实现完整表达、通信、推理、决策加工等，打下了坚实的基础。这是德国工业4.0的明修栈道，功夫很细，动静很小，研究者也难免清苦，远比不上轰轰烈烈的示范工程，但这才是一个国家未来工业的地基，这才是企业互联制造的根本，这才我们当下最需要仔细打磨的地方。

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