從“工業(yè)4.0”的角度看智能工廠

目前“工業(yè)4.0”具有多重定義。通常，德國的“工業(yè)4.0”研究專家是不會給出“工業(yè)4.0”明確定義的，因為“工業(yè)4.0”所描述的是未來的下一級產(chǎn)品開發(fā)、智能生產(chǎn)以及與這些智能“工業(yè)4.0”產(chǎn)品有關(guān)的各種智能服務(wù)。例如，我在研討會中，經(jīng)常用兩句話描述“工業(yè)4.0”的含義，將“工業(yè)4.0”與物聯(lián)網(wǎng)進行對比。

陳述1：通過構(gòu)建所有涉及增值的實例網(wǎng)絡(luò)的方法，實時獲得所有相關(guān)信息的可用性。 在任何特定時間內(nèi)，能夠使用這些數(shù)據(jù)在業(yè)務(wù)流程中建立最佳價值流，并促進全新業(yè)務(wù)模式發(fā)展的能力。

陳述2：在所有產(chǎn)品生命周期過程中，實時信息無縫流動，包括信息技術(shù)（IT）、操作技術(shù)（OT）（車間），以及基于“工業(yè)4.0”環(huán)境當(dāng)中各個部件數(shù)字雙胞胎的產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化。

“智能工廠”這一詞，自動包含了一條更加智能的生產(chǎn)線、機器模塊、機器和機器人的模塊化理念。 無縫信息的可用性大大提高了效率和質(zhì)量，同時縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。在未來的“智能工廠”中，安全性、可靠性和連接性將成為“工業(yè)4.0”組件的既定屬性（硬件和軟件）。

OT生產(chǎn)自動化應(yīng)用信息技術(shù)是“工業(yè)4.0”智能工廠發(fā)展的第一步。“工業(yè)4.0”的概念思想通過在智能工廠（縱向整合）中應(yīng)用AI等無縫可用信息，同時結(jié)合不同智能工廠（橫向整合）的不同技術(shù)，創(chuàng)建樣本規(guī)模唯一的獨特產(chǎn)品，從而優(yōu)化生產(chǎn)技術(shù)。

“工業(yè)4.0”描述了未來制造業(yè)的一種方式，即工廠傳統(tǒng)邊界部分消失，產(chǎn)品可以靠近客戶開發(fā)和生產(chǎn)，并為特定客戶提供完全定制化服務(wù)。未來，我們將看到各種工廠生產(chǎn)線，多家批量生產(chǎn)智能工廠，其中部分工廠靈活基于“工業(yè)4.0”機器和“工業(yè)4.0”機器人，部分虛擬工廠基于“工業(yè)4.0”數(shù)字雙胞胎靠近客戶生產(chǎn)。在所謂的“未來工廠”中應(yīng)用“工業(yè)4.0”原理的結(jié)果是改變了銷售、開發(fā)和生產(chǎn)產(chǎn)品的方式。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能金字塔描述了超越物理資產(chǎn)（我們目前和未來所有的傳感器和執(zhí)行器）之上的所有層級，以實現(xiàn)業(yè)務(wù)流程專用相關(guān)信息的連通性和可用性。在整合或設(shè)備層當(dāng)中整合資產(chǎn)，其次是通信、信息和功能層。最高層是業(yè)務(wù)層，我們期待業(yè)務(wù)層當(dāng)中的新業(yè)務(wù)應(yīng)用程序。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)功能金字塔可以映射到智能工廠邊緣云實施當(dāng)中，只有在最高級別需要與外部連接。我想借助RAMI 4.0來解釋這些層級，因為RAMI整合了IT，OT和生命周期三大維度。

圖1 數(shù)字化轉(zhuǎn)型——物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)能力金字塔

各種不同的物聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都需要不同的參考架構(gòu)模型，以為企業(yè)行動提供指引。這些模型描述了網(wǎng)絡(luò)物理組件和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)的基本原理，并將其應(yīng)用于特定的細分市場當(dāng)中。“工業(yè)4.0”參考架構(gòu)模型（RAMI 4.0）是基于當(dāng)前可用的工業(yè)標準，并精確描述了RAMI模型當(dāng)中每個機柜的資產(chǎn)管理外殼內(nèi)部所有信息無縫可用性的需求。RAMI模型明確了實現(xiàn)所有信息無縫可用性的九大要求。“工業(yè)4.0”通訊基于SOA——服務(wù)導(dǎo)向架構(gòu)原則。安全性、可靠性和互操作性逐漸成為“工業(yè)4.0”組件的特殊屬性。

“工業(yè)4.0”環(huán)境中的數(shù)字化轉(zhuǎn)型描述了創(chuàng)建一個或多個生態(tài)系統(tǒng)的任務(wù)，該系統(tǒng)將RAMI 4.0的所有通用規(guī)則轉(zhuǎn)換為基于行業(yè)標準的具體實施，以實現(xiàn)無縫的互操作性。必須在架構(gòu)原則當(dāng)中推動貫徹（開發(fā)）可靠和安全原則，滿足連接到云的完全模塊化智能工廠生產(chǎn)設(shè)備的要求。數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個發(fā)展缺失概念、實施、學(xué)習(xí)和優(yōu)化的過程。在這個過程，為實體資產(chǎn)（包括設(shè)備、軟件等）建立一個資產(chǎn)管理外殼（包括屬性、功能等甚至更多）非常重要。這相當(dāng)于為實體資產(chǎn)裝上一個“數(shù)字馬甲”，從而可以進一步應(yīng)用CPS賽博物理系統(tǒng)的概念，將基于連接的機器和機器模塊的虛擬測試和虛擬驗證實現(xiàn)無縫整合。在“工業(yè)4.0”智能工廠環(huán)境中工作的人員通過相同的原則進行連接，因此人機界面HMI逐漸成為一個關(guān)鍵的推動要素。

過去20年里，逐漸形成了機械安全原則，機械安全原則基于基礎(chǔ)性安全原則。應(yīng)用相同的基本原理，并將安全概念作為“工業(yè)4.0”組件的固有屬性，確保機器安全性達到相同或更高的水平。所有信息的實時可用性與目前安全監(jiān)控的一個子集形成鮮明對比，如果所有組件滿足RAMI 4.0通用規(guī)則，安全性將會大大提高。

美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)IIC和“工業(yè)4.0”平臺創(chuàng)建了描述參考體系結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)要求的基本文檔。將這些原則應(yīng)用于試點生產(chǎn)線、智能工廠并創(chuàng)建搭載最新IT技術(shù)的測試平臺的過程顯示出即將到來的工業(yè)革命的巨大潛力。未來，全球都將采用“工業(yè)4.0”的概念（所有相關(guān)信息的無縫可用性）。 “工業(yè)4.0”的關(guān)鍵推動因素具有互操作性和連通性， 使得新建工廠無論在那里都可以輕松實現(xiàn)。 在全球范圍內(nèi)，一場新的比賽已經(jīng)開始，與應(yīng)用全新理念的發(fā)展速度相比，局部的歷史性因素已經(jīng)變得不那么重要。