作者：王春喜 王成城 來(lái)源：知識(shí)自動(dòng)化

本文簡(jiǎn)介國(guó)際現(xiàn)有的十一種智能制造參考模型，分為上下篇。本文為上篇。

參考模型是智能制造的準(zhǔn)星

智能制造涉及多企業(yè)、多領(lǐng)域、多地域信息集成、應(yīng)用集成和價(jià)值集成。構(gòu)建智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，首先需要建立智能制造參考模型，并且統(tǒng)一其術(shù)語(yǔ)定義。智能制造參考模型是一個(gè)通用模型，適用于智能制造全價(jià)值鏈所有合作伙伴公司的產(chǎn)品和服務(wù)，它將提供智能制造相關(guān)技術(shù)系統(tǒng)的構(gòu)建、開(kāi)發(fā)、集成和運(yùn)行的一個(gè)框架，通過(guò)建立智能制造參考模型可以將現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)（如工業(yè)通信、工程、建模、功能安全、信息安全、可靠性、設(shè)備集成、數(shù)字工廠(chǎng)等），和擬制定的新標(biāo)準(zhǔn)（如語(yǔ)義化描述和數(shù)據(jù)字典、互聯(lián)互通、系統(tǒng)能效、大數(shù)據(jù)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等）一起納入一個(gè)新的全球制造參考體系。

在IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中確定了十幾種關(guān)于“參考模型”的定義，經(jīng)過(guò)梳理其中與智能制造參考模型相關(guān)的定義包括：提供正在處理的問(wèn)題空間的可視化的抽象結(jié)構(gòu)，提供描述和討論解決方案的語(yǔ)言，定義術(shù)語(yǔ)并提供旨在獲得被解決問(wèn)題相互理解的其他類(lèi)似的幫助。

參考模型提供的是對(duì)關(guān)注問(wèn)題的達(dá)成共識(shí)的、一致的、通用的模型，它以與實(shí)現(xiàn)（具體應(yīng)用）無(wú)關(guān)的抽象的方式進(jìn)行描述。通常會(huì)確定參考模型所需術(shù)語(yǔ)及其定義，以方便理解與交流。

智能制造參考模型建設(shè)的目標(biāo)如下：

☆ 對(duì)智能制造概念及范圍進(jìn)行統(tǒng)一定義和描述；

☆ 對(duì)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)在智能制造中進(jìn)行定位和分析，并梳理未來(lái)智能制造的標(biāo)準(zhǔn)化需求；

☆ 建立針對(duì)智能制造涉及的不同技術(shù)的驗(yàn)證平臺(tái)（測(cè)試床），推進(jìn)新技術(shù)的試驗(yàn)驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)制定；

☆ 建立不同領(lǐng)域、不同生命周期階段、不同技術(shù)的應(yīng)用案例，指導(dǎo)智能制造在企業(yè)中的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

誰(shuí)在局中定標(biāo)準(zhǔn)

智能制造相關(guān)國(guó)際組織如圖1所示，其中最主要技術(shù)組織包括IEC/TC65（工業(yè)過(guò)程測(cè)量、控制和自動(dòng)化技術(shù)委員會(huì)）、ISO/TC184（自動(dòng)化系統(tǒng)與集成技術(shù)委員會(huì)）和ISO/IEC/JTC1（信息技術(shù)聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)）。

IEC/TC65主要負(fù)責(zé)工業(yè)測(cè)量、控制和自動(dòng)化領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，現(xiàn)有4個(gè)分委會(huì)，涉及智能制造的工作組包括：TC65/WG10（工業(yè)信息安全）、WG16（數(shù)字工廠(chǎng)）、WG19（全生命周期管理）、AHG3（智能制造框架和系統(tǒng)架構(gòu)）、JWG21（智能制造參考模型），SC65C/ WG16（工業(yè)無(wú)線(xiàn)），SC65E/JWG5（企業(yè)控制）、AHG1（智能制造信息模型）等。國(guó)內(nèi)對(duì)口標(biāo)委會(huì)為SAC/TC124，秘書(shū)處設(shè)在機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所。

ISO/TC184主要負(fù)責(zé)自動(dòng)化系統(tǒng)與集成領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，現(xiàn)有4個(gè)分委會(huì)，涉及智能制造的工作組包括：SC1（物理設(shè)備控制）、SC4/AG1（數(shù)字化制造）、WG2（產(chǎn)品特征和庫(kù)）、JWG8（制造過(guò)程和管理信息）、WG12（產(chǎn)品數(shù)據(jù)表示和交換模型及資源）、WG13（工業(yè)數(shù)據(jù)質(zhì)量）和SC5（企業(yè)系統(tǒng)和自動(dòng)化應(yīng)用的互操作、集成和架構(gòu)）等。國(guó)內(nèi)對(duì)口標(biāo)委會(huì)為SAC/TC159，秘書(shū)處設(shè)在北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所。

ISO/IEC/JTC1主要負(fù)責(zé)信息技術(shù)領(lǐng)域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，現(xiàn)有21個(gè)分委會(huì)，涉及智能制造的工作組包括：WG7（傳感網(wǎng)絡(luò)）、WG7（大數(shù)據(jù)）、WG10（物聯(lián)網(wǎng)）、SC25（信息技術(shù)設(shè)備互聯(lián)）、SC27（IT信息安全技術(shù)）、SC31（自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)獲取技術(shù)）、SC32（數(shù)據(jù)管理和交換）、SC38 (云計(jì)算和分布式平臺(tái))、S41（物聯(lián)網(wǎng)和相關(guān)技術(shù)）等。國(guó)內(nèi)對(duì)口標(biāo)委會(huì)為SAC/TC28，秘書(shū)處設(shè)在中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院。

圖1　智能制造相關(guān)國(guó)際組織

與智能制造相關(guān)參考模型

鑒于智能制造跨技術(shù)領(lǐng)域的特點(diǎn)，IEC專(zhuān)門(mén)成立了IEC/SMB/SG8（智能制造/工業(yè)4.0）戰(zhàn)略工作組，并在2016年轉(zhuǎn)化為SEG7（智能制造）系統(tǒng)評(píng)估組，開(kāi)展智能制造相關(guān)的體系架構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)路線(xiàn)圖、用例等方面的研究。SEG7國(guó)內(nèi)技術(shù)對(duì)口單位為機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所。

該工作組今年年初完成了智能制造相關(guān)的現(xiàn)有11種參考模型（見(jiàn)表1）的對(duì)比分析報(bào)告，本文根據(jù)該分析報(bào)告進(jìn)行了進(jìn)一步梳理、補(bǔ)充和分析總結(jié)。

表1 與智能制造相關(guān)的現(xiàn)有參考模型

十一金剛之首：工業(yè)4.0 （RAMI4.0）參考架構(gòu)模型（圖2）

發(fā)布組織：德國(guó)工業(yè)4.0平臺(tái)。

發(fā)布日期：2015年4月。

應(yīng)用領(lǐng)域：制造。

特征：

☆ 基于CEN和CENELEC制定的智能電網(wǎng)架構(gòu)模型(SGAM)；

☆ 三個(gè)維度：層級(jí)結(jié)構(gòu)、生命周期和價(jià)值鏈、類(lèi)別；

☆ 強(qiáng)調(diào)三個(gè)集成：企業(yè)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)化制造體系縱向集成、企業(yè)間橫向集成、全生命周期端到端工程數(shù)字化集成；

☆ 智能工廠(chǎng)是實(shí)現(xiàn)RAMI4.0的最小單元；

☆ 嵌入式智能：所有制造單元都是帶有本地軟件的嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)、所有制造單元都具有自組織的計(jì)算和通信功能、大量部署各類(lèi)傳感元件實(shí)現(xiàn)信息的大量采集、自動(dòng)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能制造單元間的集成；

☆ “智能”產(chǎn)品：被制造的產(chǎn)品具有制造過(guò)程中各階段所必須的全部信息（標(biāo)識(shí)、位置、狀態(tài)、路線(xiàn)）；

☆ “自治”制造系統(tǒng)：互聯(lián)制造單元的自組織（自組織生產(chǎn)）、制造步驟根據(jù)訂單情況靈活定制（自組織工藝）。

圖2　工業(yè)4.0 （RAMI4.0）參考架構(gòu)模型

十一金剛之二：智能制造生態(tài)系統(tǒng)SMS（圖3）

發(fā)布組織：美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST。

發(fā)布日期：2016年2月。

應(yīng)用領(lǐng)域：制造。

特征：

☆ 三個(gè)維度：產(chǎn)品、制造系統(tǒng)、商業(yè)，每個(gè)維度表示獨(dú)立的生命周期；

☆ 制造金字塔是其核心，三個(gè)生命周期在這里匯聚和交互；

☆ 強(qiáng)調(diào)在每個(gè)維度上制造軟件的集成，這將有助于車(chē)間層的先進(jìn)控制，以及工廠(chǎng)和企業(yè)層的優(yōu)化決策；

☆ 三項(xiàng)優(yōu)先考慮的變革制造技術(shù)：高級(jí)傳感、控制和制造平臺(tái)、虛擬化、信息化和數(shù)字化制造技術(shù)、先進(jìn)材料制造；

☆ 八種制造范式：精益制造、柔性制造、綠色制造、數(shù)字化制造、云制造、分布式制造、智能制造、敏捷制造。

圖3　智能制造生態(tài)系統(tǒng)SMS

十一金剛之三：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA（圖4）

發(fā)布組織：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟IIC。

發(fā)布日期：2017年1月（V1.8）。

應(yīng)用領(lǐng)域：能源、健康、制造、運(yùn)輸、公共部門(mén)。

特征：

☆ 按照工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)注點(diǎn)可分為四個(gè)視角：商業(yè)、使用、功能、實(shí)現(xiàn)；

☆ 功能視角表示系統(tǒng)功能元件間的相互關(guān)系、結(jié)構(gòu)、接口、交互以及與外部的相互作用，該視角確定了五個(gè)功能域組成：商業(yè)、運(yùn)營(yíng)、信息、控制、應(yīng)用；

☆ 正建立垂直領(lǐng)域應(yīng)用案例分類(lèi)表，在參考架構(gòu)下體系化推進(jìn)應(yīng)用；

☆ 以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，通過(guò)軟件控制應(yīng)用和軟件定義機(jī)器的緊密聯(lián)動(dòng)，促進(jìn)機(jī)器間、機(jī)器與控制平臺(tái)間、企業(yè)上下游間的實(shí)時(shí)連接和智能交互，最終形成以信息數(shù)據(jù)鏈為驅(qū)動(dòng)，以模型和高級(jí)分析為核心，以開(kāi)放和智能為特征的工業(yè)系統(tǒng)；

☆ 九大系統(tǒng)特性，包括：系統(tǒng)安全、信息安全、彈性（容錯(cuò)、自修復(fù)、自組織等）、互操作性、連接性、數(shù)據(jù)管理、高級(jí)數(shù)據(jù)分析、智能控制、動(dòng)態(tài)組合。

圖4　工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)參考架構(gòu)IIRA

十一金剛之四：智能制造系統(tǒng)架構(gòu)IMSA[5] （圖5）

發(fā)布組織：中國(guó)國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化總體組.

發(fā)布日期：2015年12月。

應(yīng)用領(lǐng)域：智能制造（重點(diǎn)十大領(lǐng)域）。

特征：

☆ 三個(gè)維度組成：生命周期、系統(tǒng)層級(jí)和智能功能；

☆ 生命周期是指包含一系列相互連接的價(jià)值創(chuàng)造活動(dòng)的集成，不同行業(yè)有不同的生命周期；

☆ 相對(duì)于RAMI4.0系統(tǒng)層級(jí)維度做了簡(jiǎn)化，將產(chǎn)品和設(shè)備合并為設(shè)備層級(jí)；

☆ 生命周期維度細(xì)化為設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、物流、銷(xiāo)售和服務(wù)，但忽略了樣品研制和產(chǎn)品生產(chǎn)的區(qū)別；

☆ 智能功能維度突出了各個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)集成、數(shù)據(jù)集成、信息集成；

☆ 惟一地提出了標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)（圖6）；

☆ 重點(diǎn)解決當(dāng)前推進(jìn)智能制造工作中遇到的數(shù)據(jù)集成、互聯(lián)互通等基礎(chǔ)瓶頸問(wèn)題；

☆ 強(qiáng)調(diào)五種核心技術(shù)裝備：高檔數(shù)控機(jī)床與工業(yè)機(jī)器人、增材制造裝備、智能傳感與控制裝備、智能檢測(cè)與裝配裝備、智能物流與倉(cāng)儲(chǔ)裝備；

☆ 強(qiáng)調(diào)五種新模式：離散制造、流程制造、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同制造、大規(guī)模個(gè)性化定制、遠(yuǎn)程運(yùn)維服務(wù)。

圖5　智能制造系統(tǒng)架構(gòu)IMSA

（注：新版更新中）

圖6　智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)