3德國科學顧問委員會的課題德國科學顧問委員會由16位來自生產與自動化、計算機科學、法學和社會學這幾個專業領域的教授組成。該委員會為工業4.0平臺提供與當前研究緊密相關的、科技和編程方面的研究課題。德國科學顧問委員會在2014年漢諾威工業博覽會上(2014年4月3日)公開發表了相關的課題，這些課題還公布在工業4.0平臺的網站上。以下引用的課題按照人類、技術、組織三個方面進行劃分：人類1.很可能建立以人為本的工作組織形式，這種工作組織形式也可稱為自組織和自治。尤其有可能出現適合老年人的工作組織形式。2.工業4.0作為一套社會技術系統，為拓展員工的工作范圍、提高員工的素質和技能、大幅提高員工的知識水平提供了機會。3.促進學習的工作設備(學習工具)和有利于溝通的工作方式(實踐社區)會提高教學效率；而員工不斷提高信息技術能力有助于在繼續教育中補充新內容。4.把簡單易用且能促進學習的設備作為學習工具，能夠自然而然地把設備的功能傳授給用戶。技術5.工業4.0的系統對于用戶來說簡單易用而且操作直觀。這些系統可以促進學習并給出可靠的反饋。6.通用的、公開的解決方案模板允許多個參與者共同設計、實施和操作工業4.0系統(基于設計的工業4.0)。7.產品和業務流程的網絡化和個性化會帶來復雜性。可以通過建模、仿真、自組織對這種復雜性進行管理，更快速的分析可以擴大求解空間，并更快地確定解決方案。8.能夠對資源有效性和資源效率進行持續的規劃、實施、監控和自動優化。9.智能產品是良好的信息載體，能對各個生命周期階段進行定位和識別。10.同樣，系統組件可在內部對生產資料進行尋址和識別。工業4.0的系統組件支持生產系統和生產流程的虛擬規劃。11.新型的系統組件是可更換的，并且具有功能兼容性。12.系統組件提供的功能本身作為一種服務，可供外部訪問。13.只有創造一種新型的安全文化，才能最終建立可靠、靈活、受歡迎的“工業4.0”系統。組織14.新的和現有的價值網絡通過集成產品設計、生產過程和服務過程獲得增值，并使分工得以動態調整。15.合作和競爭促使企業管理和法律發生結構性轉變。16.有效的法律框架反映了對應的系統結構和業務流程。新的法律解決方案將可能產生新的協議模式。17.工業4.0的發展有利于協調區域性的和發展中市場的價值創造。為了開展上述課題的研究，工業4.0平臺在2014年漢諾威工業博覽會上發表的《工業4.0研發課題白皮書》介紹了上述多個課題領域及其內容和目標。另外還粗略制定了完成這些課題的時間計劃。課題領域及其時間計劃(詳見第4章和第5章)有工業4.0平臺工作小組擬定。4工業4.0實施戰略為了加強德國的經濟地位，工業4.0平臺制定了工業4.0的實施戰略。一方面制定出工業4.0技術、標準、商業模式和組織模式等方面的跨部門實施方法；另一方面，加強大學和研究機構與中小企業和工業企業的緊密合作，推動工業4.0的實施。實施工業4.0的目標是，創造新的價值鏈和價值網絡，并不斷加強它們的數字化程度，最終實現自動化。圖1列出工業4.0實施戰略的核心模塊和相關課題領域，其中核心模塊包括：●研究與創新●參考體系結構、標準化與標準●網絡化系統的安全性●建立法律框架除“建立法律框架”以外，其他核心模塊的相關內容由工業4.0平臺的具體工作組擬定。而“建立法律框架”模塊的工作則是由德國工業聯合會(BDI)工作組來承擔。在“研究與創新”這個核心模塊，工業4.0平臺與德國科學顧問委員會共同制定了實施工業4.0所需的“研究與創新路線圖”，并從德國工業的視角出發協調和推動創新和研究活動。以下是幾個最重要的相關課題領域(詳見第5章)：●價值網絡的橫向集成：這個領域的重點在于加強跨企業的合作(包括供應商、中小企業、制造企業等)，其中包括建立新商業模式的各個方面和各種方法。●全生命周期工程的連貫性：這個領域的中心課題是“基于產品生命周期管理(PLM)的工程”。在這個課題中，要將產品設計和生產設計結合起來，從而實現對整個價值創造過程的持續支持。這就要求對系統工程、建模和仿真中的技術要素進行綜合性的考慮。●縱向集成與網絡化的生產系統：這個領域的中心課題是生產的網絡化，而生產的網絡化能否實現往往取決于能否滿足實時的要求。課題重點包括：確保必要的應變能力和生產技術的安全性(例如，通過信息冗余和容錯達到安全要求)。這既需要進一步開發相關組件和系統(例如傳感器網絡)，還需要深入研究預測性分析等方法。●工作中的新型社會性基礎設施：“人”永遠是工業4.0成功的決定性因素。因此，積極推動工作場所的變革，給予所有參與者(包括工會和雇主組織)支持和鼓勵，都具有重大的意義。除了改革和完善培訓和繼續教育方面，還需要在技術方面作出改進，如采用新型的人機系統和通用的輔助系統。●不斷開發通用技術：為了實現工業4.0，需要為實施各種技術創造條件，確切來講是需要在工業應用中結合不同技術。重要的技術包括網絡通訊、寬帶網絡、云計算、數據分析、網絡安全、安全的終端設備，以及機對機的解決方案(包括語義學)。“參考體系結構、標準化與標準”這個核心模塊的目標是在標準的運用和制定的基礎上，構建一個適用于所有解決方案的參考體系結構。(詳見第6章)在“網絡化系統的安全性”這個核心模塊中，應該在示范性價值鏈的基礎上，研究用于保證橫向網絡(客戶和供應商)和縱向網絡(企業內部)中信息技術安全的概念。這將有助于確定一般性的安全要求和信息安全原則(詳見第7章)。要成功設計出迭代的流程，涉及到研究和標準化兩個方面，而創建工業4.0參考體系結構正好促進了這兩方面的發展。“法律框架”這個核心模塊中的課題主要解決如何合法地建立新生產流程和橫向業務網絡的問題。其中，合同法(自動化價值鏈中動態的合同締結)、企業數據保護、數字資產的處理、賠償責任問題以及個人信息處理都是極具挑戰性的課題。5.研究與創新5.1序言工業4.0平臺致力于將工業4.0領域的研究活動進行梳理和整合，并據此對研究議程進行結構化和優先級排序。本章將以上述工業4.0平臺擬定的研究議程作為依據，闡述工業4.0研究路線圖的相關內容。另外，工業4.0平臺將可能為隨后的研究工作提供充足且具有國際競爭力的資金預算。這可以為參與其中的企業提供更多資源，同時為有針對性地解決實施工業4.0過程中遇到的問題創造重要條件。此外，政府必須通過適當的措施和融資工具(頂尖集群、示范實驗室、示范設施、示范工廠等等)支持、投資和規范企業與研究機構之間、不同規模的企業之間以及不同部門之間的進一步聯網和合作。由于不同的企業對不同的領域感興趣并且有不同的期望，很難確定單一確切的工業4.0愿景。因此，在國家主導下實施預設的路線圖并不能最終實現工業4.0。確切地說，一系列具體應用場景的實現(包括對實施工業4.0的效益和價值創造潛力進行分析)將帶來漸進式發展，而工業4.0將會是這些發展的結果。理想情況下，德國聯邦政府應該考慮對更為務實的計劃給予支持。這些支持有助于確立完整的創新路徑：從探討新方法和新技術，到利用大學附近的演示設備，再到建設試點工廠。本章將以德國科學顧問委員會的課題為基礎概述工業4.0的“研究與創新”這個核心模塊。早在2014年的漢諾威工業博覽會上，這些課題的初步成果便被發表于《工業4.0研發課題白皮書》之中。在此之后還針對指定的相關課題開展進一步的研究工作。隨后，在2015年2月發布了修訂版(修訂工作由工業4.0平臺負責，修訂版中對各個課題領域進行了更詳細的介紹，而本報告僅涉及當中的部分內容)。同時在2015年的上半年也出版了《工業4.0研發課題白皮書》的新版本，當中更詳細地探討了這些課題。下面簡要概括所有的課題，包括：(1)研究與創新的內容概述；(2)預期成果；(3)主要的里程碑。5.2課題領域：價值網絡的橫向集成橫向集成是指對用于支持或實施不同價值創造過程(比如生產、物流、營銷、管理、服務)的不同信息技術系統的集成。橫向集成是制造企業內部和不同企業之間一種普遍適用的解決方案。5.2.1課題：創建新商業模式的方法研究與創新的內容商業模式簡要描述了一家企業如何運作和如何進行價值創造，即抽象地描述這家企業和哪些合作伙伴、在哪些市場、針對哪些顧客群、怎樣獲得收入等問題。在工業4.0背景下，由于新的價值創造過程催生了新業務，也由于價值網絡中分工的變化，新的商業模式將在企業中產生。這個課題需要考慮的方面包括：●進入市場策略(GTMs)●分析需求、創造需求和評估潛力的方法●支付模式與結算模式●針對網絡中的每個參與者的效益評估與風險評估●法律方面●激勵與認可制度研究與創新的預期成果人們一致認為，商業模式是可持續地發揮跨企業網絡的潛力的先決條件。創建新商業模式的方式方法應相互結合并加以完善，尤其應該系統化地理解和掌握不同部門得出的最佳實踐和經驗，然后將其轉化到生產上，并且分析由此產生的效果。在此過程中，應仔細觀察價值網絡中的不同角色。以下為這個課題的預期成果：●根據最佳實踐擬定示范性的、針對價值網絡中不同供應商角色的進入市場策略●根據實施工業4.0的需求，從價值網絡的各個方面考慮創建新商業模式的適用方法●示范性的支付、結算和許可模式●評估工業4.0典型效益和相關風險的指南●法律方面的指南，除此以外還應明確軟件即服務(SaaS)和平臺即服務(PaaS)的服務水平協議(SLA))所涉及的責任問題。主要的里程碑5.2.2課題：價值網絡的框架研究與創新的內容價值網絡是以各個價值創造階段及相應技術之間的關系為基礎建立的系統。每個價值創造階段都由自主、合法且獨立的價值網絡參與者完成。他們通過自身所處的價值網絡形成了復雜的、相互的緊密關系，同時他們建立起了一個價值創造伙伴關系的利益共同體，這一共同體致力于獲得可持續的經濟增值。這個課題需要考慮的方面包括：●新型價值網絡形成的前提條件、驅動力與結果●信息物理融合系統平臺在增值中扮演重要角色，即作為價值網絡的集成者●業務上潛在的問題以及由此造成的后果●價值網絡的組織形式、不同的組成部分及其角色，還有價值網絡的合理實施研究與創新的預期成果在客戶、供應商、合作伙伴和市場加強參與價值網絡的背景下，為了闡明諸如(新)商業戰略、商業模式與商業流程這樣的課題，應擬定實施價值網絡的方案并且將其應用在試點項目中。為此，應該制定具體的示范性商業計劃，并收集相關的規劃經驗。這些商業計劃和經驗將被公布，而這正是構建支持價值網絡的信息物理融合系統平臺所必需的。以下為這個課題的預期成果：●在生產中靈活地集成價值網絡●從價值網絡伙伴及其客戶的角度，提出分析和評估經濟潛力與技術潛力的方法●動員中小企業參與到價值網絡的合作中●發掘新商機●建立雙贏的價值網絡伙伴關系以及可持續的、“集成”的商業模式主要的里程碑5.2.3課題：價值網絡的自動化研究與創新的內容價值創造過程的自動化可使橫向集成的自動化程度得到提高。其中需要重點研究價值創造過程中可以實現自動化的階段，即可以與“數字世界”融合的階段。這個課題需要考慮的方面包括：●信息流的連貫性●運用建模、計算、仿真和優化的方法●對產品生命周期管理(PLM)、先進生產計劃與調度(APS)、制造執行系統(MES)、供應鏈管理(SCM)和企業資源規劃(ERP)這些系統的應用進行集成●全員參與，作為全球價值流中的創造性實踐者●構建人機界面●培訓措施和遷移過程的關系研究與創新的預期成果價值創造過程應該有效、靈活并且具有較高的可預見性，而人們應該從毫無創造性的工作中解放出來。達到這個目標的關鍵是生產率、資源效率以及自動化程度的提高。通過不斷提高復雜規劃過程中每一環節的自動化程度，可根據全球目標對價值鏈、價值網絡和業務進行優化。在此過程中，應顧及到其中的各種關系并達到協同效應。最終，通過集成分層的流程以及使部分流程實現同步或自主運行來實現上述目標。以下為這個課題的預期成果：●得出能夠直接或者間接描述所有業務流程的關系和相關性的方法論(業務流程包括企業資源計劃、產品生命周期管理、先進生產計劃與調度、制造執行系統等)。●建立統一的目標層次體系。所有根據該全球目標開展的活動和流程所產生的影響將以此為參照。●根據上述目標層次體系，從達成最佳全球目標的角度出發，設計與組織最優的流程與活動。●易于應用與集成且能夠自我描述的模塊。●可以通過簡單、直觀的演示和連續仿真的能力來支持用戶的工具和程序。主要的里程碑5.3課題領域：全生命周期工程的連貫性產品生命周期指的是一個產品的開發過程以及與生產系統有關的工程。產品由生產系統負責生產，然后交付用戶使用，最終被回收。人們應該將整個生命周期中有關產品的所有信息聯系起來。5.3.1課題：現實世界與虛擬世界的結合研究與創新的內容現實世界與虛擬/數字世界的相互作用是工業4.0的核心。所有物體都有一個數字化的映像(模型)。在模型中，我們通常用亟待解決的問題及其決策過程的特征來刻畫現實世界。虛擬/數字世界的要素是仿真模型、規劃模型和解釋模型。此外，協同建模能夠在不同的尺度上對兩個世界的界面進行觀察。從根本上講，規劃模型是構建復雜系統的基礎。人們借助解釋模型分析這些復雜系統并將分析轉化為最終的解決方案和決策。就這方面而言，虛擬世界通過上述兩個模型對現實世界的構建具有重大影響。與此同時，構建模型時需要估計現實世界的客觀條件、要求和目標并且評估其對虛擬世界產生的影響。在機械設備制造中，需要有與生產建模理論相關的科學基礎。經過驗證的、結合了計算機科學基礎技術的理論、描述方式和方法將通過適當的調整、拓展和結合，便能廣泛應用到各種工藝中，從而得到進一步加強。在這個過程中，對現有的、針對特定領域的工作方法與軟件工具進行適當的集成起到關鍵作用。這個課題需考慮的方面包括：●在構建建模理論的基礎時，需要回答下列問題：“什么是好的模型?”(包括不確定性評估)、“我怎么能找到適合的模型?”、“我在數字世界中和現實世界中各能實現什么?”和“如何在虛擬世界和現實世界之間搭建界面?”。另外，現有模型也必須納入考慮范圍之內。●在建模理論中，必須在已定義語義的基礎上把概念和指導思想確定下來，例如：抽象概念、普遍性、視角、相關性、類型和案例、模塊化、深度建模和模型驅動的體系結構。●建模的經濟可行性：除了因建模過程本身的成本，還應考慮在全生命周期中使用模型的成本。人們對模型如何能在其生命周期內“共同成長”這一問題十分感興趣。此外，通過保留參考數據增加現有數據源有利于日后持續對相關方面的系統歸納。研究與創新的預期成果在生產領域中，建模的長期目標是通過建立反映生產企業能力的、有針對性的、雙向的經濟模型，使虛擬世界的要素能夠在較高的語義層面上、跨學科地與真實世界聯系，從而大幅提高內部指令處理的效率和決策的安全性。為此，人們對機械制造、電氣工程和計算機科學的模型有一致的理解是必要的基礎。以下為這個課題的預期成果：●建模理論包括由(自動化的所有層面上的)工具、數據流或信息流衍生出來的要求●證明經濟可行性和進行案例研究的方法●可行的建模規則●有工具支持的一般性元模型主要的里程碑5.3.2課題：系統工程研究與創新的內容系統工程是用于技術系統開發的、通用的跨領域學科(涉及各個方面)。系統工程主要用于開發跨學科系統，它體現了所有研發活動的整體水平。這個課題需要考慮的方面包括：●對產品、流程以及生產系統進行綜合開發。從開發的最初階段就必須考慮到各個方面緊密的相互作用，并在市場周期中不斷完善產品。●在早期階段對設計決策進行測試與驗證，同時要考慮到哪些預期的機械化和電氣化功能隨后會由硬件、軟件或者服務實現。●所有相關數據和流程可用于不同系統(子系統、機器/流程、生產設備、工廠)和不同企業，從而為建立可擴展的系統做好準備。●設備與系統的模塊化和再利用有助于管理日益增加的復雜性和可擴展性。●設備和系統被用于開發、工程或操作的過程，應通過這個使用過程收集經驗。●使用系統工程的方法有助于形成具有互操作性的工程鏈。該工程鏈可以安全地用于工程系統、仿真系統和企業目前使用的各類系統(例如用作數據交換、演示模型和訪問方式)。該工程鏈還可以形成不同的版本，應用于各種商業模式中(例如授權許可、結算系統)。研究與創新的預期成果系統工程的目標是把跨學科整體設計復雜系統的方法融入到機械、電子、軟件、設備制造和工藝等相關技術領域現有的開發方法和工具環境中，最終實現對這些開發方法和工具環境的改進。企業，尤其是中小企業應該廣泛采用系統工程來提高協作能力，以便管理工業4.0系統日益增加的復雜性。這使人們能夠在工程網絡與生產網絡中高效且有效地開展項目。以下為這個課題的預期成果：●制定統籌兼顧的方法，形成協調的工具鏈和開發環境●工具的利用不受系統與地點的限制●應用接口的語義●對復雜系統中的需求進行跨學科的、持續的管理主要的里程碑5.4課題領域：縱向集成和網絡化的生產系統縱向集成是指對一個生產系統中不同層面(例如促發器和傳感器層面、控制層面、生產管理層面、制造執行層面、企業規劃層面)的信息技術系統進行集成，從而形成通用的解決方案。5.4.1課題：傳感器網絡研究與創新的內容分析傳感器數據的主要目的在于不斷記錄(技術)流程的信息，這些信息要么作為控制和管理流程的基礎，要么用于診斷或警告等。例如，可以通過訪問流程參數對其進行調整；或通過診斷預報機器故障。其中，主要的挑戰是如何把這些傳感器連接起來并對它們產生的數據進行評估(特別是在臨界的實時條件下)。這個課題需要考慮的方面包括：●在實踐中，如何通過大量的傳感器采集實時數據?●哪里能進行有效的數據處理?●如何確定被測值與所產生效果之間的定性和定量的關系，并將其轉化為(狀態)模型?研究與創新的預期成果在工業4.0的場景中，應該建立一個框架，以便于實施對不同狀態的監測和控制。對負責傳感器數據處理的主要組件(層面)的訪問應盡可能標準化。如果能夠建立一個軟件架構，就不必掌握傳感器物理層面的知識也能夠訪問傳感器，尤其是在接入無線傳感器時。應該通過即插即用的方式實現圖像化和交互式的調試和配置。即使不對每個應用進行單獨開發，也能使用更多的傳感器數據流，從而實現數據融合。為了實現傳感器網絡的高度自主性，應豐富傳感器的語義描述(開發語義傳感網絡技術)。以下為這個課題的預期成果：●擴展和完善用于確定系統/生產狀態的模型，這種模型用于推導有效的行動建議●生產流程的在線管理需要根據流程中循環的、有關流程產出質量的實時數據●為了保證質量，采用針對具體情況的、自適應的測量戰略●建立一個跨領域的社區主要的里程碑5.4.2課題：智能、柔性、可變性研究與創新的內容智能生產系統是自適應的，也就是說這些系統基于集成模型知識與它們的環境相互作用并自主地適應環境。這些系統非常強大，能夠在不斷變化的環境中應付系統開發者沒有考慮到的意外情況，并且效率絲毫不受影響。這些系統還具有前瞻性，它們能根據經驗知識預測在不同影響因素下將產生的結果。最后，這些系統也是便于使用的，它們不僅考慮到用戶的不同行為，還考慮到了不同的信息需求并自主適應這一切。柔性的意思是，流程或系統中預設且有限的路徑中被事先考慮過了，因此能滿足各種不同的要求。在生產環境中，這意味著在生產不同產品時人員、機器、生產系統的協作。可變性是指，通過調整柔性路徑的邊界，能夠變更或者重組流程與系統中結構性的步驟。在生產環境中，這意味著可以輕松地重組一臺機器制造新產品及其變體的過程，或改變生產系統的結構。這個課題需要考慮的方面包括：●識別、形式化和描述對全球目標有直接和間接影響的柔性和可變性特征●對接口進行標準化，從而能夠運用生產單元(模塊)建立靈活可變的生產流程●社會、倫理、生態以及人體工程學方面的影響在生產環境中對自治系統實施工程和測試時，要求自治系統的開發人員必須接受過相關的教育和培訓。研究與創新的預期成果智能使產品和生產系統能夠發揮新功能并減輕用戶的負擔：開發、工程、維護和生命周期管理等方面得以改進；產品和生產系統的可靠性、安全性和可用性得以提高；資源(比如能源和材料)將被更高效地利用；生產流程與生產系統也具有極高的柔性和可變性。以下為這個課題的預期成果：●識別自治、可再用的生產單元(模塊)，并分析實施這些模塊對工作模式的要求和影響●通過強大而可靠的算法獲得集中的和分散的智能●智能系統在生產環境中協作的策略●直觀人機交互的相關技術和應用實例●通過遷移策略實現柔性可變的生產主要的里程碑5.5課題領域：工作中的新型社會基礎設施工業4.0平臺工作組3(AG3)根據自身的能力與經驗，僅能從技術的角度提出研發要求。因此，本章內容由德國科學顧問委員會撰寫。5.5.1課題：多模式輔助系統研究與創新的內容該課題是關于以人為本的人機交互界面的設計原則。人與技術交互方式的改變是工業4.0的內容之一：機器將適應人，而不是反過來由人適應機器。多模式的、界面友好的智能工業輔助系統能夠支持員工的工作，并且將數字化學習技術直接帶到工作場所中去。在設計人機交互界面時需要考慮的因素包括：●輸入/輸出的清晰度●在惡劣環境下的能見度●可識別性，確保不發生混淆●適應任務的能力●自我描述能力●可控性●符合預期的可能性研究與創新的預期成果在工廠里，應該在智能輔助系統的支持下形成協作式的新型工作模式。增強現實、二維現實和同步多維現實的方法和技術(即傳感器驅動的、語義的工廠模型與真實工廠實時同步)使高度復雜的組件能夠進行協作式的遠程操作(如故障排除)。因此，工作模式將發生根本上的改變。例如，借助自適應的社會網絡和社交媒體，員工可以突破企業和受教育程度的限制進行合作和協作。因為在系統開發過程中針對特定目標員工群體進行了個性化設計，所以這些適應性強的交互系統能夠考慮到不同員工的差異。以下為這個課題的預期成果：●運用集成虛擬人體模型來支持機械化生產流程的仿真●提供必要條件支持員工利用和獲得經驗知識，這些條件也是穩定的系統操作的前提●確保系統狀態對員工透明可見●保證所有員工能夠接受培訓○促進數字化學習技術的使用○進一步開發數字化學習技術主要的里程碑5.5.2課題：技術的接受度與工作設計研究與創新的內容生產員工接受工業4.0的前提在于：工業4.0為員工提供靈活的工作環境并能支持他們發展創造與學習的能力。“多模式輔助系統”將為此創造技術方面的前提條件。這一課題的其他研究重點還包括：技能發展和工作組織，適應工業4.0系統的工作工具的設計。這個課題需要考慮的方面包括：●對工業4.0的基本理解如下：它是一個社會技術系統，在這個系統中，技術、組織以及人員必須系統地相互協調。●工作設計應使員工獲得能力的發展并擁有舒適健康的工作環境，從而接受工業4.0●員工和工會的工作小組應參與決策過程研究與創新的預期成果企業應擴大員工的職責范圍，同時應完善他們獲得知識的途徑，從而提升他們的素質和技能。這樣做的發點是為了能夠形成協作式的新型生產工作模式。此外，工業4.0可以增加生產工作的吸引力和應對未來技能人才短缺的問題。最后，通過工作設計方面的措施，可以較好地解決勞動力老化的問題。以下為這個課題的預期成果：●提出對生產活動和任務進行設計的概念，這一概念可以確保員工獲得能力的發展并擁有舒適健康的工作環境，從而接受工業4.0●有關整合工作場所中計劃、組織、執行和控制等一系列活動的建議●建立模型，用于在要求較低的例行任務和要求較高的問題求解任務之間取得適當平衡●開發促進學習且能支持工作組織的工作工具●建立模型，用于展現相關員工和企業工會參與實施工業4.0的過程主要的里程碑5.6課題領域：工業4.0的通用技術本章的通用技術列表并不是詳盡無遺的，而是可擴展的。為了技術進一步發展，必須分別強調各項通用技術在工業4.0中的重要性。5.6.1課題：工業4.0場景中的網絡通信研究與創新的內容這一課題研究信息物理融合系統(CPS)包含的各個固定組件和移動組件之間的網絡通信。正是在企業車間和后臺系統的組件、服務系統和生產系統中，數據在相連的供應鏈和生命周期各階段進行交換。這個課題需要考慮的方面包括：●根據需求在辦公室和車間中利用無線通信●不同的無線和有線通信系統和個人專屬系統的共存●不同無線通信系統的互操作性●在變化的系統配置中進行預測性的效果分析●產品被用于全球可用的生產線上●對有關帶寬、確定性和實時性的要求進行管理●在可互操作的工程鏈中可擴展和一般性的應用●信息安全和作業安全研究與創新的預期成果為了滿足工業4.0生產場景應用中的所有要求，應該開發和評估跨領域的網絡化和網絡接入解決方案。另外，發送功率、穩定性、保密性、安全性和可靠性的要求，以及經濟可行性和國際部署能力，都是這個課題的目標。以下為這個課題的預期成果：●通過標準化的解決方案提高工業4.0的成效和被接受程度，這些解決方案的標準考慮到了互操作性、可擴展性、成本敏感性(例如減少昂貴傳感器的使用)和要求的可接受性等目標。標準通過一定的機制評定，可用于一般的開發流程，不需要高成本的認證(既非技術驅動也非空間驅動)，比如使用盡可能開放的認證方法(例如歐共體CE認證的“制造商自行申報”)。●對目前和未來的潛力進行評估○工業4.0場景中的開放網絡○無線局域(WLAN)技術和備選技術方案，如藍牙技術○工業4.0場景中的近場技術●明確特定的需求■無線電技術、開放網絡的網絡技術、專用解決方案以及備選方案的確定■建筑、工藝技術或基礎設施(能源、水、交通運輸)等應用領域主要的里程碑5.6.2課題：微電子技術研究與創新的內容在工業4.0中，信息物理融合系統用于智能地識別、監測和操控生產與物流過程，而微電子技術是信息物理融合系統硬件的基礎。微電子技術為逐步實現工業4.0奠定基礎。在此，微電子技術具有特殊意義，它既代表了“摩爾定律”，也代表了“超越摩爾”。在微電子技術的發展過程中，系統集成技術(例如：圓晶級芯片的3D集成、自我診斷功能、能源效率)起到關鍵作用。該課題的研究重點包括：●含傳感器和促動器的微機電系統(MEMS)●芯片上的嵌入式系統，包括：專用處理器、專用實時微控制器、最低功耗的高性能高科技多核架構存儲器●用于高性能促動器系統的工業電子技術●無線電通信(低功耗、低延遲)●能源收集帶來盡可能高的收益●系統集成●嵌入式信息技術安全體系結構●魯棒性與耐用性研究與創新的預期成果微電子技術是工業4.0中的關鍵技術之一，有助于實現提高靈活性和生產率以及降低成本的目標。而專用電子硬件和智能軟件之間的優化組合是實現上述目標的必要前提。唯有開發出適用的微電子組件和系統，才能滿足工業4.0場景的具體需求，因此需要持續地研發微電子技術。主要的里程碑5.6.3課題：作業安全與信息安全研究與創新的內容“信息安全”是指保證工業4.0設備與系統中信息的可用性、完整性和機密性。因此，保證信息安全是為了阻擋對設備及其功能產生影響的威脅，尤其是別有動機的攻擊。所有功能的信息安全都應得到保障——既指操作功能，也指監測功能和保護功能(例如作業安全功能)。“作業安全”則是指“功能性安全”，即系統采取適當的措施使機器或設備的功能不會對人或環境產生危害。“作業安全”屬于保護功能的一部分，旨在保證機器或設備的可靠性。工業4.0的產品、組件和設備涉及下列安全性目標：●可用性和完整性●可靠性●專有技術保護●數據保護在工業4.0背景中，通過身份證明保證安全性十分重要。這個課題需要考慮的方面包括：●擬定評估潛在威脅和風險的方法，包括安全措施的成本效益分析●保護對外和對內的接口●保護生產設備中的通信系統●信息安全漏洞對設備可靠性的損害●在數據保護中，法律法規與信息安全的相互作用●基于設計的信息安全●長期適用的安全解決方案●對攻擊進行檢測和分析同時還應考慮下列幾點：●對相關的水平和垂直價值網絡進行安全評估●對具體用例進行研究并將其盡快轉化成可應用的成果，以表明研究的實用性●應考慮到與“人”有關的方面：透明度、可用性、用戶接受度、數據保護研究與創新的預期成果如今有各種各樣安全標準和技術，然而目前為止，它們很少被應用到工業環境中。其原因是多方面的，但最根本的原因在于，自動化解決方案的主要目的不在于實現信息安全功能。對于供應商而言，用于保證信息安全的流程會增加開發和制造的成本，并且不能使用現成的知識。另外，為操作人員設計的安全方案往往由于成本和接受度的問題而無法落實。為了提高各方面對安全方案的接受度，并最終落實便于用戶使用的方案，方案開發者應該提供能夠輕松、高效地進行信息安全評估的方法。以下為這個課題的預期成果：●易于操作和使用的信息安全方法●可擴展的工業信息安全基礎設施●開發出簡單易用的方法和程序，用以評估工業4.0設備及其組件的信息安全屬性。可考慮采用即插即用的方法和自治、動態的配置●考慮到目前的信息安全水平無法抵御作業安全方面的殘留風險，應采取動態檢測和評估設備作業安全功能的方法。●為信息安全的標準化做好準備●擬定合理的安全措施目錄，以便應對安全漏洞帶來的威脅，例如參考“計算機安全應急響應組”(CERT)的方法主要里程碑有關“信息安全與作業安全”課題長期規劃的里程碑，即該課題涉及的方法論、解決方案和前提條件尚未提出。5.6.4課題：數據分析研究與創新的內容數據分析的主要目的包括兩方面：一方面是數據分析可能產生(新)知識；另一方面是數據分析可以得出“可操作的”建議，有助于支持人們的決策和機器的自主決策(在什么時候對什么人提供什么信息)，這將幫助企業提高產品質量和生產效率并能夠盡早發現潛在的不利趨勢。這一切都是新商業模式的基礎。為此，人們將采用預測性分析方法，該方法運用統計學、機器學習和數據挖掘等基礎技術。當前和歷史的測量值以及來自社交網絡等來源的“非結構化”數據將得到分析，由此揭示目前尚不為人所知的事物之間的聯系(描述性分析)，同時可以據此評估未來系統行為及其影響(預測性分析)。最終，新獲得的知識不僅能用于評估不同的行動備選方案，還能用于不斷優化系統、流程和策略(規范性分析)。然而，在數據分析的基礎上提出行動建議或是直接措施才是重大挑戰。這個課題需要考慮以下幾個方面：●數據處理●狀態檢測●預測性評估●提出建議研究與創新的預期成果應擬定進行數據分析所需的標準目錄，以便于實施下列規則：●在不了解具體(物理)來源的情況下(封裝或虛擬化)允許訪問數據●采取即插即用的方法，通過標準化接口集成新的數據源●利用跨領域價值網絡中的數據●應建立廣泛且能持續擴展的工藝基礎，從而促使新應用場景的產生●提供法律保障(什么人對什么數據以及由此產生的知識有什么權利)另外，軟件架構和相應的接口應能夠處理多個數據流(即實現元層面的數據融合)，而不必針對各個應用場景進行單獨開發。為此，應該擬定和實施相應的規則：●解釋模型可用于描述當前狀態和判斷未來狀態●應該開發能夠高效且有效的應用程序和算法，用以分析不斷增加的大量數據主要里程碑5.6.5課題：工業4.0的句法和語義研究與創新的內容實現工業4.0場景的前提是操作主體(如：人員、軟件工具、軟件智能體、控制系統、軟件服務)能夠對參與對象(例如機器、機械零件、產品和產品說明或是數字工廠相關資源)進行解釋，也就是說，操作主體能夠識別并理解參與對象。為此，必須以信息模型為基礎描述參與對象的相關特征，例如在模型中設定相關的屬性或符合對象角色的任務。人們需要生產環境中的(數據)模型、系統模型、解釋模型、規劃模型和組件模型，才能在計算機中完成上述過程。在這里，句法中包含了描述文件與數據的有效符號(如字母、數字、特殊字符、圖形符號)，同時說明了這些字符如何正確地相互連接成符號鏈。語義則通過給符號鏈或數據賦予意義，建立符號與模型之間的關系，這樣我們才能從數據中得出信息。例如，協議就是這樣一種關系。一個協議文件中的某個字符串描述模型中的某個屬性，協議文件還確切指出這些模型屬性描述的是哪些特征，以及這些特征可能有哪些體現。研究與創新的預期成果該課題旨在為工業4.0場景開發一套形式化的、計算機可處理的通用語義，用以在應用層面解釋特定領域的“語言”，從而使所有對象和主體及其結合過程(即流程、通信網絡和價值網絡)能夠運用這些“語言”。這樣做的目的是確保價值鏈上和價值鏈間的信息流暢通無阻，以及消除現有的標準中的漏洞。●語義和句法是數據存儲、傳輸和處理過程中實現跨企業互操作性的基本前提。●標準化的語義描述能夠支持價值鏈的自優化和自動化●通用語義的開發使生命周期各階段模型的結合成為可能(可對工程中的產品、流程和資源進行語義描述)●有了句法和語義，就可以創建一般的工具或功能●語義和句法支持工業4.0組件的“即插即生產”功能，并使其具備靈活性和適應性這個課題中的挑戰包括：一方面，要盡快開發出工業4.0的句法和語義；同時，應盡可能擴大其應用范圍。主要里程碑5.7課題之間的關系不同的研究課題并不是孤立存在，而是相互關聯的。因此，一個研究領域的最新成果將會影響另一研究領域的活動。目前，工業4.0平臺工作組3和德國科學顧問委員會運用Gausemeier教授的場景分析法，合作分析課題之間的相關性。分析結果將于今年公布，不過目前已經能夠確定，下列課題的研究成果對其他研究的成果有巨大的影響：●“智能、柔性、可變性”●“傳感器網絡”●“價值網絡的框架”●“信息安全與作業安全”6.參考體系結構、標準化與標準本章是多個機構[2]的合作研究成果，其中概括了工業4.0的參考體系結構，闡明了標準化與標準的必要性。在合作研究過程中，工業4.0平臺負責協調大量子工作組的活動，并確保不同組織和協會協同行動。以下介紹的大量研究成果是確保德國工業競爭力的重要一步。6.1引言工業4.0參考體系結構其中一個基本思路就是在一個共同的模型當中體現不同的方面。工廠內的縱向集成是指生產資料的網絡化，例如自動化設備或服務的聯網。產品和工件是在工業4.0的背景下必須考慮的新方面，相關的模型必需反映這一點。工業4.0還涉及第二個方面，價值鏈的整體工程意味著：在整個價值鏈中，有關一臺生產設備或一個工件的所有技術、管理和商業數據都被持久地保存，并且隨時可以通過網絡訪問。工業4.0的第三個方面就是價值網絡的橫向集成，即跨越單個工廠的界限，動態地組成價值網絡，并且在一個共同的模型中體現上述這些方面。在這個模型中，控制回路以毫秒為周期進行采樣，從商業問題求解的角度，描述共同的價值網絡中多個工廠之間的動態協作。也就是說，要從不同應用領域的視角去理解，抓住其本質并統一體現在一個模型中。在研究工業4.0參考體系結構模型(RAMI4.0)的具體工作開始之前，有必要大致了解現有的路徑和方法。我們很快就發現，已經有一系列可用的路徑，但它們通常只是針對工業4.0的局部內容，而不能從上述工業4.0完整視角出發。下面我們具體地探討各個路徑：通信層的實現路徑：●過程控制標準統一框架(OPCUA)：基于IEC62541信息層的實現路徑：●國際電工委員會“通用數據詞典”(CDD)(IEC61360系列/ISO13584-42)●參考eCI@ss的屬性、分類和工具●電子設備描述(EDD)●現場設備工具(FDT)功能和信息層的實現路徑：●現場設備集成(FDI)作為集成技術整體工程的實現路徑：●AutomationML●ProSTEPiViP●eCI@ss(屬性)第一步是對上述路徑作基礎測試，看是否符合本章接下來介紹的參考體系結構。本質上，上述路徑都是值得肯定的，但對具體概念和方法還需要進一步研究。6.2工業4.0參考體系結構在工業4.0的討論中會涉及到各種不同的利益群體：從流程自動化到工廠自動化，不同產業采用不同的標準、信息通信技術和自動化技術；不同的協會和標準組織制定出各種標準，例如：不同的協會包括德國信息技術、電信和新媒體協會(BITKOM)、德國機械設備制造業聯合會(VDMA)、德國電子電氣制造商協會(ZVEI)、德國工程師協會(VDI)；不同的標準組織包括國際電工委員會(IEC)、國際標準化組織(ISO)以及它們在德國的分支機構——德國電氣電工信息技術委員會(DKE)和德國標準化學會(DIN)。為了就“哪些標準和用例在工業4.0中是必不可少的?”這個問題達成共識，必須建立一個統一的參考體系結構模型，才能在此基礎上討論各種關系和細節。這項工作的最終成果就是工業4.0參考體系結構(RAMI4.0)。它包含了工業4.0的重要方面，補充了IEC62264的層次結構：在底層補充了產品/工件層；在頂層補充了超越單個工廠的“互聯世界”層面。橫軸表示設備或產品的生命周期，也體現了原型和實物之間的區別。在六個層面之上，最后結構化地描述了工業4.0組件中代表信息技術的部分。因此，工業4.0參考體系結構模型的主要特點把生命周期和價值鏈以分層結構的方式結合，用于定義工業4.0組件。此外，這個模型中的層次結構還體現了工業4.0環境中極高的柔性，并允許對各種功能進行封裝。參考體系結構模型為描述和實施柔性生產的概念奠定基礎。這個模型可以隨著工業4.0的發展做出調整，還能夠針對有特殊規定和要求的應用領域進行定義。工業4.0參考體系結構模型將引入DINSPEC91345標準。6.2.1要求與目標目標工業4.0是專門研究“物聯網與服務互聯網”的領域，該領域涉及大約15個產業。借助參考體系結構模型，可以對任務和流程進行具體清晰的分解，更直觀地呈現真實情況，從而有助于對標準化與標準等問題進行有針對性的討論。在解決未來的問題時也要依據現有的標準，找出有待拓展或修改的地方。原有標準中疏漏或重復多余之處也可以被發現，然后進行討論研究。如果不同標準模型中出現同樣或類似的方面，便可將其作為參考體系結構模型中優先討論的標準。這樣做的目標是在可行的范圍內盡可能地減少標準的數量。標準的達成選定的標準要經過檢驗，看它們在多大程度上適合工業4.0應用場景中已有的方案和方法。這些標準最初在工業4.0應用中實施時，能夠實施一個標準的部分內容已經足夠。這樣有利于引入和實施工業4.0所必需的跨制造商解決方案，為小企業增加和創造機會，從而幫助它們快速實施和適應工業4.0。用例參考體系結構模型也可用于工業4.0用例的評價，例如用于評價用例中必需用到的標準。確定研究課題的關系不同研究課題之間的關系在參考體系結構模型中形成多個空間結構(子空間)。實施工業4.0本質上就是理解和調整這種子空間的關系。定義更高層面的規則參考體系結構模型可用于定義更高層面的工業4.0實施規則。目標概述：●建立直觀簡潔的參考體系結構模型●檢驗現有的標準●發現并彌補標準中的漏洞●找出標準中重復多余的部分并確定首選的解決方案●盡可能減少標準的數量●找出不同標準中重復的部分，把它作為工業4.0中優先實施的內容●確定用例的內容●確定不同課題之間的關系●定義更高層面的規則[2]在德國工程師協會(VDI)和德國電氣工程師協會(VDE)組建的計量方法與自動化技術委員會(GMA)中的專家是我們制定工業4.0實施路徑時杰出的合作伙伴，特別是完成7.21和7.20章節時分別合作的“工業4.0”和“物理信息系統”專業委員會。

同樣，德國電子電氣制造商協會成立的規范委員會(SG2)也幫助協會進行內容編寫工作。德國電子技術委員會(DKE)在規范委員會(SG2)中相應的代表也參與協會關于標準內容的編寫。6.2.2參考體系結構模型的概述下面的三維模型很好地展現了工業4.0的空間結構。工業4.0參考體系結構模型借鑒由歐洲智能電網協調組(SG-CG)定義的智能電網體系結構模型(SGAM)[3]。智能電網體系結構模型得到世界范圍內的認可，這里根據工業4.0的要求對該模型將進行調整和拓展。縱軸上的各個層面用于描述不同的視角，如：數據映像、功能描述、通信行為、硬件/設備或業務流程。這十分符合“在易于管理的單元中包含復雜的項目集群”的信息技術思維。橫軸展現的是另一重要維度，即包括價值鏈在內的產品生命周期。此外在參考體系結構模型中也可以清晰地看出各方面的相關性，例如全生命周期中的數據收集。第三軸呈現的是第三個重要維度，即工廠或設備內部功能和職責的確定。這個維度參考了功能的分層結構，而非根據設備種類或傳統的自動化金字塔分層。6.2.3參考體系結構模型的視角(層面)智能電網體系結構模型(SGAM)是描述電網從發電、輸電到向用戶配電整個過程的最好方式。在工業4.0中，產品開發和生產場景處于中心位置的，因此必須對其中的開發流程、生產線、生產機器、現場設備和產品自動生產的情況(即整個運作過程)加以描述。所有組件，不管是生產機器還是產品，涉及的不僅僅是信息通信技術功能。例如，在仿真一臺完整的機器(一個系統)時，需要考慮到當中的電纜、線性驅動器以及其他機械結構。它們是真實世界的一部分，但無法主動通信，因此它們的信息必須通過虛擬表示來呈現和使用，例如通過二維碼被動地與數據庫條目聯系起來。為了更好地描述機器、組件和工廠，工業4.0參考體系結構模型用設備層替代了智能電網體系結構模型(SGAM)中的組件層，并在其上添加了集成層。通過這樣可以對設備進行數字化，從而實現虛擬表示。通信層負責處理日志以及傳輸數據和文件；信息層處理相關數據；功能層則包含所有必需的(形式化描述的)功能；業務層展示了相關的業務流程。提示：各層面內部需要強大的凝聚力，在層與層之間存在松散耦合，事件交換只發生在兩個相鄰的層之間或一個層的內部。多個系統構成一個更大的總系統，各個系統和總系統必須在這個參考體系結構模型的基礎上構建，各個層面的內容必須能夠相互兼容。接下來將逐一介紹各個層面和它們之間的關系：業務層●確保價值鏈中各項功能的集成●描述商業模式及其形成的全過程●法律和監管框架●對構建系統時必須依據的規則進行建模●功能層各項功能的協調●不同業務流程的連接元件●接收業務流程切換的事件業務層并不是指企業資源計劃(ERP)等具體的系統。企業資源計劃(ERP)功能在業務流程背景中運作，通常屬于功能層。功能層●功能的形式化描述●不同功能橫向集成的平臺●得到業務流程支持的功能的運行和建模環境●應用運行環境和技術功能規則或決策是在功能層內形成的，也可以根據下層(信息層或集成層)的應用場景形成。遠程訪問和橫向集成都只能在功能層內進行，這樣可以保證信息與流程狀態的完整性以及技術層面的集成。出于維護的目的，也可對設備層和集成層進行臨時訪問。臨時訪問時僅能訪問功能層下面的層面的相關信息和流程，例如傳感器/促動器的閃爍或診斷數據的篩選。維護過程中的臨時遠程訪問不影響長期的功能集成或橫向集成。信息層●事件(預)處理的運行環境●執行與事件相關的規則●規則的形式化描述●背景：事件的預處理在信息層，一個或多個事件會根據規則進一步產生一個或更多的事件，然后觸發功能層來處理這些事件。●長期保存通過模型來表示的數據●確保數據的完整性●不斷地集成不同數據●獲取更高價值的新數據(數據、信息、知識)●通過服務接口提供結構化數據●接收事件，對數據進行適當轉換，使其可用于功能層的應用通信層●在統一的數據格式下對通信進行標準化，使通信層的數據格式與信息層一致●提供控制集成層的功能集成層●提供計算機可處理的物理設備、硬件、文件或軟件等的信息計算機輔助的技術流程控制●在設備中生成事件●包含與信息技術相關的元件，如射頻識別讀取器、傳感器、人機界面等人機交互正是在這個層面中實現，如通過人機界面(HMI)。提示：每個重要的真實事件都對應一個虛擬事件(即集成層的事件)。當真實情況發生了改變，事件就會通過合適的機制匯報給集成層。相關的事件可能通過通信層觸發信息層。設備層●設備層代表了真實世界，例如線性驅動器、金屬零件、紙質文檔、原理圖、創意、檔案等物理要素●人員也是設備層的組成部分，通過集成層與虛擬世界連接●設備通過條形碼等方式與集成層被動連接6.2.4生命周期與價值鏈(流)生命周期工業4.0為產品、機器、工廠等的全生命周期帶來巨大的優化潛力。為了使生命周期中涉及的關系和連接可視化和標準化，工業4.0參考體系結構模型用第二軸代表了生命周期和相應的價值鏈。IEC62890草案為探討生命周期提供了一個很好的導向。原型和實物的實際區別是重點探討的部分。原型原型源自于最初的創意，即在開發階段對產品的創造過程，這個過程是指從委托、開發、測試，到制作第一個模具和原型。在這個階段中會創造出產品、機器等的原型。在所有測試和檢驗結束以后，這個原型便能用于批量生產。實物產品依據原型進行生產。每個成品都是依據原型制造出來的一個實物，上面附有產品序列號。這些實物作為產品最終通過銷售環節到達客戶手中。如果客戶本身是生產商，這些產品將重新變為生產資料，被用于生產新的實物，并在此過程中得到維護。示例：開發新款的液壓閥并創造出新的原型。在開發過程中，首先打造和測試模板，模板完成后開始批量生產原型，并對原型進行檢驗。檢驗沒有問題后，這款液壓閥進入市場銷售環節(在銷售目錄中出現這款液壓閥的物料編號和/或產品名稱)，然后批量生產也可以開始了。在批量生產中，每一個液壓閥成品都獲得唯一對應的產品序列號，都是新款液壓閥原型的一個實物。針對已售液壓閥(實物)的銷售反饋，有助于對這款液壓閥的機械結構、設計圖和軟件進行改進。這些改進是對原型進行的，然后在生產中經過改進的原型能夠產生新的實物。價值鏈工業4.0中價值鏈的數字化和連接帶來很高的優化潛力。例如，物流數據可以在裝配中應用，內部物流根據訂單庫存進行自組織；采購部能夠了解實時庫存，還有在某個特定的時刻供應部件到達哪個位置；客戶能夠查看其預定的產品在生產等過程中的進度。通過采購、訂單規劃、裝配、物流、維修、客戶和供應商等的連接可以實現上述優化。因此生命周期必須與相應的價值創造過程一起考慮，工廠不應各自孤立，而是應該通過從供應商到客戶的整體工程連接起所有工廠及其伙伴。關于價值鏈的內容也可以參考VDI/VDEGMAFA7.21中的“價值鏈”部分。6.2.5分層結構參考體系結構模型的第三軸描述了工業4.0中的實際功能分類。注意這里描述的不是功能的實施，而是功能的分類。參考體系結構模型中第三軸上展示了一個工廠內的功能分類，分類的依據是IEC62264和IEC61512(見圖15)。在工業部門實現工廠自動化轉型的過程中，需要整體考慮多個方面，涉及的概念術語包括“企業”、“工作中心”、“工作站”和“控制裝備”。在實施工業4.0的過程中，不僅涉及到控制設備(如汽車的氣門頂置式配氣機構)，還涉及到機器或設備的內部機制。因此在控制設備層之下還有一個現場設備層，它展現了智能現場設備(如智能傳感器)這個功能層面。除此以外，實施工業4.0的過程中除了要考慮生產設備，還應考慮到處于生產過程中的產品。因此在最底層補充了產品層。這樣，通過該參考體系結構模型，可以對生產中的產品和生產設備及其相互關系進行同質化的思考。另外，上述兩個IEC標準都只是涉及一個工廠內部的各個層面，而工業4.0需要進一步描述了工廠之間的連接以及工廠與外部工程辦事處、供應商和客戶等的合作關系。因此在該模型的企業層上方還添加“互聯世界”一層。圖16：工業參考體系結構模型(RAMI4.0)的分層結構[4]來源：EC61512，IEC62264，ISA草案88/95技術報告，工業4.0平臺[4]來源：EC61512，IEC62264，ISA草案88/95技術報告，工業4.0平臺6.3工業4.0組件參考模型工業4.0組件參考模型1.0版本在發布后不到一年時間便有多處改進，下面將對其進行介紹。隨后還用一個章節進一步闡述工業4.0更精準的定義，并以標準建模語言(UML)的形式呈現。在引用其他工業4.0相關文章的文段或內容時，本文力求表達準確，例如引用VDI/VDEGMA7.21時，術語的表達效果與其在GMA7.21中一致。引用例子時也明確指出，以避免表達不清的情況。6.3.1工業4.0討論的幾個方面對工業4.0的討論可粗略地概括為四個方面，如下圖所示[3]：圖17：工業4.0的十個重要方面[5]右下角圖片來源：費斯托[5]右下角圖片來源：費斯托上圖展示了以下四個視角：●工業4.0視角一：價值網絡的橫向集成●工業4.0視角二：工廠內或生產過程中的縱向集成●工業4.0視角三：生命周期管理，工程的連貫性●工業4.0視角四：在價值網絡中人作為指揮家[6]根據Bauernhansel教授的說法[6]根據Bauernhansel教授的說法本文對工業4.0組件進行描述，以此建立一個靈活的框架，借助這個框架可以呈現和提供各種數據和功能，從而推動實施上述工業4.0的四個方面。到目前為止，本文所描述的概念都是從上述的視角二出發，也考慮到視角三的相關要求。[3]CEN/CENELEC/ETSISG-CG,《SG-CG方法論概述》，版本3.0，附錄“SGAM用戶手冊”，20146.3.2其他工作組提供的相關資料VDI/VDEGMA7.21：《工業4.0：物件、實體、組件》引用自VDI/VDAGMA7.21的定義可以查閱先前的章節。原型和實物概述了“工業4.0中原型和實物的區別”這方面研究的最新進展。生命周期弗勞恩霍夫制造工程與自動關化研究所(IPA)的Constantinescu教授和Bauernhansl教授提到，對于工廠的運營而言，多個維度的生命周期都與工業4.0密切相關。●產品：一個工廠生產若干不同的產品。每個產品都有其自身的生命周期。●訂單：每個即將開始生產的訂單也有它的生命周期，應該在執行訂單的生產過程中反映出訂單的特性。●工廠：一個工廠也有生命周期，即投資、規劃、建造和再利用。一個工廠集成了不同制造商的生產系統和機器。●機器：一臺機器收到訂單，然后根據訂單進行編排并投入運行。在運行過程中，它執行生產任務或者等待新的生產任務，又或者接受重組和維護。機器生產商可能會為這臺機器采購個別的零部件，這些零部件相當于本文中提到的“物件”。供應商(通常是零部件生產商)則實施這些零部件的生命周期。●組件：組件的生命周期包括規劃和開發、快速原型建模、設計、生產、使用和相關服務圖18對上述內容進行了說明。圖18：工業4.0組件的生命周期[7]各個生命周期的關系不同商業伙伴及其各自的生命周期會產生相互作用，因此在規劃過程中必須對原型和實物加以區別。在規劃的過程中需要考慮不同的假設和選擇。規劃的目標是構造可能作為“原型”的物件。●供應商將此稱為“零部件原型”：首先進行生產，隨后把實物交付給客戶(機器制造商)作為繼續使用的零部件。●機器制造商與客戶經過溝通規劃好“機器原型”：對特定的機器進行設計，然后打造出實物供工廠運營商使用。●工廠運營商開發一個產品，同樣首先是產品原型。然后通過訂單啟動生產，制造出具體產品實物，然后交付產品。要注意的是，在每個原型的構思和規劃過程中都會產生大量信息和數據，隨后價值網絡上的業務伙伴在使用根據該原型制造出來的實物時，都會用到這些信息和數據。具體的實物在生產過程中會添加更多的信息(如跟蹤數據和質量數據)。因此，工業4.0組件參考模型同時適用于原型和實物。工業4.0參考體系結構模型(RAMI4.0)“工業4.0參考體系結構模型(RAMI4.0)”的定義可以參照前面的章節。這里介紹的“工業4.0組件”位于工業4.0參考體系結構模型的各個層。同時，這些組件位于生命周期和價值鏈中的不同位置，下面用具體的例子說明。6.3.3工業4.0組件本節提出首個普遍認可的工業4.0組件定義，并把工業4.0組件劃分為“辦公系統”與“車間系統”兩類企業內部通常劃分為“辦公系統”和“車間系統”，以便區分職能。在現代企業中，這些部門結合得越來越緊密。其中，相比辦公系統而言，車間系統對自動化技術的多項需求會變得重要。根據圖20，任意終端與具有共同語義的模型連通必將要求組件具有不受層級限制的某些共同特征。下面對工業4.0組件的形式進行詳細說明。工業4.0組件可以表現為生產系統、單機、工作站或是機器組件。在工廠的整個生命周期中，在與重要工廠系統(如產品生命周期管理系統、企業資源規劃系統、工控與物流系統)的連接中，每個工業4.0組件都在相關辦公系統和車間系統的應力場中發生不同的變化。要求1：工業4.0組件的網絡必須能使任意終端(工業4.0組件)之間可以相互連接。工業4.0組件及其內容應當遵循一個共同的語義模型。要求2：工業4.0組件的設計必須能滿足不同的重要需求，而且跟據“辦公系統”或“車間系統”要有所區別。物件如何成為工業4.0組件以下章節將自動化技術委員會(GMA)的各項規定結合起來，從而定義工業4.0組件。物件的分類GMA把物件分為四類：●未知●匿名已知●已知個體●實體要把一個物件與其數據和功能捆綁起來，這個物件必須以實體的形式存在。一般來講，軟件無論以物質還是非物質形式存在，都屬于物件。還有創意、檔案和設計在這個意義上也屬于物件。附注1：由于工業4.0組件的目標之一是在一個信息系統中提供數據與功能，因此自動化技術委員會認為已知物件本身就是實體的過渡形式。附注2：接下來，“物件”一詞同時表示“物件”或“實體”。原型/實物物件也可以是原型或實物。例如，在規劃階段，原型可看作一個物件，訂單信息可看作規劃好的物件，單個已知的原型也可以看作物件。又比如，實際存在的機器統統可以看作物件。顯而易見的例子是，依據一個原型生產的有限數量的實物，都整體看作物件。對實物要具體看待，同時也要參照模型預設的參數。通信能力為了使組件具備工業4.0的基本特征，信息系統至少能與物件連接。因此，至起碼的前提是物件具有被動通信能力。這意味著，物件不一定要達到GMAFA7.21中規定的工業4.0通信能力。這樣一來，現在能被看作工業4.0組件的物件數量有所“增加”。在這種情況下，依據面向服務的體系結構(SOA)和相關規則，這些物件的上一級信息技術系統也應屬于工業4.0通信的一部分。比如說，一個可識別的夾板或是一個符合工業以太網總線標準(ProfiNet)的技術裝備(可通過其識別和維護(I&M)數據進行識別)便是一個工業4.0組件，。虛擬表示虛擬表示用于留存一個物件(作為工業4.0組件)的相關數據，這些數據要么在工業4.0組件中保留，要么保留在(上一級)信息技術系統里，然后外界通過符合工業4.0通信要求的組件調用這些數據。在工業4.0參考體系結構模型中，虛擬表示位于信息層，因此對實現工業4.0的通信具有重要的意義。要求：要實施符合工業4.0要求的通信，必須將工業4.0組件中的數據通過虛擬表示保存在物件內部或(上一級)信息技術系統中。“清單文件”(Manifest)是虛擬表示的一個重要部分[8]，可以理解為虛擬表示的數據內容目錄，其中包含了“元信息”。除此之外，清單文件中還包含工業4.0組件任務的相關數據，其他組件通過適當的識別功能來連接該組件并獲取相關數據。虛擬表示還可用于留存生命周期各個階段包含的數據，如計算機輔助設計(CAD)數據、接線圖和說明數據等。技術功能工業4.0組件除了包含數據，還具有技術功能。工業4.0組件可以：●作為與物件捆綁的“本地規劃”軟件。例如：焊接設計軟件、用于標記接線端口的軟件等。●作為用于項目規劃、配置、操作和維護的軟件●使物件增值●在商業物流的實施過程在提供重要技術功能這些技術功能位于工業4.0參考體系結構模型(RAMI4.0)的功能層。“管理儀表盤”使物件成為真正的工業4.0組件如上一章節所述，具有不同通信能力的不同物件可以轉變為工業4.0組件。本章節將根據實例進一步闡明這個轉變過程。了解這個轉變過程同樣有助于設計工業4.0組件。圖22說明，不管是什么類型的物件，最初都不是工業4.0組件。一個物件必須首先具有最低限度的被動通信能力，由此轉變為實體，然后連接到周圍的“管理儀表盤”時，這個物件才可以被稱作是工業4.0組件。根據上文，管理儀表盤應呈現物件的虛擬表示和技術功能。上圖提供了四個“物件”例子：1.一臺完整的機器由于具有較強控制能力，可以成為工業4.0組件，這類工業4.0組件通常由機器制造商生產。2.從資產管理和維護系統的角度來看，供應商提供的關鍵部件[9]也可以看作工業4.0組件，這類工業4.0組件通常由零部件制造商生產。3.同樣道理，機器中單個結構性部件也有可能成為工業4.0組件。比方說，接線器最重要的作用是保持信號連接和保持機器在其生命周期中的有效性。這種情況下，把結構性部件轉變為工業4.0組件的是電氣規劃師和電氣技術人員。4.軟件是生產系統中重要的組成部分甚至可以作為工業4.0組件。例如：標準軟件可能成為獨立的設計工具或工程工具，不管是現在還是在未來，這些工具對于生產過程都是很重要的。可以想象：供應商希望像購買軟件那樣購買程序庫，并且這個程序庫能夠擴充該供應商產品的功能。此時，由軟件提供商負責把軟件轉變為工業4.0組件，然后根據IEC61131中各項控制標準部署到不同的工業4.0系統。在圖22中，從邏輯的角度看，一個管理儀表盤“聽命于”一個物件。而從部署的角度看，物件和管理儀表盤是解耦的。物件的被動通信能力和上一級信息技術系統的工業4.0通信能力結合，可以使物件與管理儀表盤保持連接。因此，上一級信息技術系統中的管理儀表盤被映射[10]在一個具有被動通信能力的物件里。物件在進行主動但不符合工業4.0要求的通信時也是如此。物件“內”的管理儀表盤必須具有符合工業4.0要求的通信能力，才能顯示自身的情況(管理儀表盤通常被存放在機器的控制裝置中，并且通過網絡接口進行傳輸)。設計工業4.0組件時，所有可選設計方案都是根據這個原理。在某些情況下，一個物件可以擁有多個管理儀表盤。要求：●工業4.0組件參考模型必須能夠說明，上一級信息技術系統如何支配工業4.0管理儀表盤(如通過“面向服務的體系結構”(SOA)方法和相關規則)。●工業4.0組件參考模型必須能夠說明，組件制造商和電子產品規劃師如何將管理儀表盤“轉移”到上一級信息技術系統(如作為電子郵件的附件)。[7]來源：博世力士樂的MartinHankel、弗勞恩霍夫制造工程與自動化研究所(IPA)的ThomasBauernhansel教授和惠普的JohannesDiemer[8]選擇.jar文件，見“清單”[11][9]注意區別“部件”和“組件”[10]即“寄存”(gehostet)進一步區分概念下圖進一步區分各個概念：從邏輯的角度理解，一個工業4.0組件包括一個或多個物件和一個管理儀表盤。管理儀表盤包含虛擬表示(數據)和技術功能。清單文件(Manifest)作為虛擬表示的一部分，詳細說明了工業4.0組件必需的管理技術。如GMAFA7.21所定義的“資源管理器”同樣作為管理儀表盤的一部分。這樣信息技術服務便能夠訪問管理儀表盤的數據和功能，讓外界可以使用這些數據和功能。(具有主動的、符合工業4.0要求的通信能力的)管理儀表盤及其對象能夠“寄存”在物件中一個“嵌入式系統”內，或部署到一個或多個上一級信息技術系統中(部署視角)。要求：根據上一級系統的類型，管理儀表盤的對象被部署到一個或多個信息技術系統中。信息物理融合系統工業4.0組件是對信息物理融合系統的具體化。從部署視角看工業4.0組件上一章節從邏輯視角說明了，在每個工業4.0組件里，一個管理儀表盤“聽命于”一個物件。但也應強調，從部署視角來看，管理儀表盤可以轉移到上一級系統中。元數據庫中顯示工業4.0組件為了更便于理解，圖24和圖25以“數字工廠中的元數據庫”為例，闡述上面的概念：通過物件映射工業4.0組件如果工業4.0組件中的一個物件具有符合工業4.0要求的通信能力(CP34或CP44，參看[2])，這意味著可以借助這個物件映射該工業4.0組件：工業4.0組件具有可封裝性工業4.0組件應能自主地在工業4.0工廠內聯網，然而聯網不能限制組件的核心功能(圖26)。專業委員會2(德國電氣和電子制造商協會的參考體系結構委員會)和專業委員會4(德國電氣和電子制造商協會的信息安全委員會)提出了“可封裝性”的概念，只用當組件具有這種可封裝性并能夠抵抗外部網絡帶來的干擾時，組件核心功能才能免受干擾。要求：工業4.0組件(特別是管理儀表盤)及其包含的功能和協議都應該具備“可封裝性”。“可封裝性”這個概念使管理儀表盤能夠作為獨立的數據/功能對象來實施。應該根據“關注點分離”(SoC)原理[11]來建立數據和功能訪問的路徑，這樣可以根據技術狀況，排除網絡干擾對關鍵制造流程的影響。在目前的生產中運用上述原理時，符合工業4.0要求的通信還不能完全取代基于以太網的現場總線(遷移場景)。不過，符合工業4.0要求的通信應盡可能滿足“確定的、實時的通信”的要求，例如盡可能使用同樣的(物理)接口和基礎設施，還必須保證兩個信道的一致性。為此，針對本文描述的工業4.0組件參考模型，我們提出這個觀點：符合工業4.0要求的通信自身不必具備“確定的、實時的通信”的全部特征，而是可以借助其他已有技術獲得這些特征。要求：管理儀表盤可能執行或容許不符合工業4.0要求的通信關系，工業4.0組件必須能理解這些關系并接受整體工程。如今普遍采用的實時以太網協議可以通過同樣的通信基礎設施(接口、插頭和中轉站)實現上述兩種不同的通信(圖26)。但邏輯上，依據“關注點分離”(SoC)原理，這兩種通信的區別會越來越明顯。接下來將舉例說明一個工業4.0組件包含不止一個物件的情況。圖27所展示的多個物件共同組成了一個電軸系統。制造商提供一