一個(gè)數(shù)字化的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)和工業(yè)需要規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，這樣，各個(gè)具體組件便能相互工作

我們的世界現(xiàn)正處在數(shù)字化變革中，這將關(guān)系到所有的工業(yè)領(lǐng)域，并使其發(fā)生改變。工業(yè)4.0的概念就是工業(yè)第四次革命。工業(yè)4.0的基本前提條件之一是工業(yè)物體相互互動(dòng)以及基于云的平臺(tái)的企業(yè)應(yīng)用集成。這個(gè)關(guān)于數(shù)字世界的新思想需要一個(gè)有著與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行虛擬交際可能性的連貫、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)化。

相互作用的組件間的共同使用是成功合作的前提。為此，既要有對進(jìn)行交換數(shù)據(jù)的共同理解，又要約定交互規(guī)則的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。對于全球行動(dòng)和外向型的德國工業(yè)來說，確定全球通用的標(biāo)準(zhǔn)體系的技術(shù)要求則具有尤為重要的意義。這樣做的目標(biāo)是逐步將所有統(tǒng)一的技術(shù)功能和應(yīng)用的可能性在國際標(biāo)準(zhǔn)的重要規(guī)定中加以確定。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)和工業(yè)4.0組件組成了工業(yè)4.0的核心基石共同成為基于新業(yè)務(wù)模式的網(wǎng)絡(luò)化產(chǎn)品研發(fā)和服務(wù)的基礎(chǔ)。

圖1 工業(yè)4.0組件是技術(shù)資產(chǎn)和工業(yè)4.0組件管理殼之間的必要連接

參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)是必要的

目前，在廣泛的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)存在著各種不同的軟件工具、局部的模型和自主行動(dòng)的技術(shù)解決方法。為了完備的集成水平和垂直的價(jià)值鏈，并確保工藝鏈順暢的數(shù)據(jù)流，基于世界公認(rèn)的規(guī)范和總標(biāo)準(zhǔn)的體系統(tǒng)環(huán)境的廣泛描述是必須的。由此便產(chǎn)生了未來議題的總?cè)蝿?wù)之一，也就是研發(fā)工業(yè)4.0應(yīng)用的參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型。

為此，工業(yè)4.0平臺(tái)成員們于2015年9月首次創(chuàng)立了“DIN SPEC 91345工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型”項(xiàng)目。工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)通過對生產(chǎn)技術(shù)資產(chǎn)的研發(fā)和在生產(chǎn)中的利用及維護(hù)乃至取自市場的整個(gè)技術(shù)解決方案空間的合理完整的描述，來確保其在應(yīng)用中的共同使用性。

圖2 德國工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) DIN SPEC 91345中定義的三維工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型 （RAMI 4.0）

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)基本想法之一是在一個(gè)共同的模型里集合各種不同的觀點(diǎn)。這不僅有益于系統(tǒng)的途徑定位，同時(shí)對在各個(gè)不同的企業(yè)和各種不同的行業(yè)成功實(shí)施工業(yè)4.0 是必要的。

該結(jié)構(gòu)架構(gòu)描述了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)， 這包括系統(tǒng)的元素類型、它的結(jié)構(gòu)、相互交互類型以及它的環(huán)境。 還要定義基本的工作方案設(shè)計(jì)或特性，并由此與組件和互動(dòng)一起共同組成一個(gè)重要技術(shù)系統(tǒng)的研發(fā)、構(gòu)造和分布編排的框架。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)是一個(gè)用于描述工業(yè)4.0空間的三維參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型。在該工業(yè)4.0空間的三維參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型中可對應(yīng)用以及相關(guān)的技術(shù)規(guī)定在產(chǎn)品生命周期、功能的等級(jí)和架構(gòu)等級(jí)中進(jìn)行三軸定位。這樣，沿著這些確定的軸便能夠清楚的確定所有重要的信息和工業(yè)4.0系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，并且能夠?qū)⑵渫该鞯恼故境鰜怼?/p>

RAMI 4.0的結(jié)構(gòu)

右邊的水平軸上顯示的是架構(gòu)的分級(jí)。它是應(yīng)用的功能分類編排以技術(shù)資產(chǎn)的模型形式體現(xiàn)。 產(chǎn)品、生產(chǎn)運(yùn)行設(shè)備被具體劃分為在一個(gè)工廠內(nèi)各種不同的功能以及工廠外相互聯(lián)網(wǎng)的組件。

左邊的水平軸上顯示的是生命周期的時(shí)間軸。一個(gè)技術(shù)資產(chǎn)的特點(diǎn)在生命周期的不同階段是各不相同的。一個(gè)應(yīng)用實(shí)例與一個(gè)有著專門功能要求的專門應(yīng)用類型的復(fù)制是不具有可比性的。隨著一個(gè)產(chǎn)品生產(chǎn)的開始，在申報(bào)應(yīng)用實(shí)例時(shí)便將功能特點(diǎn)指派給數(shù)字類型。

在垂直的軸上顯示的是一個(gè)技術(shù)資產(chǎn)的功能等級(jí)。為了實(shí)施一個(gè)虛擬的代表，集成層面位于該資產(chǎn)層的上方。它確保了對物理資產(chǎn)特性的信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取。在通信層則是包括國際網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，以便進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這是集成層和信息層之間的連接部分。信息層的內(nèi)容包括了對所有必要功能數(shù)據(jù)的描述和技術(shù)資產(chǎn)的服務(wù)以及公共語言方面的內(nèi)容，這樣傳送的數(shù)據(jù)便有了來源和目的地。功能層包含所有合乎程序描述的功能，業(yè)務(wù)層則顯示的是重要的業(yè)務(wù)流程。

工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)借助于一個(gè)三維的層次模型來描述一個(gè)技術(shù)對象的主要元素。參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型的應(yīng)用如下：

● 生產(chǎn)場景的資產(chǎn)分類編排，

● 參考架構(gòu)內(nèi)部的定位，

● 斷定關(guān)聯(lián)和專門的挑戰(zhàn)，

● 通過分類實(shí)現(xiàn)簡化，

● 現(xiàn)有工藝技術(shù)的分類編排，

● 重要規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的本土化，

● 通過共同的術(shù)語進(jìn)行通信

借助于一個(gè)建筑業(yè)市場便能夠很好的說明工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型(RAMI 4.0)的運(yùn)行模式。該建筑業(yè)市場專營本地生產(chǎn)的建筑材料，并將這些建筑分類成各種不同的產(chǎn)品組，如工具和釘子，涂料和壁紙，木料和建筑材料。這些產(chǎn)品分門別類被放置在各個(gè)不同的通道里和貨架上。顧客根據(jù)所需情況從通道的具體貨架里提取所需的產(chǎn)品并將這些產(chǎn)品放在他的貨物筐內(nèi)。技術(shù)資產(chǎn)的分類和所需的標(biāo)準(zhǔn)在具體的工業(yè)4.0應(yīng)用中起著與三個(gè)軸類似的功能。

工業(yè)4.0的組件

另一個(gè)重要的要素是工業(yè)4.0組件模型的通用描述， 這是一個(gè)網(wǎng)宇、實(shí)體與系統(tǒng)專業(yè)化的展示與描述，如何從一個(gè)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)資產(chǎn)中通過虛擬的工業(yè)4.0組件管理殼使其變成一個(gè)世界范圍內(nèi)定義精確、可識(shí)別并具有通信能力的工業(yè)4.0組件。

圖3 帶有部分模型的工業(yè)4.0組件管理殼的示意圖

工業(yè)4.0組件管理殼是一個(gè)在工業(yè)4.0系統(tǒng)里的資產(chǎn)的虛擬數(shù)字化的和主動(dòng)的表示。它和它的對象能夠在若干資產(chǎn)中一個(gè)資產(chǎn)里作為嵌入式的系統(tǒng)包含在其中，或是分布在一個(gè)或是多個(gè)高一級(jí)的IT系統(tǒng)里。由此，它便有一個(gè)表現(xiàn)和工業(yè)4.0組件管理員，該表現(xiàn)是一個(gè)可找到工業(yè)4.0組件管理殼的所有信息、數(shù)據(jù)和功能的內(nèi)容目錄。反之，工業(yè)4.0組件管理員則組織尋址和標(biāo)識(shí)，并確保與工業(yè)4.0組件的各種 IT技術(shù)服務(wù)的連接。

一個(gè)工業(yè)4.0組件包括邏輯視圖的一個(gè)或多個(gè)東西和一個(gè)工業(yè)4.0組件管理殼。這個(gè)概念規(guī)定，必須是邏輯包括一個(gè)這樣的組件或是其他多個(gè)組件，作為一個(gè)單位行動(dòng)，并能夠在邏輯上不考慮上級(jí)系統(tǒng)。由此，其他的工業(yè)4.0組件(例如機(jī)器的結(jié)構(gòu)件)便能邏輯的歸入一個(gè)工業(yè)4.0組件(如一整部機(jī)器)，這樣便服從于一個(gè)(臨時(shí)的)嵌套結(jié)構(gòu)。

一個(gè)工業(yè)4.0組件的狀態(tài)總是由一個(gè)與工業(yè)4.0相一致的通信的其他成員獲取的。工業(yè)4.0組件管理殼是工業(yè)4.0通信和技術(shù)資產(chǎn)之間的接口，并且追隨著一個(gè)定義的狀態(tài)模型。它在網(wǎng)絡(luò)里是可明確進(jìn)行識(shí)別的，且它的物理東西借助于明確的識(shí)別標(biāo)記進(jìn)行識(shí)別。

工業(yè)4.0組件管理殼

工業(yè)4.0組件管理殼是技術(shù)資產(chǎn)對所有信息的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器。這些信息多數(shù)是由生產(chǎn)廠家預(yù)備好的。由服務(wù)商或機(jī)器、設(shè)備和工廠的操作人員進(jìn)行進(jìn)一步補(bǔ)充的重要信息。除此之外，工業(yè)4.0組件管理殼還有預(yù)備補(bǔ)充的功能(例如，規(guī)劃、設(shè)計(jì)、組態(tài)、操作或維護(hù))。這樣，工業(yè)4.0組件管理殼便起著一個(gè)產(chǎn)品生命周期數(shù)據(jù)庫的作用。

工業(yè)4.0組件管理殼至少要有組件管理器以及用于管理的結(jié)構(gòu)，并且要由頭和主體構(gòu)成。 頭擁有工業(yè)4.0系統(tǒng)里技術(shù)資產(chǎn)的識(shí)別和標(biāo)識(shí)信息，還擁有該技術(shù)資產(chǎn)的管理和應(yīng)用信息。而主體則含有組件管理器，該組件管理器用其各種不同域的特征和功能來管理部分模型。在此，每個(gè)部分模型有結(jié)構(gòu)化的特征，這些部分模型的結(jié)構(gòu)化特征又以各種不同數(shù)據(jù)格式發(fā)揮著當(dāng)前的功能。 基本特征是提供給技術(shù)資產(chǎn)使用不可缺少的特征。

存儲(chǔ)器程序化控制裝置（SPS）的顯示" src="http://img.vogel.com.cn/2018/11/02/5bdbc556edb69.jpg"/>
圖4 多個(gè)技術(shù)資產(chǎn)的顯示，例如，工業(yè)4.0組件管理殼里的一個(gè)存儲(chǔ)器程序化控制裝置（SPS）的顯示

部分模型的目標(biāo)是使不同類型和不同生產(chǎn)廠家的部件、結(jié)構(gòu)組合件、機(jī)器和設(shè)備進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)，以確保在價(jià)值鏈中的共同使用性。在此，部分模型含有借助于工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型 (RAMI 4.0)定義的在工業(yè)4.0組件管理殼的垂直軸上定位的技術(shù)資產(chǎn)的數(shù)理邏輯學(xué)描述。 在這里，部分模型的任務(wù)是描述正在利用的特征，連同它們的結(jié)構(gòu)以及它們聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)和功能對象。

特征必須基于工業(yè)4.0參考結(jié)構(gòu)架構(gòu)模型的預(yù)定參數(shù)進(jìn)行內(nèi)容方面的加工處理和最終的改編。對所有工業(yè)4.0組件管理殼有約束力且標(biāo)準(zhǔn)化的特征均被稱為基本特征。除此之外，具體的單個(gè)技術(shù)資產(chǎn)既能定義為準(zhǔn)備好的責(zé)任功能，又能定義為可選擇利用的特征。在此，工業(yè)4.0組件管理殼應(yīng)能從各種不同的特征量和域中接收特征并能對其進(jìn)行相互區(qū)分。具體的單個(gè)特征必須是借助于語言表達(dá)方式的不同而相互獨(dú)立的，并且是能夠維護(hù)的。

這種通過工業(yè)4.0的標(biāo)準(zhǔn)化方法為用戶提供了利用新的技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行跨行業(yè)和跨部門研發(fā)的可能性。在此，工業(yè)4.0組件管理殼的構(gòu)成必須能夠使得在各種不同的部分模型和特征之間實(shí)現(xiàn)一個(gè)適用的顯示。由此，現(xiàn)有的特征便也能夠在各種不同的域里進(jìn)行使用。

內(nèi)容與互動(dòng)

工業(yè)4.0系統(tǒng)應(yīng)用方案的特點(diǎn)是在企業(yè)或商業(yè)的實(shí)際運(yùn)行中參與組件始終保持著高度靈活性、適用性和自主性。各個(gè)具體的工業(yè)4.0組件管理殼之間的有效且可靠的合作最終使各個(gè)價(jià)值鏈在一個(gè)這樣的系統(tǒng)里實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致。為此，需要一種共同的、基于互動(dòng)樣式的語言。 這種語言由詞匯和為此定義的語法組成，語言的內(nèi)容和作用必須依靠數(shù)理邏輯學(xué)進(jìn)行明確的描述。

工業(yè)4.0組件交換對其性能產(chǎn)生影響的信息，信息元素是互動(dòng)必要的基本存在和各種不同的域存在的一個(gè)部分。這些存在的內(nèi)容已經(jīng)記錄在工業(yè)4.0組件的表現(xiàn)里。在工業(yè)4.0系統(tǒng)里，存在是為人們所共知且明確的。

為了實(shí)施處理和利用部分模型里的與應(yīng)用相關(guān)聯(lián)的功能，重點(diǎn)優(yōu)先的技術(shù)條件是互動(dòng)?；?dòng)被視為至少是兩個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)過渡的聯(lián)想。在此，一個(gè)系統(tǒng)(發(fā)送器)發(fā)出的信息表現(xiàn)為第二個(gè)系統(tǒng)(接受器)輸入的信息值。但是，該描述并不說明哪些工業(yè)4.0組件必須提供哪些互動(dòng)。但是，該描述確定了，當(dāng)應(yīng)該提供相應(yīng)的應(yīng)用功能時(shí)，互動(dòng)是如何進(jìn)行是確定的。