數字工廠工業4.0從數字工廠演變提升而來。國際上十幾年前就開始了數字工廠的研究。最初思想是使用電子描述替代紙質文件，并在軟件工具中使用它進行電子布線和安裝，以便于集成并減少工程成本。隨著信息技術和數據庫技術的發展，數字工廠的概念和功能有了很大擴展。IEC(國際電工委員會)詞匯庫給出的定義是：數字工廠是數字模型、方法和工具的綜合網絡(包括仿真和3D虛擬現實可視化)，通過連續的沒有中斷的數據管理集成在一起。它是以產品全生命周期的相關數據為基礎，在計算機虛擬環境中，對整個生產過程進行仿真、評估和優化，并進一步擴展到整個產品生命周期的新型生產組織方式。
數字工廠的概念模型分為三個層次，底層是包含產品構件(如汽車車燈、發動機、輪胎等)和工廠生產資源(如傳感器、控制器和執行器等)的實物層。第二層是虛擬層，對實物層的物理實體進行語義化描述，轉化為可被計算機解析的“鏡像”數據，同時建立數字產品資源庫和數字工廠資源庫的聯系。第三層是涉及產品全生命周期過程的工具/應用層，包括設計、仿真、工程應用、資產管理、物流等各個環節。數字工廠概念的最大貢獻是實現虛擬(設計與仿真)到現實(資源分配與生產)。通過連通產品組件與生產系統，將用戶需求和產品設計通過語義描述輸入資源庫，再傳遞給生產要素資源庫，制造信息也可以反饋給產品資源庫，從而打通了產品設計和產品制造之間的“鴻溝”。更進一步，實現了全網絡統籌優化生產過程的各項資源，在改進質量的同時減少設計時間，加速產品開發周期。
數字工廠概念的示意圖數字工廠作為支撐工業4.0現有的最重要國際標準之一，是IEC/TC65(工業過程測量、控制和自動化)的重要議題。2011年6月，IEC/TC65成立WG16“數字工廠”工作組，西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動化、橫河等國際自動化企業，以及我國機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所等研究機構，都參與了IEC/TR62794：2012數字工廠標準的制定。為更好地指導國內企業開展數字工廠建設，全國工業過程測量控制和自動化標準化委員會(SAC/TC124)組織國內相關單位，將該標準等同轉化為我國國家標準GB/Z 32235-2015《工業過程測量、控制和自動化生產設施表示用參考模型(數字工廠)》(2015年12月發布)。
工業4.0的核心在于工業、產品和服務的全面交叉滲透，這種滲透借助于軟件，通過在互聯網和其他網絡上實現產品及服務的網絡化而實現。工業4.0重點關注兩方面內容：產品開發與生產過程。德國工業4.0戰略計劃實施建議中，進一步提出工業4.0的三個核心特征：
·企業內部靈活可重組的網絡化制造系統的縱向集成，將各種不同層面的自動化與IT系統集成在一起(如傳感器和執行器、控制、生產管理、制造執行、企業計劃等各種不同層面)，強調生產信息流的集成，包括訂單、生產調度、程序代碼、工作指令、工藝和控制參數等信息的下行傳遞，以及生產現場的工況、設備狀態、測量參數等信息的上行傳遞；
·通過價值鏈及網絡實現企業間的橫向集成，將各種不同制造階段和商業計劃的IT系統集成在一起，強調產品的價值流(增值過程)集成，既包括一個公司內部的材料、能源和信息的配置(如原材料物流、生產過程、產品外出物流、市場營銷等)，也包括不同公司間的配置(形成價值網絡)；
·全生命周期管理及端到端系統工程，通過集成CAD/CAM/CAPP、PLM、ERP、SCM、CRM、MES等軟件/系統，實現用戶參與設計(個性化)，并通過虛擬設計、虛擬評估和虛擬制造，更好地把用戶需求同生產制造完美地結合起來。并涉及產品直到維護服務的全生命周期，隨時將用戶意見反饋給前端的設計階段，動態提升產品質量。
這三個集成實際上為我們指明了實現工業4.0的技術方向。模型技術當道，標準化先行。德國電工電子與信息技術標準化委員會(DKE)于2014年發布了第一版德國工業4.0標準化路線圖，對德國的工業4.0標準化工作進行頂層設計，并于2015年公布了工業4.0參考架構模型。
工業4.0參考架構模型(RAMI 4.0)RAMI 4.0以一個三維模型展示了工業4.0涉及的所有關鍵要素，借此模型可識別現有標準在工業4.0中的作用以及現有標準的缺口和不足。工業4.0集中于產品開發和生產全過程。RAMI4.0模型的第一個維度(垂直軸)借用了信息和通信技術常用的分層概念。類似于著名的ISO OSI七層模型，各層實現相對獨立的功能，同時下層為上層提供接口，上層使用下層的服務。從下到上各層代表的主要功能為：
·資產層+集成層：數字化(虛擬)表示現實世界的各種資產(物理部件/硬件/軟件/文件等)；
·通信層：實現標準化的通信協議，以及數據和文件的傳輸；
·信息層：包含相關的數據；
·功能層：形式化定義必要的功能；
·業務層：映射相關的業務流程。
因而，可以各層次為不同視角來實現工業4.0的建模和實施。RAMI 4.0模型的第二個維度(左側水平軸)描述全生命周期及其相關價值鏈。這一維度的參考標準是IEC 62890《工業過程測量控制和自動化系統和產品生命周期管理》。此處的過程是指生產過程，完整的生命周期從規劃開始，到設計、仿真、制造，直至銷售和服務。
RAMI 4.0模型進一步將生命周期劃分為樣機開發(type)和產品生產(instance)兩個階段，以強調不同階段考慮的重點不同。Type階段從初始設計至定型，還包括各種測試和驗證。Instance階段進行產品的規模化、工業化生產，每個產品是原型(type)的一個實例(instance)。工業4.0中，Type階段與Instance階段形成閉環，例如：在銷售階段將產品的改進信息反饋給制造商以改正原型樣機，然后發布新的型號和生產新的產品。這為產品的升級改進帶來巨大的好處。
另一方面，將采購、訂單、裝配、物流、維護、供應商以及客戶等緊密關聯，例如：在裝配工序使用物流數據，根據未完成訂單組織內部物流，采購部實時查看庫存并在任意時刻了解零部件供貨情況，客戶知曉所訂購產品的整個生產過程。這也將為改進提供巨大的潛能。因此，必須將生命周期與其所包含的增值過程一起考慮，不僅限于單個工廠內部而是擴展到涉及的所有工廠與合作伙伴，從工程設計，到零部件供應商直至最終客戶。
RAMI 4.0模型的第三個維度(右側水平軸)描述工業4.0不同生產環境下的功能分類，與IEC 62264《企業控制系統集成》(即ISA S95)和IEC 61512《批控制》(即ISA S88)規定的層次一致。更進一步，由于工業4.0不僅關注生產產品的工廠、車間和機器，還關注產品本身以及工廠外部的跨企業協同關系，因此在底層增加了“產品”層，在工廠頂層增加了“互聯世界”層。
RAMI 4.0模型將全生命周期及價值鏈與工業4.0分層結構相結合，為描述和實現工業4.0提供了最大的靈活性。
RAMI 4.0模型的標準映射
RAMI 4.0模型的目的在于識別作用于工業4.0的現有標準和標準缺口，并選擇適宜的解決方案。
工業4.0現有的國際標準可包括數字工廠、安全與保障、能效、系統集成、現場總線等幾個技術領域，主要來自于IEC/TC65，也包括來自IEC/TC3、ISO/TC184、IEC/TC17B、ISO/IECJTC1、IEC/TC44等技術委員會的標準。此外，還涉及ecl@ss等技術組織的標準。為此，德國梳理了工業4.0現有重要標準。
IEC和ISO關于工業4.0的工作組，除IEC/TC65/WG16數字工廠工作組以外，2014年8月IEC/SMB(標準管理局)成立了SG8“工業4.0/智能制造”戰略工作組，開展智能制造標準體系研究；2014年10月，IEC/MSB(市場戰略局)啟動“未來工廠”白皮書項目，開展智能制造市場需求、技術發展、長期規劃研究，該白皮書已完成制定并正式發布；2015年ISO/TMB(技術管理局)成立“工業4.0/智能制造”戰略顧問組，開展工業4.0標準戰略研究。此外，作為工業4.0/智能制造國際標準化工作的主要陣地，2016年2月，IEC/TC65成立了“智能制造信息模型”和“智能制造框架和系統架構”2個特別工作組，全面支撐智能制造相關工作。我國相關專家都參加了以上工作。
我國智能制造技術體系的思考
面對歐美發達國家推行“再工業化”戰略，以及我國制造業面臨諸多嚴峻問題的形勢下，國務院于2015年3月19日發布了我國制造強國戰略的第一個十年行動綱要《中國制造2025》，旨在搶占技術發展的戰略制高點。2015年12月，工信部和國家標準化管理委員會共同發布《國家智能制造標準體系建設指南(2015版)》，其中的智能制造系統架構與RAMI 4.0模型基本一致。
為了理解實現智能制造的技術層次與內容，本文從我國現有制造業水平出發，提出了一個智能制造技術體系。
第二個層次是智能制造關鍵技術裝備。這一層的重點不在于裝備本體，而更應強調裝備的統一數據格式與接口。
第三個層次是智能工廠/車間。按照自動化與IT技術作用范圍CONTROL ENGINEERING China版權所有，劃分為工業控制和生產經營管理兩部分。工業控制包括DCS、PLC、FCS和SCADA等工控系統，在各種工業通信協議、設備行規和應用行規的基礎上，實現設備及系統的兼容與集成。生產經營管理在MES和ERP基礎上，將各種數據和資源融入全生命周期管理，同時實現節能與工藝優化。
第四個層次實現制造新模式，通過云計算、大數據和電子商務等互聯網技術，實現離散型智能制造、流程型智能制造、個性化定制、網絡化協調制造與遠程運維服務等制造新模式。
第五個層次是上述層次技術內容在典型離散制造業和流程工業的實現與應用。
關于技術研發方向的建議
由于各國的制造業基礎和戰略目標各不相同，通往工業4.0的路徑很多：美國倡導“工業互聯網”以整合全球工業資源，德國希望將傳統工業向信息技術發展以繼續保持其裝備制造業全球領導地位，日本利用人工智能以解決勞動力斷層并支持未來的工業智能化，我國則為實現制造業大國向制造業強國的轉變。然而，在智能制造方面，目前我國無論是理論構架還是現實技術條件都處于較初級階段，要想緊跟甚至占領技術制高點，下一步應從幾個方面入手。
首先，必須明確跟蹤學習工業4.0、實施智能制造的目的在于實現個性化定制，建立協同制造、綠色制造和安全保障能力，提升產品質量，提高生產效率，切忌將過去的制造信息化再重新做一遍。
第二，積極參與相關國際標準化工作，及時將國際上最新技術和標準引入國內，同時將我國工業領域的先進技術標準推廣到國際。
第三，開展通用數據字典(CDD)、數字工廠、參考模型、屬性定義等標準化基礎研究工作，建立與國際接軌的統一的數據服務平臺。
第四，重視核心技術突破，研究需要科技攻關的瓶頸和制約技術，并建立標準和統一的測試平臺。其中的兩個重點內容為：
·由于制造過程、設備故障、人員錯誤、外部攻擊等都是智能制造系統的危險因素之一，應并行考慮系統的功能安全與信息安全，形成智能制造安全保障體系與能力；
·針對智能制造系統及產品，開展可靠性綜合應用技術研究：加強對各智能單元的智能處理過程和集成的可靠性研究，加強產品設計和生產過程的可靠性研究，加強知識庫及網絡技術集成的可靠性技術研究。
第五，充分開展不同行業不同企業的已有數據平臺調研，加緊研究典型行業、典型工藝的數字工廠模型，并建立數據庫，為智能制造的全國推廣和行業服務建立基礎。
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本文標題：我國智能制造技術體系的思考
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