智能制造流派 全球模型大盘点深度

本文简介国际现有的十一种智能制造参考模型，分为上下篇。本文为下篇。

十一金刚之五：物联网概念模型（图1）

发布组织：

ISO/IEC JTC1/WG10物联网工作组

发布日期：

2015年10月（ISO/IEC 30141《物联网参考体系结构》工作组草案）

应用领域：

城市、能源、移动（mobility）、家居、建筑、工厂、健康、物流等

特征：

☆ 旨在提供公共结构和定义，用于描述物联网系统中实体之间的概念和关系；

☆ 表示方式是基于修正的UML类图表示法；

☆ 图1描述了概念模型中定义的所有物联网关键实体，及其关系和互操作。

图1　物联网概念模型

十一金刚之六：IEEE物联网参考模型（图2）

发布组织：

IEEE P2413物联网工作组

发布日期：

2015年10月（草案/D0.0.4）

应用领域：

智能自动化（工厂自动化和过程自动化）、智能电网、智能建筑、智能交通系统、智慧城市、健康医疗（eHealth）等

特征：

☆ 定义了多种参考模型及其关系，如物理实体模型、领域模型、通信模型、功能模型、信息模型、完整性模型；

☆ 旨在协同不同参考模型以达到相同的系统质量；

☆ 它使用ISO/IEC/IEEE 42010中规定的符号进行描述。

图2　IEEE物联网参考模型

十一金刚之七：ITU物联网参考模型（图3）

发布组织：

ITU-T SG20物联网及其应用

发布日期：

2012年6月（ITU-T Y.2060）

应用领域：

智能交通系统、智能电网、健康医疗（eHealth）、智能家居等

特征：

☆ 具有四个层次：设备层、网络层、服务支持和应用支持层、应用层；

☆ 具有两个跨层能力：管理能力、安全（security）能力；

☆ 强调三方面的互联和通信：任意物体（Any THING）、任意时刻（any TIME）和任意地点（any PLACE）。

图3　ITU物联网参考模型

十一金刚之八：物联网架构参考模型（图4）

发布组织：

oneM2M物联网协议联盟

发布日期：

2015年6月（TS-0001-V2.2.0）

应用领域：

能源、智能交通、健康医疗、公共服务、商业、智能家居等

特征：

☆ 包括三个层次：应用层、公共服务层、网络服务层，使用三层模型以支撑端对端的M2M服务；

☆ 专注于物联网应用层标准的制定，以实现各领域间的信息互通，包括：用例、接口、互操作、安全等。

图4　oneM2M分层模型

十一金刚之九：全局三维图（Big Picture 3D diagram）（图5）

发布组织：

ISO/TC184自动化系统与集成

发布日期：

2016年12月

应用领域：

航空、汽车、生物技术、化学、建筑、国防、电气工程、食品、制鞋等

特征：

☆ 旨在使用 “全局图”矩阵来识别已有标准在制造系统各层级中定位、缺失和重叠，帮助确定新标准需求；

☆ 由3个维度组成：角色层级（企业的层次结构）、价值链（从供应、操作、销售到客户支持的制造链）和全生命周期（标准覆盖的全生命周期的各阶段）。

图5　全局三维图

十一金刚之十：智能制造标准路线图框架（图6）

发布组织：

法国国家制造创新网络AIF

发布日期：

2016年12月

应用领域：

制造

特征：

☆ 旨在提供现行标准的映射和连接，例如ISO/IEC和实用标准，以便通过未来工厂数字模型描述行业活动（产品、生产、供应链、工业服务）；

☆ 框架介绍了一种分析过程：(步骤1)给出描述标准蓝图的信息模型。(步骤2) 将现有标准填入步骤1中的信息模型,形成标准库。(步骤3)根据需求过滤标准库，建立不同的图形表示,用于理解问题并做出决策。

图6　智能制造标准路线图框架

十一金刚之十一：工业价值链参考架构IVRA（图7）

发布组织：

日本工业价值链计划IVI

发布日期：

2016年12月

应用领域：

制造

特征：

☆ 智能制造单元（SMU）,表示智能制造的一个自主单元。是面向工业需求的多样性和个性化的复杂系统（SoS），通过制造单元的互联互通，极大地提高其生产力和生产效率；

☆ SMU由三个轴组成，即资产、活动和管理视角；

☆ 提出建立企业间“宽松接口”标准框架（图8）。利用宽松定义的标准，企业可根据自身实际情况，从大量模型中选择出一种最为适合的模型，而不必为了遵守唯一的公共模型而过多地改变业务流程，如此可令更多的开发者和企业接受并使用参考模型，形成良性循环。

☆ 参考模型是宽松标准的核心内容。参考模型构成要素及构造不能太细致也不能太笼统，应只规定问题的共通部分。通过参考模型规定内容的粒度及精度，设计不同竞争合作的界限，拥有引导企业合作共赢的力量。

图7　工业价值链参考架构IVRA

图8　“宽松接口”标准框架

智能制造参考模型对比研究

本文从4个视角18个方面对上述参考模型的描述能力进行对比分析。物理方面对应RAMI4.0中“层次结构”（物理空间），逻辑方面对应RAMI4.0中“类别”（信息空间）。分析结果如表1所示。

表1 现有参考模型分析对照表

综上所述，可以得出以下分析结果：

1) 国家智能制造参考模型主要面向制造业，国际组织智能制造参考模型面向多个应用领域：

☆ 面向制造业：德国工业4.0、美国智能制造生态系统、中国智能制造系统架构、法国国家制造创新网络、日本工业价值链计划；

☆ 面向多个领域（如商业、能源、健康等）：其他参考模型。

2) 智能制造参考模型更复杂，多为三维结构；而物联网参考模型相对简单，多为二维结构

☆ 7个智能制造参考模型，其中6个是三维结构；

☆ 4个物联网模型都是二维结构；

☆ 例外：法国国家制造创新网络AIF是二维结构，提供分析方法，不完全是参考模型。

3) 大多数模型广泛涵盖逻辑方面，部分模型涵盖物理、生命周期和综合方面，其中4个物联网模型基本只涵盖逻辑方面。 同时，我们认为：对于智能制造而言，生命周期方面的描述能力尤为关键。

4) 有4个模型描述了“互联世界（Connected World）”能力，以表示不同企业之间的连接（例如，工厂和能源管理提供商之间、工厂和运输运营商之间），这方面能力对企业间集成和协同很重要，但目前的标准还都局限于单个企业内部。

5) 只有3个模型描述了“产品”能力，以描述被制造的产品在制造过程中各阶段应具有的全部信息（标识、位置、状态、路线等），“产品”能力对生产过程智能化的实现很重要。

6) 只有5个模型描述了“安全”能力，但安全（尤其是信息安全）是智能制造企业应用必须解决的关键问题。

7) “德国RAMI4.0模型”和“智能制造生态系统SMS”对比分析：

☆ RAMI4.0生命周期轴定义为“样机/实例”，但可以表示SMS模型中定义的产品生命周期、生产系统生命周期和供应链生命周期；

☆ 层级结构都基于相同的标准（IEC 62264-1和IEC 61512-1），但RAMI4.0增加了两个层级：产品、互联世界。

8) “德国RAMI4.0模型”和“工业互联网参考架构IIRA”对比分析：

☆ RAMI4.0更着重于设计与制造；而IIRA着重于设备管理与维护；

☆ RAMI4.0更关注生产过程智能化和虚拟化；而IIRA更关注大数据和云计算；

☆ RAMI4.0是以西门子、库卡、SAP等公司为主导，希望从硬件打通到软件；而IIRA是以GE、IBM等公司为支持，侧重于从软件出发打通硬件；

☆ RAMI4.0深入制造业各环节； IIRA掌控跨领域资源与数据。如图9所示。

图9　RAMI4.0和工业互联网IIRA模型对比

ISO/IEC智能制造参考模型相关工作

ISO/IEC智能制造参考模型相关工作组主要包括：IEC/TC65/WG16（数字工厂）、IEC/TC65/AHG3（智能制造框架和系统架构）、IEC/SC65E/AHG1（智能制造信息模型）、IEC/SMB/SEG7（智能制造评估组）、ISO/TMB/SAG（工业4.0战略顾问组）和IEC/TC65/JWG21（智能制造参考模型）等。

IEC/SMB/SEG7 智能制造系统评估组

2014年8月，IEC/SMB（标准管理局）成立了SG8“工业4.0/智能制造战略工作组” ，开展智能制造标准战略和标准体系研究。2016年6月，该工作组转为SEG7“智能制造系统评估组”，工作范围包括：扩展市场和商业驱动力；提供现有标准清单；加强国际合作；扩展智能制造企业内通用价值链的定义，识别相关用例，发现现有标准与企业应用的差距；确定智能制造标准化路线图、标准体系、标准化需求和符合性测试；制定用例的统一描述方法；给出下一步工作建议等。

下设三个任务组，TF1（标准）梳理标准化现状和差距；TF2（用例）收集各领域用例及在参考模型中如何使用；TF3（模型和架构）收集各国际组织正在制定的智能制造参考模型，为制定统一参考模型做准备。

ISO/TMB/SAG 工业4.0战略顾问组

2015年6月，IEC/TMB（技术管理局）成立了SAG“工业4.0战略顾问组” ，开展智能制造标准战略和标准体系研究。2016年6月，该工作组转为ISO/SMCC（智能制造协调委员会），工作范围包括：工业4.0相关的标准化工作现状；识别新制定标准需求；TMB行动建议；跟踪其他国家、地区、国际相关标准化活动，提出与合作组织（尤其是IEC/SMB/SEG7）的合作机制。

IEC/TC65/JWG21智能制造参考模型工作组

ISO和IEC联合成立了IEC/TC65/JWG21 （智能制造参考模型工作组）制定智能制造统一参考模型。目前已发布IEC PAS 63088 Ed1《智能制造参考模型工业4.0(RAMI4.0)》，作为制定统一参考模型的基础。2017年7月19日～20日在法兰克福召开首次会议。

总结

不同国家、不同组织已制定了不同领域/生命周期/规模/颗粒度的参考模型，需要通过消除重复交叉和阐明核心内容，将这些模型合并为统一的智能制造参考模型。

智能制造参考模型的制定应考虑以下问题：

☆ 基于分层控制模型经典的制造系统体系结构正在向基于分布式自组织制造服务发展的新体系结构进化和演变；

☆ 被制造的产品将成为真正的“生命体”，具有制造过程中各阶段所必须的全部信息（标识、位置、状态、路线），及自组织、自诊断、自恢复等能力；

☆ 标准和安全是参考模型不可或缺的内容，是实现系统间和企业间集成和互联互通的基础和保障；

☆ 根据参考模型提炼企业用例是推进智能制造落地实施的加速器。

今年我国智能制造参考模型和标准体系即将修订，应进一步对现有参考模型进行分析、消化和吸收，并结合目前2.0、3.0和4.0并存的国情开展工作。